Разрешить проблему для уникального объекта необычайно трудно. Помощь пришла неожиданно. В 1977 г. произошло покрытие Ураном слабой звезды SAO 158687. Регистрация события дает важную информацию об орбите Урана и свойствах его атмосферы, и потому наблюдения велись на нескольких обсерваториях. Измерялась яркость звезды. Ожидался такой вид фотометрической кривой: горизонтальная прямая, дифракционные колебания, нулевой уровень и симметричное повторение явления. Вместо этого до покрытия блеск звезды снижался несколько раз, и симметричная картина повторилась после покрытия. Был сделан вывод, впоследствии полностью подтвердившийся, что Уран обладает системой колец, как и Сатурн. Только кольца Урана несравненно менее мощные, к тому же они состоят из очень черных частиц в отличие от покрытых белым инеем метеороидов вокруг Сатурна. В 1979 г. тонкие кольца были открыты у Юпитера зондом «Вояджер-1». Вскоре они были вновь сфотографированы «Вояджером-2». Эти два космических разведчика принесли феноменальную информацию о планетах-гигантах. «Вояжер-2» в 1989 г. открыл кольца Нептуна.
Уместно заметить, что еще в 1960 г. С.К. Всехсвятский предсказал существование колец Юпитера: некоторые полосы в экваториальной зоне планеты киевский астроном интерпретировал как тень от тонкого кольца, расположенного в экваториальной плоскости. Поскольку наклон последней к орбитальной плоскости всего 3° в отличие от 26° для Сатурна, то тень чрезвычайно узка. Так как столь узкая полоска на грани или даже за гранью ошибок наблюдений, то выводы Всехсвятского не были признаны астрономическим сообществом.
Кольца далеких планет обладают общими чертами: чрезвычайно плоские, разделенные несколькими промежутками. Есть, разумеется, и большие различия: лишь у Сатурна система столь мощна, что колечки для земного наблюдателя сливаются в сплошные кольца шириной, сравнимой с диаметром центральной планеты. С борта космического зонда видна их тонкая структура, напоминающая граммофонную пластинку. Есть и множество других удивительных деталей. Перечислим самые интересные свойства колец Сатурна.
* Они расслаиваются на отдельные колечки шириной вплоть до долей километра.
* Присутствуют и никак не ожидавшиеся радиальные структуры — спицы, живущие несколько часов.
* Существует несколько устойчивых некруговых эллиптических колечек.
* По мощным кольцам регулярно прокатываются спиральные волны плотности и изгибные волны.
* Спектр масс частиц простирается от микрометровых пылинок до декаметровых глыб. Стометровые практически отсутствуют.
* В частицах метрового размера заключена основная масса кольца. Поражает ничтожная толщина кольца — от 5 до 30 м.! Лишь внешние, чрезвычайно разреженные кольца G и Е имеют заметную толщину в сотни (G) и десятки тысяч (Е) километров.
* Сатурн обладает обширной системой из 60 спутников размерами от 3 до 5150 км., часть из которых движется в щелях между кольцами. Внутри же внешнего пылевого кольца Е движутся сразу десять спутников.
Кольца остальных планет-гигантов содержат гораздо меньше материи. У Юпитера кольца сплошные, широкие, круговые. На краю Главного кольца движутся два из 63 спутников планеты, внутри Паутинного кольца — еще два. Самое внутреннее кольцо погружено в гало заметной толщины.
Уран обладает десятком узких плотных колечек с эксцентриситетами до 0,01 и наклонами к плоскости экватора до 0,06°. Эксцентричные колечки имеют переменную ширину — наименьшую в перицентре и наибольшую в апоцентре. Промежутки между кольцами заполнены мелкой пылью. Пыль во внутренней области быстро оседает на планету, тормозясь ее обширной атмосферой.
В системе Нептуна два ярких узких колечка и два широких разреженных. Ярчайшее кольцо имеет три значительных уплотнения, которые только и можно наблюдать с Земли. Поэтому первоначально говорили об арках или разорванных кольцах Нептуна. Из 13-ти спутников Нептуна четыре находятся на краю или между кольцами.
«Вояджеры» открыли еще одно интересное для нас образование — плазменный тор вокруг орбиты первого галилеева спутника Юпитера Ио. Рой этот состоит не из пылинок, а из ионизованных атомов и молекул серы с примесью других веществ. Он не уплощен: меридиональное сечение тора напоминает эллипс со сравнимыми полуосями.
В результате описанной лавины открытий кольцо Сатурна потеряло уникальность. Вопрос «Откуда у Сатурна кольцо?» дополнился другим: Почему у планет земной группы нет колец? Мы можем хотя бы частично ответить на оба взаимосвязанных вопроса. «Частично» потому, что детальная информация с борта космических зондов охватывает годы для Юпитера и Сатурна, но ограничена временем порядка суток для Урана и Нептуна — практически мгновенные фотографии. Наблюдения от Земли, хотя и приносят некоторые результаты (например, космический телескоп «Хаббл» в 2003-05 гг. открыл два новых кольца Урана), не обладают желаемой детальностью. И все же полученные данные достаточно полны. По-видимому, уже открыты все крупные спутники планет диаметром более 20 км. и все сколько-нибудь плотные кольца.
Анализ динамики спутников и частиц кольца показывает неразрывную связь последнего с обширной системой спутников. Прежде всего это синхронизация периодов обращения частиц, вызванная резонансами с периодами обращения спутников. В небесной механике хорошо известно, что резонансы вызывают сильные возмущения в кеплеровском движении частиц, приводящие в разных случаях либо к выметанию частиц из зоны резонанса (щель Кассини между основными кольцами Сатурна — резонанс с движением Мимаса), либо к повышению устойчивости орбиты. Тонкая структура колец — результат игры резонансов. Спиральные волны, спицы — все это тоже обязано взаимодействию ансамбля частиц со спутниками. Таким образом, спутники создают динамическую картину колец и стабилизируют ее.
Но роль спутников этим не исчерпывается. Действует следующий многоступенчатый механизм. Раз в несколько сот миллионов лет достаточно большие тела размером в несколько километров сталкиваются с крупными спутниками, например, Сатурна. Удар с космической скоростью приводит к откалыванию нескольких тел размером в десятки и сотни километров. Гораздо чаще более мелкие пришельцы, а также взаимные столкновения приводят к дальнейшему дроблению вплоть до песчинок и пылинок. Пылевой комплекс возникает как результат динамического равновесия. Частицы его выпадают обратно на спутники, оседают на планету, а взамен их поступают новые. Равновесие это отнюдь не абсолютное. После крупного столкновения в систему впрыскивается огромное количество материала, а в промежутках между катастрофами пояса истончаются.
Раскрывается удивительная картина. Похоже, все три приведенные выше причины, решающие загадку колец, действуют! Но по порядку.
Представляется несомненным, что первичные кольца возникли на поздней стадии формирования Солнечной системы. В близкой к планете зоне приливные силы препятствовали возникновению спутников, и материя осталась собранной в тела размерами до десяти — максимум ста метров. Дальше гравитационное взаимодействие колец и спутников привело к структурированию колец и сообщило им динамическую устойчивость.
Столкновительный механизм, созидающий и разрушающий кольца, безусловно, также действует. Так, в системе Урана лишь внешнее плотное колечко ε находится вне аэродинамической опасности. Частицы остальных тонких колец должны были бы выпасть на планету из-за сопротивления протяженной атмосферы. Снимки с «Вояджера-2» показывают шлейф мелкой пыли от ε вниз. Таким образом, все внутренние кольца Урана — это просто зоны, где пыль задерживается на некоторое время, прежде чем выпасть на планету.
Кольцо Е Сатурна — также результат динамического равновесия потоков вещества, поступающего от недавно открытых ледяных фонтанов Энцелада и от метеоритных ударов по поверхностям спутников в этой области и постепенно выпадающего из системы. Вообще большинство колец, как и мы с вами, живет за счет постоянного обновления материи, из которой они состоят. Роль столкновительного механизма пока неясна лишь для главных, наиболее плотных и устойчивых колец из крупных частиц. Часть ученых считают, что главные кольца — реликтовые образования, содержащие частицы многомиллиардолетнего возраста. Другая часть склоняется к тому, что продленный спутниками период полураспада кольца менее миллиарда лет, и мы наблюдаем пылевые комплексы, частицы которых значительно моложе планет и спутников. Кольца Юпитера, Урана, Нептуна — относительно старые равновесные образования; кольцо Сатурна относительно молодо и теряет вещества больше, чем получает извне.
Для решения вопроса желательны и новые экспериментальные данные, и усилия теоретиков. Нужно рассчитать поведение комплекса на 5 млрд. лет. Это гораздо труднее, чем на относительно короткий срок, так как — на первый взгляд — пренебрежимо малые силы могут изменить поведение системы. Вот простой пример. За тысячу лет из-за эффектов теории относительности перигелий Меркурия смещается на 7′, т.е. всего на четверть видимого с Земли диаметра Луны. Но за миллиард лет перигелий совершит 332 лишних оборота вокруг Солнца! Будем надеяться, что в ближайшее время возраст колец будет надежно установлен.
Теперь ясна и ситуация с внутренними планетами. Меркурий и Венера лишены спутников и могли бы иметь лишь первичные кольца — механизм пополнения отсутствует. Но физические условия во внутренней области Солнечной системы гораздо менее благоприятны для выживания колец. Кольца из льда и инея (как у Сатурна) просто бы испарились. Силикатные или угольные частицы (как у Урана) вплоть до метровых размеров за миллиард лет упали бы на Венеру (на Меркурий гораздо раньше) под действием эффекта Пойнтинга-Робертсона.
Около Земли эффект Пойнтинга-Робертсона действует лишь в два раза слабее, чем у Венеры, и тоже должен разрушить гипотетическое первичное кольцо. Кроме того, сильным разрушителем в первый миллиард лет существования Земли была тяжелая Луна, находившаяся тогда в несколько раз ближе к Земле. Массивность Луны лишает нас и обновляющегося кольца. Как известно из опытов со сверхскоростными столкновениями, падение метеорита на поверхность небесного тела вызывает выброс огромных масс вещества: в 1000 и даже в 10000 раз больше массы ударника. В соответствии с законом сохранения энергии скорость вылетающих осколков раз в сто ниже. Поскольку вторая космическая скорость на поверхности Луны достаточно велика (2,4 км/с), то выброшенное вещество падает обратно на Луну и космос остается чистым. В действительности ситуация несколько сложнее. Осколки вылетают с разными скоростями, и ничтожная их часть все же попадает на геоцентрические орбиты. Поэтому плотность материи в околоземном пространстве чуть выше, чем в меж