К сожалению, Галилею не суждено было узнать об истинном смысле результатов своих наблюдений. Телескоп, которым он пользовался, наблюдая ночное небо в итальянском городе Падуе, был просто недостаточно мощным, чтобы с его помощью можно было раскрыть загадку планеты. Тайна была разгадана лишь полвека спустя, в 1655 году, когда голландский ученый Христиан Гюйгенс построил усовершенствованный телескоп с 50-кратным увеличением. Этот телескоп позволил Гюйгенсу сделать правильный вывод, что Сатурн опоясан широкой системой колец.
Рисунки Сатурна, сделанные рукой Галилея: вид планеты в телескоп. Зрелище, которое потрясло Галилея до глубины души.
Сегодня нам известно, что плоскость, в которой расположены кольца Сатурна, наклонена под углом 26,7 градуса к нашему лучу зрения. Кольца сохраняют свою ориентацию в пространстве, подобно вращающемуся гироскопу, но, поскольку Сатурн вращается по орбите вокруг Солнца, к Земле кольца поворачиваются под разными углами. Когда кольца обращены к нам ребрами – а это случается дважды за период обращения Сатурна вокруг Солнца, который равен 29,5 годам, – они полностью исчезают из поля зрения. В другое время кольца разворачиваются под определенным углом к лучу зрения, и тогда они действительно начинают напоминать «уши».
У Юпитера, Урана и Нептуна также есть кольца, но они выглядят далеко не так впечатляюще, как кольца Сатурна. Его кольца простираются в заоблачные вершины до высот с расстояниями 140 000 км от центра планеты. Если бы такие кольца опоясывали Землю, их протяженность превысила бы треть расстояния от Земли до Луны.
С момента открытия колец вокруг Сатурна ученые неустанно пытались выяснить, из чего они состоят. Этим вопросом в XIX веке заинтересовался и Джеймс Клерк Максвелл – один из величайших физиков, чья деятельность протекала в период между Ньютоном и Эйнштейном. Максвелл знаменит тем, что сумел объединить электрические и магнитные явления, описав их одной системой уравнений, и попутно выяснил, что свет представляет собой не что иное, как электромагнитную волну[77]. В 1858 году Максвелл математически доказал, что, если бы кольца были твердыми или жидкими, они распались бы на составные части. Он сделал вывод, что кольца должны состоять из множества частиц, вращающихся вокруг Сатурна, – целого роя мини-спутников.
Мы видим кольца Сатурна под разными углами при его обращении вокруг Солнца, и поэтому они выглядят по-разному в разных точках его орбиты.
Прошло более ста лет, и эта гипотеза получила окончательное подтверждение, когда в 1980 и 1981 годах космические зонды NASA «Вояджер-1» и «Вояджер-2» пролетали мимо Сатурна. Хотя земные астрономы наблюдают всего несколько широких колец, разделенных системой щелей, одна из которых – знаменитая «Щель Кассини», камеры «Вояджеров» зафиксировали десятки тысяч узких колечек. Внутренние кольца вращаются вокруг Сатурна быстрее внешних, и это подтверждает вывод Максвелла о том, что они не могут быть твердыми.
Кольца на самом деле содержат бесчисленные осколки, на 99 % состоящие из водяного льда. Они сверкают на солнечном свете и из-за этого кажутся такими эффектно яркими. Льдинки имеют разные размеры: некоторые из них меньше песчинок, другие достигают величины большого здания. Самые яркие кольца состоят из частиц и фракций с большой площадью отражающей поверхности, похожих на пушистые «сугробы» из снежинок, которые постоянно слипаются, а потом разваливаются на части. Все эти частицы вращаются в слое, толщина которого не превышает 20 метров. Относительные размеры ширины и толщины колец таковы, что, если бы кольца можно было сжать в диск с поперечником в один километр, этот диск оказался бы тоньше самого острого лезвия бритвы.
Все частицы колец, сложенные вместе, образовали бы тело с поперечником от 200 до 300 километров. Это средний размер типичного спутника Сатурна, что наталкивает нас на возможное объяснение того, как могли появиться кольца. Предположим, один из спутников подошел слишком близко к планете и был разорван ее силами притяжения на части. А может быть, в спутник попала комета или врезался астероид, и от этого удара образовалось множество отдельных осколков.
Яркость колец свидетельствует о том, что их возраст должен быть менее 400 миллионов лет, иначе со временем они покрылись бы пылью от метеоритов в результате неизбежных столкновений с ними. Этот возраст – 400 миллионов лет – в десять раз меньше возраста Земли. Поэтому мы можем считать, что нам повезло – мы оказались в Солнечной системе как раз вовремя, чтобы полюбоваться эффектным зрелищем. Но ученые не любят ссылаться на удачу при объяснении явлений природы. Поэтому некоторые из них считают, что кольца на самом деле старые, но только кажутся «молодыми» из-за того, что вещество, из которого они состоят, постоянно находится в процессе смешивания, слипания и дробления под воздействием метеоритных ударов. В результате такой переработки старые «снежки» все время разбиваются, обнажая чистые, нетронутые слои белоснежного льда.
Финальный аккорд истории про кольца может некоторым показаться обескураживающим: кольца Сатурна на самом деле не кольца, а спирали. И здесь напрашивается аналогия с канавками на старой виниловой пластинке. По какой-то причине – возможно, от удара метеорита – ледяные осколки начинают вибрировать и вынуждают спиральную волну плотности двигаться наружу. Под действием этой волны плотности частицы слипаются друг с другом и образуют временные колечки. Похожий механизм – спиральные волны плотности – лежит в основе образования спиральных рукавов галактики Млечный Путь. Можно сказать, что кольца Сатурна представляют собой нашу спиральную галактику в миниатюре, в которой рукава плотно намотаны друг на друга.
24. Звездные вратаГорный хребет высотой в два Эвереста возник на спутнике Сатурна… одномоментно
Боже мой, как много здесь звезд!
В романе «2001 год: Космическая одиссея» писатель-фантаст Артур Кларк рассказывает о том, как на Япете открываются «Звездные врата» – портал в другие части галактики. Япет, таинственный ледяной спутник Сатурна, был выбран Кларком не случайно. И действительно, где еще размещать искусственный артефакт, созданный пришельцами, как не на спутнике, который сам выглядит как искусственное образование, одна сторона которого в десять раз ярче, чем другая?
Почему Япет выглядит как двуликий Янус? Тайна этого спутника долго оставалась неразрешенной с тех пор, как Япет был открыт астрономом Джованни Доменико Кассини в 1671 году. Но разгадку внешнего вида этого спутника Сатурна следует искать не в деятельности инопланетян, а в системе колец Сатурна.
Космический зонд NASA аппарат «Кассини» пролетел мимо Япета 31 декабря 2004 года. Были получены детальные изображения спутника, чья поверхность оказалась буквально усыпана кратерами. Одна странность на поверхности спутника особенно поразила ученых-планетологов.
Грандиозный кольцевой горный хребет простирается вдоль экватора Япета на 1300 км, т. е. почти на треть длины всего его экватора. Местами он достигает 20 километров в высоту, что более чем в два раза превышает высоту горы Эверест. И это на спутнике, диаметр которого всего 1436 км – меньше половины диаметра нашей Луны! Хребет расположен строго на экваторе. В Солнечной системе ничего подобного больше нигде не встречается.
Этот хребет – еще одна загадка Япета. Он делит почти пополам темную область Япета. Возможно, он как-то связан с двухцветной раскраской спутника Сатурна? Такой же вопрос задала себе Кэролин Порко, ученый-планетолог, руководитель группы по обработке изображений миссии «Кассини».
Уникальный горный хребет растянулся почти на треть экватора Япета.
Кадр из короткого компьютерного анимационного фильма, снятого миссией «Кассини»: вид Сатурна с Япета (NASA, JPL–Caltech, Space Science Institute).
Астроном Паулу Фрейре из обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико предположил, что существует связь между кольцами Сатурна и горным хребтом на Япете. Однажды Япет вошел в зону влияния системы колец Сатурна. Сами кольца, скорее всего, остались от катастрофы, повлекшей за собой разрушение одного или нескольких бывших спутников Сатурна. И хотя ширина колец не превышает 20 метров, они буквально кишат льдинами и льдинками: там есть и маленькие ледяные крупицы размером с пылинку, и огромные глыбы льда, которые по протяженности можно сравнить с рядом домов, образующих целый квартал. Вторжение Япета во внешнюю зону системы колец привело к эффекту «газонокосилки»: как будто гигантский стриммер принялся обрабатывать скалу. Поверхность Япета, оказавшаяся внутри колец, подверглась жестокой бомбардировке[79].
Фрейре заинтересовался вопросом, какое количество вещества могло осесть на поверхности Япета в результате бомбардировки ледяными кольцами. Он исходил из предположения, что контакт продолжался всего лишь несколько часов, а этот промежуток времени составляет весьма малую часть от всего периода обращения Япета вокруг Сатурна. Зная среднюю плотность вещества в кольцах Сатурна и скорость движения Япета относительно колец – примерно в 10 раз превышающую скорость современного пассажирского лайнера, – Фрейре подсчитал, что на каждый метр горного массива должно было выпасть 25 миллионов кубических метров материала колец. Этого достаточно, чтобы образовался хребет высотой 5 километров с шириной основания 10 километров.
Если бы Япет полностью вошел внутрь колец, горный хребет на его поверхности был бы гораздо длиннее и опоясал бы кольцом не треть, а половину экватора. И Фрейре сделал вывод, что Япет, пролетая мимо колец Сатурна, слегка задел их по касательной, не углубляясь значительно внутрь.