Сатурн: «властелин колец»

Общие характеристики. Сатурн представляет собой планету-гигант, вторую по величине после Юпитера. Он удален от Солнца на 9,58 а. е. Его ось вращения наклонена к плоскости орбиты планеты на 27 градусов, что влечет за собой смену времен года, а орбита, в свою очередь, наклонена к плоскости эклиптики на 2,5 градуса (рис. 6.4). Год на Сатурне длится 29,5 земных лет. Любопытно, что в отличие от эллиптических орбит других планет Солнечной системы Сатурн вращается вокруг Солнца практически по круговой орбите, а значит, с примерно равной скоростью. Диаметр планеты составляет 120 тыс. км.

Рис. 6.4. Сатурн и его спутники.

• • По объему Сатурн больше Земли в 9,4 раза и мог бы вместить в себя почти 800 Земель.
• • Плотность планеты меньше, чем у воды (0,7 г/см³ против 1), потому что большую часть всего этого огромного шара составляют легкий водород и гелий. Если Сатурн поместить в огромный бассейн, то он не утонет, а будет плавать!
• • Несмотря на огромные размеры, гравитация на Сатурне составляет всего 91% земной, хотя общая масса у него больше, чем у Земли, в 95 раз. Окажись мы там, особой разницы в силе притяжения не увидели бы, конечно, если отбросить другие факторы, которые нас просто убили бы.
• • Сатурн, несмотря на гигантские размеры, вращается вокруг оси гораздо быстрее Земли — сутки там длятся от 10 часов 39 минут до 10 часов 46 минут. Такая разница объясняется тем, что верхние слои Сатурна преимущественно газообразные, поэтому вращается он в разных широтах с разной скоростью.

Строение планеты (рис. 6.5). Внешние слои Сатурна, как и Юпитера, состоят по большей части из газообразного водорода и гелия. По мере погружения вглубь водородно-гелиевая атмосфера сгущается и плавно переходит в океан. Небольшие примеси более тяжелых химических элементов под действием гравитации опустились в центр планеты и сформировали железокаменное ядро. Излучаемая Сатурном в космос энергия в 2,5 раза выше, чем та, которую планета получает от Солнца.

Рис. 6.5. Строение Сатурна.

Ветры в атмосфере планеты достигают 500 м/с, грозы в тысячи раз более сильные, чем на Земле, выпадают гелиевые дожди. На южном полюсе зафиксированы полярные сияния, что свидетельствует о высокой магнитной активности планеты (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Факт наличия полярного сияния на Сатурне.

В атмосфере Сатурна в районе северного полюса можно увидеть пятно в форме шестиугольника — так называемый Гексагон (рис. 6.7). На сегодняшний день это явление не имеет четкого научного объяснения. Скорее всего, это устойчивое вихревое образование.

Рис. 6.7. Гекса гон Сатурна.

Исследования. Планета активно изучается, так, в 1979 г. космический аппарат «Пионер-11» обнаружил у Сатурна магнитосферу, которая уступает по мощности и размерам разве что Солнцу и Юпитеру. Первые снимки с близкого расстояния были сделаны аппаратами «Вояджер-1» и «Вояджер-2» в 1980;е гг.

С 1990;х гг. Сатурн, его спутники и кольца изучались с помощью космического телескопа «Хаббл». В 1997 г. была запущена программа «Кассини-Гюйгенс» (рис. 6.8). Орбитальная космическая станция достигла орбиты Сатурна спустя 7 лет — в 2004 г.

Рис. 6.8. Космический аппарат «Кассини».

В сентябре 2017 г. «Кассини» прекратил свою миссию и, по всей видимости, сгорел в атмосфере Сатурна или был ей раздавлен. С 2009 г. разрабатывается новый совместный проект космических агентств Европы и США по запуску автоматической межпланетной станции Titan Saturn System Mission.

Наблюдения. Сатурн выглядит как яркая светло-желтая звезда в южной части неба. Его можно наблюдать как в небольшой любительский телескоп, так и в бинокль (см. рис. 18, цветная вклейка).

Наилучшая видимость достигается раз в год при противостояниях. Благодаря наличию колец в этот день планета выглядит как звезда нулевой величины (0^m), т. е. ярче Юпитера, хотя Сатурн расположен гораздо дальше (рис. 6.9). Угловой размер достигает 18″. Список ближайших противостояний: 15 июня 2017 г.; 27 июня 2018 г.; 9 июля 2019 г.; 20 июля 2020 г.

Рис. 6.9. Сатурн в контровом свете Кольца. Сатурн широко известен в первую очередь благодаря своей мощной системе колец, хорошо обозримой даже в небольшой бинокль. Кольца названы буквами латинского алфавита в порядке обнаружения: D, С, В, A, F, G, Е (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Кольца Сатурна.

Интересный факт

Кольцо Е, расположенное у самого края, нельзя обнаружить с помощью оптических систем. Его удалось вычислить благодаря устройствам, которые находят заряженные частицы и электрические поля.

Всего на сегодняшний день насчитывается семь крупных колец, разделенных щелями и делениями, которые носят имена ученых. В хороший любительский телескоп можно заметить между кольцами знаменитую Щель Кассини^[1] — промежуток между кольцами А и В. Щель Кассини была названа в честь итальянского и французского астронома и инженера Джованни Кассини (1625—1712), который и обнаружил темную полосу в кольцах и доказал, что у Сатурна есть внешнее (Л) и внутреннее (В) кольца. Размер Щели Кассини составляет порядка 5 тыс. км.

При ближайшем рассмотрении каждое кольцо распадается на множество других, более мелких колец. Таким образом, точное их число установить не представляется возможным.

(?) Обратитесь к дополнительной литературе и расскажите о других щелях и делениях между кольцами Сатурна.

В течение семи лет по мере обращения Сатурна вокруг Солнца кольца то раскрываются шире к Земле, то вовсе пропадают из вида (рис. 6.11). Этот эффект возникает в связи с наклоном оси Сатурна, а значит, и расположенных у экватора колец.

Рис. 6.17. Видимость колец Сатурна с Земли под разными углами.

в разные годы Впервые систему колец Сатурна в 1610 г. обнаружил Галилео Галилей, но он ошибочно принял Сатурн за тройную планету с двумя придатками с обеих сторон (рис. 6.12). В 1612 г. при повторном наблюдении Сатурна Галилей и вовсе не увидел колец, поскольку они располагались к наблюдателю ребром. Позднее существование колец подтвердил нидерландский физик и астроном Христиан Гюйгенс (1629—1695).

Рис. 6.12. Наблюдения Сатурна в наши дни и во времена Галилея.

В научном сообществе существует несколько гипотез возникновения колец, наиболее популярными являются две.

Согласно первой гипотезе кольца образовались в результате разрушения спутника приливными силами Сатурна.

Вторая гипотеза гласит, что частицы колец образовались из некогда существовавшего околопланетного облака, но так и не объединились в единое тело опять же под действием гравитации Сатурна.

Цвет колец неоднороден и по мере удаления от планеты постепенно изменяется. Очевидно, это связано с тем, что на разном расстоянии расположены частицы различного химического состава, обладающие разной отражательной способностью (рис. 19, цветная вклейка). К тому же кольца различаются по плотности частиц, их размерам и скорости движения.

Спутники. По орбите вокруг Сатурна вращается больше спутников, чем вокруг какой-либо другой планеты Солнечной системы: на сегодняшний день обнаружены 62 спутника разных размеров и на различном расстоянии от планеты (рис. 6.13). Собственные имена имеют только 53 спутника. Самыми крупными спутниками Сатурна являются Титан, Япет, Рея, Диона, Тефия, Энцелад. Мимас, Гиперион, Феба, Янус и Эпиметей. 24 спутника Сатурна — регулярные, остальные 38 — нерегулярные, т. е. их движение отличается от общих правил. По характеристикам орбит последние составляют три группы, которые названы по мифологиям, из которых берутся имена для спутников: инуитская; скандинавская; галльская.

Рис. 6.13. Спутники Сатурна.

Большая часть спутников находится за пределами колец. Однако выделяются и так называемые «пастухи» — спутники, вращающиеся между кольцами, удерживающие их от рассеяния и вызывающие в них гравитационные возмущения (рис. 6.14). Так, например, между двумя спутниками Прометеем и Пандорой расположено кольцо F. По мнению ученых, эти спутники своими гравитационными воздействиями могут изменять форму колец.

Рис. 6.14. Спутники — «пастухи» колец Сатурна.

Одним из самых интересных спутников является Титан. Его диаметр составляет 5152 км, что вдвое превышает диаметр нашей Луны. Это не только самый большой спутник Сатурна, но и второй по величине во всей Солнечной системе.

(?) Какой спутник считается самым крупным в Солнечной системе? Вокруг какой планеты он вращается? Каковы его особенности?

Титан — пока единственный спутник, у которого была обнаружена собственная атмосфера из азота (98%), плотность которой в 1,5 раза выше земной. К тому же на Титане были обнаружены целые метановые озера и реки (рис. 6.15). Температура на поверхности спутника достаточно низкая (-180°), однако под поверхностью теплее, а следовательно, может присутствовать жидкая вода. По мнению ученых, условия на Титане сходны с теми, которые были присущи ранней Земле, так что есть надежда, что, может быть, когда-нибудь нам удастся обнаружить примитивные формы жизни.

Рис. 6.15. Титан.

Титан удалось исследовать в 2005 г. благодаря спускаемому аппарату «Гюйгенс», проработавшему на поверхности около 2 ч и сделавшему фотографии (рис. 6.16).

Спутник Энцелад (рис. 6.17) хоть и небольшой (диаметр чуть более 500 км), тем не менее он представляет особый интерес для изучения. Рельеф спутника очень разнообразен: и «старые» области с множеством кратеров, и «молодые» области, в которых активны ледяные фонтаны. На Энцеладе видны трещины (англ, tigerstrips), что подтверждает геологическую активность. На основе данных, полученных с межпланетного зонда «Кассини», в 2014 г. было объявлено, что предполагается существование океана под поверхностью спутника.

Рис. 6.16. Поверхность Титана.

Рис. 6.17. Энцелад.

(?) На каких еще космических телах предполагается наличие подледного жидкого океана?

В контровом свете в 2005 г. были обнаружены гейзеры¹ из воды, а также углекислого и угарного газов, солей и кремния. Однако воду нельзя исследовать на предмет наличия биомаркеров без специальных сенсоров^[2][3], подпитывают кольцо Е Сатурна (есть предположение, что они его и сформировали).

Спутники Мимас, Тефия, Диона и Рея (диаметры соответственно 392, 1060, 1118 и 1530 км, рис. 6.18) внешне напоминают Луну или Меркурий, поскольку их поверхность усеяна множеством кратеров.

Рис. 6.18. Спутники Сатурна:

а — Мимас; б — Тефия; в — Диона; г — Рея Не менее интересен спутник Япет (диаметр 1460 км), открытый Дж. Кассини в XVII в. (рис. 6.19). Этот загадочный спутник был виден только с запада от Сатурна. Причина столь необычного явления заключалась в том, что одно полушарие Япета оказалось в 10 раз темнее друтого. Дело в том, что пыльная темная сторона Япета, всегда отвернутая от Сатурна, «испачкалась» о далекое пылевое кольцо возле спутника Фебы. Еще одной загадкой является сильно наклоненная и удаленная от Сатурна орбита спутника.

Рис. 6.19. Я пет.

Помимо массивных шарообразных спутников, напоминающих небольшие планеты, среди спутников Сатурна также имеются астероиды и другие образования нестандартных форм. Одним из ярких примеров служит Гиперион — пещерный спутник (рис. 6.20). Его диаметр составляет 370×280×226 км. Массы Гипериона оказалось недостаточно для того, чтобы спутник под действием гравитации смог обрести правильную сферическую форму. Поверхность Гипериона напоминает губчатую структуру со множеством пещер (около 40%). Плотность вещества спутника настолько мала, что, скорее всего, большую часть его массы составляет водяной лед.

Рис. 6.20. Гиперион. Фото сделано зондом «Кассини» в 2005 г.

Самый близкий к Сатурну спутник — крошечный Пан (диаметр 35×35×23 км), получивший имя в честь древнегреческого бога пастушества и скотоводства. Он был обнаружен в 1990 г. Марком Шоуолтером, Спутник движется внутри щели Энке (используется также название «Деление Энке») внешнего кольца А. При этом он является спутником-«пастухом», т. е. своими приливными силами Пан очищает окрестности орбиты от частиц кольца. Самое любопытное — по форме спутник напоминает большой каменный пельмень (рис. 6.21), бороздящий просторы космоса. Вероятно, такая форма объясняется тем, что на поверхность спутника оседает материал кольца, образуя своеобразный экваториальный гребень.

Рис. 6.21. Пан.

Спутник Феба — один из самых удаленных от Сатурна, он не похож ни на один другой спутник (рис. 6.22). Он сильно отличается по своему составу, к тому же он вращается в обратном направлении — по часовой стрелке, в то время как другие тела вращаются в противоположную сторону. Скорее всего, это объясняется тем, что Феба образовался не в протопланетном диске вместе с Сатурном и другими его спутниками, а в Поясе Койпера и позже был захвачен гравитационным влиянием Сатурна. В 2004 г. с помощью космического ИК-телескопа «Спитцер» близ Фебы было обнаружено еще одно кольцо Сатурна, очень темное и состоящее из частиц пыли — обломков, отколовшихся от Фебы.

(?) Обратитесь к дополнительной литературе и расскажите о других спутниках, вращающихся вокруг Сатурна. Какова этимология их имен?

• [1] Щель Кассини упоминается в рассказе польского писателя-фантаста СтаниславаЛема «Дознание» из цикла «Рассказы о пилоте Пирксе» (1959—1973), а также в фильме"Дознание пилота Прикса" (1978, СССР — Польша), снятом по его мотивам. Рассказ О
• [2] Гейзеры на Энцеладе оказались оптической иллюзией // Научно-популярныймультимедийный портал «Чердак: наука, технологии, будущее». 07.05.2015. URL: https://chrdk.ru/news/Enceladus#hcq=n3odpHq.
• [3] Зонд «Кассини» «попробует» химический состав фонтанов спутника Сатурна //Научно-популярный мультимедийный портал «Чердак: наука, технологии, будущее». 28.10.2015. URL: https://chrdk.ru/news/zond_kassini_poprobuet_himicheskiy_sostav_fontanov_sputnika_saturna#hcq=OEEc3Dq.