Кассини и кольца Сатурна

1 июля 2004 года космический зонд «Кассини» стал первым искусственным спутником Сатурна.

Джованни Доменико Кассини Джованни Доменико Кассини (Giovanni Domenico Cassini / Jean-Dominique Cassini; 8 июня 1625 — 14 сентября 1712) — итальянский и французский астроном и инженер.

350 лет до этого события один человек любил смотреть на Сатурн. И не просто смотреть — он открыл четыре новых кольца, дав каждому имя — Япет, Рея, Тефия, Диона, а все вместе назвал «звездами Людовика».
Он так часто смотрел на Сатурн, что однажды в сплошном диске кольца смог разглядеть черную полосу, обнимающую любимую планету, а потом объяснить, что, собственно, он увидел. Эту щель позднее назовут его именем.
Он умер в Париже, уважаемый, успешный и уже совершенно слепой. Ему — Джованни Доменико Кассини — было 87 лет.

Выдержки из отчета «Кассини» об исследовании колец Сатурна:

Из чего они состоят?

«Фазы Сатурна». Художник Мария Клара Эймарт. Голубая бумага, пастель 1690-е годы. Такими кольца виделись наблюдателям, пользовавшимся примитивной оптикой XVII столетия.

Из кусков льда размером от нескольких сантиметров до десятков метров, причем мелких больше.
Льдины сталкиваются по несколько сотен раз за один оборот вокруг планеты. Пролетая 20 километров за секунду, они соударяются со скоростью не выше 0,1 см/с — так слабо, что даже не отскакивают друг от друга.

Почему они неровные?

Снимок области кольца С и части кольца В Снимок области кольца С и части кольца В, сделанный аппаратом «Вояджер-2» 23 августа 1981 года с расстояния 2,7 млн километров. В области снимка различимы более 60 отдельных тонких колец.

Вскоре после сатурнианского равноденствия в августе 2009 года, когда Солнце пересекло экватор планеты, кольца удалось сфотографировать под его косыми лучами.
Оказалось, что кольцо С не идеально плоское: по нему с интервалами 30-80 километров бегут волны высотой до 20 метров. Скорее всего, это результат удара кометы.
Другой сюрприз — похожие на лопатки турбины ровные выемки в кольце F. По мнению Карла Мюррея из Лондонского университета, такие «лопатки» — последствия близких подходов к кольцу Прометея, спутника Сатурна.

Кольца Сатурна Для оценки размеров частиц, из которых состоят кольца, «Кассини» посылает сквозь них радиосигнал на Землю. Через кольцо проходят только волны, длина которых больше средних размеров ледяных частиц. Пурпурным цветом показаны области с малой плотностью частиц размером менее 5 см, зеленым и голубым — области с высокой концентрацией таких частиц. Широкая белая полоса в кольце В — область, насыщенная и частицами размером в несколько сантиметров, и многометровыми глыбами.

В центральной части кольца носятся ледяные горы высотой от 10 до 30 километров, сталкиваясь со скоростью до 30 м/с. Это кольцо могло возникнуть недавно, около миллиона лет назад, в результате разрушения древнего спутника, и это разрушение еще продолжается.

Зачем нам наблюдать за ними?

Кольцо Р ярко демонстрирует борьбу двух сил — гравитационного притяжения и приливного разрушения. Планеты своим могучим притяжением вызывают приливы на собственных спутниках, и когда луны подходят на опасное расстояние, их разрывает на части.

Борозды внутри кольца С Борозды внутри кольца С, напоминающие рябь на воде от брошенного камня, могли возникнуть только в результате внешнего воздействия. «Рифленая поверхность кольца указывает на то, что в 1983 году, вероятно, удар кометы наклонил орбиту кольца», — поясняет астроном Мэтт Хедман. По его мнению, комета была невелика — в тысячу раз легче кометы Галлея.

Те же процессы — постоянное слипание и разрушение — идут и в главных кольцах Сатурна, и, что важнее, в галактиках и протопланетных дисках. Поведение спутников в толще колец показывает, как зарождаются планеты вокруг молодых звезд. А волны плотности, бегущие в кольцах Сатурна, аналогичны возмущениям, возникающим в рукавах спиральных галактик.

Темные борозды в кольце F Темные борозды в кольце F возникают под влиянием спутника Прометея. Имея слегка вытянутую орбиту, спутник периодически приближается к кольцу и силой притяжения «ворует» его вещество.

Сколько же им лет?

Сатурн Сатурн и система его колец, зарисованные 30 декабря 1874 года. Цветная литография по рисунку французского астронома Этьена Трувело, 1877 год.

Однозначного ответа нет. Результаты спектрального анализа говорят, что на 95% кольца состоят из водяного льда. Чуть «грязнее» кольцо С и щель Кассини — вероятно, их засорили астероиды, состоящие из углерода и кремния. Такая чистота означает, что кольца образовались сравнительно недавно.
На «юный» возраст (в 10 раз моложе Солнечной системы) указывает и взаимное расположение кольца А и ближайших спутников.
Однако созданная группой Себастьена Шарноза компьютерная модель допускает, что кольца вполне могли образоваться одновременно с Сатурном и за 4,5 миллиарда лет стать такими, какими мы видим их сегодня.

Ледяные «небоскребы» В равноденствие стали видны ледяные «небоскребы» высотой 2,5 километра (при средней толщине колец 10 м) у внешнего края кольца B — следы гравитационного воздействия невидимых массивных тел. Тела размером до 1 км вращаются у края щели Кассини, разделяющего кольца A и B.

Мэтт Хедман считает, что для разрешения этого спора нужны годы. За это время мы узнаем больше о движении лун Сатурна и его колец, поймем закономерности их перемещения и рассчитаем, что же именно происходило в прошлом.

Откуда они взялись?

Спутник Сатурна Дафнис Спутник Сатурна Дафнис то подныривает под кольцо А, то взмывает над ним. По краям щели Килера вслед за Дафнисом бегут волны высотой до полутора километров.

Чтобы ответить на вопрос об их происхождении, нужно знать возраст колец. Но существуют гипотезы.
Первую высказал в 1848 году французский астроном Эдуар Рош. Он доказал, что объект, представляющий собой груду камней, связанных между собой лишь гравитацией, будет разорван приливными силами, если подойдет к планете ближе некоторого расстояния (предел Роша). Видимо, это случилось на орбите Сатурна с неким небесным телом.
Но есть неувязка.

Кольца Сатурна Титан, крупнейший спутник Сатурна диаметром более 5 000 километров, бросает широкую тень на поверхность планеты. Снимок сделан «Кассини» в инфракрасном диапазоне с расстояния 2,1 млн километров, когда зонд находился слегка выше плоскости колец. Угол между Солнцем, планетой и «Кассини» в этот момент составлял 95°.

Если кольца — это останки древнего спутника, то почему они так чисты и не содержат тяжелых элементов?
Противоречие пыталась объяснить американская исследовательница Робин Кэнап, автор гипотезы возникновения Луны в результате удара о Землю протопланеты размером с Марс. В 2010 году Кэнап опубликовала расчеты, согласно которым кольца — это остатки некогда существовавшего крупного спутника размером с Титан. Он имел твердое ядро и ледяную оболочку. Сатурн приблизил к себе этот спутник, сорвал с него легкие покровы, а каменистое ядро поглотил. Сорванная оболочка осталась на орбите и, значительно потеряв в массе, образовала чистые ледяные кольца.

Покрытие кольцами Сатурна звезды Миры Летом 2005 года «Кассини» наблюдал покрытие кольцами Сатурна звезды Миры. Ее потускнение в ходе последовательных витков аппарата 1 и 2 говорит о наличии в кольце А вытянутых образований размером до 50 м, ориентированных под определенным углом.