Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Магнитосфера Сатурна значительно отличается от магнитосферы Юпитера. Напряженность магнитного поля планеты на уровне видимых облаков на экваторе составляет чуть больше 0,2 Гс. (на поверхности Земли 0,35 Гс.). Но магнитный момент Сатурна гораздо больше, чем у Земли, из-за объема планеты. Магнитное поле Сатурна имеет уникальный характер.

Сравнительно недавно удалось найти некоторые аналитические решения для механизма возбуждения магнитного поля планет, которые доказали свою работоспособность на примерах Земли, Меркурия и Юпитера. Для возбуждения поля необходимым условием был угол около 10—12° между осью вращения планеты и осью магнитного диполя. Именно таковы углы между этими осями у перечисленных планет. Но у Сатурна ось вращения до долей градуса совпадает с осью диполя. Поэтому сразу же возникла необходимость пересмотра теоретических представлений.

В случае Сатурна поле создается более глубокими частями планеты, чем у Юпитера. Направление поля у обеих планет одинаково и противоположно направлению поля Земли. Магнитосфера Сатурна имеет более правильный и симметричный вид, чем весьма протяженная и сложная по форме магнитосфера Юпитера. Ударная волна, где газодинамическое давление солнечного ветра уравновешивается упругостью магнитосферы, с дневной стороны находится примерно на расстоянии 35 R_с (радиусов планеты). С ночной стороны магнитосфера простирается на огромные расстояния. Радиационные пояса имеют правильную форму и состоят из нескольких характерных зон, образующих типичную тороидальную форму с внешним радиусом 20—22 R_с.

В радиационных поясах имеются пустые полости, «очищенные» от заряженных частиц спутниками и кольцами Сатурна. Особенно эффективны в этом отношении кольца, так как энергичные частицы, путешествующие вдоль магнитных силовых линий, легко захватываются огромной площадью материала колец. Вблизи колец концентрация частиц оказалась ничтожной. Вся зона вокруг колец пуста. Сами кольца, вероятно, выделяют нейтральный водород. Приборы зарегистрировали его ультрафиолетовое свечение.

В результате Сатурн создает в радиодиапазоне куда меньше шумов, чем можно было ожидать, исходя из сходства с Юпитером. Тем не менее, взаимодействие плазменных торов с магнитосферой и со спутниками создает радиоизлучение, которое принимали зонды. Всплески с максимумами на частоте в несколько килогерц принимались с орбит Дионы и Мимаса. Но особенно мощные импульсы возбуждаются неизвестным механизмом, связанным с кольцами.

Беспокойные кольца

В 1980 г., когда Земля проходила через плоскость колец Сатурна, впервые удалось наблюдать с Земли кольцо Е в виде слабого повышения яркости на расстоянии 80 тыс. км. от внешнего края наружного кольца А. Такие прохождения повторяются через каждые 14—15 лет (экватор Сатурна наклонен к плоскости орбиты на 26°45'). Это редкое явление наблюдалось в 1966 г., а затем в конце 1979 и начале 1980 гг. — тогда Земля прошла через плоскость колец дважды: 27 сентября 1979 г. и 12 марта 1980 г. Повернутые к Земле ребром кольца почти не видны; астрономы используют эти моменты для поиска слабых объектов вблизи Сатурна.

Рис. Кольцо Е, вдоль которого движется Энцелад (он виден как яркая точка в середине кольца). Этот уникальный спутник демонстрирует активный криовулканизм, результатом которого как раз и является кольцо Е: водно-ледяные фонтаны спутника выбрасывают часть вещества на орбиту. Когда «Кассини» прибыл в систему Сатурна, он обнаружил, что окрестности планеты заполнены атомами кислорода. Тогда ученые не имели представления, откуда берется кислород. И только теперь стало ясно, что Энцелад выбрасывает молекулы воды, которые расщепляются солнечным ультрафиолетом на кислород и водород. При этом за самим Энцеладом тянется шлейф из заряженных частиц.

Мы уже говорили о резонансах и соизмеримостях в движении планет. Еще более наглядно резонансы выражаются в движении частиц, образующих кольца планет. Под действием резонансов со спутниками планеты в кольцах возникают сгущения, разрежения и щели («деления»), формируются внешние и внутренние границы колец и даже происходит сортировка их материала.

Известная деталь в кольце Сатурна — деление Кассини — образована гравитационным влиянием спутника Мимас. Это деление носит имя астронома XVII в., который одним из первых отметил его существование. Орбитальный период частиц кольца на этом расстоянии от центра Сатурна составляет точно половину периода обращения спутника. Под влиянием Мимаса в движении частиц возникают возмущения, которые в конечном счете выражаются в образовании щели между кольцами А и В. Возмущения запрещают частицам перемещаться из одного кольца в другое, образуя так называемый резонансный барьер. Но не только резонансы определяют движение частиц кольца.

Снимки колец, сделанные «Вояджером-1», поставили много вопросов. Поэтому решено было сосредоточить усилия «Вояджера-2» на главных проблемах, связанных с динамикой колец, с делением Кассини и странными радиальными образованиями и пятнами на кольце В, получившими название «споки» (английское spoke значит «спица колеса»).

Кольца расположены в таком порядке от планеты: D, С, В, А, F, G, Е. Три основных кольца видны даже в небольшой телескоп. Новые кольца D и G, (открытые «Вояджерами») наблюдаются в определенных ракурсах. Кольцо D очень неплотное и доходит, по-видимому, до верхних слоев атмосферы, как у Юпитера. Невидимое оптическими приборами самое внешнее кольцо Е регистрировалось устройствами, реагирующими на поля и заряженные частицы.

Нельзя сказать точно, сколько колец у Сатурна. По снимкам «Вояджера-1» их насчитали несколько сотен. А измерения «Вояджера-2», пролетевшего ближе, говорят о тысячах колец. Тем не менее, выяснилось, что в качестве постоянных деталей следует все-таки рассматривать более или менее крупные образования. Причин две. Во-первых, есть основания считать, что очертания многих колец, даже больших, непостоянны. Во-вторых, кольца состоят из достаточно больших глыб и обломков, что не всегда позволяет точно указать, где кончается одно кольцо и начинается другое. Это же замечание относится и к толщине кольца: оно очень тонкое, но не может быть тоньше размера самых крупных включений.

Деление Кассини, которое считалось местом, свободным от материала колец, на самом деле заполнено веществом с другой степенью измельченности и меньшей концентрацией частиц. Это установлено путем наблюдения колец с теневой стороны. Благодаря заметному поглощению света, плотные кольца В и А в контражуре выглядят темными. Если бы промежутки между ними были пустыми, то и они были бы темными. При ширине деления 4500 км. в нем видно не менее пяти широких колец, расположенных вплотную друг к другу.

После первых пролетов научных зондов вблизи Сатурна радикально изменились не только представления о делении Кассини. В момент сближения с планетой фотометр «Вояджера-2» с очень высоким разрешением (до 150 м. на кольцах) был направлен на яркую звезду Sco, и его поле зрения, благодаря движению аппарата, пересекло кольца. В результате, получился фотометрический разрез части кольца А вблизи деления Энке. На нем легко отождествить сравнительно крупные части кольца; но при высоком разрешении уже становится трудно указать, где проходит граница отдельных узких «колечек». Вполне вероятно, что многие минимумы кривой определяются отдельными глыбами и обломками. Их типичный размер составил 10 м. в кольце А, 8 м. в делении Кассини и 2 м. в кольце С. Разумеется, в каждом из них есть фрагменты и других размеров — от пыли до крупных блоков. Природа материала колец та же, что и у спутников Сатурна, — слегка загрязненный водяной лед и снег.