ЗАГАДКА КОЛЕЦ САТУРНА

Зразкові діаметри кілець Сатурна.

Сатурн разом з двома з 22-х своїх супутників.

Мал. 1. Динаміка формування планетних кілець в гравітаційному і магнітному полях планети.

Мал. 2. Залежність температури протопланетного диска Т, К від відстані від Сонця R.

Мал. 3. Будова магнітного поля поблизу кільця F. Речовина кільця локалізовано в межах від 0 до 60 км. Магнітне поле в цих межах спотворено. Точно так само поводяться магнітні силові лінії надпровідного диска (на вставці).

Мал. 4. Орієнтація призми надпровідного льоду перпендикулярно силовим лініям полоідальним Hр і тороидальной Нt складових магнітного поля Сатурна.

<

>

ПИТАННЯ, ПИТАННЯ ...

Честь вважатися першовідкривачами кілець історія астрономії ділить між Галілео Галілеєм і Християном Гюйгенсом, хоча перший в 1610 році зумів вловити за допомогою свого далекого від досконалості оптичного приладу лише якусь аномалію в зображенні планети, яку вважав за супутником Сатурна, тоді як через 46 років, в 1656 році , Гюйгенс вперше дійсно чітко розгледів кільце. Ще через 19 років, в 1675 році, Джованні Кассіні встановив, що кільце не суцільне. Телескоп дозволив йому побачити дві частини - А і В, розділені порожнім простором, названим на честь першовідкривача "розподілом Кассіні".

Століття досліджень наповнювали досьє далекої планети новою інформацією, не тільки не роз'яснюють природу кілець і причину їх утворення, а й ставила перед астрономами все більше і більше загадок.

Довгий час після відкриття Кассіні астрономи вважали, що кілець у Сатурна всього два, вони тонкі і тверді. У 1787 році Лаплас на основі розрахунків припустив, що кілець має бути багато - тисячі або навіть мільйони, інакше гравітаційне поле їх зруйнує. Втім, він теж вважав, що кільця суцільні, схожі на гігантські гімнастичні обручі. У 1848 році французький астроном Е. Рош розрахував мінімальну відстань, на якому супутники можуть існувати, не руйнуючись під впливом гравітаційного поля планети. Це відстань - назване по імені дослідника "межею Роша" - становить 2,44 радіуса планети. Ніякі супутники і місяця, тверді або рідкі, не можуть циркулювати над поверхнею небесного тіла ближче цієї відстані. Але зовнішній радіус кілець Сатурна дорівнює 2,3 R, тобто знаходиться всередині критичної межі. Звідси Рош зробив висновок, що кільця не можуть бути: а) суцільними і б) рідкими. Залишається єдиний можливий варіант: вони повинні складатися з досить дрібних твердих частинок. А в 1859 році геніальний англійський фізик, засновник електромагнетизму Джеймс Клерк Максвелл поставив якусь попередню точку, математично довівши, що спортивних снарядів в космосі не місце і кільця Сатурна дійсно представляють собою скупчення твердих частинок.

Д. Кілер і У. Кемпбелл, вимірюючи в 1895 році доплеровские зрушення, знайшли, що частинки, з яких складаються кільця, рухаються по кеплеровским орбітах і що швидкість їх руху по внутрішнім орбітах вище, ніж за зовнішніми, що збігається з висновками і Кеплера і Максвелла. Тобто в поведінці частинок немає відхилень від звичного розуміння фізичної природи орбітального руху.

У 1952 році дослідження спектральних характеристик кілець дозволило зробити висновок, що вони містять велику кількість замерзлої води. Це був дуже важливий момент, оскільки нарешті була визначена природа матеріальної складової. Трохи пізніше встановили, що крім льоду кільця містять водень, аміак, метан, сірчані сполуки і ферросілікати. Величезну інформацію про кільцях зібрали американські космічні зонди «Піонер» (1979 г.), "Вояджер-1" (1980 г.) і "Вояджер-2" (1981 р), що пролетіли повз планету. А в 1997 році стартував найдорожчий науковий експеримент в історії людства - місія "Кассіні-Гюйгенс", яка готувалася протягом 10 років і коштувала 3,3 млрд доларів; результати її будуть аналізуватися, досліджуватися і осмислюватися досить довгий час. Одне із завдань місії - встановити природу кілець Сатурна, до сих пір що є загадкою (про експедицію "Кассіні - Гюйгенс" см. "Наука і життя № 3,2005г. ).

Проте слід визнати, що, крім величезної бази даних про властивості кілець, на сьогоднішній день не існує повноцінної фізичної моделі цього об'єкта. З точки зору класичних теорій, що враховують гравітаційні і відцентрові сили, поведінка сонячного вітру та плазмові ефекти, неможливо відповісти на безліч питань: як кільця утворилися, як вони були стиснуті в диск і як цей диск був розбитий на сотні окремих кілець; чому частинки кілець, які не перемішуються, чому мікрохвилі кругової поляризації відбиваються від кілець, як від магнітного дзеркала; чому магнітне поле виштовхується з кільця А; чому утворюються "спиці" в кільці В; чому кільця існують у планет після пояса астероїдів і чому їх немає у планет земної групи; чим пояснити сильне відображення радіохвиль і низьку яскравість кілець Сатурна, дискретне неполяризована електромагнітне випромінювання в діапазоні від 20,4 кілогерцах до 40,2 мегагерци, існування близько кілець атмосфери невідомого походження, наявність в кільцях так званих "хвиль щільності", і на багато інших.

Різні спроби пояснити загадкові явища протягом 400 років робилися постійно. Наприклад, високу відбивну здатність кільця в мікрохвильовому діапазоні, виявлену міжпланетної станцією "Піонер" і підтверджену дослідженнями "Вояджер", пояснювали наявністю великої кількості металевих включень в речовині кілець. Оскільки відображення носить дифузний характер, то вимірювання проводилися на кругової поляризації. Виявилося, що хвиля відбивається не як від металу, а як від магнітного дзеркала - поверхні, що володіє абсолютною відображає. І, отже, запропоноване пояснення не має сенсу. Пропонувалися і досить складні математичні теорії, які розглядають кільця у взаємодії з сонячним вітром і як утворення з пилової плазми. Але пилова плазма не є стійким стабільним утворенням.

Але найважливішим недоліком, на наш погляд, є те, що існуючі теорії кілець дуже різнорідні і для пояснення різних ефектів, які спостерігаються в кільцях, вимагають залучення різних фізичних підходів, не об'єднаних єдиною фізичною природою їх виникнення. Крім того, подібні теорії ніяк не роз'яснюють безліч інших питань.

Спробуємо в міру можливості все ж відповісти на них.

надпровідних ЛІД

У 1986 році в журналі РАН "Фізика твердого тіла" була опублікована стаття російського колективу авторів з Уральського держуніверситету під керівництвом Н.А. Бабусиної про надпровідності льоду. Вчені експериментально показали, що лід може мати надпровідність. На жаль, це фундаментальне відкриття, яке безумовно слід віднести до видатних, залишилося не дуже поміченим в науковому середовищі. Потрібно сказати, що лід - досить складне фізичне освіту (як, втім, і вода). У лабораторних умовах ми можемо отримати як мінімум 11 різних модифікацій льоду в діапазоні від аморфного до кристалічного, кожна з яких має власні властивості.

Одна з його модифікацій - лід космічний. Вважається, що виростити такий лід можна, якщо охолодити воду до мінус 100 градусів Цельсія і тримати при такій температурі року три, а можливо, і більше. Теорія передбачає, що космічний лід - це мікроскопічні частинки льоду, здатні утворити сніг в сотні разів більше пухнастий, ніж вирощений в земних умовах, тому що в умовах наднизьких температур частинки по-особливому взаємодіють один з одним, не сліпа. До речі, діаметр сніжної грудки, зібраного з кілець Сатурна, склав би 600 км. І якщо припустити, що крижані частинки кілець мають сверхпроводящими властивостями, численні експериментальні дані про природу кілець Сатурна починають складатися в єдину, несуперечливу картину.

Перш за все потрібно згадати, що Сатурн не єдина планета Сонячної системи, що володіє кільцями. Вони виявлені також у Юпітера, Урана і Нептуна. Набагато менш помітні, ці кільця, швидше за все, мають ту ж природу.

Більшість фахівців схиляються до думки, що частинки кілець - релікти ранніх днів Сонячної системи, які не піддалися нагріванню і злипання, коли планети тільки-тільки формувалися з протопланетних хмар. З появою у протопланети магнітного поля сверхпроводя щая частка починає проявляти ідеальний диамагнетизм (ефект Мейсснера-Оксенфельда, виявлений в 1933 році). Під дією сили магнітної левітації частка захоплюється магнітним полем в додаткове азимутально-орбітальний рух навколо планети і в результаті, як показують математичні розрахунки, починає дрейфувати в площину екватора, опиняючись на такій орбіті, де складається баланс трьох радіальних сил: гравітаційної, відцентро ної і сили левітації (породженої виштовхуванням надпровідника з магнітного поля). Дія сили левітації було продемонстровано в 1933 році, а з 1986 року, після відкриття високотемпературної надпровідності для надпровідної кераміки, стало можливим показувати його широкої аудиторії. Потрібно сказати, що досліди по магнітної левітації шматка керамічного високотемпературного надпровідника, коли він, охолоджений до азотних температур, ширяє в магнітному полі Землі, виглядають настільки ефектно, що навіть у підготовлених глядачів незмінно викликають захоплення.

У випадку з кільцями під впливом сили левітації частинки утворюють в зоні Роша надзвичайно сплющений диск, що ми і спостерігаємо на прикладі Сатурна.

Якщо частинки протопланетної хмари дійсно володіють надпровідними властивостями, то стає зрозумілим, чому кільцями не володіють внутрішні планети - від Меркурія до Марса. Природно, що кільця можуть існувати у планет, що володіють магнітним полем. Але їх руйнує теплової нагрів Сонця. Можна припустити, що пояс астероїдів, де температура речовини менше 100 К, є тією межею, за якою виникає природна надпровідність в космосі. На більш близьких до Сонця відстанях температура вище критичної і надпровідники не утворюються.

КОЛІР І Яскравість. ТОНКАЯ СТРУКТУРА КОЛЕЦ

Відомий шкільний досвід, коли рівномірно розсипані на площині металеві тирса миттєво розподіляються під дією прикладеного магнітного поля, утворюючи ділянки концентрації і розрідження, служить свого роду ілюстрацією до розуміння тонкої структури сатурнианской кілець. Надпровідні порошки мають такий же властивістю, вони збираються в областях з низькою щільністю магнітного поля, оскільки внутрішнє магнітне поле виштовхується з надпровідника. Саме тому надпровідний лід - ідеальний діамагнетик - формується в окремі кільця, що чергуються з зонами розрідження. При цьому частки утримуються в кільцях магнітним тиском, яке заганяє їх в області з меншим магнітним полем. Тому в даному випадку можна говорити про "негативному" тиску. Так що Лаплас, який передбачав, що кілець у Сатурна нескінченно багато, був, по суті, не дуже далекий від істини.

Але чому кільця розрізняються кольором? Пояснити це явище можна так. Як ми вже встановили, положення сверхпроводящей частки в гравітаційному і магнітному полях планети визначається балансом трьох сил: гравітаційної, відцентрової і сили левітації.

Розглянемо три частки - a, b, c - з різним хімічним складом. Нехай частинка а - чистий лід, b - має домішка клатрат-гідратів - аміаку або метану, з - має домішка сіро або залізовмісних силікатів. Для кожної частинки буде своя сила левітації, тому для кожної з трьох часток баланс сил буде дотримуватися на орбітах з різними радіусами. Так, мабуть, і утворюються кільця або групи кілець з частинок, що відрізняються один від одного хімічним складом, а значить, і колірними характеристиками.

Не менш загадковим для дослідників представляється ефект змінної азимутальной яскравості кілець. Простіше кажучи, яскравість кільця "з ребра" для спостерігача, що знаходиться в космосі строго над екватором Сатурна, буде змінюватися в міру того, як напрямок його погляду стане зміщуватися від центру планети до кордону диска. Для пояснення цього феномена висувалися гіпотези, які передбачають, що частинки речовини кілець у вигляді витягнутих еліпсоїдів, спрямованих під невеликим кутом до орбіти, мають або несиметричну форму, або несиметричне альбедо (відбивну здатність) поверхні. Причому положення їх один щодо одного і планети має залишатися незмінним, що в рамках традиційних уявлень виглядає вельми проблематичним. Однак якщо частинки - надпровідні Діамагнетик, картина стає набагато простіше і зрозуміліше.

Якщо в магнітне поле помістити стерженек надпровідника, в ньому виникає додатковий магнітний момент, направлений протилежно полю. Добре відомо, що при температурах нижче -22оС зростаючі сніжинки набувають форму призм. Надпровідна частка такої форми орієнтується в магнітному полі перпендикулярно його координатним складовим. Відповідно яскравість її, в залежності від кута зору спостерігача, буде змінюватися.

"ГОЛОС" КОЛЕЦ, А ТАКОЖ ЇХ "спиці"

Під час прольоту біля Сатурна спочатку "Вояджера-1", а потім і "Вояджера-2" американські вчені зафіксували надзвичайно цікаве явище. Кільця немов заговорили з земними прибульцями, випускаючи приблизно кожні 10 годин короткі широкосмугові радіоімпульси в діапазоні від 20,4 кГц до 40,2 МГц. Вони були названі сатурнианской ЕР (СЕР). Однак, потрапивши в пресу, повідомлення про цей феномен спровокували справжню сенсацію: уфологи негайно запідозрили існування в кільцях Сатурна розумного життя або принаймні орбітальної станції прибульців, яка намагається встановити з нами контакт. На жаль, зустрічі з неземним розумом досі так і не відбулося, а гіпотеза надпровідності речовини кілець, на жаль, робить ймовірність контакту (по крайней мере, в області Сатурна) дорівнює нулю.

Само по собі постійне фонове випромінювання електромагнітних хвиль кільцями досить легко пояснити взаємодією заряджених частинок, тертям і руйнуванням шматочків льоду при зіткненнях.

При зближенні частинок-надпровідників на досить малу відстань або при їх точковому контакті утворюється слабкий зв'язок, через яку можуть перетікати надпровідні електрони. Це явище називається нестаціонарним ефектом Джозефсона. І тоді при виникненні різниці фаз між сверхпроводниками генерується електромагнітне випромінювання з частотою, пропорційною падіння напруги при переході. Магнітне поле Сатурна має аномалії. Логічно припустити, що саме ці аномалії і є "спусковим гачком" зафіксованих сатурнианской радіосигналів.

Ті ж аномалії визначають існування і термін життя "спиць" в кільці В. "Спиці" були виявлені відносно недавно і тут же немов би перетворилися в черговий знак питання. Ці утворення довжиною 10 000 км і шириною 1000 км, справді нагадують спиці колеса і складаються з мікронних і субмікронних частинок, обертаються майже синхронно з магнітосферою Сатурна, що зайвий раз підтверджує зв'язок їх природи не тільки з гравітаційними, а й з електромагнітними силами. Тим більше що згідно із законами Кеплера будь-яке подібне радіальне освіту в межах гравітаційного поля Сатурна має скривлюватися, розмиватися і зникати за двадцять-тридцять хвилин. Тим часом життя окремих "спиць" досягає майже трьох годин. Важко дати детальний аналіз причин утворення "спиць", проте гіпотеза надпровідності може підказати відповідь і в цьому випадку. Швидше за все, справа виглядає так.

Надпровідні крижинки обертаються по орбіті в повній відповідності з кеплерівської законами. А магнітне поле планети має аномалії. Потрапляючи в зони цих аномалій, частинки речовини змінюють свої оптичні властивості, що і фіксує спостерігач.

Список явіщ, властівіх только кільцям Сатурна и зареєстрованіх в процесі Вивчення планети, Звичайно ж не обмежується перерахованого в статті. Продовжуючи его, можна назваті и Відкриття слабкої атмосфери около кілець, и Існування хвиля щільності и згінальніх хвиля, аномальна відображення мікрохвіль з круговою полярізацією и інші. І хоча автор не претендує на істину в останній інстанції, всі ці явища знаходять наукові, без домішки містики, пояснення з точки зору гіпотези про початкової надпровідності речовини кілець.

Втім, трохи містики (виключно заради розваги), пов'язаної з Сатурном, все ж не завадить. Деякі люди, які називають себе астрологами, стверджують, що зодіакальним знаком Терези відповідають Венера і Сатурн. Спочатку запуск ракети з апаратами "Кассіні-Гюйгенс" планувався на кінець вересня, з технічних причин його відклали на 5 жовтня, потім на 7-е і 11-е, але стався він тільки 15 жовтня - під знаком Терезів. Додам також, що мій день народження - 16 жовтня, день народження мого аспіранта Андрія Поспєлова, з яким ми проводили це дослідження, - 14 жовтня. А перший офіційний доповідь на засіданні Американського астрономічного товариства про можливу надпровідності кілець відбувся 13 жовтня. Суцільні Терези.

Але це звичайно ж жарт і до проблеми кілець Сатурна безпосереднього відношення не має ...

Ілюстрація "Рис. 1. Динаміка формування планетних кілець в гравітаційному і магнітному полях планети".
Мал. 1. Динаміка формування планетних кілець в гравітаційному і магнітному полях планети: I - стадія освіти протопланетної хмари; II - стадія виникнення планетного магнітного поля і захоплення частинок в круговий рух; III - стадія формування планетних кілець. (FG - гравітаційна сила; FW - відцентрова сила; FL - сила левітації - сила діамагнітного виштовхування.)

Ілюстрація "Рис. 2. Залежність температури протопланетного диска Т, К від відстані від Сонця R."
Мал. 2. Залежність температури протопланетного диска Т, К від відстані від Сонця R. Крива представляє температуру газопилового диска в центральній площині. Заштриховані прямокутники позначають температури, обчислені по спостережуваному розташуванню планет. На вставці: залежність опору від температури для надпровідника.