Если вы попросите кого-нибудь нарисовать красивую планету – скорее всего, нарисуют именно Сатурн. Его называют красивейшим объектом нашей солнечной системы и «властелином колец». Именно гигантские кольца придают планете особое очарование. Но о них люди узнали сравнительно недавно.
Долгое время Сатурн был лишь яркой точкой на небе Земли. Это – последняя планета, которую можно наблюдать невооруженным глазом, поэтому люди заметили его еще в древности. Первые записи о нем относятся к 700 г. до н.э. – древние астрономы называли его Звезда Ниниба. А древние греки принимали Сатурн – как, впрочем, и другие планеты дальше Луны – за блуждающую звезду, и назвали его в честь бога сельского хозяйства Кроноса. У древних римлян этот бог носил имя Сатурн.
Только в XVII веке Галилео Галилей направил на планету свой первый в мире телескоп и увидел такую картину:
Об том, что ему удалось увидеть, ученый сделал зашифрованную запись:
Высочайшую планету тройною наблюдал
Запись поначалу была ошибочно расшифрована: предполагалось, что он увидел два спутника Марса – Фобос и Деймос.
Через два года Галилей вновь взглянул на планету в телескоп, но загадочные объекты справа и слева исчезли. А еще спустя два года – появились опять. Итальянский ученый до самой своей смерти так и не смог разгадать эту тайну.
Через полвека голландский астроном Христиан Гюйгенс, соорудив более мощный телескоп, увидел кольца Сатурна – правда, слившиеся в его телескопе в одно кольцо. Гюйгенс понял и причину то появления, то исчезновения колец – что это вызвано их наклоном к эклиптике, и в определенные моменты кольца располагаются «ребром» к Земле, что делает их невидимыми для нас.
В 1675 году Джованни Кассини определил, что кольцо Сатурна состоит из двух частей, разделённых тёмным промежутком, который позднее был назван делением (или щелью) Кассини. В XIX веке В. Я. Струве предложил назвать внешнюю часть кольцом A, а внутреннюю — кольцом B.
С совершенствованием телескопов – главным образом, в XX столетии, ученым открылось, что у Сатурна целая система колец.
Исследования
Любая научная экспедиция до Сатурна, как, впрочем, и до других планет – это составление гравитационных маневров, которые помогают увеличить скорость аппарата, потом – многолетний полет и, если всё рассчитано точно и не случилось непредвиденного – долгожданный выход зонда на орбиту, получение снимков и данных от измерительных приборов.
Несмотря на трудности, исследование Сатурна космическими аппаратами началось в 1979 году, когда мимо планеты на расстоянии 20 тыс. км – после шестилетнего пути – пролетел «Пионер-11», в миссию которого входило и изучение Юпитера. Зонд прислал самые первые фотографии Сатурна и его спутников, открыл кольцо F и измерил температуру Титана (- 179°С).
Следующими были «Вояджеры», им удалось получить более высококачественные снимки и исследовать атмосферу планеты.
Самая значимой миссией, подарившей нам множество сведений о Сатурне, его кольцах и спутниках, был полет АМС «Кассини». Практически все сведения, известные сегодня о системе «Властелина колец», получены благодаря этому аппарату.
Миссия была втиснута в жесткие финансовые рамки и даже подвергалась критике со стороны американских экологических групп из-за 34 кг плутония, которые служили топливом – тогда еще свежи были воспоминания об аварии на Чернобыльской АЭС и многие боялись взрыва при запуске аппарата.
К счастью, запуск 15 октября 1997 года был успешным, а расчеты оказались верными – для такого результата была проделана грандиозная работа. Полет предусматривал несколько гравитационных маневров: сначала 2 захода на Венеру, затем – возвращение на Землю, затем – на Юпитер и, наконец, на Сатурн. Путешествие длиной в 3 млрд км длилось почти 7 лет.
Подлет Кассини к Сатурну и ожидание его выхода на орбиту принесло участникам программы много волнений: аппарат должен был пройти между кольцами F и G, где, как надеялись ученые, нет орбитальных осколков. На такой скорости, с которой двигался аппарат, достаточно было попадания более-менее крупного объекта в один из компьютеров или топливный бак – и тогда миссия была бы окончена. Но все маневры были совершены, как надо, и 1 июля 2004 года Кассини благополучно вышел на орбиту Сатурна.
Снимки «Кассини», как и снимки «Юноны», имеют не только научное значение. Они завораживающе красивы:
А это – снимки Земли и Луны с орбиты Сатурна, также сделанные «Кассини»:
К апрелю 2013 года топливо Кассини почти закончилось. Решено было опустить его в атмосферу планеты, где он сгорел, сделав напоследок еще одно важное открытие (см. ниже) и передавая данные почти до последних секунд своей жизни.
Итак, что мы знаем сегодня о Сатурне благодаря всем исследованиям?
Вторая по величине планета Солнечной системы
Сатурн огромен по сравнению с другими планетами, но он ненамного меньше Юпитера:
При этом его масса составляет всего 30% от массы самой большой планеты Солнечной системы. По сравнению с Землей Сатурн в 95 раз массивнее, но мог бы вместить в себя нашу планету целых 763 раза. Все дело в его маленькой плотности: «Властелин колец» в основном состоит из самого легкого газа – водорода с примесями гелия, метана и аммиака. Относительно он очень легок: если теоретически вообразить ванну с водой, куда можно было бы поместить Сатурн, тот бы плавал на поверхности:
Следует помнить, что речь идет о фантастическом примере для понимания плотности планеты. Рассуждения о том, что Сатурн своей гравитацией моментально втянул бы в себя подобный океан, или о том, что такой массив воды не смог бы существовать в жидком виде – это другие темы.
«Властелин колец» отброшен от Солнца на расстояние более чем 1,4 миллиарда км – это в 9 раз дальше, чем Земля. Световым фотонам – самым быстрым в природе – на путь от Солнца до нашей планеты нужно всего 8 мин, путь же до Сатурна у света занимает целый час и двадцать минут времени. «Кассини» удалось заснять, каким выглядит Солнце с такого расстояния:
На один оборот вокруг Солнца планета тратит 29,5 земных лет. Но вокруг своей оси Сатурн, как и Юпитер вращается быстро: его сутки продолжаются 10,5 часов, поэтому планета сплюснута в полюсах и расширена на экваторе. Наклон оси вращения Сатурна больше земного: он составляет 27 градусов, так что смена сезонов в этом мире существует. Изменения температуры на Сатурне заметны по окраске самых холодных участков в бледно-голубой оттенок. Летом эти места меняют расцветку на потеплевший желтоватый тон.
Однако лучи Солнца не приносят планете много тепла: основные температурные колебания обусловлены процессами внутри самого Сатурна. По мере опускания в слои газового гиганта температура возрастает, т.к. он внутри него находится горячая мантия из металлического водорода:
Предположительно, температура ядра может достигать +11800°С.
Верхние облака планеты, содержащие аммиак, очень холодные: их температура – минус 177°С. Следующий слой включает в себя включает гидросульфидный лед с примесью аммония. В его толщине наблюдается разница в распределении давления, от которого зависит и большая разница температур: от – 3 в самых плотных участках, до -93 в разряженных.
Самый нижний слой находится под максимальным давлением, которое можно сравнить с наблюдаемым на больших глубинах мирового океана. Здесь плотный газовый состав нагревается до +83 градусов.
Как видно по графику, на планете есть участки с комфортной для нас температурой, составляющей +21 градус, но давление там в 10 раз сильнее земного.
Бури и ураганы
Сатурн кажется очень спокойным миром. Издалека видны лишь красивые разноцветные полосы, обусловленные содержанием метана, гелия, азота и аммиака. Но это спокойствие обманчиво: под верхним слоем облаков скрываются бури, не уступающие юпитерианским.
Примерно каждые 30 земных лет на Сатурне происходит мега-шторм, «Кассини» повезло стать свидетелем этого события:
А на северном полюсе Сатурна «Кассини» обнаружил реактивный поток, имеющий форму правильного шестиугольника, который существует уже десятилетия. Его поперечник – 25 тыс км, глубина его оценивается как минимум в 100 км:
Есть предположение, что ураган уходит вглубь планеты на целые тысячи километров, чем, возможно, и объясняется его стабильность. А в самом центре находится круговой шторм:
Так выглядит размер шестиугольника по сравнению с Землей:
На основе полученных данных учёные составили трёхмерную модель атмосферы планеты. Она показала, что под знаменитым многоугольным вихрем на глубине в тысячи километров его окружают три антициклона. По мнению исследователей, потоки газа в них идут в направлении, противоположном движению самой главной «воронки». В результате они меняют поведение ветров по краям урагана и таким образом придают ему форму гексагона.
На южном полюсе Сатурна, на высоте 32 км, тоже бушует вихрь, который занимает две трети диаметра Земли и имеет странное сходство с темным, таинственным глазом:
Кроме того, в южном полушарии, в глубине Аллеи Бурь, был найден разрушительный Драконий шторм:
Сфотографированная миссией «Кассини» в 2004 году, эта невероятная гроза, очертания которой напоминают дракона, простирается больше чем на 3200 километров и выдает молнии в 1000 раз сильнее тех, что на Земле. Молнии не наблюдаются напрямую, но регистрируются по мощным радиосигналам.
Магнитное поле
У Сатурна есть магнитные полюса, как и у Земли. Напряженность в районе экватора примерно в 20 раз ниже, чем у Юпитера, и лишь немного ниже, чем у нашей планеты. Таким образом, магнитосфера Сатурна имеет значительно меньшие размеры, чем юпитерианская, однако она весьма эффективно отклоняет частицы солнечного ветра. Кроме того, спутник Сатурна Титан частично теряет плазменную составляющую своей атмосферы, которая становится частью ионосферы Сатурна.
Главная достопримечательность - кольца
Происхождение колец
Одна из наиболее правдоподобных и обоснованных гипотез о происхождении колец Сатурна выглядит так: на заре формирования Солнечной системы спутники планеты (их орбиты были еще нестабильны) один за другим подходили слишком близко к газовому гиганту и разрушались приливными силами:
Тяжелые минеральные компоненты и фрагменты горных пород падали на Сатурн, а более легкие обломки изо льда оставались в космосе. После разрушения нескольких спутников образовалось массивное первичное кольцо – примерно в тысячу раз массивнее современных колец. В течение последующих 4,5 млрд лет ледяные обломки, постоянно сталкиваясь друг с другом, измельчились, а бо́льшая часть вещества была поглощена планетой.
Другая гипотеза состоит в том, что кольцо сформировались одновременно с самим Сатурном: остатки облака околопланетного вещества так и не сформировались в полноценный спутник – этому помешала сильная гравитация газового гиганта. Беспорядочно вращаясь, частицы постоянно соударялись друг с другом и постепенно измельчались.
Есть еще третья версия: она является разновидностью первой и предполагает, что Сатурн в прошлом столкнулся с крупным астероидом или кометой – и из обломков катастрофы сформировались кольца.
Система колец
Кольца Сатурна не имеют четко очерченной границы – ширина их видимой части около 280 тыс. км.
Кольца очень разнятся по яркости: одни хорошо видны в земные телескопы, другие – например, ближайшее к планете кольцо D – довольно тусклое и потому открыто только в XX веке.
Самое внутреннее кольцо Сатурна - Кольцо D состоит из частичек льда и замерзшего метана, его верхняя граница находится 16,5 тыс км от планеты:
Долгое время считалось, что нижний край кольца D плавно переходит в атмосферу Сатурна. В 2017 году «Кассини», завершая свою миссию, сделал 22 витка вокруг Сатурна, «нырнув» в пространство между кольцом D и атмосферой планеты – и тут ученых ждал сюрприз: вместо ожидаемых пылевых завихрений аппарат обнаружил около 2000 км абсолютно пустого пространства! Пока ученые работают над этой загадкой: почему уровень пыли в этой области оказался намного ниже, чем ожидалось.
Одной из последних фотографий, переданных «Кассини», был снимок колец Сатурна изнутри:
Глядя на это необыкновенное зрелище, остается только пожалеть, что Сатурн не имеет твердой поверхности и мы никогда не сможем погулять под таким небом...
Следом за D идет гораздо более яркое и массивное кольцо С шириной около 17, 5 тыс. км,
которое состоит из обломков не более 2 метров в поперечнике. Суммарная масса частиц этого кольца составляет всего 0,033% в общей массе колец Сатурна.
Самая яркое и массивное кольцо – это кольцо B, которое начинается в 37 тыс. км от планеты и простирается на 25 тыс. км. Его частицы и образуют основную массу всех колец Сатурна, сопоставимую с седьмым по величине спутником Сатурна Мимасом - это маленькая луна неправильной формы размером 207×197×191 км. Толщина кольца оценивается в 5 – 15 м.
Именно на его внешней кромке «Кассини» обнаружил вертикальные образования, похожие на горы – их высота достигает 2,5 км!
Наконец, внешнее видимое кольцо – кольцо А – тусклее и раз в 7 легче кольца B. Его внутренний край находится в 64 тыс. км от Сатурна, а ширина равна 14,6 тыс. км. Кольцо А – самое «толстое» - толщина его частиц достигает 30 м. Считается, что этот объект моложе остальных, т.к. температура в нем распределена неравномерно.
Между кольцами B и A располагается одна из самых выразительных структур системы — Щель (или Деление) Кассини (в честь итальянского астронома, открывшего эту щель). Она доступна для наблюдения с Земли в любительские телескопы классом выше среднего. Ее ширина составляет 4,5 тысячи километра — сопоставимо с шириной D-кольца:
Каждое из основных колец состоит из большого количества окружностей, разделенных узкими щелями. Щели между кольцами возникают как из-за гравитации самого Сатурна, так и его многочисленных спутников.
В 2,6 тысячах км от внешнего края кольца А (140 тыс. км от центра Сатурна) находится самое тонкое и изменчивое кольцо – F – шириной всего в 30, местами – в 500 км. Технически - это образование из трех более тонких ледяных колец, которые гравитационно удерживаются «лунами-пастухами» - Прометеем и Пандорой:
За кольцом F следует очень тусклый объект — кольцо Януса-Эпиметея. Оно примечательно во многом тем, что было открыто благодаря «Кассини». Представляет собой крупицы материи, отколовшиеся от спутников Янус и Эпиметея после столкновения с астероидами. Ширина кольца — 5000 км, но его точная толщина неизвестна. Оно находится на удалении в 151 000 км от Сатурна.
Еще одно тусклое кольцо G – вращается на расстоянии 166 тыс км от планеты и имеет ширину 9000 км. Вблизи его внешнего края располагается полукилометровый спутник Эгеон, собравший вокруг себя небольшую плотную арку из материала кольца, простирающуюся на одну шестую окружности:
Предпоследнее – Е-кольцо - находится уже между орбитами Мимаса и Титана (180–480 тысяч километров от центра газового гиганта). Толщина кольца более 2000 километров, а основным источником материала для него служат гейзеры Энцелада.
Далее следует огромное и почти невидимое Кольцо Фебы – это тончайшее скопление космической пыли и разреженного газа, которое простирается на расстояние до 16 млн км – то есть на половину пути от орбиты Земли до орбиты Венеры!
Кольцо Фебы было открыто лишь в 2009 году помощью инфракрасного космического телескопа «Спитцер». Из-за своей разреженности кольцо Фебы почти невозможно увидеть в оптическом диапазоне. Диаметр его частиц не превышает 10 см, а его орбита отличается от других колец тем, что она наклонена на 27 градусов. Кроме того, оно вращается в сторону, противоположную вращению остальных колец. Дело в том, что по этой плоскости движется 28-й спутник Сатурна – Феба. А пыль, сдуваемая с него солнечным ветром, и образует кольцо.
Интересные факты о кольцах Сатурна
Сатурн вместе с кольцами в диаметре занимает пространство в 400 тыс км, т.е. мог бы с лихвой «покрыть» расстояние между Землей и Луной.
Кольца очень тонкие: если собрать все частицы колец, то их суммарная масса была бы в 2000 раз меньше массы Луны.
Это смоделированное изображение на основе радиолокационных наблюдений дает наглядное представление о размерах частиц колец:
Фиолетовый цвет обозначает места, где преобладают объекты не менее 5 см. Зеленый цвет – 2 см. Голубоватые полосы – еще меньше. Белые полосы – это плотные области, через которые не смогли проникнуть радиосигналы.
Когда «Кассини» подошел достаточно близко, оказалось, что то, что в телескоп выглядело однородным – вдруг распалось на множество мелких колечек. Специалисты NASA сравнивают эти бесчисленные колечки с дорожками грампластинки. Так выглядит фото колец Сатурна в деталях:
Размеры частиц варьируются от камней с многоквартирный дом до мельчайших пылинок. Они вращаются вокруг планеты со скоростью 30-60 тысяч км/ч.
А это изображение в ложных цветах дает представление о составе колец: бирюзовые полосы – лед, красные – так называемая «грязь» т.е. обломки камней и пыль:
Внутри С-кольца располагается щель Коломбо. Через неё проходит орбита самого крупного спутника - Титана. Внутри А-кольца вращаются сразу несколько спутников — Атлас, Дафнис и Пан. Самый близкий к Сатурну спутник, так до сих пор и не получивший тривиального названия, - S/2009 S1 - вращается внутри В-кольца.
До их пор неизвестно, какое вещество придает кольцам Сатурна розовато-оранжевый оттенок.
Планируемые исследования
Ученые собираются изучать Сатурн дальше - эта планета таит в себе еще много загадок. Также немалый интерес представляют и его спутники. В 2020 году планировалась миссия Titan Saturn System Mission (TSSM) — совместный проект НАСА и ЕКА для изучения Сатурна и его спутников: Титана и Энцелада, где ранее были сделаны уникальные открытия аппаратом «Кассини-Гюйгенс», но пока она отложена. Возможно, до 2029 года проект удастся осуществить, т.к. для ученых Титан и Энцелад представляют огромный интерес - еще больший, чем сам Сатурн. Мы отправимся на эти спутники в следующих рассказах.
Ставьте лайк, если понравилась статья. Пишите комментарии, подписывайтесь на канал - будет еще много интересного!