Вокруг колец Сатурна нашелся толстый бублик

Во время сентябрьской акции «100 часов астрономии» в Московском государственном университете главным разочарованием пришедших посмотреть в настоящий телескоп было отсутствие на небе Сатурна. Он неизменно привлекает внимание всех, кто поднимает глаза к небу, и все благодаря уникальной системе колец. Грациозно разворачиваясь в небе, кольца то полностью исчезают, то раскрываются в полном своем великолепии – рассеченные  на отдельные кольца и тоненькие колечки самой разной яркости и цвета.

Кольца Сатурна можно увидеть в простейший телескоп или бинокль, но невооруженному взгляду они, к сожалению, не доступны. Их яркая часть простирается лишь на 2,5 радиуса Сатурна в обе стороны от планеты, и на небе это составляет меньше минуты дуги – чуть ниже предела разрешения невооруженного глаза. Даже внешнее кольцо E, которое втрое шире, было бы лишь едва разрешимо для наших глаз – но у него, состоящего из подледных выбросов воды со спутника Энцелад, очень низкая яркость.

Исполинский бублик

Как теперь выяснилось, кольцо E не единственная «жертва» слабой чувствительности человеческого глаза. Если бы мы обладали таким же зрением, как космический телескоп имени Лаймана Спитцера, перед нашим взором предстало бы громадное кольцо размером с две полные Луны. Это почти в 20 раз больше бывшего до сих пор «внешним» кольца E и в 70 раз больше, чем яркая часть кольцевой системы.

Новое кольцо простирается как минимум на 200 радиусов Сатурна в обе стороны от планеты, а его внутренний радиус примерно вдвое меньше внешнего. Более того, в отличие от всех остальных колец, толщина которых измеряется метрами и ничтожна в сравнении с шириной, новое кольцо – это настоящий бублик, его толщина составляет около 40 планетных радиусов. В одном лишь поперечном сечении этого бублика с комфортом уместились бы 20 орбит Луны вокруг Земли.

Тем не менее до сих пор об этом кольце не было известно. И неудивительно: как пишут Энн Вербисер из университета американского штата Вирджиния и ее коллеги, яркость этого кольца даже в инфракрасном диапазоне спектра составляет лишь 1% от фонового свечения мелкой пыли, рассеянной в плоскости планетных орбит (так называемого зодиакального света). Работа, описывающая открытие крупнейшего объекта Солнечной системы – его размеры около 2,5 млн км (в высоту) на 6 млн км (в ширину) на 12 млн км (внешний радиус), -- принята к публикации в Nature. Накануне авторы представили свои результаты на встрече Американского астрономического общества в Пуэрто-Рико.

Полоса в полосе

Чтобы выделить этот крохотный сигнал на фоне свечения межпланетной пыли, Вербисер и ее коллеги Майкл Скрутски и Дуглас Хэмилтон 18 февраля текущего года направили телескоп имени Спитцера в казалось бы пустое место в 24 угловых минутах к востоку от Сатурна. Здесь Spitzer в течение часа снимал протяженную полоску неба, перпендикулярную плоскости орбиты планеты. Съемки велись в двух диапазонах среднего инфракрасного спектра – на длинах волны в 24 мкм и 70 мкм.

«Пустое место» было, конечно, выбрано не случайно. Именно в центр этой полосы проецировался край орбиты спутника Сатурна Фебы, которая кружится далеко от планеты в сторону, противоположную ходу большинства других спутников, и под заметным наклоном к их орбитам. Помимо странной орбиты у небольшой Фебы необычно темная для лун Сатурна поверхность, и скорее всего, этот спутник – астероид, захваченный притяжением Сатурна в далеком прошлом Солнечной системы.

Анализ фотографий показал, что в середине отснятой полосы яркость «пустого» неба (сама Феба в этот момент была в другой точке орбиты) заметно выше, чем у концов полоски, особенно на длине волны в 24 микрона. На подобной серии фотографий, снятых еще дальше от Сатурна, равно как и на фотографиях его близких окрестностей, никакого избытка яркости ученые не заметили. Отсюда Вербисер и ее коллеги заключили, что они видят свет частичек, из которых состоит самое большое кольцо.

С Фебы к Сатурну

По мнению ученых, именно Феба является поставщиком материала для нового кольца. Она движется в сторону, противоположную направлению вращения Сатурна и других членов его системы, а потому чаще испытывает удары со стороны шныряющих здесь камней и астероидов, а сами эти удары в среднем сильнее. К тому же материала для создания кольца надо совсем немного: бублик очень разрежен (типичные расстояния между частицами – десятки и сотни метров), и несмотря на грандиозные размеры, его массу ученые оценивают в скромные по планетарным масштабам сотни мегатонн. Это масса небольшой горы или вещества, выбрасываемого с Фебы после удара астероида, оставляющего вмятину глубиной в километр.

Компьютерная модель, которую построили Вербисер, Скрутски и Хэмилтон, на основании этих соображений, неплохо описывает наблюдения. В «наследство» от Фебы, с которой частички вылетают, они получают орбиты, похожие на орбиту спутника, – наклоненные (примерно на 5°) и вытянутые (с отношением большой и малой осей около 1,4). Прецессия этих орбит, даже без учета столкновений между частицами и притяжения спутников Сатурна, за несколько тысячелетий распределяет частички по всему бублику. Несложно подсчитать, что как раз в пределах наблюдаемого бублика прецессирует и орбита самой Фебы. Поскольку пылинки движутся далеко от Сатурна, основной вклад в прецессию дает притяжение Солнца, а не неоднородность гравитационного поля Сатурна. Из-за этого бублик расположен не в плоскости экватора планеты, а в плоскости его орбиты, под углом 27° к основной плоскости колец.

Не менее интересна и дальнейшая судьба частиц. Ее определяют два процесса – столкновение между частицами и так называемый эффект Ярковского, связанный с асимметрией теплового излучения нагретых Солнцем частиц. Столкновения играют доминирующую роль для относительно крупных камней, которых в этом кольце, скорее всего, мало. А вот мелкие пылинки, которых большинство и по количеству и по массе, своей дальнейшей судьбой обязаны неравномерному переизлучению солнечной энергии. Эта асимметрия дает дополнительную тормозную силу, которая заставляет частицы оседать все ближе и ближе к центру системы Сатурна, пока они не упадут на планету или на один из ее спутников. В зависимости от размера частицы – 1 мкм или 1 мм такое путешествие занимает от миллиона до сотен миллионов лет.

Трехвековой ответ

Как полагают Энн Вербисер и ее коллеги, пылинки, выброшенные с поверхности Фебы во внешний бублик и постепенно оседающие к центру системы Сатурна, дают ответ на одну из самых удивительных ее загадок. Более трех веков, со времен Джованни Кассини, астрономы не могли понять, почему две стороны Япета – одной из самых удивительных лун Сатурна – окрашены в совершенно разные цвета. Япет крутится вокруг Сатурна, как Луна вокруг Земли, все время повернутым одной и той же стороной к планете, а значит и все время одной и той же стороной вперед, а другой – назад по орбите. И по какой-то причине ведущая сторона спутника является темной, как копоть, а ведомая – яркой, как лед.

По мнению авторов новой работы, «закоптили» спутник именно частички внешнего бублика, медленно проваливающиеся во внутреннюю часть системы. Как и Феба, они движутся в сторону, обратную вращению Япета, а потому чаще падают на его поверхность и почти исключительно с ведущей стороны. По подсчетам Вербисер, за время существования Солнечной системы пыль с Фебы могла покрыть переднюю сторону Япета равномерным слоем толщиной около 20 см. Это подтверждают данные космического аппарата Cassini, показавшего, что толщина слоя копоти на Япете не превышает нескольких метров.

Япет перехватывает львиную долю пылинок, но небольшая их часть оседает и на другие луны Сатурна. Как показывает расчет, больше всего закопчены Гиперион и Титан. Однако у Титана есть мощная атмосфера, в которой следы «копоти» мгновенно замываются, а Гиперион не обладает синхронным вращением, поэтому его поверхность закопчена более или менее равномерно.

Тем не менее на странную схожесть спектров поверхности Фебы, Гипериона и темной стороны Япета ученые обратили внимание еще десять лет назад, и именно это обстоятельство и заставило Вербисер искать неуловимое кольцо. Теперь можно уверенно говорить: это сходство трех спутников не случайно, а «генетически» обусловлено. Именно Феба с помощью самого крупного в системе Сатурна и необычно толстого кольца покрыла поверхности Япета и Гипериона тонким слоем копоти.