О кольцах Сатурна и иных загадках систем планет-гигантов

Когда вы смотрите на планеты Солнечной системы, среди них особо выделяется Сатурн с его блестящими кольцами. Правда, астрономы до сих пор не могут уверенно сказать, с чем этот блеск связан...

Кольца есть у многих планет нашей системы. Только вот они и близко не блестят так, как сатурнианские, и разность масс тут не поможет. В самом деле: основной блеск колец происходит от частиц водного льда (90% частиц) с их предельно высоким альбедо. Однако если вы часто ездите на машине по российским дорогам, то наверняка заметили: лёд редко долго остаётся чистым. В кольцах Юпитера и Нептуна (и не только там) он быстро чернеет от соударений с микрочастицами каменистой природы (на наших дорогах — песка и прочего). Повреждения поверхности от микроударов делают лёд в кольцах большинства планет просто чёрным, но только не у Сатурна! Как это может быть?

Энцелад с молодыми гладкими поверхностями вулканического происхождения контрастирует с кратерными ландшафтами Мимаса («Звезды смерти»). В центре: извержения на Энцеладе видны из космоса. (Здесь и ниже илл. NASA, JPL, UA.)

Есть гипотеза, что кольца Сатурна образовались недавно (сотни миллионов лет назад) и ещё не успели почернеть. Однако тела, из которых могли сформироваться кольца, интенсивно носились по Солнечной системе в первые 700 млн лет её существования. Вероятность того, что нечто подобное прошло близко к Сатурну в последний миллиард, низка, и это ещё мягко сказано. «Я не знаю, каким образом кольца [Сатурна] могли сформироваться недавно с любой разумной вероятностью», — недоумевает Робин Кануп (Robin Canup), астроном из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере (США).

Как это часто случается даже в самых успешных науках, когда исследователи видят что-то, чего они не понимают, они объясняют это при помощи чего-то такого, чего они не видят, но, кажется, понимают. Да-да, вы правильно вспомнили цитату: снова всплыл аргумент о «невидимой массе». Применительно к кольцам Сатурна это самое большое и хуже всего наблюдаемое кольцо B. В отличие от остальных колец, оно так непрозрачно, что астрономы не могут детально изучить его по проходящему сквозь кольцо свету, отсюда и неопределённость с массой.

Как, спросите вы, неизвестная масса кольца B может объяснить непонятную чистоту водного льда видимых нам колец? Дело в том, что если вы капнете чёрной краски в стакан с молоком, то его цвет может измениться. А вот если вы сделаете это с бассейном молока, изменения цвета вряд ли будут значимыми. Если кольца образовались миллиарды лет назад, но имеют колоссальную массу (больше, чем астрономы им долгое время приписывали), то «зачернить» такую громадину льда нельдистым микрометеоритам просто не удалось.

Чтобы проверить гипотезу о массе кольца B, в 2017 году КА «Кассини» будет послан между Сатурном и самым близким к нему кольцом D. Наблюдая вариации в орбитальных скоростях зонда на различном удалении от колец, астрономы надеются установить истинную массу загадочного кольца B. Правда, если она всё-таки совпадёт с ранними оценками, ситуация с кольцами Сатурна превратится в настоящую загадку.

К счастью, это не единственная проблема с системой Сатурна. Ведь там есть ещё Энцелад, спутник с постоянно кипящими гейзерами и вулканическими (точнее, криовулканическими) извержениями. Судя по их интенсивности, Энцелад выбрасывает в окружающее пространство 16 ГВт тепла, хотя, по всем расчётам, он обязан отдавать в 10 раз меньше. Ни распад радиоактивных элементов в ядре, ни приливной разогрев от Сатурна не могут объяснить происходящее: извержения солёной воды на нём так велики, что дали жизнь сатурнианскому кольцу E, порождённому выбросами гейзеров южного полюса Энцелада.

И здесь есть гипотеза, которую поддерживает, в частности, Крэйг О'Ниалл (Craig O'Neill) из Университета Маккуори (Австралия). Вот она: Энцелад накапливает приливной разогрев внутри своей ледяной оболочки подобно тому, как герметичная ёмкость с кипящей водой накапливает пар, пока её не прорвёт. Такой цикл, по расчётам учёного, может занимать от 100 млн до 1 млрд лет, на протяжении которых из-за низкой теплопроводности льда в коре внутренности Энцелада накапливают тепло, пока горячая (по тамошним меркам) вода не начинает фонтанировать, ломая лёд. Момент фонтанирования длится недолго, всего 10 млн лет, однако именно им учёный склонен объяснять облик Энцелада и даже Европы и Миранды (спутников Юпитера и Урана), где тоже есть следы криовулканизма.

Вулканическая активность на Ио в целом по масштабам даже превосходит энецеладскую.

Как и всякая теория, эта не без недостатков. Имя её недостатка — Мимас, спутник Сатурна: на него ещё сильнее влияют приливные силы (Мимас много ближе к Сатурну, чем Энцелад), однако его поверхность не несёт ни малейших следов криовулканизма, хотя бы в отдалённом прошлом. Как же он теряет получаемое при разогреве тепло?

Сходная с Энцеладом ситуация наблюдается и на спутнике Юпитера Ио: выбросы тамошних гейзеров поднимаются на высоту до 500 км (выше орбиты МКС), а выделяет он 99 000 ГВт тепловой энергии. Имеющиеся модели дают в несколько раз меньшие значения, но они не мешают Ио быть самым вулканически активным телом в нашей системе. Предполагается, что причина этого — взаимодействие с Европой и Ганимедом, деформирующими орбиту Ио и дополнительно вытягивающими её. А это усиливает приливной разогрев от воздействия Юпитера. Однако если такое влияние других спутников и наличествует, оно должно отнимать энергию у Ио и её орбита должна прогрессивно уменьшаться. Когда она в очередной раз серьёзно сжимается, становясь менее вытянутой и ближе к круговой, луна вновь может охладиться.

Как отмечает Дэвид Стивенсон (David Stevenson), планетолог из Калифорнийского технологического института в Пасадене (США), даже если эта теория верна, поведение Ио по-прежнему остаётся во многом загадочным. Ибо если её орбита периодически изменяется, и мы не представляем насколько, то она просто слишком сложна для всех мыслимых моделей...

С некоторыми перипетиями теоретических воззрений на судьбу Энцелада можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Nature News.