I. История открытия колец
Кольца Сатурна не видны с Земли невооружённом глазом.
В самом начале 17 века в Европе начали распространяться оптические приборы – зрительные трубы – и одним из первых учёных, кто использовал этот оптический прибор для наблюдений за небесными светилами, был основатель экспериментальной физики Галилео Галилей. Направив в 1610 г. свой телескоп на Сатурн, Галилей увидел то, что мог увидеть в очень несовершенную (по современным меркам) оптику: два больших горба по бокам этой планеты. Так как незадолго до этого он наблюдал в телескоп четыре спутника Юпитера и понял, что это именно спутники, разумно допустить, что и о горбах Сатурна он подумал то же самое. Но спутникам положено периодически прятаться за (или перед) планетой. Сатурн же ночь за ночью оставался неизменным. Озадаченный Галилей прибег к распространённому среди учёных того времени способу закрепления приоритета: составил анаграмму из фразы «я видел высочайшую планету тройной» (s m a i s m r m i l m e p o e t a l e u m i b u n e n u g t t a u i r a s) и послал её другим наблюдателям, в том числе астрологу Иоганну Кеплеру (который отнёсся к более раннему сообщению Галилея о спутниках Юпитера как к шутке). Но к 1612 году кольцо Сатурна повернулось к Земле ребром и горбы исчезли. Галилей не преминул написать в одном из своих писем об исчезновении горбов, и даже предсказал, что они вновь появятся, но по опубликованному им в 1623 г. рисунку Сатурна (без каких-либо комментариев автора), можно догадаться, что он так и не понял, что увидел.
В марте 1655 года самый известный в истории часовщик и не менее известный учёный Христиан Гюйгенс, имевший в своём распоряжении гораздо более совершенный телескоп (его собственной конструкции), увидел и понял наконец, что это именно кольцо. Хотя предыдущая теория (Яна Гевелия) представляла Сатурн как эллипсоидальную планету с двумя ручками по бокам, теория с кольцом казалось тогда вообще невероятной, так что и Гюйгенс прибег к тайнописи, разместив в одной из публикаций зашифрованный текст: «он окружён тонким и плоским кольцом, нигде не соприкасающимся с ним и наклонённым к эклиптике». Спустя три года Гюйгенс всё же решился опубликовать «открытую» работу о кольце - Systema Saturnium, за которую был подвергнут насмешкам со стороны тогдашнего научного сообщества (стилистика таких насмешек сильно напоминала флейм на современных интернет-фрумах), хотя кольцо описывалось в работе очень грамотно и доходчиво.
II. Исследования колец в 17-20 веках
Уже в 1665 году английский астроном Уильям Болл заметил в середине кольца тёмную линию, которую гораздо позже назвали делением Кассини (Джованни Кассини, директор Парижской Королевской обсерватории, через 10 лет после Болла «переоткрыл» эту линию). Сын и преемник Джованни Кассини Жак предположил, что кольца состоят из большого количества метеоритов, но такая гипотеза ещё очень долго оставалась не самой популярной. В XVIII-XIX веках астрономы неоднократно сообщали о других полосах, разделяющих кольцо. Самая большая (после деления Кассини) была обнаружена Джеймсом Келером (по другим сведениям Вильямом Ласселем) в кольце А ближе к его внешнему краю, и названа делением Энке (открытие часто называют не в честь того, кто открыл, а в честь того, кого в связи с этим открытием «распиарили»). Иммануил Кант, автор знаменитой космогонической теории, господствовавшей почти два столетия, в 1755 г. описал кольцо как дифференциально вращающийся диск, состоящий из сталкивающихся частиц и разделённый на множество узких колечек.
В XIX веке Василий Яковлевич Струве, директор Пулковской обсерватории, предложил внешнее кольцо называть А, внутреннее - В. Когда в 1838 году Иоганн Готфрид Галле (из Берлинской обсерватории) обнаружил ещё одно очень разреженное кольцо, расположенное внутри кольца В, его назвали кольцом С или креповым кольцом.
Гюйгенс считал, что кольцо у Сатурна монолитное. Ещё примерно столетие большинство учёных придерживалось этой же точки зрения, а деление Кассини считали просто тёмной полосой. Хотя в тот же период не отметалась и дискретная гипотеза. В немецком учебнике по естественным наукам, вышедшим в 1776 г., записано, к примеру, следующее: «Полагают, что кольцо вокруг Сатурна состоит из большого числа сатурновых спутников, пребывающих в соседстве».
Следующий серьёзный вклад в теорию внёс в 1787г. создатель небесной механики Пьер Симон Лаплас. Из законов Кеплера (известных с начала XVII века) следовало, что угловая скорость вращающихся на орбите тел зависит от высоты орбиты. Спутник, имеющий низкую орбиту, будет делать больше оборотов в единицу времени, чем спутник с более высокой орбитой. Внутренняя часть кольца поэтому будет стремиться вращаться быстрее, а внешняя – медленнее. Возникшие в результате так называемые приливные силы разрушат кольцо, состоящее из любого твёрдого материала. Чтобы решить эту проблему, Лаплас предложил модель из множества узких колечек переменной ширины, каждое из которых вращается с соответствующей высоте его орбиты скоростью и состоит из жидкого материала. В середине 19 века создатель электродинамики Джеймс Клерк Максвелл пересчитал модель Лапласа и выяснил, что устойчивыми могут оказаться лишь колечки, к каждому из которых «приклеен» небольшой спутник, в 4,5 раза превосходящий колечко по массе. Видимо, такая картина показалась ему уж совсем нелепой, и он написал: «Единственная жизнеспособная система колец сводится к бесчисленному количеству несвязанных частичек, обращающихся вокруг планеты с различными скоростями. <...> Эти частицы могут быть собраны в систему узких колец...» Под частичками можно было понимать и газ, и жидкость, и твёрдые тела различного (не очень большого) размера, но преобладало мнение о жидкости. Ученица гениального Вейерштрасса Софья Васильевна Ковалевская (чей прадед Фридрих Шуберт был известным астрономом) привела математические доказательства того, что кольца имеют овальное сечение, а также показала, что единственный устойчивый вариант это кольцо, состоящее из мелких твёрдых частиц. Её расчёты вдохновили другого гениального математика – Анри Пуанкаре – на более детальный и исчерпывающий математический анализ, и в итоге именно он подвёл черту под спором теоретиков о природе колец.
Математические выкладки вскоре были подтверждены результатами наблюдений. Ученик Струве Аристарх Аполлонович Белопольский в 1895 г., изучая кольца Сатурна с помощью только что созданного прибора спектрографа (основанного на эффекте Доплера), измерил скорости движения частичек в разных частях кольца. Каждая частичка двигалась, как и следовало ожидать, по своей орбите в соответствии с законами Кеплера. В том же году аналогичные измерения были сделаны в других обсерваториях (в США Килером и Кэмпбеллом). Но идея о системе узких колечек к тому времени была отметена как не имеющая под собой научной основы.
В 20 веке о кольцах накапливались наблюдательные данные, но дальнейшего прорыва в изучении этого явления не было. В 1952 тщательно выполненный спектральный анализ подтвердил, что кольца состоят из водяного льда. В 1958 г. была открыта азимутальная асимметрия яркости колец: при фиксированном угле зрения яркость секторов кольца, расположенных под прямым углом друг к другу, различается на 40%. В 1968г. Эдвард Гайнен опубликовал данные о том, что планета Нептун тоже обладает фрагментарным кольцом или дугой, но эта информация не нашла тогда подтверждения у других наблюдателей.
III. Новый взгляд на кольца в эпоху космических аппаратов
Ситуация изменилась революционно в конце 1970-х – начале 1980-х. В марте 1977г. с помощью летающей обсерватории им. Койпера были открыты кольца у Урана и это открытие подтвердили другие обсерватории. В марте 1979г. окрестностей Юпитера достигла американская межпланетная станция «Вояджер-1» и на переданных ею снимках учёные разглядели кольца у этой планеты – небольшие, состоящие из каменных обломков. Наконец, в ноябре 1980 г. «Вояджер-1», а в следующем году и «Вояджер-2», передали на Землю телеизображения колец Сатурна с высоким разрешением. Оказалось, что были правы Кант, Лаплас и Максвелл: кольца выглядят как система отдельных очень узких колечек, количество которых измеряется сотнями. «Вояджеры» прояснили некоторые загадки колец, но, как бывает в любом научном прорыве, поставили ещё больше вопросов. В 2004г. в систему Сатурна прибыла межпланетная станция «Кассини-Гюйгенс», которая (помимо выполнения других задач) продолжила изучение системы колец.
Основная (хорошо видимая в телескопы) часть колец Сатурна простирается на расстояние от 7000 км до 80000 км над экватором планеты. Тёмные промежутки между колечками и их группами не пустые, они заполнены более разреженным и тёмным льдом, носящим в английском языке название dirt (грязь). Толщина колец увеличивается по мере удаления от планеты. Ближайшие к Сатурну, самые плотные кольца B, C и D имеют толщину всего 5-10 м, заполненные «грязью» тёмные части - ещё тоньше. Кольцо А имеет толщину порядка 20 м. Эти толщины чрезвычайно малы, если сравнивать их с шириной колец; при данных масштабах основные кольца, хорошо видимые в телескоп – это тончайшая плёнка. Толщина внешних колец гораздо больше и составляет сотни (G) и тысячи (Е) км, но они очень разрежены. Общая масса обломочного материала в системе колец Сатурна оценивается в 3x10e19 килограммов.
Согласно последним данным, частицы колец Сатурна состоят в основном из рыхлых комков почти чистого (99,9%) водяного льда размером от нескольких микрон до десяти-пятнадцати метров, по большей части это пористые глыбы примерно метр в поперечнике. Согласно одной из гипотез, они являются реликтом эпохи формирования планет Солнечной Системы. Если это предположение верно, то кольца совершили уже около триллиона оборотов вокруг своей оси и, хотя относительная скорость движения частичек в кольцах очень мала (порядка миллиметра в секунду), каждая глыба испытала за это время порядка ста миллиардов столкновений с соседними частицами. По другой гипотезе, восходящей ещё к 19 веку, кольца представляют собой обломки ледяного спутника (если собрать всё вещество колец в один ледяной спутник, его диаметр составит примерно 400 км), разрушенного действием приливных сил или в результате столкновения с другим объектом (например, с кометой) – в последнем случае кольца могут оказаться относительно молодыми.
По мере удаления от Сатурна лёд в кольцах становится в среднем более чистым и светлым. Структура колец иерархическая: мелкие кольца, ширина которых доходит до сотен метров, объединены в более крупные. Некоторые колечки имеют переменную ширину. Некоторые эксцентричны (центр вращения не совпадает с центром Сатурна), некоторые имеют эллиптическую в плане форму. В распределении колечек хорошо видны изгибные волны и волны плотности, скорее всего вызванные воздействием на кольцо спутников Сатурна. Высота некоторых волн достигает сотен метров. Большинство специалистов считает, что именно спутники определяют сложную структуру колец. Так, деление Кассини является результатом гравитационного резонанса от спутника Мимаса, точнее, результатом созданной гравитацией Мимаса спиральной волны плотности, которая «проредила» кольцо, образовав в нём щель шириной в 4,5 тыс. км. После того, как межпланетные станции «Вояджер» в 1980-х обнаружили сотни колечек (отчего вся система колец напоминает граммофонную пластинку) была выдвинута теория спутников-пастухов, тысячами существующих в кольце и проделывающих в сплошном диске из частиц бороздки (вспомните «приклеенные» спутники Максвелла). Но количество реально обнаруженных «пастухов» оказалось довольно скромным. Например, спутники Прометей и Пандора «пасут» внешнее жгутообразное кольцо F, а спутник Пан «пасёт» деление Энке, не давая ему закрыться. В кольце А обнаружены следы очень маленьких (порядка 100 м в диаметре) спутников. Спутники-пастухи вносят самые причудливые возмущения в кольца, заставляя частицы двигаться по спирали, волнами, следом за собой и т. п. Отражательная способность колец Сатурна высока – примерно 60%, при этом 99% их яркости приходится на кольца А и В.
В то же время очевидно, что кольца тесно связаны с электромагнитными явлениями, порождаемыми в околопланетном пространстве мощной магнитосферой Сатурна. И здесь много неясного. Так, интенсивность поля по непонятной причине падает в районе кольца F в десятки раз. В то же время в системе колец отмечены электрические разряды мощностью по нескольку гигаватт. Учёных сильно озадачили возникающие на время до нескольких часов крупные (порядка 10000х1000 км) радиальные образования в кольце В, яркие в отражённом свете и тёмные на просвет, названные спицами. Их появление носит сезонный характер и как-то связано с электростатическим воздействием Сатурна на пылевые частицы с поверхностной границы колец (так как спицы вращаются синхронно с электромагнитным полем планеты).
Анализируя поступающие от космических аппаратов данные, исследователи столкнулись со многими странными явлениями, такими как сильное отражение кольцами радиоволн, аномальное отражение микроволн с круговой поляризацией, странное электромагнитное излучение в диапазоне 20,4 кГц — 40,2 МГц, спектральные аномалии теплового излучения колец и т.п. Возможно, многие из этих явлений (и даже само появление такой сложной системы колец) связаны со сверхпроводимостью льда, составляющего кольца.
Кольцевая система погружена в своего рода атмосферу (очень разреженную) из атомарного водорода, а в дальней части системы колец был обнаружен атомарный кислород. С её происхождением тоже много неясного.
Конечно же, исследования колец Сатурна продолжаются...