Загадка колец Сатурна, вероятно, разгадана – после 400 лет поисков ответа

Пожалуй, из всех планет, видимых в нашем небе невооружённым глазом или в телескоп, самой характерной и отличной от других будет Сатурн. Он выделяется в череде других своей системой гигантских колец. Впервые его увидел в телескоп Галилей в 1609 году, и описал его кольца как «уши». С улучшением технологий стало видно, что дело не в особой форме планеты, а в наличии у неё отдельных, хорошо различимых колец. Со временем выше, ниже, внутри, снаружи и даже в самих кольцах Сатурна были обнаружены промежутки, спутники, мелкие луны и множество всякой всячины.

Ни у одной из скалистых планет, астероида или объектов пояса Койпера колец нет. Они есть у Юпитера, Урана и Нептуна – но гораздо более блеклые, разреженные, мелкие и не такие массивные, как у Сатурна. Кроме того, кольца Сатурна наклонены и состоят почти целиком из водяного льда, в связи с чем постепенно испаряются. Когда-то считалось, что эти кольца существуют почти столько же, сколько и вся Солнечная система. Теперь же мы думаем, что они образовались совсем недавно по космическим меркам – порядка 100 млн лет назад, а ещё через 100 млн лет полностью исчезнут.

Откуда же они взялись? Тому было выдвинуто множество объяснений, однако ни одно из них не имело явного преимущества перед другими. Вплоть до 15 сентября 2022 года, когда в журнале Science было опубликовано исследование Джека Виздома из MIT. Одна-единственная катастрофа, произошедшая порядка 150 млн лет назад, может объяснить не только кольца Сатурна, но и несколько странных свойств, присущих только системе Сатурна. Вот, как выглядит эта идея – одновременно безумная и многообещающая.

Для формирования в звёздной системе какой-либо гигантской планеты, вроде Юпитера или Сатурна, должно пройти несколько этапов. Сначала, конечно, должна образоваться протозвезда с окружающим её протопланетным диском. Затем в местах крупных скоплений массы диска формируются ядра будущих планет, состоящие из минералов и металлов. Эти ядра начинают стягивать к себе окружающую материю и всё быстрее расти. Достигнув критической массы, будущие планеты начнут удерживать уже летучие соединения и элементы, и начнут появляться газовые гиганты со своими околопланетными дисками материи. В этих дисках относительно быстро сформируются свои нестабильные участки, за счёт которых появятся спутники разного размера и состава. Захваченные летучие компоненты перейдут в твёрдую, жидкую или газообразную фазу – в зависимости от температур спутников и расстояния до звезды.

Однако Сатурн и Юпитер всё же сильно отличаются друг от друга. И дело не только в массе, размере, цвете или составе. Оба гиганта вращаются с примерно одинаковым периодом – 9,9 часов и 10,5 часов соответственно. Но, во-первых, наклон оси Сатурна гораздо больше — 26,73° против 3,13°. Во-вторых, система колец Сатурна куда как более обширная и впечатляющая – её масса не менее чем в 1000 раз больше, а может быть даже и в 100 млн раз больше, чем масса колец Юпитера. И если у Юпитера все массивные спутники вращаются с отклонением не более 1° от его оси, то у Сатурна есть интересные исключения. Например, ось вращения Япета, второго по величине спутника Сатурна, более чем на 15° отклоняется от оси вращения родительской планеты. Кроме того, у оси вращения Сатурна есть прецессия с периодом в 1,83 млн лет. Возможно, это простое совпадение, но период прецессии оси вращения Нептуна составляет примерно столько же – 1,87 млн лет.

Кроме того, кольца Сатурна хорошо отражают свет, поскольку состоят преимущественно из водяного льда – и, что самое интересное, постепенно испаряются. Мы наблюдали это издалека, в телескопы Земли, и мы наблюдали это на месте, благодаря миссии «Кассини»: Сатурн быстро переваривает собственные кольца благодаря сочетанию ионного кольцевого дождя и экваториальных пыле-ледяных осадков.

Сперва солнечный ультрафиолет и облака плазмы, вызываемые метеоритами, попадают на кольца водяного льда. Молекулы и атомы материала колец возбуждаются, появляются ионы. Затем они взаимодействуют с электрически заряженной ионосферой Сатурна, и устремляются к высоким северным и южным широтам – выпадает кольцевой дождь.

А «Кассини», пролетая между кольцами и планетой, обнаружил, что частицы из внутреннего кольца падают на экватор планеты. Оба этих эффекта, ионный дождь и экваториальные осадки, позволяют нам оценить скорость потери массы системы колец и подсчитать ограничение на их возраст и время жизни.

Выходит, что их не было все 4,5 млрд лет существования Солнечной системы – скорее, они появились всего около 100 млн лет назад, и полностью исчезнут ещё через 100 млн лет.

Так откуда у Сатурна взялись кольца, и как они появились? Мы, конечно, можем наблюдать только текущее состояние системы Сатурна – однако в различных дошедших до нас объектах, с нею связанных, содержатся определённые ключи к разгадке.

Ключ 1: Мимас

Мимас — спутник Сатурна, открытый в 1789 году Уильямом Гершелем. Его диаметр – 396 км, и это двадцатый по величине спутник в Солнечной системе, и седьмой – среди спутников Сатурна. Также это самое маленькое известное космическое тело округлой формы, приобретённой из-за собственной гравитации.

Гравитационное воздействие Мимаса (вместе с другими спутниками) на кольца Сатурна создаёт в них много промежутков, включая один из крупнейших — щель Кассини, а также мелкие волны (как изгибы, так и волны плотности).

Мимас – первый спутник, расположенный за пределами системы колец. Кроме того, он выделяется гигантским кратером на поверхности (названным в честь первооткрывателя) – его диаметр всего в три раза меньше диаметра всего спутника. На противоположной стороне спутника можно увидеть значительные трещины от этого удара, потрясшего весь этот маленький мирок. По оценкам, кратер Гершеля сформировался около 4,1 млрд лет назад – а значит, Мимас изначально был спутником Сатурна. Кроме того, этот кратер служит явным напоминанием о том, что целые миры могут быть уничтожены достаточно сильным ударом. Кстати, в этом смысле Мимас не уникален – схожего размера кратер есть и на Тефии, пятом по величине спутнике Сатурна.

Ключ 2: Энцелад и кольцо Е

Если идти наружу от Мимаса, следующим крупным спутником окажется Энцелад. Он побольше, массивнее и активнее Мимаса. Несмотря на то, что приливные силы, вызываемые планетой, действуют на него меньше, на его южном полюсе наблюдаются сильные извержения. Извергаемый материал состоит из солёной воды, песка, аммиака и органических молекул. Всё это вздымается на 300 км над ледяной поверхностью мира, а потом не падает обратно, а растягивается и превращается в рассеянное кольцо, состоящее в основном из водяного льда и совпадающее с орбитой Энцелада – кольцо Е.

Поскольку Энцелад так быстро теряет массу, и у него под поверхностью, судя по всему, имеется обширный океан, возникает интересный вопрос: сколько ему лет? Сформировался ли он из первичной материи, из которой образовались Мимас и многие другие спутники? Или же он появился гораздо позже, из обломков, оставшихся от уничтоженного ранее спутника?

Энцелад может оказаться гораздо более молодым по сравнению с другими крупными спутниками Сатурна. Две недавних оценки его возраста помещают его в промежуток от 100 млн до 1 млрд лет. Это напоминание о том, что то, как всё выглядит сегодня, может не совпадать с тем, каким оно было недавно (по космическим меркам).

Два этих ключа уже дают достаточно аргументов в пользу следующего сценария. Существовавший когда-то спутник Сатурна с довольно небольшой орбитой (меньше, чем у Мимаса), столкнулся с крупным и быстро движущимся объектом, и полностью распался. Появившийся материал мог затем стать частью новых спутников – к примеру, Энцелада – а также спутников внутри колец, да и самих колец. Такой сценарий объясняет небольшой возраст колец и обилие льда, а также странные свойства Энцелада, отличные от всех остальных спутников.

Однако некоторые вещи такой сценарий не объясняет. Например, почему у Сатурна так сильно наклонена ось вращения, и почему орбиты всех спутников, от Япета и вглубь, а также сами кольца наклонены по отношению к плоскости вращения самого Сатурна.

В общем, такое объяснение имеет право на жизнь, но не объясняет всего — а кроме того, порождает новые загадки. Почему такое столкновение создало новые кольца и новые спутники в той же плоскости, где были старые? Почему всё это сильно наклонено по сравнению, например, с системой Юпитера и его кольцами и спутниками?

Возможно, нам нужно исследовать дополнительные ключи к разгадке. Следующим важным и подходящим может быть

Ключ 3: Япет

Его часто называют самым странным спутником Солнечной системы из-за его необычных характеристик.

• У всех крупных спутников Сатурна, в том числе у всех, расположенных внутри орбиты Япета, плоскости вращения отклоняются от плоскости самого Сатурна не более, чем на 1,6°. У Япета отклонение составляет 15,5° по отношению к остальным.
• На экваторе Япета есть огромный горный хребет 1300 км длиной (стена Япета) – а это почти равно диаметру всего спутника. Его ширина 20 км, а высота – 13 км. Он почти точно идёт по экватору, хотя там и есть несколько отдельных пиков и сегментов.
• Япет двухцветный – одна его часть покрыта чем-то тёмным, вторая – льдами.

И если двухцветность легко объяснить слиянием двух тел, то экваториальную гряду (по большей части направленную в сторону Сатурна) и наклон оси вращения объяснить не получается. У двух внешних по отношению к Япету спутников, Титана и Гипериона, также есть сильный наклон оси вращения – и никто не знает точно, как это произошло.

Наконец, есть ещё один ключ – самая внешняя планета Солнечной системы, а, точнее, крупнейший (и самый интересный) её спутник.

Ключ 4: Тритон

7 внутренних спутников Нептуна вращаются практически в той же плоскости, что и сама планета. Крупнейших из них, Протей, размером с Мимас. Сильнее всего наклонена орбита Наяды – на 4,7°. А 8-й спутник – это Тритон. Самый большой и массивный, в 1000 раз тяжелее Протея. И он значительно выделяется на фоне всех остальных:

• Его орбита наклонена под значительным углом к остальным орбитам.
• Он движется по ней в противоположную сторону.
• Его состав делает его похожим на объекты пояса Койпера, а не на остальные спутники Нептуна.

За пределами орбиты Тритона, обращающегося вокруг Нептуна всего за 6 дней, находятся остальные спутники, обращающиеся вокруг своей планеты годами, орбиты которых наклонены под разными углами и достаточно сильно вытянуты. В какой-то момент Тритон ворвался в систему Нептуна, разбросал несколько его спутников и устроился на текущей орбите. Из всех внешних спутников только, возможно, Нереида (и то под вопросом) изначально сформировалась на орбите вокруг Нептуна.

Информации много, но она позволяет понять последнюю идею, собирающую все эти кусочки головоломки вместе. Раньше вместо колец, спутников, находящихся сегодня в этих кольцах и внутри, ближе к планете, и Энцелада – вместо всего этого у Сатурна был большой массивный спутник, орбита которого проходила между орбитами Титана и Япета – Хризалис. По массе он был сравним с Япетом, но обращался вокруг Сатурна за 45 дней. Дополнительная масса на такой орбите вытаскивала Титан наружу, вытягивала эксцентриситет Титана, Гипериона и Япета, а также меняля наклон орбиты последнего. При этом Сатурн приобретал большой наклон оси вращения из-за прецессионного резонанса с Нептуном. Всё это приводило к тому, что Хризалис притягивался ближе к планете.

В итоге Хризалис потерял способность удерживать свой материал – приливные силы Сатурна и Титана разорвали его, и получились обломки, собравшиеся в итоге в современную систему колец и внутренних спутников. Согласно симуляциям команды Виздома, это один из трёх самых распространённых концов для подобного спутника. Два других варианта – выброс с орбиты планеты и столкновение с другим спутником.

Если Хризалис сформировался на ранних этапах истории Сатурна, описанные процессы могли происходить миллиарды лет, что привело бы не только к наклону оси Сатурна, но и к взаимному расположению, эксцентриситету и наклону орбита Титана, Гипериона и Япета. Если затем Хризалис разорвало на части порядка 160 млн лет назад, это могло породить систему внутренних колец, многочисленные спутники – возможно, и Энцелад, находящийся снаружи основных колец. Все остальные особенности системы Сатурна, которые списывали на совпадения – промежутки между Реей и Титаном, и между Гиперионом и Япетом – тоже объясняются наличием в какой-то момент этого дополнительного спутника.

Это новый и убедительный сценарий, дающий интересную альтернативу объяснениям, в которых привлекаются внешние небесные тела, разрушившие бывший спутник. Теперь нам необходимо собирать доказательства, которые помогут нам подтвердить или опровергнуть эту теорию. Лучше измерив распределение масс в системе Сатурна и оценив вероятность похожих событий на других планетах с кольцами (которые ещё предстоит открыть, мы сможем с определённой уверенностью говорить о том, откуда и как именно появились кольца Сатурна. Хотя такая детективно-астрономическая работа – задача сложная, получив основные доказательства, мы сможем воссоздать катаклизмы, приведшие к сегодняшней ситуации.