© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

Как теперь установлено, все четыре газообразные планеты-гиганты Солнечной системы (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) имеют ко́льца, но именно Сатурн окружают самые заметные и красивые кольца.

Экскурс в историю

Рассказ о кольцах Сатурна невозможно начать без экскурса в историю вопроса. Наблюдая в телескоп Сатурн, Галилей заметил два небольших тела, симметрично расположенных по обе стороны планеты. Сначала он принял их за два больших спутника, но полностью не был в этом уверен, а поэтому публично не объявил о своём открытии. Такая осторожность великого учёного была тем более оправданной, что попытки разглядеть эти тела около диска Сатурна, предпринятые им через некоторое время после первого наблюдения, оказались безрезультатными: никаких тел около диска планеты Галилей уже не видел. Для себя же в журнале наблюдений он сделал зашифрованную в виде криптограммы следующую запись: «Высочайшую планету тройно́ю наблюдал».

Высочайшей, т.е. наиболее удалённой от Солнца планетой во времена Галилея считался Сатурн, потому что более дальние планеты были ещё неизвестны. Итак, через несколько дней наблюдений объекты по обеим сторонам диска Сатурна перестали быть видимыми. Причина такого события объясняется просто. Ко́льца Сатурна расположены параллельно его экватору, а ось вращения Сатурна наклонена́ к плоскости орбиты почти на 27 градусов. Кроме того, орбита Сатурна наклонена́ к эклиптике на 2,5°. Значит, в процессе движения по своей орбите Сатурн показывает земному наблюдателю свои ко́льца под разным углом. Помещённый здесь рисунок хорошо иллюстрирует сказанное.

Ясно, что всю красоту и изящество колец Сатурна мы можем наблюдать тогда, когда мы видим их под максимальным углом. Когда же мы наблюдаем ко́льца под нулевым углом зрения, т.е. фактически с ребра́, то в этом случае мы не увидим вообще никаких колец. Толщина всего комплекта колец составляет не более полутора километров, и при наблюдении колец под нулевым углом зрения кольца Сатурна выглядят тонкой сверкающей линией, которая подобна игле, пронза́ющей диск планеты. Но чтобы заметить эту «иглу», требуется телескоп с мощнейшей оптикой.

Поскольку период обращения Сатурна составляет около 30 лет, то примерно через каждые 15 лет бывает кратковременный период, когда кольца невидимы. Последний раз такой период пришелся на середину 2009 года. Наибольший угол поворота колец Сатурна к земному наблюдателю будет достигнут к середине 2016 года. Вот тогда можно будет увидеть ко́льца во всей их красе и величии.

Кстати, Галилей рассматривал Сатурн в момент, наиболее удобный для наблюдения колец. Но не увидел он их по простой причине: его телескоп был слишком слаб для наблюдения за кольцами Сатурна, увеличения в 30 с небольшим раз было для этого совершенно недостаточно.

Секрет колец Сатурна

Секрет колец Сатурна был разгадан в 1659 году замечательным голландским учёным Христианом Гюйгенсом (1629 - 1695), который использовал для наблюдений более совершенный 92-кратный телескоп. Гюйгенс определил, что кольцо Сатурна совсем не похоже на монолитное, типа обручального, и предположил, что оно состоит из многих мелких каменных элементов и пы́ли. В книге «Система Сатурна» он так сформулировал результат наблюдений за Сатурном: «Кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикаса́ющимся, к эклиптике наклонённым». Здесь же Гюйгенс объяснил, почему кольцо Сатурна в разное время занимает разное положение, по-разному выглядит или вообще́ становится невидимым.

Коль скоро мы упомянули имя Христиана Гю́йгенса, то считаем просто своим долгом напомнить нашим читателям, что это был великий учёный-механик, математик и астроном одновременно. В 1655 году он построил телескоп и открыл спутник Сатурна - Титан, в 1657 г. он получает патент на изобретение часов с маятником, а в 1659 году объясняет феномен кольца Сатурна. В астрономии Гю́йгенс был непосредственным продолжателем работ Галилея. Как писал Лагранж, Гю́йгенсу «было суждено усовершенствовать и развить важнейшие открытия Галилея».

Обратите внимание на то, в каком возрасте совершал Гю́йгенс открытия. Это мы к тому, что в жизни многое можно успеть сделать, если всё делать вовремя.

Как и предполагал Гю́йгенс, кольцо Сатурна действительно состоит из миллионов и миллионов мелких камней, покрытых льдом и пылью. Только Гюйгенс не мог знать, что это не одно кольцо, а целый комплект, состоящий не из двух-трёх колец, а из многих сотен колец. Метеоритная природа этих колец у учёных сомнения не вызывает.

Структура колец Сатурна

Положение внутренних колец A, B, C.

Кольца Сатурна

Структура колец, зафиксированная астрономами, представляет собой сложную систему. Первоначально кольцо считали одним, но потом увидели, что кольцо разделено тёмным промежутком на внутреннюю и внешнюю части. Эти части назвали кольцами «А» и «B», а промежуток между ними назвали «разделителем Кассини» или «щелью Кассини» по имени учёного, первым его открывшего. Затем в более сильный телескоп увидели узкую полосу меньшей яркости, которую назвали «минимой Энке» или «щелью Энке», а вслед за ней открыли еле заметное, почти призрачное из-за слабой освещённости самое внутреннее, так называемое «креповое кольцо» «C». Промежуток между кольцами «C» и «B» (шириной до 3600 км) называется «французским разделителем». Наземными средствами наблюдения были выявлены кольца «А», «В», «C», «D» и узкое самое внешнее кольцо «F», состоящее из тонких колечек. Внутренняя часть кольца «D» заканчивается в верхних слоях атмосферы Сатурна. Но после того, как мимо Сатурна пролетели АМС «Пионер-11», «Вояджер-1» и «Вояджер-2», передавшие на Землю снимки планеты, стало ясно, что каждое кольцо является системой, состоящей из сотен тонких колец.

Диаграмма, показывающая относительное положение колец Сатурна и его основных спутников.

Астрономические измерения показывают, что внешнее кольцо «A» имеет ширину 16000 км, центральное, самое широкое и яркое кольцо «B» - 26000 км, а кольцо «C» - 18000 км. Ширина всей системы колец оценивается величиной около 60000 км, при этом ширина «щели Кассини» равна 5000 км.

Фото колец Сатурна с орбитального телескопа им. Хаббла.

Спицы

Снимки, сделанные с близкого расстояния зондами «Вояджер-1 и 2», показывают, что на кольцах Сатурна имеются перемещающиеся по ним радиальные тёмные полосы или линии, отдалённо напоминающие спицы или часовые стрелки. Эти радиальные образования наблюдались ещё до полёта «Вояджеров». Ассоциацию с «космическими часами» дополняет ещё один, почти фантастический, факт: таинственный источник радиоволн на Сатурне посылает в космос через каждые 10 часов 39 минут 24 секунды мощный короткий радиосигнал. Это зафиксировал «Вояджер-2».

У людей с богатой фантазией может создаться впечатление, будто какая-то радиостанция предлагает разумным обитателям космоса проверить часы. И ещё одна загадка возникает в связи́ с этим. Почему древние элли́ны назвали планету Сатурн по имени бога Времени и Судьбы Хроноса-Сатурна? Неужели они знали, что на Сатурне можно увидеть какое-то подобие хронометра Солнечной системы?

Однако не будем углубляться в мифологию, как-никак мы люди XXI века. Ведь сами астрономы признаются, что они иногда из-за аберрации и других оптических явлений, связанных с влиянием земной атмосферы, наблюдают то, чего в действительности нет.

Кольца E и G обычно не изображают на снимках. Здесь они показаны с сохранением относительных расстояний. Обработка фото АМС Кассини с расстояния 3 млн. км.

Образование колец Сатурна

Процесс образования колец Сатурна до конца неясен. Считается, что каменные фрагменты, из которых состоят ко́льца, были когда-то материалом спутника (или нескольких спутников), разрушившихся и в виде осколков прилетевших к планете. Почему гипотетические спутники разрушились и превратились в метеориты? Это науке пока не известно. Согласно другой гипотезе, образование колец Сатурна произошло одновременно с образованием само́й планеты.

Размеры метеоритов и кусочков льда, из которых состоят ко́льца, незначительны - от нескольких сантиметров до одного метра и очень редко - до нескольких метров. И только тела, составляющие центральное кольцо «B» могут достигать нескольких сот метров и даже нескольких километров. Поэтому гравитационное воздействие на них со стороны Сатурна минимально. Расчёты учёных показывают, что существование вокруг Сатурна сплошного твёрдого кольца невозможно, т.к. оно было бы неизбежно разрушено силой тяготения само́й планеты и её крупных спутников.

Альбедо (т.е. отражающая способность) колец Сатурна очень высока. На этом основании считается, что частицы, составляющие ко́льца, состоят изо льда и из камней - обломков метеоритов, покрытых слоем льда или инея. Весь комплект колец Сатурна отражает больше света, чем диск само́й планеты.

Вид колец с ребра. Фото АМС Кассини. Слева виден один из спутников Сатурна.

Ко́льца Сатурна очень тонкие, их толщина, как указывалось выше, не достигает и полутора километров. И это при наружном диаметре в почти 250000 км! сквозь некоторые кольца видны звёзды и спутники Сатурна. Количества вещества, составляющего ко́льца, по сравнению с планетой, очень немного. Любители статистики проводят такой расчёт: если всё вещество колец собрать в один монолитный шар, то диаметр такого шара не превысил бы 100 км.

На снимках, переданных АМС «Кассини» система узких колец Сатурна выглядит как система бороздок на грампластинке.

Гравитационный резонанс

Рядового наблюдателя, прильну́вшего к окуляру телескопа, впечатляет прежде всего внешний вид колец Сатурна, их яркость, красота и великолепие. У более вдумчивых наблюдателей, помимо восхищения зрелищем, наверняка возникают вопросы: почему, как и за счёт каких сил каменные обломки астероидов, кусочки льда и космическая пыль превратились в стройную, геометрически правильную систему из нескольких широких и тысяч узких колец? За счёт чего эта система сохраняется миллионы, а может быть, миллиарды лет в таком удивительном состоянии? На эти вопросы у астрономической науки имеется вполне удовлетворительный ответ.

Оказывается, всё дело в так называемом гравитационном резонансе. Это означает, в частности, что движение небольших спутников Сатурна согласовано с движением его крупных спутников. Ряд спутников имеет взаимно кратные орбиты, например, период обращения вокруг планеты одних спутников составляет ровно половину периода обращения других. Некоторые спутники, их иногда называют «пастушьими», двигаясь по границам колец Сатурна, обеспечивают удержание колец на их местах, при этом движение «пастушьих» спутников согласовано с движением крупных спутников. Наличие, например, спутника Мимаса диаметром более 390 км обеспечивает отсутствие вещества в «щели Кассини», а спутник Пан «контролирует» разделительную полосу Энке.

Другими словами, суммарное гравитационное поле ряда спутников приводит к согласованию между их движением и наличием (или отсутствием) вещества в кольцах Сатурна. Это значит, что строение колец имеет чисто резонансное происхождение. Таков природный феномен колец Сатурна, и мы должны принимать это как данность.

При этом наука не считает систему колец Сатурна абсолютно стабильной, потому что вещество, из которого они состоят, всё-таки постепенно замещается веществом разрушающихся астероидов или других небесных тел, попадающих в гравитационное поле Сатурна.