Сатурн и его фантастические кольца

Большинство людей знают о Сатурне благодаря его удивительным кольцам. В течение многих веков астрономы считали, что Сатурн — это единственная планета, имеющая кольца. Но сегодня известно, что кольца есть у всех четырех планет — газовых гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Однако большинство этих колец слишком тусклые, чтобы их можно было увидеть в малый или даже большой телескоп с Земли. И только Сатурн является счастливым исключением из этого правила!

Кольца Сатурна обычно легко увидеть, потому что они большие и состоят из ярких ледяных частиц — мириады мелких и крупных ледяных осколков. В малый телескоп можно увидеть эти кольца, а также тени, которые они отбрасывают на диск Сатурна (рис. 8.3). При отличных условиях наблюдения можно увидеть также щель Кассини — промежуток между кольцами, названный в честь исследователя, впервые сообщившего о нем.

Рис. 8.3. Сатурн и его кольца

Фотография любезно предоставлена NASA

Астроном XVII века Галилео Галилей, который открыл кольца Сатурна, был озадачен, когда они вскоре исчезли (как ему показалось). Дело в том, что после многих ночей наблюдения он застал Сатурн в тот момент, когда его кольца были направлены в сторону Земли ребром (об этом подробно говорится в следующем разделе). Кольца не видны, когда они обращены в сторону Земли ребром, а не поверхностью, потому что плоскость этих колец очень тонка.

Диаметр колец Сатурна — 200 тысяч километров, но толщина их — всего несколько десятков метров. По пропорциям эти кольца можно сравнить с "листом папиросной бумаги размером с футбольное поле", по выражению профессора Джозефа Бернса из Корнелльского университета.

Когда кольца не видны

Иногда бывает так, что кольца Сатурна, которые в этот же самый телескоп были отлично видны всего несколько месяцев назад, внезапно трудно различить. А если смотреть в малый телескоп, то может даже показаться, что они исчезли. Но все дело в том, что в это время кольца обращены к Земле ребром, а не поверхностью.

Как уже говорилось, кольца Сатурна очень большие, но очень тонкие. Они сохраняют фиксированную ориентацию, т. е. одно и то же направление в космическом пространстве. Каждый год некоторую часть времени кольца повернуты к Земле своей поверхностью (с точки зрения наблюдателя на Земле), а через три месяца они поворачиваются к Земле почти ребром; затем этот цикл повторяется сначала.

Но во время движения Сатурна по его 30-летней орбите существуют моменты — каждые 15 лет — когда его кольца оказываются точно направленными ребром к Земле и в малый (а иногда даже в большой) телескоп кажется, что они вообще исчезли. В эти моменты в мощный телескоп можно увидеть кольца, проектируемые в виде очень тонкой темной линии на диск Сатурна. Последний раз это происходило в 1996 году, а следующий такой случай не представится до 2011 года.

Наблюдайте за бурями!

У Сатурна, как и у Юпитера, тоже есть пояса и зоны, но они не так контрастируют и их труднее увидеть. Рассмотреть их удается в условиях хорошей видимости и при использовании мощного окуляра, позволяющего обнаружить детали планет.

Примерно один раз в 30 лет в северном полушарии Сатурна появляется большое белое облако (или происходит "большая белая буря"). Сильные ветры с большой скоростью разносят это облако, пока вокруг планеты не сформируется плотная светлая полоса. А через несколько месяцев все это исчезает. Иногда астрономы-любители первыми обнаруживают новую бурю на Сатурне. Последний раз сильная белая буря на Сатурне наблюдалась в 1990 году, так что увидеть следующую мы сможем примерно через 20 лет. А пока ищите меньшие пятна белых облаков, которые распространяются не над всей поверхностью планеты. Сатурн делает полный оборот вокруг своей оси за 10 часов 39 минут 22 секунды и имеет еще более сплющенную на полюсах форму, чем Юпитер. Но кольца создают некоторую оптическую иллюзию, поэтому разглядеть сплющенную форму Сатурна не так-то просто.

Самый большой спутник

Титан, самый крупный спутник Сатурна, больше Меркурия. Его диаметр составляет 5150 км. У некоторых других крупных спутников Сатурна есть очень тонкий атмосферный слой, но у Титана плотная атмосфера, состоящая из азота и следов газов (метана и других). Сквозь эту атмосферу трудно что-то увидеть, но изображения, полученные с помощью 10-метрового телескопа Keck[25], подтвердили наличие ярко выраженных темных и светлых пятен на поверхности Титана.

Согласно основной на сегодня теории, темные области на Титане — это озера или океаны жидких углеводородов, таких как этан. Если плыть по такому морю на корабле, то на нем будет действовать категорическое правило "не курить". В противном случае это будет второй "Титаник". В хороший малый телескоп можно увидеть два других спутника — Рею и Диону во время их максимальной элонгации. В астрономических журналах и на Web-сайтах можно найти ежемесячные карты положений этих спутников относительно Сатурна.

Самое новейшее и лучшее изображение Титана, спутника Сатурна, находится на Web-сайте Национальной лаборатории Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory) в Ливерморе (штат Калифорния) по адресу www.llnl.gov. Самые лучшие изображения Сатурна целиком сделаны космическими зондами Voyager-1 и Voyager-2 и телескопом "Хаббл". Изображения Сатурна, сделанные зондами Voyager, вы найдете на Web-сайте "Планетный фотожурнал NASA" no адресу photojournal.jpl.nasa.gov/. Чтобы попасть в нужный раздел, щелкните на изображении Сатурна. А изображения, сделанные телескопом "Хаббл", находятся по адресу oposite.stsci.edu/pubinfo/SolarSystemT.html#Saturn.

Спутники в движении

По последним данным (на 2003 год), у Юпитера 52 известных спутника, а у Сатурна — 30. Вероятно, у каждой из этих планет есть еще несколько мелких спутников, и астрономы продолжают их искать[26]. Поэтому любое число, указанное в опубликованной книге, может оказаться устаревшим к тому времени, когда вы ее прочтете. Иногда появляются сообщения о новых спутниках, но их пока не засчитывают. Чиновники Международного астрономического союза хотят получить подтверждения и быть уверенными в том, что открыт действительно новый спутник.

Существует две разновидности спутников — регулярные и ирррегулярные. Регулярные спутники обращаются в экваториальной плоскости своей планеты и в том же направлении, в котором планета вращается вокруг своей оси. Такое движение называется прямым (prograde). Регулярные спутники почти наверняка сформировались из газо-пылевого облака, окружавшего планету в период ее рождения. Поэтому Юпитер и Сатурн вместе со своими спутниками — это "солнечные системы" в миниатюре, только в центре этих систем находятся не звезды, а большие планеты.

Но некоторые мелкие спутники "рождены свободными", как львица Эльза из известного фильма. Они обращаются вокруг своей планеты в направлении, обратном ее вращению. Такие орбиты называют обратными (ретроградными, попятными) (retrograde) . Кроме того, эти орбиты могут быть наклонены относительно экваториальной плоскости планеты. Подобные спутники сформировались где-то в другом месте Солнечной системы (возможно, как астероиды), а затем были захвачены Юпитером или Сатурном.

В настоящее время к Сатурну и Титану направляется космический зонд Cassini. Следить за его продвижением можно на Web-сайте http://saturn.jpl.nasa.gov. В 2002 году NASA представила первые снимки Сатурна, сделанные автоматической межпланетной станцией Cassini. По планам NASA, Cassini достигнет Сатурна в июле 2004 года и выйдет на орбиту вокруг планеты. Кроме изучения Сатурна, аппарат будет проводить исследования Титана. У этого спутника есть атмосфера, и ученые считают, что условия на Титане аналогичны тем, которые существовали на Земле еще до возникновения на ней жизни. Титан будут изучать с помощью зонда Huygens, разработанного Европейским космическим агентством. По расчетам, он должен войти в атмосферу Титана в январе 2005 года.

По словам многих наблюдателей, Сатурн — это самая красивая планета. Его знаменитые кольца легко увидеть практически в любой телескоп и можно обнаружить также огромный спутник Сатурна, Титан. Многие профессиональные астрономы считают, что кольца Сатурна — это небесное зрелище, которое больше всего впечатляет их друзей не-астрономов, но, тем не менее, наблюдать Титан тоже очень интересно.

Глава 9

Далекие планеты Уран, Нептун и Плутон

В этой главе…

Далекие миры — Уран и Нептун

Природа Плутона

Пояс Койпера

Наблюдение далеких объектов Солнечной системы

Хотя Марс и Венера ближе к Земле, а Юпитер и Сатурн — яркие и эффектные объекты, наблюдение отдаленных планет имеет свое особое очарование и притягательность. В этой главе вы познакомитесь с тремя отдаленными планетами Солнечной системы — Ураном, Нептуном и Плутоном — и их спутниками. Кроме того, я дам вам несколько советов по поводу наблюдения этих далеких миров.

Природа Урана и Нептуна

Приведем самые важные факты об Уране и Нептуне.

Это две планеты почти одинакового размера с похожим химическим составом; они меньше и плотнее Юпитера и Сатурна.

Каждая из этих планет находится в центре миниатюрной системы спутников и колец.

Каждая из этих планет явно пострадала от сильного столкновения с другим космическим телом в очень давние времена.

Атмосферы Урана и Нептуна, как и Юпитера и Сатурна, в основном состоят из водорода и гелия. Но Уран и Нептун астрономы называют ледяными планетами , потому что под их атмосферами находятся массивные тела из каменистых пород и различных льдов. На самом деле вода находится настолько глубоко внутри этих планет и под таким высоким давлением, что вся представляет собой горячую жидкость. Но когда миллиарды лет назад эти планеты образовались в результате слияния мелких тел, попавшая в них вода была полностью замерзшей.

Настоящего ученого астронома легко отличить от непрофессионала, потому что ученый называет горячую воду внутри Урана и Нептуна "льдом", в то время как несведущий любитель наивно называет горячую воду "горячей водой". Ученые используют научный жаргон, так же как некоторые млекопитающие используют метки, чтобы заявить свои исключительные права на некую территорию.

Масса Урана примерно в 14,5 раза, а Нептуна — в 17,2 раза больше массы Земли, но эти две планеты имеют практически одинаковый размер. Более легкий Уран немного больше; его экваториальный диаметр составляет 51118 км. А экваториальный диаметр Нептуна равен 49 532 км.

Сутки на Уране равняются примерно 17 часам 14 минутам, а на Нептуне— 16 часам 7 минутам. Таким образом, эти планеты, как и Юпитер и Сатурн, вращаются гораздо быстрее Земли.

Уран, его кольца и спутники

Доказательством того, что Уран пострадал от сильного столкновения или гравитационного притяжения другого космического объекта, служит тот факт, что он словно опрокинулся на бок. Плоскость экватора Урана даже близко не совпадает с плоскостью его орбиты вокруг Солнца, а находится почти под прямым углом к ней, так что планета вращается, "лежа на боку".

Иногда в сторону Солнца и Земли указывает северный полюс Урана, а иногда — южный. Год Урана (т. е. время, за которое он совершает полный оборот вокруг Солнца) равен почти 84 земным годам. В течение примерно четверти этого периода северный полюс Урана указывает в сторону Солнца; в течение другой четверти в сторону Солнца направлен южный полюс Урана; все остальное время к Солнцу обращен экватор.

На Земле Солнце никогда не стоит высоко в небе над Северным или Южным полюсами, а на Уране оно иногда находится прямо над полюсами.

По последним данным, у Урана 21 известный спутник; у него также есть система темных колец. Спутники и кольца Урана вращаются вокруг него в экваториальной плоскости, так же как Галилеевы спутники вращаются в экваториальной плоскости Юпитера (см. главу 8). Поэтому кольца и орбиты спутников Урана находятся почти под прямыми углами к плоскости его орбиты вокруг Солнца.

Можете представить себе систему Урана (планету и ее спутники) как большую мишень, которая иногда "смотрит" на Землю, а иногда— нет. Давным-давно кто-то поразил эту "мишень" прямо в яблочко, из-за чего несчастная планета отклонилась от первоначального нормального положения.

Нептун и его спутники

Нептун не отклонен от нормального положения; его экватор примерно находится в плоскости его орбиты. По последним данным (на 2003 год), у Нептуна 11 известных спутников. Но у его самого крупного спутника Тритона (который больше Плутона) с диаметром 2710 км ретроградная орбита. Нептун, как и почти все планеты в нашей Солнечной системе (кроме Венеры), вращается вокруг Солнца против часовой стрелки (если смотреть сверху, со стороны северного небесного полюса). И большинство спутников тоже вращаются вокруг своих планет против часовой стрелки. Но Тритон вращается вокруг Нептуна в обратном направлении — по часовой стрелке. Обсудив этот вопрос, ученые пришли к заключению, что давным-давно Тритон подошел к Нептуну слишком близко, был им захвачен и стал его спутником, хотя при других обстоятельствах он вполне мог быть планетой, такой как Плутон.

Тритон состоит из настоящего льда и камня. В этом он больше похож на Плутон, чем на Уран и Нептун. Поверхность Тритона сформировалась под влиянием криовулканизма (cryovolcanism), т. е. процессов извержения не горячей расплавленной породы, а холодного льда. Водяной лед, сухой лед, замерзший метан, замерзшая окись углерода и даже замерзший азот — все это есть на Тритоне. Здесь нет многочисленных ударных кратеров, вероятно, потому, что с течением времени они заполнились льдом и грязью.

Специалисты по охране окружающей среды говорят, что национальные парки США, такие как Иеллоустоунский, находятся под угрозой из-за чрезмерного наплыва туристов. Поэтому подумайте лучше о путешествии на Тритон. Его пейзажи не менее причудливы и, возможно, так же прекрасны, как в Иеллоустоунском парке. Но если вы соберетесь на Тритон, обязательно окунитесь в гейзер! Только здесь не горячие, а холодные источники. Гейзеры Тритона извергают длинные струи холодных, грязных испарений, а не горячие потоки пара. Но зато здесь много места для парковки и нет медведей, которые могут посягнуть на ваши припасы для пикника. Просто возьмите с собой скафандр и очень теплые ботинки.

Далекий Плутон

Плутон— это самая маленькая и самая удаленная планета (рис. 9.1). Каждые 248 лет он на несколько десятилетий заходит внутрь орбиты Нептуна; таким образом, в это время он находится ближе к Солнцу, чем Нептун. Последний такой период закончился в начале 1999 года. Никто из ныне живущих на Земле людей не сможет стать свидетелем следующего такого события, если, конечно, медицина в ближайшем будущем не сделает большой шаг вперед.

Рис. 9.1. Странная маленькая планета Плутон

Фотография любезно предоставлена NASA

Плутон делает полный оборот вокруг своей оси за 9 часов 17 минут, а его спутник Харон делает полный оборот вокруг Плутона точно за такое же время. Так что одно к другому повернуты всегда одни и те же полушария Плутона и Харона. В системе "Земля-Луна" к Земле всегда обращено одно и то же полушарие Луны, но не наоборот. Человек, находящийся на ближней к Земле стороне Луны, может увидеть всю Землю, когда в течение суток она будет оборачиваться вокруг своей оси, но человек, находящийся на Хароне, никогда не сможет увидеть больше одного полушария Плутона.

Диаметр Плутона — всего 2300 км; это самая маленькая планета Солнечной системы. Он меньше даже четырех Галилеевых спутников Юпитера, спутника Сатурна Титана и спутника Нептуна Тритона. Плутон только в два раза больше своего спутника Харона, диаметр которого 1250 км, поэтому систему "Плутон-Харон" часто называют двойной планетой.

И Плутон, и Харон — это ледяные каменистые тела. При температуре на поверхности -233 °C неудивительно, что на Плутоне почти все замерзает. Водяной лед, метановый лед, азотный лед, аммиачный лед и даже замерзшая окись углерода — все это есть на поверхности Плутона. На Хароне тоже были обнаружены некоторые из этих веществ, но не все.

Но Плутон вовсе не такой холодный, как может показаться. Астрономы подозревают, что на нем есть "тропические оазисы", где температура постоянно держится примерно на уровне -213 °C.

Плутон так далек, что ученые почти не имеют представления о его "географии". В самой отдаленной точке своей вытянутой эллиптической орбиты Плутон находится на расстоянии примерно на 7,4 миллиарда километров от Солнца, а в самой близкой — на расстоянии примерно 4,4 миллиарда километров.

На изображениях, сделанных космическим телескопом "Хаббл" (по адресу oposite.stsci.edu/pubinfo/SolarSystemT.html#Pluto), видны темные и светлые зоны, которые, возможно, соответствуют местам старого и свежего льда соответственно. Вот и все сведения! Ни один космический зонд никогда не достигал окрестностей Плутона, и хотя у NASA были планы отправки на него космического аппарата (см. Web-сайт Лаборатории реактивного движения по адресу www.jpil.nasa.gov/ice_fire//pkexprss.htm), официального приказа об этом пока не поступало.

Плутон, как и Уран, наклонен на бок, и его ось вращения почти перпендикулярна плоскости его орбиты. Так что Плутон, как и Уран, вероятно, пострадал от сильного столкновения. Как и Уран, Плутон имеет ретроградную орбиту. Некоторые астрономы считают, что Харон — это обломок Плутона, образовавшийся в результате удара по этой планете. Это аналогично теориям о том, что Луна сформировалась от столкновения Земли с неким космическим объектом (см. главу 5).

Плутон — это планета или нет?

Время от времени кто-нибудь пытается унизить Плутон, заявляя, что его вообще не следует считать планетой. Совсем недавно, в 1999 году, была сделана попытка обозвать его астероидом № 10 000. Но астрономы и простые люди сплотились вокруг этого маленького холодного тела и помешали осуществлению коварного плана. Они утверждали, что он круглый, как планета (большинство астероидов, кроме самых больших, — неправильной формы), имеет крупный спутник и считается планетой с момента его открытия американским наблюдателем Клайдом Томбо в 1930 году. Даже если астрономы изменят само определение планеты, Плутон все равно должен ею остаться.

Плутон находится в так называемом поясе Койпера[27]— пространстве, расположенном за орбитой Нептуна и заполненном мелкими ледяными телами. По приблизительным оценкам, между орбитой Нептуна и воображаемой отметкой, находящейся на расстоянии 50 а.е. от Солнца, расположено около 100 тысяч объектов пояса Койпера (Kuiper Belt Objects — КВО) диаметром больше 100 км. Они находятся вне пределов досягаемости любительских телескопов (разве что ваш телескоп установлен на Нептуне или на одном из его спутников). Первый КВО был открыт в 1992 году и с тех пор обнаружили еще около 150 объектов. Астрономы, которые считают, что Плутон следует лишить звания планеты, говорят, что он просто самый крупный КВО. Но он может быть и самым большим КВО, и планетой одновременно.

Что такое плутиносы?

Пояс Койпера еще мало изучен астрономами, и специалисты предполагают, что среди тысяч еще не открытых КВО может быть несколько таких же больших, как Плутон. Они могут быть более тусклыми, чем Плутон, потому что их поверхность темнее и/или они находятся дальше от Солнца. Открытие одного из этих больших объектов может вызвать дискуссию о том, следует ли называть Плутон планетой.

Среди примерно 150 известных КВО есть некоторые, обладающие тремя свойствами Плутона.

У них сильно вытянутые эллиптические орбиты.

Их орбитальные плоскости наклонены под большим углом к плоскости земной орбиты.

Они делают два полных оборота вокруг Солнца примерно за то же время, за которое Нептун делает три оборота (Плутон делает два оборота вокруг Солнца за 496 земных лет, а Нептун делает три оборота за 491 земной год). Этот эффект называется резонансом (resonance); благодаря ему Плутон и Нептун никогда не столкнутся и даже не подойдут близко один к другому, хотя их орбиты пересекаются. Поэтому мощное притяжение намного более крупного Нептуна ничем не угрожает Плутону, и то же самое относится к КВО, обладающим тремя перечисленными свойствами Плутона.

КВО, которые обладают этими свойствами, называются плутиносами (или плутончиками), т. е. маленькими Плутонами.

Возможно, за орбитами Нептуна и Плутона есть другие виды объектов, которые астрономы еще не открыли. Но они не могут быть очень массивными, иначе их гравитационное влияние на известные объекты уже бы обнаружили. Крупные планеты, расположенные за орбитами Нептуна и Плутона, — это уже планеты других звезд. О них пойдет речь в главе 15.

Более подробную информацию о КВО можно найти на Web-сайте Nine Planets (Девять планет) по адресу seds.lpl.arizona.edu/nineplanets/nineplanets/kboc.html.

Проблемы наблюдения далеких планет

Постепенно, приобретая опыт, вы сможете находить большие отдаленные планеты Уран и Нептун, но крохотный Плутон, наверное, окажется вам "не по зубам" (вернее сказать — "не по глазам"). Но в начале наблюдения любой из этих планет лучше прибегать к помощи более опытных астрономов-любителей.

Наблюдение Урана

Уран был открыт с помощью телескопа, но иногда он настолько яркий, что при очень хорошей видимости его можно разглядеть невооруженным глазом. В телескоп можно отличить Уран от звезды по следующим признакам:

у него маленький диск диаметром несколько угловых секунд (эту единицу измерения мы определили в главе 6);

он медленно движется на фоне тусклых звезд.

Диск Урана имеет бледно-зеленый оттенок; его можно различить при хорошей видимости в мощный окуляр. Чтобы обнаружить движение Урана, нужно отмечать на карте его относительное положение на фоне звезд в поле зрения. Для этой цели используйте окуляр малой мощности, чтобы поле зрения было шире и было видно больше звезд. Сделайте отметку, а затем снова посмотрите на этот район через несколько часов или следующей ночью, и опять отметьте положение Урана на карте.

По последним данным (на 2003 год), у Урана 21 спутник. Некоторые его крупные спутники можно разглядеть в большой любительский телескоп, но изучать их можно только с помощью мощных телескопов обсерваторий. У Урана тоже есть система темных колец, которые можно "увидеть" с помощью телескопа "Хаббл"; их изображения в инфракрасном свете получены с помощью крупных телескопов на Земле.

Изображения этих космических тел, полученные с помощью телескопа "Хаббл", можно найти по адресу oposite.stsci.edu/pubinfo/SolarSystemT.htm#Uranus. А просмотреть изображения Урана и его спутников, сделанные космическим зондом Voyager-2, можно на Web-came Planetary PhotoJoumal (photоjournal.jpl.nasa.gov). Просто щелкните на изображении Урана.