Сатурн — планета в капелюсі

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 62

«Я бачив найвищу планету тричастинної».

Галілео Галілей (1610)

Маса: 95 мас   Радіус

: 9 радіусів   Відстань

до Сонця: 9,5 о.о. Період

звернення навколо Сонця: 30 земних Літочок

обертання навколо осі: 10   Супутники

: відомо 62, з них 7 мають середній діаметр від 400 км і вище

Не дуже зрозумілу фразу, взяту епіграфом до цієї статті, Галілей послав у листі своєму другові Кеплеру — записавши її на латині і до того ж анаграмою, тобто переставивши як потрапило букви. На випадок, якщо хтось сторонній захоче прочитати… Небезпечно було писати в листах такі речі, та Галілей і сам не розумів, що ж це він таке побачив. А «зафіксувати» свою першість — на випадок, якщо це правда відкриття, а не просто здалося — все-таки хотів.

Галілей думав, що два «нарости» з боків Сатурна — це супутники. І дуже здивувався, коли через кілька років спробував знайти їх знову — і не знайшов. Тільки через 50 років Християн Гюйгенс розгледів (у більш сильний телескоп) тонке кільце навколо Сатурна, що висить навколо нього якимось дивом і ніде його не стосується. І він же здогадався, що кільце це це не суцільне, а складається з безлічі дрібних часточок, кожна з яких крутиться навколо планети сама по собі.

Завдання 1

А чому, до речі, Галілей назвав Сатурн «найвищим», тобто віддаленим? Адже є ж планети, які ще далі від Сонця.

Відповідь

За часів Галілея (початок XVII століття) Уран і Нептун ще не були відомі: неозброєним оком їх не видно. Уран відкрив Вільям Гершель 1781 року.

Завдання 2

І чому Галілей не побачив кільця, коли зібрався знову подивитися на нього після великої перерви?

Відповідь

Кільця розташовані рівно над екватором Сатурна, який нахилений під кутом приблизно 28 ° до площини його орбіти. У порівнянні з відстанню до Сатурна Земля знаходиться майже поруч з Сонцем, тому коли на Сатурні весна або осінь, ми кілець не бачимо: вони повернуті до нас (і до Сонця) руба. А коли на Сатурні літо чи зима, кільця видно найкраще. Ще й тому (а не тільки тому, що складаються з камінців і пилу, а не з льоду) кільця Юпітера з Землі не видно: вісь Юпітера, як ми пам’ятаємо зі статті «Пори року на Землі та інших планетах» у № 6 «Квантика» за 2016 рік, перпендикулярна площині його орбіти, і кільця завжди видно «з ребра».

Перстень Сатурна — дивовижно гарна і загадкова річ, і якщо вже ми про них заговорили, порушимо наш звичайний порядок і розгледимо спочатку те, що навколо Сатурна, — кільця і супутники, а потім його самого.

Перстня Сатурна. Темно-сіра смуга з чорними краями — щілина Кассіні. На задньому плані — супутник Мімас

Кільця, як потім виявилося, є і у Юпітера, і у інших планет-гігантів. Але до сатурнова кільця їм, звичайно, далеко! Воно відображає більше сонячного світла, ніж сам Сатурн, — це тому, що крижане. Діаметр кільця — 250 тисяч км, а товщина його — всього 1 км! Порахуйте-но, якого розміру вийде його «правдива» (тобто масштабна — без спотворення пропорцій) модель, якщо ви станете робити її з паперу (товщина звичайного аркуша паперу 0,1 мм) — це завдання 3.

Відповідь на завдання 3

При товщині паперового кільця 0,1 мм його діаметр повинен бути 25 м, так що не те що в кімнату, а навіть і на дитячий майданчик у дворі воно не влізло б.

Порахували? Наскільки міцним вийде таке кільце, склеєне з паперу? А справжнє-то зовсім не склеєне! У гарний телескоп видно, що воно розпадається на тисячу тоненьких кілечок. А спостереження космічних апаратів «Вояджер» і «Кассіні» показали, що навіть щілина Кассіні — темний проміжок між кільцями — не просто порожній простір, а багато-багато тонких колічок, розділених тонкими щелями, всередині яких — ще більш тонкі колічки…

Та й кільця нічим не скріплені; вони складені з льодинок розміром від 1 мм до 10 м, з маленькою домішкою пилу і камінців. Якщо виловити їх всі та зліпити разом — не вистачить навіть на невеликий супутник діаметром 100 км.

Адже кожна крижинка літає навколо Сатурна сама по собі, ніяк вони один з одним не «домовляються». А навколо то супутники пролітають, притягують їх кожен в свою сторону, то Юпітер поблизу (ну, відносно, звичайно) проходить — теж до себе тягне. То какой-нибудь шальной камушек пролетит — врежется в льдинку, собьёт её с пути… Чому перстень не розвалюється від усіх цих впливів? Вчені це досі як слід не зрозуміли. У всякому разі, ясно, що саме кільце б не вціліло: йому допомагають супутники- «пастухи», які обертаються навколо Сатурна неподалік від кілечок і збільшують їхню стійкість — «пасуть» крижинки, повертають на місце, якщо якась з них «збилася зі шляху».

Походження кілець теж не зовсім зрозуміло. Швидше за все, це останки супутника (або супутників), який давним-давно крутився навколо Сатурна по занадто близькій орбіті; так само як Марс потихеньку притягує до себе Фобос, Сатурн притягнув цей супутник і розірвав приливними силами на дрібні шматочки. Але більше таке ні з ким не трапиться: всі теперішні супутники Сатурна обертаються навколо нього повільніше, ніж він сам навколо осі, і тому віддаляються від нього.

Супутників у Сатурна, як і у Юпітера, багато. Але, як і у Юпітера, більше половини з них — далекі, дрібні і обертаються навколо планети «не в той бік» — заблудлі захоплені астероїди. Зате решта — ті, які ближче — дуже добре виховані: вони всі «не зводять очей» з Сатурна, повернувшись до нього завжди однією стороною, і майже всі обертаються строго в площині екватора Сатурна. При цьому багато хто з них ще й кільця «пасуть»: добра половина цих супутників знаходиться в різних резонансах один з одним і з кільцями Сатурна. — Поки один зробить два оберти, інший робить три… а третій — п’ять…) 1. Звичайно, не може бути, щоб такий неймовірний збіг вийшов випадково. Це приливні сили відсували, присували, розгойдували і переставляли супутники (а заодно і крижини в кільцях) до тих пір, поки не вийшло диво, яке ми зараз бачимо.

Гейзери (кріовулкани) Енцелада

Зовнішні, захоплені супутники — в основному темні і відносно важкі при таких нікчемних розмірах. А внутрішні, «свої», — дуже світлі і легкі. Значить, вони полягають в основному з льоду. Всього сім супутників Сатурна виявилися досить важкими, щоб придбати шароподібну форму (і то сьомий — Мімас — схожий швидше на яйце, ніж на кулю). Решта так і залишилися «булижниками» неправильної форми. Майже кожному супутнику є чим похвалитися: ось Япет, наприклад, — двоколірний. Передня по ходу (провідна) сторона у нього чорна, як ніч, а задня (відома) — світла, майже як юпітерова Європа. Коли Джованні Кассіні відкрив його 1671 року, він довго дивувався: чому цей дивний супутник видно тільки з одного боку від Сатурна?! Схожа ситуація у Реї і Діони (хоча різниця там не така гігантська), тільки у них навпаки — провідна сторона світла, ведена — темна… Але, напевно, найцікавіші — Титан і Енцелад.

У Енцелада, як і у юпітерової Європи, під крижаною поверхнею — океан незамерзлої води. І через кілька дірок ця вода фонтаном б’є назовні, прямо в космос, на сотні кілометрів! Там вона, звичайно, замерзає, і частина льодинок падає назад на супутник, а решта стають будівельним матеріалом для зовнішнього кільця Сатурна. Але як невеликий Енцелад примудрився зберегти всередині стільки тепла, щоб вистачило на обігрів океану? Напевно, як і у Іо і Європи, допомагають припливи, що виникають через некругову орбіту, яка підтримується резонансом з Діоною… І дійсно, при русі Енцелада по орбіті потужність фонтану сильно змінюється від дальньої до ближньої точки. А може, цей супутник ще й сам гріється зсередини за рахунок розпаду радіоактивних атомів…

Титан

Титан — єдиний великий супутник Сатурна і другий після Ганімеда серед усіх супутників. За розміром він більший за Меркурію і всього вдвічі менший за Землю. Але головне — це єдиний супутник, що має справжню, щільну атмосферу! Переважно вона з азоту, як і земна. Тиск «повітря» на поверхні Титана в півтора рази більше, ніж на Землі. Крім того, Титан — єдине (крім Землі) тіло в Сонячній системі, на поверхні якого знайшли рідину — правда, не воду, а рідкий метан.

Давайте тепер подивимося нарешті на саму планету. Сатурн за розміром практично такий же, як Юпітер, а маса у нього в 3 рази менше. Це означає, що він дуже «пухкий»: це єдина планета в Сонячній системі, середня щільність якої менше щільності води і, до речі, в 10 разів менше земної. Це тому, що в ньому зовсім мало важких атомів (тобто заліза і «каменів») і навіть гелію, і складається він майже повністю з газу водню. Через таку малу щільність прискорення вільного падіння на Сатурні невелике — ми б важили там приблизно стільки ж, скільки на Землі. Ось тільки стояти на Сатурні ніде — звідки ж на планеті, що складається з водню, візьмеш тверду поверхню!

Сатурн, як і Юпітер, дуже швидко обертається навколо осі. Від цього він дуже сильно «сплющився». З усіх планет Сатурн — найбільш «мандариноподібний»: відстань від центру до полюса відрізняється від відстані до екватора на цілий радіус Землі.

Сатурн, взагалі-то, багато в чому схожий на Юпітер. Ось хіба що Великої Червоної плями у нього немає: вихори і урагани там регулярно з’являються, але не такі довгоживучі. Зате у Сатурна є своя особливість — гігантський правильний шестикутник, в який вишикувалися хмари на північному полюсі. Кожна сторона цього шестикутника більше діаметра Землі, і він обертається навколо осі з тією ж швидкістю, з якою, мабуть, обертається внутрішня частина Сатурна. Звідки він там взявся і чому не руйнується — ніхто не знає. Прямі лінії, правильні багатокутники зустрічаються в твердих тілах, в кристалах — але в газі?.. Загадка.

Шестикутник Сатурна

І все-таки, як же вийшло, що внутрішні планети — маленькі і кам’янисті, а зовнішні — великі і складаються з водню? Відповідь потрібно шукати в історії виникнення Сонячної системи. Спочатку ніяких планет не було, а була велика хмара пилу і газу (в основному водню, але і інших атомів потрошку), в центрі якого виникла протозірка — величезна грудка, що поступово стискається і нагрівається. І чим більше ця грудка ставала, тим сильніше вона притягувала навколишні пил і газ, і хмара поступово стискалася, стаючи потихеньку все щільніше і менше. Ось у цій хмарі і виникли згустки речовини — спочатку їх було багато, і кожен намагався вирости, притягуючи до себе навколишні газ і пил. В основному, звичайно, пил, тому що коли ти маленький і легкий, утримати газ і не дати йому полетіти — важко. Потім, коли ці згустки стали вже досить великі — їх називають планетезималями — вони стали об’єднуватися, зливатися один з одним, і утворили протопланети, які вже могли притягувати і газ. Але чим ближче до центру хмари, тим гарячіше, і з внутрішніх областей за цей час випарувалися і полетіли подалі і вода, і легкі гази. Тому планети, які були близько до зірки, швидко набрали собі важких атомів («каменя і заліза»), а газу набрати не встигли. А тим, що подалі, — навпаки, газу дісталося багато. З цієї ж причини і води (і льоду) на планетах земної групи виявилося мало, а за поясом астероїдів — скільки завгодно.

Фотографії апарату «Кассіні» (NASA/JPL/Space Science Institute)

Завдання 4

Як отримано верхню фотографію праворуч? (Ніякого монтажу не було.)

Відповідь

Космічний апарат знаходиться за Сатурном і фотографує затемнення Сонця Сатурном. Сонце підсвічує кільця і край атмосфери, а сам Сатурн ми бачимо з тіньового боку.

Завдання 5

А що, власне, відбувається на нижній фотографії праворуч? Що означає тонка смуга посередині знімка? Що це за подвійна товста чорна смуга на планеті?

Відповідь

Тонка смуга — це кільце, видиме з ребра. Товста чорна смуга на Сатурні — тінь кільця. Великий супутник на фото — Титан.

Художник Марія Усеїнова

¹ Як у Юпітера є троянські астероїди (див. статтю «Гойдалки, резонанси і космічне хуліганство», «Квантік» № 11, 2015 рік), так і у деяких великих супутників Сатурна є троянці — супутники на тій же орбіті навколо Сатурна!