В мире множества лун

В 1982 г. Борис Силкин опубликовал книгу именно под таким названием — «В мире множества лун», посвященную естественным спутникам планет. Тогда было известно всего 44 спутника, причем 10 из них были открыты в 1979—1980 гг., что и подтолкнуло Бориса Исааковича к созданию книги. Из упомянутых в ней спутников по одному имеют Земля и Плутон (он тогда считался планетой), по два — Марс и Нептун. За Юпитером числилось 16 спутников и подозревалось существование еще одного; в 2000 г. подозрение подтвердилось. У Сатурна насчитывалось 17 спутников и еще 5 числилось за Ураном.

В начале 1980-х гг. астрономы гордились возросшим поголовьем спутников, не догадываясь, какой демографический взрыв предстоит в этом «стаде» в ближайшие годы. Ведь как раз в начале 1980-х гг. на обсерваториях начался переход от фотопластинок к ПЗС-матрицам, которые существенно повысили зоркость телескопов и обеспечили прямой ввод изображения неба в компьютер. Стало возможно быстро осматривать большие области неба и выявлять подвижные объекты.

Прежде для исследования небольшого кусочка неба астроному требовалось на одном и том же телескопе с перерывом в несколько суток получить два снимка этой области на больших стеклянных фотопластинках, которые затем нужно было в специальных растворах проявить, промыть, закрепить, промыть, высушить... и при этом не разбить. А когда фотографии были готовы, начиналось их длительное и кропотливое исследование с помощью специального прибора, блинк-компаратора, позволяющего смотреть на два изображения либо одновременно, либо попеременно, быстро переводя взгляд с одной пластинки на другую. Это помогало заметить крохотные смещения быстро движущихся объектов Солнечной системы на фоне гораздо более далеких «неподвижных» звезд.

С появлением ПЗС-матриц стало возможным последовательно получать множество кадров, не экономя дорогие фотопластинки и не перегружая себя работой по их появлению и просматриванию. Теперь компьютер сам сравнивает последовательные кадры (см. рис. 4.11) и обнаруживает на них близкие объекты по их смещению на фоне звезд порою всего за полчаса. Затем положение этих объектов компьютер сравнивает с рассчитанным на момент съемки положением всех уже известных объектов Солнечной системы и решает, новые это объекты или уже известные. В главе 4 мы узнали, как новые технологии ускорили обнаружение астероидов (см. рис. 4.10); в не меньшей степени ускорилось и обнаружение новых спутников планет (рис. 8.5).

Рис. 8.4. Блинк-компаратор Ловелловской обсерватории производства фирмы «Карл Цейсс» (Германия), за которым Клайд Томбо провел 700 часов в поисках новой планеты. На фото, сделанном около 1950 г., Томбо демонстрирует, как он открывал Плутон в 1930 г.

Но не стоит думать, что поиск новых спутников планет уже стал рутинным занятием. О том, насколько это интересная и непростая «охота», можно судить по истории открытия двух первых внешних спутников Урана — Калибана и Сикораксы. Его совершили две группы астрономов: американцы Ф. Никольсон, Дж. Барнс, Б. Марсден, Г. Уильяме, У. Оффутт и их канадские коллеги Б. Глэдман и Дж. Кавелаарс. Используя 5-метровый рефлектор Паломарской обсерватории (США), они в сентябре 1997 г. обнаружили два небольших спутника Урана, удаленные от него значительно дальше, чем любой из уже известных тогда 15 спутников этой планеты.

Этого открытия ждали давно: ранее неоднократно предпринимались попытки найти далекие спутники Урана, чтобы доказать единство строения спутниковых систем у планет-гигантов. В результате пролета в 1979—1989 гг. зондов «Вояджер-1» и «Вояджер-2» мимо Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна выяснилось, что каждая из этих массивных планет окружена кольцом, в котором или рядом с которым движутся крохотные спутники, как правило, размером несколько десятков километров. Дальше от планеты движутся массивные спутники типа нашей Луны. А еще дальше планету сопровождают маленькие «неправильные» спутники. Их называют так за особенности орбит: если близкие к планете спутники движутся по круговым орбитам, лежащим в плоскости экватора планеты, то далекие спутники движутся по «неправильным» орбитам — заметно вытянутым и тяготеющим не к экватору планеты, а к плоскости ее орбиты. Так проявляет себя гравитационное влияние Солнца, которое на большом расстоянии от планеты уже сравнимо с ее собственным притяжением.

Рис. 8.5. Количество спутников планет, обнаруженных к указанному году.

Исключение из этой стройной картины представлял тогда лишь Уран, лишенный, как казалось, неправильных спутников. Все его 15 лун, известных к сентябрю 1997 г., обитали сравнительно близко от планеты, обращаясь в плоскости ее экватора, которая, как известно, почти перпендикулярна плоскости орбиты планеты (часто в шутку говорят, что Уран «лежит на боку»). Но с обнаружением двух новых лун все стало на свои места: они оказались типичными неправильными спутниками. У них небольшой размер, порядка 100 км, и движутся они по весьма вытянутым орбитам, лежащим ближе к орбитальной плоскости планеты, чем к ее экватору. Ожидания астрономов, привыкших искать гармонию в строении Солнечной системы, подтвердились и на этот раз.

Однако возникает резонный вопрос: а почему эти спутники Урана не были открыты раньше? Действительно, интерес к их поиску возник давно, Паломарский 5-метровый телескоп работает уже полстолетия, чего же не хватало? А не хватало чувствительных электронных приемников света (ПЗС-матриц) и быстрых компьютеров для автоматического поиска движущихся объектов на оцифрованных изображениях. Только воспользовавшись этими приборами, сделавшими старый Паломарский телескоп значительно более зорким, астрономы смогли глубоко и детально несколько раз «прочесать» большую область вокруг Урана, угловой размер которой (20′×20′) почти равен размеру лунного диска. На этой площади содержится бесчисленное количество слабых звезд и галактик, изображения которых в принципе ничем не отличаются от слабеньких пятнышек ожидавшихся спутников. Но среди всех этих «гор пустой породы» компьютер смог выделить те немногие изображения, которые за время между экспозициями (около 1 часа) чуть-чуть передвинулись среди звезд из-за относительного движения Земли и Урана с семейством его спутников.

Но процесс открытия на этом не завершился, а только начался. Необходимо было подтвердить существование новых членов Солнечной системы, измерить их характеристики и определить орбиты. Пока орбита нового тела неизвестна и его положение нельзя предвычислить на несколько дней вперед, это тело вполне может быть потеряно (что уже неоднократно бывало в истории астрономии), например, из-за нескольких дней плохой погоды, не позволяющей проводить наблюдения. Поэтому в работу немедленно были включены большие и средние телескопы разных обсерваторий — в Калифорнии и Нью-Мексико, на островах Гавайи и Пальма. Кроме этого были просмотрены все ранее полученные изображения области неба вокруг Урана в надежде отыскать на них следы новых спутников. Как всегда, они нашлись: не так уж трудно сделать находку, когда точно знаешь, где и что нужно искать. Но для авторов этих старых снимков, пытавшихся многие годы назад сделать свое открытие и «проморгавших» его, подобное известие прозвучало весьма драматически. Можно представить огорчение американского астронома Дейва Крукшенка, сделавшего в 1984 г. неудачную попытку фотографически обнаружить эти же спутники Урана, когда оказалось, что на его фотопластинках изображения спутников все же были зарегистрированы, но не опознаны.

Впрочем, в истории астрономии и это тоже происходит не впервые. Хрестоматийный пример — Галилео Галилей, «проморгавший» новую планету Нептун. Изучая движение открытых им в 1610 г. спутников Юпитера, Галилей систематически зарисовывал в своей рабочей тетради их положение на фоне неподвижных звезд. Как выяснили современные астрономы, в 1612 г. Галилей отметил положение неизвестной тогда планеты Нептун, приняв ее за одну из звезд. Лишь спустя два с лишним столетия Урбен Леверье открыл Нептун «на кончике пера», и по его указанию Галле и Д'Арре нашли новую планету на небе. Хорошо, что Галилей об этом уже не узнал — ведь он был честолюбив. Впрочем, его случайное наблюдение не пропало для науки: использовав не очень точное, но зато удаленное по времени положение Нептуна, отмеченное Галилеем, астрономы смогли построить высокоточную теорию движения этой планеты. Нашему современнику Дейву Крукшенку остается утешать себя примером Галилея: положение новых спутников Урана в 1984 г. помогло астрономам выяснить особенности движения этих любопытных объектов. Именно характер их движения даст возможность понять историю происхождения спутников, тесно связанную как с эволюцией Солнечной системы в целом, так и с формированием «микропланетной» системы Урана.

Эпоха «великих географических открытий» в Солнечной системе еще далека от завершения. Но уже сейчас приятно посмотреть на богатое семейство спутников планет. Если брать в расчет все спутники, принадлежащие большим планетам, карликовым планетам и астероидам, то в 2010 г. их насчитывалось около 340 с точно определенными орбитами. Еще порядка 150 мелких тел замечено в кольцах Сатурна, но их орбиты пока не определены. Как видим, с 1980 г. «множество лун» значительно возросло. Правда, за прошедшие 30 лет так и не были обнаружены спутники у Меркурия и Венеры, «не обзавелись» новыми спутниками Земля и Марс, а Плутон вообще был выведен из состава планет. Зато у четырех планет-гигантов вместо 41 теперь известно 165 спутников. Этим четырехкратным ростом в некоторой степени мы обязаны космонавтике (особенно зондам «Вояджер-2» и «Кассини»), но основная заслуга все же принадлежит наземной астрономии. Гигантские телескопы с адаптивной оптикой, а также космический «Хаббл» помогли обнаружить не только новые спутники планет, но и спутники карликовых планет — два новых у Плутона, два у Хаумеи и один у Эриды. К тому же более сотни спутников обнаружено у астероидов и около шестидесяти — у объектов за орбитой Нептуна.

Как видим, число спутников нарастает подобно лавине. По мере детального исследования колец вокруг планет-гигантов число спутников у этих планет вообще может превысить разумный предел. Дело в том, что до сих пор не проведена нижняя граница размера «спутника планеты», а кольца — это мириады камней всевозможного размера. Если не установить нижнюю границу размера тел, называемых спутниками, то каталоги спутников станут безразмерными.

Любопытно, что с похожей проблемой столкнулись в последние годы исследователи переменных звезд: чем выше точность фотометрических измерений, тем большее число звезд демонстрирует переменность блеска. Еще недавно несколько тысяч переменных звезд умещалось в одном каталоге, а после создания космических телескопов с большим полем зрения и высокой фотометрической точностью чуть ли не каждая звезда стала проявлять себя как переменная. Составители «Общего каталога переменных звезд» уже не в состоянии обрабатывать поступающий к ним гигантский поток данных. Такие же трудности грозят и исследователям спутников планет. Похоже, что в ближайшее время придется ввести новую категорию тел, более мелких, чем спутники, назвав ее, например, «околопланетный мусор» (более удачные названия принимаются).

Специалисты считают, что в ближайшем будущем придется отказаться от того, чтобы давать имена очень маленьким спутникам. Из-за стремительно растущего темпа их открытия приходится расширять используемые категории имен для спутников Юпитера и Сатурна, которые пока берутся из греко-римской мифологии. Раньше спутникам Юпитера давали имена возлюбленных Зевса/Юпитера, однако сейчас в банк названий включили также имена потомков Зевса. Спутники Сатурна пока что называют в честь греко-римских титанов и их потомков — гигантов. Чтобы расширить «национальный состав», сейчас используются также имена гигантов и монстров из других мифологий — галльской, инуитской и норвежской. Но и эти имена когда-то закончатся, а количество спутников лишь увеличивается.

Из сотен зарегистрированных сегодня спутников только Луна была известна с глубокой древности, а остальные открыли с помощью телескопов и космических зондов. Конечно, Луну трудно не заметить: в полнолуние ее блеск достигает почти -13^m. Спутники других планет недоступны невооруженному глазу, и только четыре галилеевых спутника Юпитера могли бы быть видны как звездочки 5^m, если бы не соседство яркого Юпитера. Люди с особо острым зрением способны заметить присутствие спутников вблизи Юпитера (я этому свидетель), но верно интерпретировать увиденное, вероятно, может только человек, заранее знающий о существовании этих тел. Без труда спутники Юпитера различаются в полевой бинокль, по характеристикам близкий к первым телескопам Галилея.

Именно галилеевы спутники Юпитера были открыты первыми сразу после изобретения телескопа. А затем, по мере совершенствования астрономической оптики, становились известными все более мелкие и далекие спутники (см. табл. 3.1 на с. 99). Применение фотографии еще дальше продвинуло эту работу, позволив обнаруживать рядом с ближайшими планетами-гигантами спутники размером 10—20 км. Наконец, запуск космических зондов и использование ПЗС-камер на телескопах 10-метрового калибра сделали возможным обнаружение совсем крохотных тел размером до 1 км.

Неудивительно, что неспециалисту многочисленные спутники планет кажутся «все на одно лицо». Лишь упоминание Луны вызывает у несведущего человека интерес и некоторые ассоциации. А со спутниками других планет не связаны легенды и предания, в их честь не совершали жертвоприношения, древние народы не использовали их для счета времени. Однако для специалиста-планетолога каждый спутник — это уникальный мир, не менее важный и интересный, чем наша вечная соседка Луна. Более того, система спутников каждой планеты — это своеобразный аналог Солнечной системы, со своими закономерностями в распределении спутников по орбитам и их физическим свойствам. Поэтому поиск новых спутников будет продолжаться как вглубь — ко все более мелким телам, так и вширь — охватывая все большую область вокруг каждой планеты. В связи с этим зададимся вопросом: каков максимально возможный размер спутниковой системы?

Поскольку спутником мы называем объект, постоянно сопровождающий планету, то максимальный размер системы спутников определяется областью гравитационного контроля планеты. Хотя она и не совсем сферическая, ее принято называть сферой Хилла. Если отвлечься от деталей, то на границе этой области, очевидно, должно наступать равенство двух сил: силы притяжения спутника к планете (F) и силы, действующей со стороны Солнца и старающейся «оторвать» спутник от планеты (f). Силу f обычно называют приливной, поскольку именно она, действующая со стороны Луны и Солнца, вызывает приливы в океанах и теле Земли. Найдем эти силы в расчете на единицу массы спутника. Пусть M и m — массы Солнца и планеты, R и r — расстояние планеты от Солнца и спутника от планеты, G — постоянная тяготения. Тогда

Полагая, что R >> r, мы легко преобразуем выражение для f (отбросив малые величины) к виду

Тогда радиус сферы Хилла (г) определится равенством F = f и составит

Эта формула не учитывает характера движения спутников, но для оценок она годится. Поскольку нас в основном интересуют системы спутников планет-гигантов (R >> 1 а. е.), то угловой радиус их сфер Хилла для земного наблюдателя составит

Например, для Юпитера (M/m ≈ 1000) получим α = 4,5°. А в противостоянии, когда Земля и Юпитер сближаются на минимальное расстояние и поиск спутников наиболее продуктивен, это значение возрастает до 5,6°. Следовательно, астроному приходится вести поиск в круге диаметром 11,2°, что по площади равно 500 лунным дискам! Для Сатурна диаметр зоны спутников составляет 6°, для Урана и Нептуна — около 3°. Именно таковы наблюдаемые с Земли предельные размеры спутниковых систем планет-гигантов.

А насколько исчерпаны эти области? Насколько близки к их границам наиболее далекие известные спутники планет? Самый удаленный спутник Юпитера (S/2003 J2) в противостоянии планеты отходит от нее для земного наблюдателя на 3,3°. То есть до границы остается еще 2,3° — изрядная область для поиска неизвестных объектов. В системе спутников Сатурна самый далекий (Форньот) виден на расстоянии 1,3° от планеты: до границы еще 1,7°. Внешний спутник Урана (Фердинанд) удаляется на 0,6°, а внешний спутник Нептуна (Несо) — на 1°. Как видим, у всех этих планет осталось большое пространство в сфере Хилла, где могут прятаться неизвестные спутники. Разумеется, вблизи границ этих областей движение спутников неустойчиво и связь с планетой очень слаба. Уже найденные там объекты движутся хаотически, но все же они могут жить там довольно долго. Возможно, эти спутники иногда теряют связь с планетой, а затем они — или им подобные — возвращаются в ее гравитационные объятия. Там их и надо искать.

Кстати, на периферии сферы Хилла могут прятаться не только отдельные спутники, но даже кольца планет! Так, в мае 2009 г. удалось обнаружить ранее неизвестное кольцо Сатурна, самое большое среди планетных колец: для земного наблюдателя его угловой размер составляет около 1°, вдвое больше лунного диска! К сожалению, наблюдать этот колоссальный объект в оптическом диапазоне невозможно из-за его крайней разреженности. Глазом его не увидеть, даже находясь непосредственно в нем. Как же оно было открыто? Новое кольцо в основном состоит из частиц пыли и льда, температура которых около 80 К. Именно из-за такой сравнительно высокой температуры его заметил космический телескоп «Спитцер», наблюдающий в дальнем инфракрасном диапазоне (см. с. 15 цветной вкладки).

Инфракрасное кольцо Сатурна начинается на расстоянии примерно 6 млн км от планеты и тянется еще на 12 млн км. Для сравнения, ширина крупнейшего видимого кольца этой планеты — кольца В — составляет 25 500 км. Толщина нового кольца около 1,2 млн км, тогда как толщина того же кольца В составляет от 5 до 15 м. В центре нового кольца располагается спутник Феба. Похоже, что именно Феба служит основным источником вещества, образующего кольцо. Весьма вероятно, что наличием этого кольца объясняется загадка другого спутника Сатурна — Япета. Как известно, одна его половина заметно темнее другой. Скорее всего, это потемнение вызвано падением на поверхность спутника материала кольца. Япет покрыт светлым льдом, поэтому оседающая на нем темная пыль хорошо видна (рис. 8.6).

Возвращаясь к заголовку этого раздела, давайте прочитаем его немного иначе: «В мире — множество лун». И это верно! Но справедливо ли, что все они несут на себе налет неполноценности? Мол, спутник — это не планета, а так, довесочек. Окинув взглядом семейство спутников планет, мы увидим среди них крупные самобытные объекты, имеющие сфероидальную форму, проявляющие геологическую активность, а иногда даже обладающие могучей атмосферой! Ну чем не планеты? Лишь тем, что они движутся в плену более массивных тел? Тогда назовем их не просто спутниками, а планетами-спутниками! И будем надеяться, это название со временем приживется.

Раз создано новое семейство, то нужно определить его членов — спутников со свойствами планет. Как мы знаем, важнейшим признаком планеты служит ее способность силой собственного тяготения придать себе сфероидальную форму. На это способны только крупные тела — льдистые диаметром более 400 км и каменистые диаметром более 900 км. Для надежности примем пограничное значение равным 1000 км и все более крупные спутники определим в группу планет-спутников (табл. 8.1). Таких тел оказалось 16, и все они действительно имеют сферическую форму. Однако и среди спутников меньшего размера тоже могут найтись достаточно пластичные объекты, способные сферизовать себя собственными силами. Это возможно, если в составе небольшого спутника много льдов. Поэтому спутники диаметром от 400 до 1000 км мы назовем кандидатами в планеты-спутники; таких оказалось три (табл. 8.2). Два из них сферические, а наименьший — Протей — угловатый. Возможно, нижняя граница диаметров планет-спутников близка к 450 км, но это еще предстоит уточнить.

Рис. 8.6. Спутник Сатурна Япет — один из самых необычных: одна его половина — черная как уголь, а вторая — белая как снег. Япет обращается по орбите так же как Луна вокруг Земли, — всегда одним и тем же полушарием вперед. Именно это полушарие загрязнено темным веществом, вероятно из самого внешнего кольца Сатурна, открытого в 2009 г. Фото: «Кассини» NASA.

Как видим, планеты-спутники нашлись рядом с каждой планетой-гигантом, а также у одной планеты земной группы и одной карликовой планеты. Любопытно, что в Солнечной системе нет ни одной планеты-спутника диаметром от 500 до 1000 км. Причину этого странного разрыва еще предстоит понять. Любопытно также, что все без исключения планеты-спутники и даже кандидаты обращаются по орбитам синхронно со своим суточным вращением, как Луна, постоянно демонстрируя планете-хозяину одно и то же свое полушарие. Причина синхронного вращения Луны известна — приливное влияние Земли. Несомненно, и у других планет-спутников причиной их синхронного движения служат приливы. Однако не ясно, почему все они располагаются в том диапазоне расстояний от планеты-хозяина, где приливы, очень быстро ослабевающие с расстоянием, оказались достаточно интенсивными для синхронизации их движения. Возможно, в этом есть какой-то космогонический смысл. Вот только какой?

Таблица 8.1. Планеты-спутники

Таблица 8.2. Кандидаты в планеты-спутники

Итак, мы определили планету-спутник как тело, способное своими силами изменить свою форму и за счет собственной гравитации обеспечить эволюцию своих недр. Именно в этом смысле мы называем такое тело «планетой». Но вторая часть термина — «спутник» — говорит о том, что в своем движении этот объект пленен более крупным телом: планетой-хозяином. Если иметь в виду осевое вращение планет-спутников, то это, без сомнения, так: все они находятся в полном подчинении у своей планеты, поскольку вращаются синхронно с обращением вокруг нее. О таких спутниках говорят, что они «приливно захвачены» (по-английски tidally-locked), то есть их осевое вращение и орбитальное обращение взаимно синхронизованы под влиянием гравитационного приливного эффекта со стороны планеты.

Однако перемещение планеты-спутника в пространстве требует отдельного анализа. Является ли планета-хозяин безоговорочным хозяином своих спутников? Нет ли у нее конкурентов? Действительно ли планеты-спутники находятся в гравитационном плену у своих более массивных соседей? Насколько крепок этот плен, да и плен ли это в прямом смысле слова? Может быть, это просто «мирное сосуществование» двух планет — худой и толстой, — их совместная «прогулка» по Солнечной системе? Чтобы оценить «уровень самостоятельности» объектов, которые мы назвали планетами-спутниками, давайте сравним гравитационное притяжение, действующее на них со стороны двух конкурентов — Солнца и планеты-хозяина (табл. 8.3). Используя ранее введенные обозначения, найдем ускорение спутника в сторону планеты:

и в сторону Солнца:

Очевидно, «уровень самостоятельности» планеты-спутника как члена Солнечной системы определяется отношением этих величин:

Если это отношение заметно меньше единицы, значит, спутник в плену у своей планеты. Если же оно больше единицы, то спутник движется в основном под влиянием Солнца, как нормальная планета Солнечной системы, а роль планеты-хозяина состоит лишь в том, чтобы синхронизовать движение самой планеты и ее спутника по близким околосолнечным орбитам. Такое движение — не плен, а скорее совместная прогулка. Из равенства a_☉ = а_р легко найти радиус так называемой сферы тяготения планеты, внутри которой доминирует ее гравитация:

Как видим (табл. 8.3), среди всех спутников-планет только у Луны a_☉/а_р больше 1: Луна находится вне сферы тяготения Земли, она вдвое сильнее притягивается к Солнцу, чем к Земле! С этой точки зрения Луна — планета, а не спутник. Если внезапно остановить Землю, то Луна «бросит» ее и продолжит свой обычный путь вокруг Солнца. В чем причина такой уникальности Луны? Возможно, своим происхождением она отличается от других планет-спутников?

Таблица 8.3. Гравитационное влияние планеты-хозяина и Солнца на планету-спутник, включая кандидатов

Не на все вопросы удается немедленно дать ответ. Над некоторыми еще предстоит размышлять и автору этой книги, и ее читателям. Иногда поставить вопрос не менее важно, чем найти на него ответ. Мы даже не знаем пока, есть ли смысл в объединении планетообразных спутников в отдельную группу, что общего между ними и в чем каждый их них неповторим. До сих пор только одно из этих тел, Луну, посетили астронавты и роботы и еще на одном, Титане, недолго поработал спускаемый аппарат. С некоторыми спутниками сближались зонды, другие они изучали издалека, а визит к Харону еще только предстоит. Поэтому не будем забегать вперед и познакомимся с теми планетами-спутниками, о которых уже многое известно.