Возмущения и кольца планет

Впоследствии продолжатели дела Лапласа убедились в том, что долгопериодические возмущения в Солнечной системе встречаются нередко. Большие возмущения обнаруживаются всякий раз, когда отношения периодов обращения двух тел, возмущающих друг друга, оказываются достаточно близкими к отношению небольших целых чисел¹.

Когда движение тела подвергается слишком большим возмущениям, то оно, как говорят, является неустойчивым. Тело, движущееся по такой неустойчивой орбите, скоро будет вырвано из пространства, в котором оно двигалось, и продолжит свои небесные путешествия в более «спокойном» месте.

Этим объясняется тот факт, что в семействе орбит астероидов — малых планет, обращающихся вокруг Солнца между орбитами Юпитера и Марса, — встречаются «щели» (или «люки») — области, в которых астероиды избегают двигаться. Оказывается, что тела, которые двигались бы в этих щелях, имели бы периоды обращения, соизмеримые с периодом обращения Юпитера.

Этим же объясняется и наличие аналогичных щелей в кольцах Сатурна. Эти кольца не сплошные, а состоят из бесчисленного множества мелких и более крупных частиц, движущихся по орбитам подобно спутникам планеты. В системе Сатурна роль тела, возмущающего движение частичек колец, выполняют ближайшие к планете спутники. Итак, открытие Лапласа вдохновило многих небесных механиков на попытки объяснить некоторые другие загадки Солнечной системы.

В XVIII столетии поразительная деталь в строении системы Сатурна — в виде плоского и широкого кольца, окружающего планету, считалась не твердым, а жидким образованием. Это кольцо заметил еще Галилей, но он не смог разобрать его истинного вида. Позднейшими наблюдениями было установлено, что толщина кольца составляет всего 15 км, а ширина — 275000 км. Поэтому, когда кольцо повернуто к Земле своим ребром, оно представляется в виде тончайшей иглы, пронизывающей тело планеты.

Рис. 5. Тонкая структура колец Сатурна, обнаруженная в результате полета космических станций «Вояджер»

Лаплас занялся изучением кольца Сатурна и доказал, что оно не может быть сплошным или твердым, а должно состоять из мельчайших частиц, из которых каждая движется около планеты самостоятельно; он предсказал также, что сама планета в результате вращения должна быть сплюснута у полюсов². Вскоре наблюдения В. Гершеля полностью подтвердили последнее предсказание, причем сжатие Сатурна оказалось наибольшим в Солнечной системе: оно равно 1/10, тогда как, например, сжатие Земли составляет всего 1/298,3.

Вывод, что кольцо состоит из мелких твердых частиц, не связанных друг с другом, был окончательно подтвержден после Лапласа теоретическими исследованиями Максвелла и специальными наблюдениями Килера в США и акад. А.А. Белопольского в России.

Разгадка природы кольца (вернее, колец) Сатурна интересна не только сама по себе, но, как мы увидим, имеет большое значение и для выяснения того, как и когда зародилась вся Солнечная система.

Рис. 6. Явление переплетения двух элементарных колец в системе Сатурна, открытое в 1980

Поэтому особенно ценными были первые детальные расчеты состава колец и условий в них, проведенные советским астрономом М.С. Бобровым (некогда студентом автора настоящей книги, а ныне доктором наук). Он показал в 1951 г., что размеры мелких спутников, составляющих кольца, должны заключаться в пределах от нескольких сантиметров до 10 метров, т. е. что эти кольца чрезвычайно тонкие. Позднее (1970 г.) он же оценил теоретически температуру в кольце (не выше — 200°С). Эти расчеты в основном подтвердились в результате запуска к Сатурну космической лаборатории «Вояджер» (1980 г., США) и обработки полученной с его помощью информации (1984 г.).

Уже Кант и Лаплас считали, что кольца Сатурна — это система из многих концентрических колец (Кант ссылался при этом на наблюдения Брадлея). Но при помощи «Вояджера» открылась несравненно более сложная структура — колец у Сатурна по меньшей мере тысячи (рис. 5). Обнаружились и неожиданные детали — переплетающиеся кольца (рис. 6) и так называемые спицы — темные образования поперек некоторых колец. Все это задало новые загадки астрономам и вновь привлекло внимание к этой замечательной, хотя и оказавшейся, как выяснилось в наши дни, неуникальной системе в нашем планетном мире³.

Примечания

1. Хотя, как выясняется в наше время, подобные (резонансные) соотношения наблюдаются в Солнечной системе столь часто, что некоторые исследователи делают вывод о «резонансной» структуре Солнечной системы. — Примеч. ред.

2. К выводу о большом сжатии планеты пришел до него Кант (1755 г.). Он первым попытался на основе теории тяготения Ньютона объяснить существование и устойчивость колец Сатурна. Кант представлял себе кольца хотя и состоящими из частиц «паров», но считал эти частицы движущимися по законам Кеплера и на этом основании впервые оценил период вращения колец, подтвержденный позднее наблюдениями В. Гершеля. Заключение о том, что кольца — это рои мелких спутников, сделал впервые Д.Д. Кассини (1705 г.), полагавший доказательством этого открытую им «щель» в считавшемся до того сплошным кольце планеты. Но только Лаплас, сделав подобные выводы, мог обосновать их более убедительно на основе созданной им небесной механики. — Примеч. ред.

3. Заметим, что в начале XX в. на фотографиях Сатурна, приведенных в книге Рюдо «Небо» (L. Rudaux. Le ciel, 1923, с. 116, вкл.) отмечены «спицы». — Примеч. ред.