Родословная юпитеровой семьи

Если открытия все продолжаются, естественно, хочется спросить: сколько же их в действительности, этих членов юпитеровой семьи? Доколе астрономы будут находить все новые и новые?...

Чтобы ответить на эти вопросы, следует разобраться: а каково же их происхождение, откуда вообще взялись эти луны?

Читатель, вероятно, помнит, что одним из наиболее вероятных источников образования малых спутников Юпитера астрономы считают захват. В течение сотен миллионов и даже нескольких миллиардов лет существования планеты в ее окрестностях время от времени должны были появляться астероиды, кометы, обломки более крупных небесных тел. Попадая в поле тяготения могучей планеты, они как бы порабощались ею, становясь спутниками.

Кажется, все так просто и понятно. Однако ведь и распад крупных объектов, столкнувшихся друг с другом, на несколько меньших неизбежно тоже должен приводить к появлению большого числа мелких спутников. Удалось даже вычислить: количество таких мелких "компаньонов" у планеты должно примерно удваиваться с каждым понижением их блеска на одну звездную величину.

Когда Коваль открыл Леду, это стало не просто фактом из "переписи населения". Открытие нового члена семейства явилось аргументом в пользу того, что внешние, наиболее удаленные от Юпитера спутники не являются осколками, образовавшимися в результате столкновений древних небесных тел, потому что по гипотезе распада спутников со звездной величиной 20т должно быть более десятка. А известно только два - Леда и не совсем еще доказанный "Четырнадцатый". О причинах, почему наблюдатели недосчитываются этих десяти спутников, пока можно только догадываться. Один вариант - они1 еще просто не открыты. Другой же вариант...

Другой вариант затрагивает проблемы прямо-таки вселенских масштабов; он связан с космогоническими: теориями, описывающими историю происхождения всей нашей Солнечной системы.

Но сначала проведем нечто вроде классификации юпитерианских лун. Начнем с размеров. Вплоть до последних лет размеры спутников Юпитера, называемые разными авторами, очень сильно колебались.

Лишь в мае 1971 г. астрономы начали приходить к большему или меньшему единству. В это время произошло покрытие звезды Бета в созвездии Скорпиона спутником Ио. (Это означает, что для глаз земного наблюдателя спутник загородил звезду.) Такое их расположение позволило довольно точно, с ошибкой в ту или иную сторону, не превышающей 10 км, установить: радиус Ио составляет 1820 км.

Не прошло и двух лет, как Земля в своем небесном беге пересекла плоскость юпитерова экватора. О том, что такое событие предстоит, астрономы, разумеется, знали заранее. Сотрудники двадцати трех обсерваторий, разбросанных по всем обитаемым материкам, в течение нескольких месяцев неусыпно (вот когда слово уместно: астроном-практик работает ночью!) наблюдали покрытия галилеевых спутников одного за другим.

Когда обработка всех данных, собранных в Гарвардском астрофизическом центре (Кеймбридж, штат Массачусетс, США), завершилась, впервые удалось установить: радиус Европы составляет около 1525 км, а Каллисто 2420 км. При этом для первого из этих спутников точность измерения достигла плюс-минус двадцати пяти, а для второго - примерно двадцати километров. С такой скрупулезностью их измерили в первый раз. Между прочим, эти цифры несколько "посрамили" ближайшую к Солнцу планету: оказалось, что Каллисто, хотя всего лишь спутник, но по размерам "самостоятельному" Меркурию не уступает.

Кстати сказать, после этих исследований с рабочего стола астрономов всего мира исчезли знаменитые "Сэмпсоновские таблицы". Более шестидесяти лет служили они верой и правдой для вычисления положений крупных спутников Юпитера, а теперь, как говорится, в одночасье, их точность была сразу превзойдена в десять раз.

Когда размеры спутников более или менее определились, их классификация стала на серьезную почву. При первом же взгляде весь этот рой распадается на две большие группы. Одна из них - внутренняя, куда входят четыре галилеевых спутника и близкая к Юпитеру Амальтея. Все они очень крупны: даже самая "мелкая" из них, Амальтея, обладает радиусом, очевидно, приближающимся к полутораста километрам. Ганимед же даже среди них великан.

Затем бросается в глаза, что все члены внутренней группы, как говорят астрономы, регулярные. Это значит, что они движутся по своим почти круговым орбитам в той же плоскости, в какой лежит экватор планеты и - очень важно! - в прямом, а не обратном направлении. Все эти спутники испытывают постоянное воздействие близкого и мощного главы семейства: форма их орбит явно зависит от того обстоятельства, что тело Юпитера сплюснуто. Да и по своему строению, о котором будет подробнее говориться ниже, эти спутники явно имеют между собой нечто общее.

Резко отличаются от них внешние спутники. Только у самого крупного из них - Гималии (VI) радиус едва-едва, может быть, приближается к ста километрам; у Элары (VII) он, по-видимому, близок к пятидесяти километрам, а у всех остальных, вероятнее всего, не превышает одного-двух десятков километров.

Замечено, что внутренние спутники расположены на таких же относительных расстояниях от Юпитера, как планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) - от Солнца. Естественно, в голову приходит мысль, что Юпитер в Солнечной системе - как бы второй сюзерен, который, в подражание монарху, завел себе свой двор со своими вассалами.

Продолжая сравнение групп, увидим, что внешние спутники (хотя и не все) обращаются вокруг Юпитера в обратном направлении. Так ведут себя Ананке (XII), Карме (XI), Пасифе (VIII) и Синопе (IX). И формы орбит у них далеки от круговых. На эти вытянутые орбиты Юпитер уже не может оказывать в такой мере свое мощное воздействие. В самом деле, если галилеевы спутники от планеты удаляются не далее двух миллионов километров (самая далекая Каллисто - на 1880 000 км), то из внешних даже наиболее близкая Леда и та уходит далее чем на 11 миллионов, а Пасифе и Синопе находятся на самой границе юпитерианских владений - более чем в 23 миллионах км от планеты. Им приходится тратить на один оборот вокруг Юпитера два земных года с лишним.

Наклонение орбит у каждой группы тоже свое. Внешние спутники, в отличие от внутренних, вовсе не желают в своем движении придерживаться плоскости юпитерианского экватора. Орбиты Гималии, Элары и Лиситеи наклонены на 28°, а у Ананке, Карме, Пасифе этот угол даже значительно превышает 90°

Можно сказать, что у Юпитера две семьи - внутренняя (спутники, открытые Галилеем, и Амальтея) и внешняя - все остальные спутники. Однако внимательный взгляд подразделяет внешнюю семью на две различные подгруппы.

Действительно, очень уж по-разному выглядят их орбиты. Если у Леды, Гималии, Элары и Лиситеи орбиты довольно близки к круговым, то у остальных они сильно вытянуты. Да и массы очень разнятся: у более удаленных, "нерегулярных" они много меньше, и эти спутники скорее приближаются к малым телам нашей Солнечной системы - астероидам, чем к "полномерной" Луне.

Вот это и наводит на мысль: а, может быть, у спутников и происхождение не совпадает?

Рассмотрев все различия и сходства, существующие в свите Юпитера, ученые построили такую пока еще примерную модель. Пять крупных спутников - Ио, Европа, Ганимед, Каллисто и Амальтея, - очевидно, более близкие между собой "родственники" (хотя об Амальтее пока еще известно маловато, чтобы решительно утверждать это и о ней).

Средняя плотность первых четырех спутников, как недавно установлено (3,5; 3,1; 1,9 и 1,8 г/см3) правильным образом уменьшается по мере удаления от Юпитера. Два самых близких к планете, судя по всему, каменные, то есть состоят главным образом из силика тов, а два внешних, не столь плотных, очевидно, в основном ледяные^*). Все это позволяет астрономам разработать такой сценарий возникновения наших героев.

^*(Впрочем, недавно высказано предположение, что Амальтея, подобно некоторым падающим на Землю метеоритам, представляет собой углистый хондрит. Объяснить эту странность пока еще не удалось.)

Галилеевы спутники и Амальтея образовались в результате процесса, сходного с тем, который породил их материнскую планету. Сначала на месте всей Солнечной системы была гигантская газопылевая туманность, потом значительная часть пыли объединилась в более крупные частицы и начала оседать в области, близкой к средней плоскости этой туманности, конденсируясь в небесные тела размером не менее, чем у астероидов.

Эти небесные тела временами сталкивались друг с другом, сливались, образуя гигантский ком прото-Юпитера. Тем временем газ притягивался к этому зародышу будущей планеты и даже обрушивался на него. Зародыш постепенно становился ядром Юпитера, а газовая оболочка - его основным телом.

Однако не весь запас вещества был израсходован на "строительство" самой планеты. В ее окрестностях все еще оставалось достаточное количество разреженного газа, образующего нечто вроде вращающегося вокруг Юпитера диска. На ранних стадиях развития молодой еще Юпитер обладал высокой температурой (она и сейчас еще продолжает удивлять тех, кто ждет от планеты только отраженного ею чужого, солнечного, света и тепла).

В конце 60-х годов советский ученый В. С. Сафронов сформулировал правило, которое сводится к следующему. После того как в средней плоскости туманности сформируется тонкий слой сконденсированных твердых частиц, он долго в таком виде существовать Не может. Притяжение частиц друг к другу заставляет неустойчивый слой распадаться на более крупные "сгустки" материи.

Порождаются сгущения твердых тел, каждое диаметром примерно с километр. Сталкиваясь между собой (на это нужен немалый срок, но чем-чем, а временем космогония располагает в избытке!), эти сгущения и образуют центральные ядра - они "сделаны" из камня.

А поверх этого каменного ядра у некоторых спутников "надета" ледяная рубашка. Где возможна конденсация, там есть и вода - в различных ее модифинациях: жидкой, твердой, газообразной. На галилеевых спутниках, кроме Ио, это просто лед (на самом дальнем из них, Каллисто, покров льда, очевидно, сплошной). А на Ио, скорее всего, весь космический "каток" испарился и там льда нет.

Все сказанное убедило большинство специалистов в том, что пять внутренних спутников Юпитера образовались примерно в одно время, в ходе одинакового Процесса, охватившего ту же газопылевую дискообразную туманность, из которой несколько ранее начала формироваться сама их материнская планета.

Совеем другое дело - спутники внешние. Здесь почти все авторитеты сходятся на том, что они - "чужаки" в мире Юпитера. Но дальше между специалистами начинаются расхождения. Одни считают, что в окрестностях планеты некогда столкнулись два больших небесных тела или две кометы. Катастрофа, разбросавшая обломки "кораблекрушения",- вот исходное событие согласно одной гипотезе.

Другие же говорят, что вероятность столкновения даже крупных тел в безбрежном космосе очень уж мала. Скорее, считают они, одно небесное тело излишне приблизилось к Юпитеру и гравитационные силы привели к его распаду. Происходят ли эти спутники от одного и того же "прародителя" или от разных, с некоторой уверенностью можно будет сказать, когда станет известно, одинаков или различен их химический состав. А вот этого-то мы пока но знаем...

Между Марсом и Юпитером лежит кольцо астероидов - мелких планеток, самостоятельно обращающихся вокруг Солнца. Среди них известна группа астероидов, носящая общее имя Троянцы. Их почти одинаково удаленные от Солнца орбиты и некоторые иные характеристики наводят на мысли не Троянцы ли послужили некогда источником для возникновения внешних спутников Юпитера. В стародавние времена, вскоре после образования Солнечной системы, когда плотность расположения астероидов в окрестностях Юпитера была куда больше, чем теперь, некоторые из них могли быть порабощены притяжением планеты.

С другой стороны, математические расчеты показали, что захват одного небесного тела другим происходит довольно редко и поэтому маловероятен как источник, породивший внешние спутники Юпитера. "Комплексную" гипотезу их появления предложил советский астроном В. А. Бронштзн. Характеристики орбит подсказали ему, что в глубине сферы влияния Юпитера сперва произошла катастрофа - столкновение между двумя небесными телами. Излишняя энергия, которая до этого помешала бы их захвату, растратилась на соударение, после чего притяжение гигантской планеты уже вполне могло оказаться достаточным для захвата и удержания при себе новых "вассалов". Тремя годами позже американские ученые Дж. Коломбо и Ф. Франклин высказались в подтверждение гипотезы В. А. Бронштэна, но для окончательного решения этой проблемы данных пока еще маловато.