А все-таки она есть!

Десятилетие за десятилетием усилиями множества астрономов всех стран накапливались фотометрические данные о характере света, отражаемого спутниками Юпитера. "Дело" о вариациях их блеска постепенно стало довольно объемистым. Пора было эту информацию анализировать.

Регулярные изменения блеска - это дело объяснимое: поверхность небесного тела неоднородна, разные ее участки отражают свет по-разному, а спутник поворачивается к нам одной и той же стороной через одинаковые интервалы времени. Но вот нерегулярные вариации блеска то возникают, то исчезают, не соблюдая при этом никакой закономерности,

Облака? Они и в самом деле могут от случая к случаю изменять отражающую способность небесного тела. Но тогда ведь у спутников должна быть атмосфера! Вплоть до последнего времени от такого предположения захватывало дух... И гипотеза об атмосфере на спутниках Юпитера была положена на дальнюю полку.

А, собственно, почему? Конечно, вся "мелочь" - с V по XVI, то есть все негалилеевы спутники, слишком уж малы, чтобы удержать около себя газовый покров, если он у них даже и был когда-то. Но четверка великанов - Ио, Европа, Ганимед и Каллисто,- их-то тяготение, кажется, достаточно, чтобы удержать летучие молекулы газов от попытки "сбежать" в космическое пространство.

Важна также и температура: чем она выше, тем быстрее движутся молекулы и тем легче им ускользнуть из окрестностей небесного тела. Но Солнце отсюда далеко, а тепловое излучение Юпитера не настолько высокое.

Долгое время мешал, очевидно, психологический фактор. Все-таки, единственный спутник, данный нам для наблюдений извечно,- Луна, можно сказать, лишен атмосферы. А ведь немалое небесное тело, думается, могло бы "завести" себе и удержать атмосферу. Или вот Меркурий - еще больше, чем Луна, но тоже воздушной оболочки лишен.

Порог привычных представлений пытались перешагнуть наиболее смелые и дальновидные. Немецкий астроном, директор обсерватории Берлинского университета П. Гутник (1879-1947) лет шестьдесят назад указывал, что такое высокое альбедо, каким обладают Ио, Европа и даже Ганимед, может служить свидетельством в пользу существования у них хоть какой-то атмосферы. У первых двух из них в особенности: их отражающая способность близка к отражающей способности Венеры. А она ведь, несомненно, одета в плотную воздушную мантию; это еще М. В. Ломоносов открыл, верно объяснив помутнение солнечного диска и образование около Венеры, как он писал, "светящегося пупыря" при прохождении планеты по диску Солнца в 1761 г.

Неустанно измеряя альбедо своих "подследственных", Гутник смог, наконец, в 1944 г. опубликовать вывод: "свидетельства наличия атмосфер у четырех главных спутников Юпитера есть".

Дж. Койперу в Америке куда меньше, чем Гутнику, досаждал грохот орудий Второй мировой войны, и астрономическим "вооружением" его судьба тоже не обидела. Но и этот крупный ученый, пользовавшийся 82-дюймовым рефлектором обсерватории Мак Дональд, чтобы изучить спектры спутников, в 1942 г. не нашел доказательств существования атмосферы. Гутник же перекочевал в Бабельсберг под Берлином, где стоял в то время лучший в Европе 49-дюймовый (123 см) рефлектор, намного превосходящий его "собственный" университетский прибор. Здесь он пришел к выводу, что, судя по полосам поглощения в спектре излучения Ганимеда, атмосфера у того быть должна.

Для известного нашего астронома академика В. Г. Фесенкова (1889-1972) все было настолько очевидно, что он обсуждал уже не тот вопрос, есть она или нет, а из чего может состоять такая атмосфера. Изучив все доступные в то время сведения, В. Г. Фесенков высказал мнение: у спутников Юпитера газовая оболочка должна состоять в основном из двуокиси углерода (С0₂) и метана (СH₄); она также включает в себя другие водородсодержащие вещества и небольшое количество благородных газов - неона и аргона. Кислород же и азот там практически отсутствуют.

В 1964 г. американские астрономы А. Биндер и Д. Крукшенк заметили: после того, как Юпитер в очередной раз затмит Ио, стоит спутнику снова появиться из тени планеты, как его блеск становится примерно на одну десятую звездной величины больше, чем был до того. Наблюдательный факт требовал теоретического объяснения. Его дал американский ученый У. Синтон.

По мнению Синтона, у Ио есть атмосфера, а в ней - аммиак. Когда спутник заходит "за спину" Юпитера, солнечные лучи перестают его обогревать, температура падает, аммиак вымерзает и блеск спутника уменьшается. С той поры спор не прекращается, причем двойной спор: во-первых, действительно ли происходит такое изменение светимости Ио, а, во-вторых, если да, то по той ли причине, что назвал Синтон, или по иной.

Так, член-корр. АН СССР Г. С. Голицын и А. Ф. Стеклов сумели аргументированно доказать, что даже если блеск Ио действительно меняется сразу после затмения, то аммиак здесь не при чем, так как за весь срок существования Ио на ее полюсах аммиак должен был бы полностью вымерзнуть, в районе экватора - быть погребённым под слоем пыли, а в средних широтах - под слоем камней. В атмосфере же содержание этого вещества тогда не должно превышать каких-нибудь 10⁸ см^-3, что на блеске никак сказаться уже не в состоянии.

Конечно, если экваториальная область Ио вдруг подвергнется метеоритной бомбардировке, может обнажиться укрывшийся под пыльным слоем аммиак. Но ведь падение метеоритов никто к затмениям не приурочивает.

В одном сходились все те, кто с самого начала верил в существование атмосфер у спутников Юпитера: большой плотностью, такой, например, как у Венеры, эти атмосферы обладать никак не могут. Иначе почему же удалось сквозь газовый покров наблюдать черты неизменной поверхности этих спутников? - спрашивали они. А их противники без труда парировали: - Зато на такой вопрос легко ответить, если этих атмосфер нет совсем. И вышедшая лишь десятка два лет назад в ФРГ книга заканчивала соответствующую главу пессимистической нотой: "... большинство наблюдателей ныне склоняется к мнению, что все четыре главных спутника Юпитера лишены ощутимой атмосферы".

А все-таки она есть!

В 1972 г. было противостояние Юпитера. В Гарвардском университете США этим не замедлил воспользоваться астроном Р. А. Браун. Он и стал первым, кто со всей несомненностью обнаружил, что Ио окружена сплошным облаком атомов, испускающих эмиссионные линии, соответствующие излучению натрия. Едва он сообщил об этом ученому миру, как такое утверждение было подхвачено и развито. Соотечественники Брауна Л. Трафтон, Т. Паркинсон и У. Мейси установили, что источник этого излучения занимает куда большее пространство, чем сама Ио; область, откуда оно идет, охватывает сферу диаметром в целых 20 дуговых секунд. Значит, спутник, действительно, облачён атмосферой, и состоит она в основном из натрия. Нетерпение, с которым специалисты ожидали следующего противостояния, трудно описать.

Оно наступило в 1974 г, и в июле и августе почти каждую ночь в нескольких; обсерваториях астрономы "ловили" излучение натрия, идущее к нам с Ио. Наблюдения принесли с собой как новые открытия, так и новые загадки. Существование атмосферы у спутника, как экзотично это в то время ни звучало, было снова подтверждено, но вот откуда берется составляющий ее натрий? Ведь известно, что на таком расстоянии от Солнца время ионизации этого вещества составляет, лишь 10⁶ с, то есть меньше двух недель, и за этот период процессы фотоионизации "губят" 50% наличного натрия. Атмосфера же спутника, по всей вероятности, существует не миллионы секунд, не полмесяца, а миллионы (если не миллиарды) лет. Как же выйти из такого тупика? Значит, должен быть где-то "склад", из которого поступает пополнение на смену гибнущим атомам натрия.

Таким "складом" может служить покрытая эвапоритами поверхность самой Ио. Так как продолжительность жизни атомов в этом облаке, по подсчетам У, X. Смита из Гарвардского университета, составляет около 20 ч, то Ио должна "отпускать" ему каждую секунду не менее 10⁷, а может быть, даже 10⁸ атомов натрия с каждого квадратного сантиметра своей поверхности. Несложный подсчет тогда показывает, что за все время существования Солнечной системы (если Ио ей ровесница, что весьма вероятно) площадочка в 1 см² подарила атмосфере 50 г натрия. Это совсем не так уж мало - натрий мог бы давным-давно исчезнуть из поверхностного слоя. Загадка оставалась нерешенной.

В декабре 1976 г. первые снимки натриевых облаков были получены Дж. Бергстралем, Д. Матсоном и Б. Голдбергом из Лаборатории реактивного движения (США). Фотографирование удалось благодаря разработанной Б. Голдбергом новой технике, которой был усовершенствован 24-дюймовый (60 см) телескоп обсерватории Тейбл-Маунтин в Калифорнии. Диск Ио был заслонен алюминиевым кружком на стеклянной пластинке.

Было получено два изображения, представляющих собой характерные для натрия эмиссионные линии (5890 и 5896 ангстрем). Оказалось, что размеры облаков примерно в шесть раз превышают диаметр Ио, причем это только самая внутренняя часть атмосферы.

Форма атмосферы оказалась непривычной для землянина. Когда в 1974 г. орбиту Ио тщательно изучили при помощи электронно-оптического спектрографа высокой эффективности, установленного на обсерватории им. Визе, сотрудники Тель-Авивского университета Ю. Меклер и А. Эвиатар обнаружили, что область, которая излучает спектральные линии, характерные для натрия, простирается очень далеко от спутника. По-видимому, только наиболее плотная часть этой газовой оболочки окружает саму Ио и как будто образует вокруг нее шар, а менее плотные области газовой оболочки растянуты по орбите. Как предполагали, эта область имеет форму, которую ученые именуют тором, а все остальные люди - бубликом или баранкой.

Совершенствование техники наблюдений позволило в феврале 1978 г. получить надежное изображение. При этом использовался тот же 24-дюймовый телескоп обсерватории Тейбл-Маунтин, что и в первом случае. Немного раньше группе исследователей из Гарвардского центра физики Земли и планет (Кеймбридж, штат Массачусетс), возглавляемой Ф. Дж. Меркреем, удалось получить изображение облачности Ио с использованием несколько иной методики. Работая на 1,5-метровом телескопе им. Агассиза (свет Ио на этот раз был блокирован просто кусочком черной ленты), они построили изображение облачности путем измерения яркости вдоль каждого из пятидесяти снятых сквозь узкое щелевое отверстие спектров.

В период с ноября 1976 по февраль 1977 г. было сделано около 60 таких снимков. Благодаря большой светосиле телескопа время выдержки удалось уменьшить до двадцати, а потом даже до пяти минут, что позволило снизить степень "смазанности" изображения быстро перемещающегося объекта по сравнению с теми снимками, которые делались в Лаборатории реактивного движения с трехчасовой и более выдержкой. Более совершенная техника позволила получить снимки с разрешением около двух секунд дуги, а съемка Гарвардской группы - лишь около четырех секунд дуги.

После обработки обоих комплектов снимков оказалось, что Ио отнюдь не находится в самом центре яркой части своей облачности, а сама эта облачность не представляет собой правильной сферы. Атомы, составляющие это облако, занимают пространство, которое по форме скорее напоминает не баранку, а ...банан.

Угол, под которым острый выступ "банана" направлен к радиусу орбиты Ио, составляет от 30 до 45°. Это особенно хорошо различимо на гарвардском снимке, сделанном 15 ноября 1976 г., где для земного наблюдателя Ио находится все еще в дальней части своей орбиты, как бы удаляясь от Юпитера.

Дополнительную информацию дали снимки, выполненные на Гавайской обсерватории. Там получили спектры излучения натриевого облака на различных и все возрастающих расстояниях от Юпитера, достигающих 34 радиусов этой планеты, что примерно в шесть раз превышает расстояние Ио от Юпитера. Судя по снимкам, эмиссия концентрируется в плоскости орбиты Ио, так как на расстоянии в 33 радиуса Юпитера к югу от этой плоскости свечение значительно уменьшается.

Но что же заставляет Ио отдавать свои запасы натрия? Известно, что Юпитер представляет собой гигантский магнит. Его магнитосфера простирается далеко, и даже орбита, по которой обращается Ио, лежит в глубине этой сферы влияния великой планеты. Магнитосфера вращается вместе с Юпитером (полный оборот этого огромного вместилища заряженных частиц занимает около 10 ч), и каждую секунду мириады протонов и ионов с различными энергиями обрушиваются на спутник, погруженный в их среду. Каждый такой удар выбивает с его поверхности и разбрызгивает во все стороны множество атомов натрия. (Особенно "усердны" тяжелые ионы; их эффективность в этом процессе примерно в 1000 раз больше, чем у протонов.) Подобная бомбардировка, несомненно, может служить механизмом пополнения запасов натрия в атмосфере Ио.

Натрий в газовой оболочке Ио преобладает, но он там не одинок. Ультрафиолетовое излучение, идущее из этой области, показало американским астрофизикам Д. Л. Джаджу и Р. У. Карлсону, что есть в атмосфере Ио и водород,- вообще-то самый распространенный элемент во Вселенной, и было бы странно его здесь не встретить. Водородное "население" в облаке Ио насчитывает примерно около 2 × 10³³ атомов. Чтобы поддерживать его существование, каждый квадратный сантиметр поверхности Ио должен ежесекундно отдавать не менее 10⁹ атомов водорода. Это облако, хотя и более разреженное, чем натриевое, тоже вытянуто вдоль орбиты Ио. Астрономы измерили размеры водородного облака Ио и установили, что его толщина меньше, чем диаметр Юпитера.

Водородные облака выглядят иначе, чем натриевые, и странности у них свои, и происхождение, по-видимому, совсем иное. Существует гипотеза, согласно которой эти облака порождены протонами, которые мощное магнитное поле Юпитера "взяло в плен" и отправило в "ссылку" на спутник. Здесь, в "неволе", соприкоснувшись с поверхностью Ио, эти протоны потеряли заряд, стали нейтральными, и сбились в "облаков неуловимых волокнистые стада". Впрочем, все же уловимых. Астрономам удалось не только обнаружить их, но и установить, что они всегда вытянуты вдоль орбиты Ио. Вот только почему - пока еще непонятно.

В 1978 г. гавайские астрофизики К. Пилчер и Дж. Морган на конференции Американского астрономического союза рассказали коллегам о результатах своего наблюдения спектров излучения атмосферы Ио с длиной волны 6713 и 6716 ангстрем. Анализ этих спектров довольно четко указывал: в состав атмосферы Ио входит также ионизованная сера. Правда, яркость линий серы в тысячу раз меньше яркости линий натрия.

Собрание согласилось с докладчиками и приняло их мнение, что сера, как и натрий, поступает в воздушное пространство Ио с поверхности самого этого спутника. Но концентрируется ее излучение не вокруг спутника, а вокруг "главы семьи": Юпитер, приняв этот подарок от Ио, носит вокруг своего чела гигантское гало. Действительно, внешняя граница этого украшения проходит более чем в полумиллионе километров от центра планеты, а внутренняя - в 250 тысячах км от него. Можно было бы сказать, что оно имеет форму баранки, но серное гало Юпитера почему-то незамкнуто, и причину этой странности еще предстоит отыскать.

Зато уже известно, что серная область отнюдь не сплющена: наоборот, она распространяется "ниже" и "выше" магнитного экватора на десятки тысяч километров.

Так как Ио обращается вокруг Юпитера на расстоянии шести его радиусов от центра планеты, а серное гало охватывает широчайшую зону в пределах между 3,5 и 8 его радиусами, то можно говорить, что этот спутник как бы погружен в облако ионизованной серы. И это облако тоже составляет часть атмосферы Ио. Правда, в тех местах, где в данный момент проходит Ио, ширина серного гало Юпитера каждый раз немного сужается, и причина этого еще тоже неизвестна.

Еще под новый 1975 г. астроному Л. Трафтону удалось доказать, что натрием и водородом в атмосфере Ио природа не ограничилась. Работая на 107-дюймовом (270 см) телескопе обсерватории Мак Дональд, он наблюдал калиевые облака. Впрочем, поражаться тут особенно нечему: калий с натрием - родственники, и там, где появляется один из этих элементов, очень часто встречается и другой. Разница в образованных ими на Ио облаках состоит в том, что натриевое, по существу, принадлежит не столько спутнику, сколько самой огромной планете - оно обнимает все космическое пространство, где живут ближайшие члены юпитеровой семьи, а калиевое облако осталось в исключительном владении Ио. В 1979 г. Пилчер и Морган обнаружили на инфракрасной спектрограмме "подпись" ионизованного кислорода.

В научной печати то появлялись сообщения о наблюдении в атмосфере Ио кальция, то опровергались. Но упрекнуть авторов сообщений в непоследовательности никак нельзя: слишком уж сложны наблюдения далекого и маленького объекта, живущего под боком величайшей из планет Солнечной системы.

А как обстоит дело с газовой оболочкой у остальных членов семьи Юпитера? В 1973 г. были получены инфракрасные спектры, которые позволили сделать предположение: не только у Ио, но и у остальных галилеевых спутников атмосфера вполне возможна. Из них Каллисто "подозревается" в том, что хранит в тайне содержащую NH₃ и СH₄ (а ведь это тот самый метан, существование которого на спутниках десятилетия назад предсказывал академик В. Г. Фесенков!), но, очевидно, очень слабенькую газовую оболочку.

На более крупном Ганимеде она, в принципе, может быть значительнее. Именно из-за неясности с его газовой оболочкой возникает и неопределенность при установлении размеров и средней плотности твердого тела этого спутника. Если атмосфера велика, то придется уменьшить оцененный по альбедо диаметр, а с ним и плотность. Когда в 1972 г. Ганимед затмил собой одну из далеких звезд, большая группа ученых из разных стран, руководимая Р. У. Карлсоном (США) и Дж. С. Бхаттачарией (Индия), наблюдавшая это явление, с уверенностью заявила: "Ганимед обладает атмосферой". К этому выводу их привел тот факт, что покрываемая Ганимедом звезда тускнела не мгновенно, как было бы, если бы ее сразу заслоняло непрозрачное тело, а постепенно. Возможно, что атмосферное давление у поверхности спутника находится в пределах между 10^-1 и 10² Па.

Некоторые ученые даже указывали на возможность такого "приятного" нам, землянам, состава этой атмосферы, которая, помимо незначительного количества NH₃ и СН₄, включает большой объем кислорода и водяных паров: лед-то на поверхности Ганимеда есть, температура позволяет ему испаряться, вода при определенном давлении может диссоциировать, освободившийся кислород удерживается крупным небесным телом около себя. Кислородсодержащая, насыщенная влагой воздушная оболочка... А что, если жизнь?.. Впрочем, от этого чрезвычайно смелого предположения лучше воздержаться до более близкого знакомства с Ганимедом.

Амальтея же и Европа слишком малы, чтобы сохранить около себя газовое покрывало. Впрочем, слабенькая, очень разреженная и непостоянная атмосфера все же не совсем исключена и у них. А вот об атмосфере у всех внешних спутников - Леды, Гималии, Лиситеи, Элары, Ананке, Карме, Пасифе и Синопе - и речи быть не может. При радиусах, измеряющихся всего лишь несколькими километрами, пусть даже десятками километров, им приходится заведомо отказаться от подобной роскоши...

Несколько лет назад советские ученые получили подарок: на Северном Кавказе, вблизи станицы Зеленчукской (Карачаево-Черкесская АССР) вступил в строй самый большой в мире радиотелескоп "РАТАН-600" (Радиотелескоп Академии наук СССР диаметром 600 м). Гигантское кольцо позволило "сощуриться" так, как ни один оптический телескоп в принципе не может: его разрешающая способность в сантиметровом диапазоне волн достигает 0,0004 угловой секунды. Вскоре же после вступления радиотелескопа в строй было сделано открытие: Ио является очень интенсивным излучателем энергии в радиодиапазоне.

Вообще-то всякое тело, если его температура выше абсолютного нуля, обладает излучением во всех диапазонах волн - от рентгеновского до длинноволнового радиодиапазона. Но у обычного спутника, своей тепловой и световой энергией не обладающего, а лишь отражающего ту, что шлет ему Солнце, полная излученная энергия равна полученной им от светила. А вот Ио как-то, "вопреки" закону сохранения энергии, ухитряется излучать больше, чем приобретает от Солнца!

Когда сведения об этом открытии ученых Специальной астрофизической обсерватории АН СССР (ей принадлежит "РАТАН-600") стали известны, они послужили подспорьем гипотезе, согласно которой Ио все еще хранит в себе "древнее" избыточное тепло.

Проверка такой гипотезы математическим моделированием на ЭВМ ее в общем подтвердила, но только одним тепловым эффектом объяснить радиоизлучение Ио компьютер отказался. Если бы Ио излучала как обычное разогретое тело, то ее излучение на коротких радиоволнах обладало бы куда большей мощностью, чем на длинных. А "РАТАН" докладывает: дело обстоит как раз наоборот. И не у одной Ио: Ганимед, Каллисто и Европа тоже оказались как будто бы теплее ожидавшегося и, как выяснилось, служат мощными радиостанциями, "вещающими" на длинных волнах.

Тут же родились противоречащие друг другу предположения. По одному из них во всем виноват парниковый эффект: внушительный ледниковый покров способствует сбережению внутреннего тепла этих небесных тел.

По другому предположению у Ио, совсем как у планет - у Земли, Юпитера, например,- есть свои собственные пояса радиации и магнитное поле. Они-то, и превращают скромный спутник в мощную радиостанцию. Какая из гипотез правда - покажет только время.

От станицы Зеленчукской до города Аресибо, что на острове Пуэрто-Рико, расстояние немалое. Но их объединяет астрономия: в Аресибо стоит радиотелескоп, бывший до недавнего времени самым крупным в мире, и там тоже исследуют спутники Юпитера. В 1978 г. сюда приехали научные сотрудники Массачусетского технологического института (США) С. Дж. Остро и Дж. X. Петтенгил. Они выполнили здесь радиолокационные наблюдения этих небесных тел на волне 12,6 см.

При этом была обнаружена странная особенность получаемого на Земле радиосигнала. Судя по нему, местность на Ганимеде и Ио очень пересеченная, й радиоволна сперва отражается от одной стенки кратера под углом примерно 45° (считая от его дна), затем - от другой в эквивалентной ее точке и, потеряв часть своей мощности, возвращается на Землю Подходящие для этого размеры кратера должны быть примерно 1 км в диаметре и 300 м в глубину. Впрочему все это еще нужно проверять другими методами исследованпя.