Сатурняне заполняют анкету

Даже при беглом взгляде на расстояния спутников Сатурна от своей планеты (см. табл. 6) заметно: от поверхности Сатурна вплоть до орбиты Реи расстояния растут постепенно, без резких скачков. А вот между Реей и Титаном, а затем - между Гиперионом и Япетом и в особенности - между Япетом и Фебой расстояния увеличиваются скачкообразно, сразу в два с половиной - три с лишним раза. Фоба, например, находится от своей планеты в 34 раза дальше, чем наша Лупа - от своей.

Ближайший из сатурновых "прислужников" обегает его меньше чем за 15 часов, Титану на это нужно 16 суток, а Фебе - чуть ли не полтора земных года. Для сравнения: Меркурий завершает оборот вокруг Солнца за 88 дней, так что спутник был бы рекордсменом по бегу в нашей системе, не обгоняй его в полете вокруг своих планет наши старые знакомые Амальтея и Фобос. Их-то уж может обойти только "мелкота" - частицы внутреннего кольца Сатурна, которые ухитряются совершать полный оборот вокруг него за какие-нибудь 6 часов.

Да и медлительная Феба - не самый большой тихоход в нашем мире. Например, в свите Юпитера есть спутник Синопе, у которой на обход планеты уходит более двух лет.

Другой вопрос - орбитальные скорости. Поле тяготения огромного Сатурна очень сильно, так что оно в состоянии разгонять спутники до значительных скоростей. Даже далекая Феба делает ежесекундно 1,7 км, на зависть Луне, которая движется лишь со скоростью 1,02 км/с.

Впрочем, все это происходит в соответствии с III законом Кеплера и в принципе неожиданностью явиться не может. Совсем иное дело, если мы рассмотрим численные отпошения, существующие между периодами обращения спутников Сатурна. Этим еще в прошлом веке занялся Д'Арре, тот самый, что вместе с Галле открыл в 1846 г. планету Нептун. Он обнаружил любопытную закономерность: за то время, которое Мимасу нужно, чтобы завершить 494 полных оборота вокруг Сатурна, его сосед Энцелад делает 340, следующая за ним Тетис - 247 и, наконец, Диона - 170 оборотов. Налицо четкое соотношение: на каждый оборот Тетис приходится два оборота Мимаса; на каждый оборот Дионы - также два оборота Энцелада.

Тогда Д'Арре перешел от этих внутренних лун Сатурна к его внешним. Тут тоже оказалась некая закономерность, хотя и более приближенная, чем у первой четверки спутников. Каждым четырем оборотам Титана соответствуют примерно три оборота Гипериона; пяти оборотам Титана - один Япета, а пять оборотов Реи приблизительно эквивалентны одному обороту Гипериона.

Такая закономерность в природе случайно возникнуть, конечно, не могла. Спутники, движение которых связано подобными соотношениями, должны время от времени иметь в определенных точках пространства "свидания", чтобы раз за разом оказывать влияние друг на друга. Если бы распределение масс спутников вокруг Сатурна было равномерным (как это имеет место в случае его колец), результат такого взаимного воздействия был бы для каждого сходным. Но так как со спутниками дело обстоит иначе, последствия подобных возмущений в их движении постепенно накапливаются.

Изучению странностей в поведении спутников Сатурна посвятил чуть ли не всю свою жизнь пулковец и сын пулковца Герман Оттович Струве (1854- 1920). Исследовав тайну отношений в этой семье, он вывел такие закономерности:

1. У двух ближайших к Сатурну спутников - Мимаса и Энцелада (еще более близкие спутники не были тогда открыты) наблюдается либрация, то есть периодическое маятникообразное колебание около их центров. Наибольшее сближение этой пары всегда происходит в определенной точке - там, где пересекаются между собой плоскость сатурнова экватора с плоскостью орбиты спутника. Точнее говоря, место их "свиданий" колеблется вокруг этой точки с периодом в 71 год и хотя и может отклоняться в сторону вплоть до 49°, но непременно потом возвращается обратно снова и снова.

2. "Свидания" Дионы с Энцеладом всегда "назначаются" в пункте орбиты последнего, лежащем ближе всего к Сатурну или очень-очень недалеко от этого пункта.

3. Для Реи соседство огромного Титана не проходит незамеченным. Под влиянием его в десятки раз большей массы орбита Реи приобрела свою вытянутость, причем раз в 38 лет большую ось этой орбиты Титан отклоняет от среднего ее направления на 18°.

Крошечный Гиперион, разумеется, тоже не может избавиться от воздействия Титана. В его движении под влиянием огромного соседа также наблюдается либрация.

Вообще замечено, что вытянутость орбит спутников Сатурна не так уж велика. Твердо установлено, что сильно вытянута орбита Фебы, но ведь она и расположена от грозного Сатурна и Титана дальше всех. Именно это позволило Фебе так "вольничать". Обращаясь вокруг Сатурна, она то удаляется от планеты на 15 с лишним миллионов километров, то "всего" на 10 миллионов. Несколько вытянута также орбита Гипериона.

Поэтому возникло естественное предположение: все луны Сатурна вплоть до Япета - полноправные, "родные" члены его семьи, а Феба случайно залетела сюда и была "удочерена" хозяином системы позднее. В подтверждение этого говорит не только огромная удаленность Фебы от планеты, но и тот факт, что она вращается в обратном по сравнению с остальными спутниками направлении. Этим Феба даже напоминает скорее внешние луны Юпитера, чем других, более верных "прислужников" Сатурна.

Степень отклонения от "правильности" в поведении спутников - дело немаловажное; оно позволяет определять массы участников этого космического "хоровода". Гравитационное воздействие, которое оказывает одно тело на другое, то есть их взаимное притяжение, как известно, зависит от расстояния, отделяющего их друг от друга, и от их масс. Поэтому с такой страстью астрономы и измеряют орбиты спутников, стремясь добиться в этом деле все большей точности.

Можно заметить, что в сатурновой семье, по-видимому, мало таких карликов, которые характерны, например, для системы Юпитера, где Элара, Пасифе, Синоне, Лиситея, Карме, Ананке, Леда обладают диаметрами, явно не превышающими 100 км. Из спутников Сатурна лишь ближайший (XV) имеет поперечник 60 км, да пара близнецов, X и XI, с их вытянутой формой - чуть больше сотни километров.

Конечно, мы не намерены повторять ошибку даже столь великого человека, как Гюйгенс, заявляя, что все здесь уже открыто. Не исключено, что у Сатурна есть еще неизвестные нам спутники. На таких расстояниях как от нас, так и от светонесущего Солнца, они могут оставаться незамеченными и в лучшие из имеющихся приборов. Однако, с другой стороны, Сатурн расположился много дальше от роя астероидов, и по способности захвата планетой таких мелких тел уступает Юпитеру.

Всякому понятно, что размер тела - один из важных факторов, влияющих на его заметность. Титан с его диаметром, превышающим 5000 км, а также хотя и несколько меньшие, но более близкие к Сатурну Тетис и Рея представились бы тому, кто стал бы на них смотреть с поверхности этой планеты, не как точки, а как отчетливые полумесяцы с фазами, подобными лунным. Искорками на небе выглядели бы Мимас, Эпцелад и Диона. Гиперион и Япет сатурнянин увидел бы как довольно яркие звездочки, а Фебу невооруженным глазом он вообще никогда не смог бы заметить. Даже если сложить видимую с Сатурна поверхность всех его спутников, она достигла бы только примерно трех четвертей поверхности Луны, а суммарная яркость их составляла бы малую долю нашего ночного светила в полнолуние. Зато зрелище одной за другой поднимающихся и исчезающих с небосклона лун, можно представить себе, было бы необыкновенно красивым...

А что откроется наблюдателю с одного из спутников Сатурна? Стоя па любом из них, можно увидеть величественную картину, центральной фигурой которой будет, конечно, сама планета, значительно превосходящая своей видимой величиной Солнце.

С удаленнейшей от Сатурна Фебы планета выглядит так же, как у нас Луна в полнолуние. А уж посетителю ближайшего спутника Сатурн затмит чуть ли не полнеба: когда нижний край планеты касается здешнего горизонта, верхний простирается почти на половину расстояния до зенита.

Каждая единица площади Сатурна получает от далекого Солнца в 90 раз меньше света, чем наша Луна. Однако отражательная способность его поверхности раз в семь выше. Это несколько скрадывает их неравенство в расстоянии от центрального светила. В конце концов ближайшему спутнику достается от Сатурна примерно в 500 раз больше отраженного им солнечного света, чем к Земле приходит от Луны. Житель этого спутника в яркую сатурнову ночь мог бы читать газету без всяких затруднений.

Впрочем, так повезло бы не всякому жителю сатурновых спутников. Ведь все они (возможно, за исключением Фебы), по-видимому, вечно обращены к своей планете одной и той же стороной. Значит, в одном полушарии этих спутников Сатурн - постоянный осветитель небес, а в другом - его восхода дожидаться бесполезно. На всех этих спутниках Солнце обходит небо за столько же времени, сколько уходит на оборот спутника вокруг планеты, так что месяц и день здесь равны по длительности. Так, между восходом и заходом Солнца на Япете проходит около 40 наших суток. Стоя в том полушарии спутника, откуда Сатурна никогда не видно, мы можем наблюдать Солнце, правда, не как диск, а как пятнышко, впрочем, весьма яркое: в пять тысяч раз светлее, чем наша Луна в полнолуние.

Затмения Солнца на Мимасе или Энцеладе - тоже очень впечатляющая картина. Сатурн предстает темным кругом, затмившим звезды и окруженным светящимся кольцом полупрозрачных слоев своей атмосферы. Красивое зрелище возникает тем реже, чем более удаленный от планеты спутник мы выберем для своего посещения. Так, уже на Титане диск Сатурна выглядит довольно небольшим: он закрывает Солнце не чаще четырех-пяти раз в земной год.

Луна в лунном небе - странное дело, не правда ли? Но в системе Сатурна вы сможете любоваться этим постоянно. На любом из его спутников над головой вечно присутствуют одна-две, а то и целый десяток лун. Среди них главенствует, разумеется, оранжевый Титан - крупнейший и ярчайший из всех. Для гиперионца недалекий от него Титан (каких-нибудь 260 000 км), когда оба спутника встанут на прямую, соединяющую их с Сатурном, займет в небе вшестеро большую площадь, чем полная Луна в небе землянина. Правда, света даст он раз в шесть меньше, так как сам от Солнца очень уж далек.

Туристическая путевка на Япет, пожалуй, была бы более привлекательной, чем на другие спутники Сатурна. Судите сами: от ближайшего спутника и до Гипериона все они обращаются по орбитам, лежащим почти точно в плоскости сатурновых колец. Значит, кольца тут обычно предстают наблюдателю с ребра, в лучшем случае - едва видимой полоской.

А вот орбита Япета наклонена к плоскости колец на 15°. В здешнем небе за один его оборот мы увидим, по мере того, как Япет отходит от плоскости колец, все большую и большую часть их поверхности. Уйдя в одну сторону, кольца начинают обратное движение. Миновав фазу невидимости, они покажут уже свою другую сторону. И так далее - цикл за циклом. Конечно, то же самое мы видим и с Земли, но здесь, чтобы увидеть весь спектакль, надо иметь в запасе лет тридцать и обзавестись сильным телескопом, а на Япете подобное зрелище повторяется каждые 80 суток и отлично видно невооруженным глазом.

Впрочем, землянину, попавшему на один из спутников Сатурна, пожалуй, было бы не до того, чтобы изучать звездное небо. Судите сами: средней солидности мужчина, весящий на родной планете 70 кг, на Титане "потянул" бы около 7 кг, а на Фебе - примерно... 250 граммов!

Еще три века назад, когда Кассини только что открыл Япет, астроном вскоре заметил: стоит этому спутнику переместиться на запад от Сатурна, как он становится раз в шесть ярче, чем он был, пока находился к востоку от планеты. Япет, по-видимому, всегда смотрит на свою планету одной и той же стороной, мы же на Земле видим одно его полушарие, когда он "по правую руку" от Сатурна, и другое - когда "по левую". Отсюда можно сделать вывод: один "бок" Япета почему-то отражает свет вшестеро сильнее, чем другой. Когда в августе 1981 г. в окрестности Япета прибыл "Вояджер-2", выяснилось, что темное полушарие этого спутника... темнее асфальта! Яркость же при вращении меняется у многих спутников, иной раз даже вдвое, но чтобы в шесть раз - это случай уникальный.

Было время, ученые предполагали еще одну "семейную тайну" Сатурна. Казалось, здесь наблюдается непонятная закономерность: если не считать непослушного Япета, то у остальных спутников средняя плотность вещества тем меньше, чем ближе их орбита проходит к центру Сатурна (о плотности Фебы, правда, можно только догадываться).

Даже система колец и поверхность самого Сатурна следовали этому правилу: если средняя плотность этой планеты близка к 0,7, то плотность ее поверхностных слоев составляет лишь что-то около 0,31 (за единицу принимается плотность воды). А ведь это как раз обратно тому, что наблюдается у галилеевых лун соседнего Юпитера. Там-то, наоборот, продвигаясь извне по направлению к самой планете, мы встречаемся со все большей плотностью (у Ио она вдвое выше, чем у Каллисто). В чем причина этого?

Что же касается связанного с плотностью вопроса - каков состав спутников, то в этом неясности еще больше. Очевидно, что те из них, которые обладают плотностью, не превышающей единицу, состоят в основном из обычного снега и замороженного метана. Доказать это пока столь же трудно, сколь и опровергнуть. Как бы там ни было, очень вероятно, что эти тела обладают большой пористостью, сравнимой, например, с вулканической пемзой. Ведь это - "камень" с плотностью всего около 0,3; он плавает на поверхности воды. С другой стороны, отражающая способность поверхности спутников куда выше, чем у пемзы. Может быть, она покрыта льдом?

Лед и снаружи, и внутри многих спутников, в особенности, принадлежащих наиболее удаленным от Солнца планетам, предполагают Г. Консолманьо и Дж. Льюис. Правда, в глубинных недрах там может происходить распад радиоактивных веществ, выделяющий достаточно тепла, чтобы внутренний лед растаял. Ученые подсчитали, что такой процесс может происходить только на тех спутниках, радиус которых больше 500 км. Следовательно, в семье Сатурна под эту категорию, очевидно, попадают Тетис, Рея, Япет и, конечно, Титан.

Максимум нагревания, согласно этой модели, должен наступить примерно через 2 миллиарда лет после образования небесного тела, и это время у них всех, надо полагать, было. Однако у тех спутников, что обладают много меньшим радиусом, подобный процесс должен был после достижения максимума пойти далеко вспять: они с тех пор уже успели остыть и полностью замерзнуть снова.

Каменистая часть спутника также подвержена рас плавлению, как и лед, при достаточно высоких температурах, конечно. Процесс радиоактивного распада дает столько тепла, что его должно хватить, чтобы "подтаявшие" твердые породы были охвачены конвекционными течениями. Поэтому и на сравнительно небольших телах на поверхности можно будет встретить следы тектонических процессов. Еще надо учесть: поверхность спутников подвергается сублимации (испарению твердого тела без перехода в жидкую фазу). Именно такое испарение, по мнению специалистов, и объясняет тот факт, что на всех спутниках Сатурна, кроме Титана, отсутствует лед из метана.

...Ноябрь 1980 г. В царство Сатурна прибыл гость с Земли - "Вояджер-1". Межпланетная станция подошла к Титану очень близко - на 4500 км. Существование атмосферы у спутника подтвердилось, но она же, увы, помешала ученым разглядеть подробности рельефа поверхности.

Зато полной неожиданностью были данные спектрометрии в ультрафиолетовой и инфракрасной частях диапазона. Если прежние, выполнявшиеся с Земли, измерения говорили о том, что атмосфера Титана содержит в основном метан (и это даже намекало на возможность существования жизни!), то теперь там в изобилии обнаружен азот - молекулярный, атомарный и ионизованный. Может быть, там даже есть облака из жидкого азота. Метан же составляет не более 1% газовой оболочки спутника.

Красновато-коричневая окраска атмосферы Титана, замеченная при наблюдениях с Земли, очевидно, - следствие того, что там есть в небольших количествах более сложные органические соединения, например, цианид водорода. Такие соединения возникают в ходе фотохимических реакций, происходящих в атмосфере.

Радиоволны, посылаемые "Вояджером-1" па Землю сквозь атмосферу Титана, сам характер их прохождения и рефракции, поведали немало о физических условиях, царящих там. Было установлено, что на высоте, соответствующей температуре 92 К, давление примерно в полтора раза превышает атмосферное давление на поверхности Земли.

"Вояджер-1" получил изображения лимба Титана, на которых видно, что над верхними его облаками существуют три слоя дымки: один примерно в 3000, другой - в 3400 км над поверхностью, а третий - еще точно не ясно. Впрочем, точная высота всех трех слоев может быть названа лишь когда будет определено местоположение самой твердой поверхности спутника.

"На глазах" у "Вояджера-1" произошло нечто вроде затмения - покрытие Солнца Титаном. Это позволило установить: в самых верхних слоях его атмосферы азот активно поглощает коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Характер поглощения говорит о том, что там температура близка к 200 К.

Вообще, очевидно, атмосфера Титана имеет определенное сходство с первичными, то есть древнейшими газовыми оболочками, какие имели Меркурий, Венера и Земля на заре своего существования. Только, в отличие от этих планет, на Титане столь низкие температуры, что атмосфера могла там сохраниться в своем первозданном виде. Значит, ее изучение поможет судить о прошлом планетных атмосфер.

Впрочем, не исключено, что одно время у Титана вообще не было никакой атмосферы. Дело вот в чем. Находясь от Сатурна в 26,2 его радиуса, "Вояджер-1" пересек магнитопаузу - границу, где поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром, вступает в соприкосновение с магнитосферой планеты. Но затем "Вояджер-1" еще не раз вынужден был пересекать... ту же самую границу - ведь она подвержена значительным колебаниям и находится то ближе к Сатурну, то дальше от него.

Окончательно "Вояджер-1" преодолел магнитопаузу в 22,9 радиуса Сатурна. А это означает, что вся орбита Титана, проходящая в 20,3 радиуса от планеты, целиком расположена внутри магнитосферы Сатурна. И если в прошлом Сатурн обладал меньшим магнитным полем, чем теперь (а это вполне возможно), и магнитосфера его была менее протяженной, то Титан тогда не был прикрыт ею от солнечного ветра. Порывы его заряженных частиц в таком случае вполне могли полностью сдувать газовый покров спутника.

Невиданными по точности были выполненные "Вояджером-1" измерения размера и формы спутников Сатурна. То, что он открыл существование двух спутников, обращающихся вокруг планеты по одной и той же орбите, читатель уже знает.

Некоторые ученые предполагают, что оба спутника некогда представляли собой единое тело. Отражательная способность у них одинаково высокая; возможно, оба состоят из льда, но о массе их и плотности пока с уверенностью судить невозможно.

Что же касается известных ранее Мимаса, Тетис, Дионы и Реи, то их параметры "Вояджер-1" позволил существенно уточнить. Очевидно, плотность всей четверки лежит в пределах между 1,0 и 1,4 г/см³, а ведь это близко к предполагаемой рядом специалистов плотности кометных ядер. Может быть, эти спутники сформировались из кометного материала вне системы Сатурна или же они слиплись из "излишков строительного материала" в ходе возникновения самой планеты?..

Фотографии этих спутников, полученные от "Вояджера-1", дали возможность рассмотреть их в немалых подробностях. На всех - множество кратеров, причем очертания их неправильны. Следовательно, поверхность спутников усеяна обломками пород, валунами, галечной россыпью, чего следует ожидать в случае, если тело подвергалось раздроблению, а потом "рана" затянулась.

Кора Мимаса, Тетис, Дионы и Реи довольно мощная. Об этом говорит тот факт, что кратеры имеют одинаковую окраску с окружающей их местностью. В противном случае удар, вызвавший к жизни кратер, был бы в состоянии проломить кору и обнажить лежащий под ней материал, имеющий иную окраску.

Мимас, очевидно, перенес в прошлом страшную катастрофу. Сфотографированный там "Вояджером-1" с расстояния в 108 000 км огромный кратер занимает большую часть полушария этого спутника, а ведь весь его радиус едва ли превышает 200 км. Удар, вызвавший появление кратера, был такой силы, которой почти достаточно, чтобы раздробить Мимас на куски. Даже на обратной кратеру стороне "пострадавшего" доныне различимы черты рельефа, которые могли возникнуть под действием ударных волн, вызванных столкновением с крупным телом (рис. 22).

Рис. 22. На этом рисунке приводится одна из первых фотокарт спутников Сатурна. На карте Мимаса полученной в масштабе 1:3750000 (37,5 км в 1 см; здесь масштаб уменьшен и составляет около 60 км в 1 см), виден гигантский кратер диаметром примерно 130 км. Кратер занимает около трети поверхности спутника, его глубина достигает 10 км. Борозды имеют длину до 90 км, ширину 10 и глубину 1-2 км

Да и Тетис с ее радиусом около 525 км тоже повидала немало на своем веку. На ее поверхности обнаружена круглая "оспина" с поперечником примерно 200 км. А на противоположной стороне спутника - крупный разлом, не нарушенный кратерами, значит, довольно молодой. Очевидно, происхождение этих следов тоже единое^*).

^*(Еще больший кратер, диаметром до 500 км, сфотографирован на этом спутнике в августе 1981 г. "Вояджером-2". Глубина этого котлована (в середине его расположена высокая горка) достигает 15 км. В связи с этим высказывается предположение, что Тетис некогда столкнулась с очень крупным небесным телом.)

На Дионе (радиус примерно 560 км) замечены районы с очень светлой окраской, вытянутые как хребты или борозды. Астрономы полагают, что их возникновение связано с тем же событием, которое породило на этом спутнике огромный "бассейн" с вытянутыми очертаниями. На обратной же стороне Дионы - область с малым количеством кратеров, и лежит она довольно точно напротив "бассейна". Вероятно, поверхность спутника здесь была преобразована ударными волнами, возникшими при падении тела, вызвавшего к жизни "бассейн".

Старее Реи в Солнечной системе нет, кажется, ни одного тела. К такому выводу пришли специалисты после анализа снимков, присланных "Вояджером-1". Вся поверхность этого спутника (его диаметр - около 765 км) усыпана кратерами, которые не только касаются друг друга, но нередко и лежат один внутри другого. Разбросаны они гораздо беспорядочнее, чем на Луне. Скопление "оспин" - следствие малой силы тяготения на Рее: оно на ее поверхности вдесятеро слабее, чем на Луне, и при образовании кратеров механические свойства коры Реи играют более важную роль, чем сила тяготения. Вся история этого спутника поэтому осталась записанной у него на "лице".

Совсем другое дело - Энцелад (радиус - около 250 км), от которого "Вояджер-1" прошел в 202 600 км. На поверхности его кратеров вообще нет! Пришлось искать объяснение такой странности. Известно, что на каждые два оборота Энцелада вокруг Сатурна приходится точно один оборот Дионы. Поэтому тяготение Дионы периодически и равномерно растягивает тело Энцелада. Такое взаимодействие может приводить к полному стиранию следов прошлых событий с его поверхности. Эту гипотезу подтверждают и снимки Энцелада, сделанные в августе 1981 г. "Вояджером-2" с вдвое меньшего расстояния. На них можно разглядеть, что горные хребты, долины и кратеры на этом спутнике погребены под свежим слоем льда.

Значит, общим для некоторых спутников Юпитера и Сатурна является то, что лед там не очень твердый; он ведет себя прямо-таки как пластическая порода. В более теплом климате лед не теряет свойства текучести и способен заливать собою оспины и шрамы, наносимые падением небесных тел. На Тетис, Дионе, Рее и, может быть, на Мимасе лед очень твердый; он ведет себя как скальная порода.

Однако, какой бы лед ни встречался в недрах и на поверхности спутников Сатурна - водный ли, метанный или другой, еще более экзотический, в одном можно быть уверенным: в этот лед "вморожено" множество ответов на самые каверзные вопросы, которые задают себе ученые, занимающиеся историей возникновения и развития Солнечной системы.