Чело, увенчанное нимбом

10 марта 1977 г. над просторами Индийского океана парил необычный самолет, фюзеляж которого украшала надпись: "Летающая обсерватория им. Дж. Койпера, НАСА". На его борту молодые ученые из Корнеллского университета Дж. Л. Эллиот, Э. Данем и Д. Минк суетились вокруг 91-сантиметрового телескопа, предназначенного для того, чтобы, поднявшись выше мешающей астрономам основной массы атмосферы, наблюдать интересное астрономическое событие.

Дело в том, что четырьмя годами ранее английский ученый Г. Тейлор предсказал на этот день покрытие Ураном слабой звездочки SAO 158 687 в созвездии Весов. Не так уж часто планета встает точно между глазом земного наблюдателя и той или иной звездой, так что событие привлекло интерес специалистов во многих странах. Ведь экранирующее тело, в данном случае Уран, на некоторое время закрывает собой звезду и по этому времени можно судить о диаметре диска, размерах атмосферы планеты, ее температуре, составе, давлении.

Волнение на борту самолета нарастало. Перед самым долгожданным событием поступили сведения, что в вычислениях местоположения звезды допущена ошибка, Уран пройдет мимо нее и спектакль не состоится. Поэтому, когда незадолго до начала покрытия звезды диском Урана ее блеск неожиданно упал, посыпались объяснения самого разного свойства: "техника подвела", "облака виноваты" и т. д.

Подозрительным было то, что после первого спада блеска, продолжавшегося всего около 7 секунд, он возобновился. Что-то неизвестное заслонило звезду и на короткое время преградило путь ее лучам. Какой-то спутник Урана, слишком маленький, чтобы мы могли его видеть, и расположенный к планете еще ближе, чем даже Миранда? Если так, то это чистое совпадение, что спутник так аккуратно попал в точку, находившуюся в этот момент между звездой и Землей.

Чудо спада блеска звезды тем временем повторилось еще четыре раза, каждый длительностью по одной секунде, пока не произошло расчетное покрытие на предсказанные 25 минут. Пять маленьких спутников, й все норовят встать на пути лучей от звезды к Земле - это уж слишком!

Когда же звездочка вынырнула из-за спины Урана, все повторилось сначала: все пять "миганий" с теми же интервалами, как и перед покрытием, но в обратном порядке.

Первые объяснения были сверхосторожными: "симметричные во времени спады блеска звезды могут быть вызваны роем малых тел, находящихся на орбите вокруг Урана". В пользу такого предположения говорило то, что свет звезды ни разу полностью не исчезал, следовательно, затмевающий объект был не цельным, а "дробным".

Редкостное расположение небесных тел в тот день использовали, оставаясь на Земле, ученые Австралии, Китая, Южной Африки и Японии. Индийские астрофизики Дж. Бахттачария и К. Купусвами в обсерватории Бангалур тоже наблюдали, как происходит покрытие Ураном звезды SAO 158 687. И они также заметили, как внезапно она исчезла из поля зрения еще в тот момент, когда сам Уран вовсе не должен был ее заслонять. "Затмение", по их сведениям, длилось 8,9 секунды.

Засев за вычисления, индийские ученые сделали вывод, что это, скорее всего, неизвестный, шестой спутник Урана, движущийся по круговой орбите с периодом обращения около 9,5 ч. Спутник движется, очевидно, в два с лишним раза ближе к поверхности Урана, чем даже Миранда - всего в 53 000 км; диаметр тела, надо полагать, не превышает 70 км.

Однако многое тут вызвало сомнения: и слишком уж близкое расположение новичка к Урану, и маловероятность его прохождения точно между глазом наблюдателя и далекой звездой. По частям, а не полностью, проследили эти события в других обсерваториях. Но при сопоставлении, взятые вместе, эти наблюдения заставили исчезнуть все сомнения: Уран подобно Сатурну также является владельцем кольцеобразных украшений.

Это оказалось полной неожиданностью. Ведь еще сравнительно недавно, перед самым запуском "Пионера-11", HAGA ввела в его задание изучение "уникального явления - колец Сатурна". И в 1975 г. Саган, составляя обзор наших несомненных знаний о Солнечной системе, поставил вопрос так: "Только у Сатурна есть кольца. Почему?" И вдруг, даже без помощи космической техники, обнаруживается, что "уникум", вовсе не одинок.

- Уран владеет пятью кольцами. Но и спутников у него, как будто, пять,- приступили к рассуждениям теоретики. - Значит, аналогично системе Сатурна, здесь эти спутники своим воздействием удерживают кольца на их орбите вокруг Урана... Все это казалось достаточно складным, пока 10 апреля 1978 г. группа, руководимая тем же Эллиотом, вдохновившись первым успехом, не открыла еще четыре кольца Урана.

Сомнений в подлинности быть не могло: в тот же день, воспользовавшись тем, что система Урана покрыла собой две далекие звезды, американский астроном Э. Перссон, работавший в обсерватории Лас-Кампаньяс (Чили), независимо от группы Эллиота обнаружил существование двух или трех из тех же самых колец. Стало ясно, что все не так уж ясно и понятно: взаимодействие с известными нам спутниками никак не может нести ответственность за существование такого количества колец.

Но как это столько времени, чуть ли не два столетия, истекших со дня открытия самого Урана, никто из астрономов не набрел на эти кольца? Объясняется это тем, что кольца отражают всего 5% солнечного света - вдвое меньше, чем Луна.

Расстояние, пробегаемое лучом света от Солнца к Урану и затем, отразившись от него, к Земле, вчетверо больше, чем аналогичная дистанция, преодолеваемая светом между Солнцем, Сатурном и нашей планетой. Поэтому при прочих равных условиях система Урана должна выглядеть раз в шестнадцать тусклее, чем система Сатурна.

Но прочие условия тоже отнюдь не равные. Частицы, входящие в состав колец Урана, рассеяны в пространстве очень редко. Недаром же свет далекой звезды, проходя к нам сквозь эти кольца, все-таки был различим.

Далее, у Сатурна кольца широчайшие, а у Урана совсем узенькие. По одним сведениям ширина большинства из них не превышает 12 км, по другим - десять, а некоторые авторитеты называют даже всего 5 км. Лишь то из колец, которое затмило звезду в созвездии Весов на 7 секунд, может быть, достигает в ширину 85 км. В любом случае - никакого сравнения с кольцами Сатурна, у которых от края до края каждого насчитывается по 15-25 тысяч км. Общая ширина колец Урана - едва-едва 170 км, а у Сатурна они охватывают в сумме более 57 тысяч км. Зато пробелы между кольцами Урана относительно широкие, а у Сатурна - узкие.

Все это вместе взятое и приводит к тому, что "нимб" Урана в глазах землянина светится примерно в 3 миллиона раз слабее, чем нимб Сатурна, и заметить его было мудрено. Если бы не случай, поставивший Уран точно между нами и не слишком уж тусклой звездочкой в Весах, мы и по сей день о кольцах Урана, вероятно, и не подозревали бы.

Если кольца Сатурна, отражающие около 70% поступающего к ним света, состоят, видимо, из льда, то на "строительство" урановых, по всей видимости, пошел в основном камень.

Украшения Урана "окрещены" скромно: цифрами и греческими буквами - 6, 5, 4, альфа, бета, эта, гамма, дельта и эпсилон. (Они перечислены в порядке расположения от планеты...) Границы колец очерчены очень четко; надо полагать, силы тяготения удерживают входящие в них частицы от того, чтобы покинуть кольца и залететь в пробелы между ними. Если бы такой силы не было, они давно растянулись бы в один сплошной диск; ведь каждая частица сталкивается с какой-нибудь другой в среднем раз в несколько часов, а всех частиц здесь насчитываются миллиарды.

Все "обручи" Урана лежат глубоко внутри предела Роша. Ближайшее к планете из колец Урана (шестое) обладает радиусом 41 980 км. У следующих за ним в приведенном выше списке колец радиусы составляют соответственно, 42 360; 42 663; 44 844; 45 799; 47 323; 47 746; 48 423 и, наконец, около 51400 км. И лишь еще примерно в 80 000 км пролегает орбита ближайшего из спутников - Миранды.

Представляют ли собой кольца обломки еще одного, когда-то существовавшего "неосторожного" спутника, или же несобравшиеся воедино фрагменты первичной материи,- этого астрономы пока решить не могут.

Нельзя отрицать возможность, что справедливой окажется третья теория, принадлежащая С. К. Всехсвятскому. Это он еще в 1960 г. утверждал, что планеты-гиганты могут с такой силой выбрасывать в космос обломки своего вещества, что они обратно на их поверхность сразу не падают, но и из сферы притяжения в мировое пространство не уходят. При этом могут возникать кольца, состоящие из кометно-метеоритных масс, пепла и газа. Более того,- считает С. К. Всехсвятский,- без пополнения запасов вещества такие кольца давно потеряли бы свои частицы, рано или поздно растрачивающие свою энергию при столкновениях. А новые взрывы и извержения на планете могут возобновлять запас частиц в кольце.

За время, прошедшее со времен Галилея, Солнечная система казалась досконально изученной, и почти все коллеги гипотезу С. К. Всехсвятского встретили недоверчиво. Теперь же кольцо Урана "сказало свое веское слово" в ее подтверждение, и Астрономический совет Академии наук СССР присудил ее автору диплом за открытие.

Для объяснения загадки рождения и жизни колец выдвинуто еще несколько противоречащих друг другу гипотез. Согласно П. Голдрейху (Калифорнийский технологический институт) и С. Тремейну (Институт высших исследований в Принстоне), кольца существуют потому, что примерно в 500 км от каждого кольца, с внешней его стороны, есть один крошечный спутник, диаметром что-нибудь около 1 км, который и "пасет" частицы при помощи своего гравитационного "кнута". Такое предположение казалось немного искусственным. Да и не всё оно объясняет: например, оно обходит молчанием вопрос, почему некоторые из колец имеют вытянутую, эллиптическую форму. Однако сведения о кольцах и спутниках Сатурна, присланные "Вояджером-1", заставили астрономов привыкнуть к идее "космических пастухов".

Открытие колец Урана вызвало всеобщее оживление. Одни специалисты устремили взгляды к небу, а другие - к архивам. Итальянский астроном Дж. Коломбо (Падуанский университет) и его коллега из Гонолулу (Гавайи) У. Синтон заново просмотрели фотографии Урана, сделанные еще в 1970 г. прибором, поднятым на аэростате "Стратоскоп II". Там, на высоте 24 км (куда выше, чем самолет-обсерватория), где помехи, вызываемые атмосферой Земли, сведены к минимуму, 91-сантиметровый телескоп сделал очень четкие снимки Урана. Тогда, не подозревая о существовании колец у этой планеты, ученые их проглядели. А вот теперь поняли, что слабо различимые полосы, которые раньше были приняты за объекты, находящиеся на самом Уране, в действительности, являются проекцией колец на его поверхность.

Замечено, что кольца Урана отличаются немалыми странностями. Например, очень уж они тонки. Наконец, как уже упоминалось, есть свидетельства того, что одни кольца имеют форму правильной окружности, а другие, законам вопреки, эллиптичны, а это уж, казалось бы необъяснимо с точки зрения законов небесной механики. Чемпион необычности,- кольцо эпсилон,- не то сильно эллиптично, не то значительно наклонено к экватору Урана, а ни то, ни другое легких объяснений не имеет. Кроме того, его ширина в разных местах различна - от 20 до 100 км.

Если это кольцо сильно вытянуто, то известный факт большой сплющенности Урана с полюсов и связанные с этим особенности тяготения должны были бы привести за какие-нибудь 20 лет к тому, что частицы, образующие кольцо эпсилон, разлетелись бы и образовали более широкое кольцо в форме круглого обруча. А будь это кольцо наклонено к экваториальной плоскости планеты, оно давно стало бы более толстым и симметричным относительно этого экватора.

Отражающая способность частиц, входящих в состав колец, необычно мала: даже у каменноугольной пыли (кажется, уж она-то чернее черного!) - и то этот показатель выше.

Такое скопление загадок породило еще одно объяснение, которому нельзя отказать в необычности: кольца Урана - газовые! По крайней мере, так считает астроном Т. ван Фландерн из Морской обсерватории США в Вашингтоне. Он предлагает следующий ход рассуждений.

Представим себе, что в каждом кольце Урана существует по спутнику, которые сильно "газят". Ничего запретного в этом нет: кометы под влиянием солнечной радиации обильно выделяют газы; Ио, как мы помним, погружена в облака водорода и натрия, "выбиваемых" с ее собственной поверхности бомбардировкой заряженных частиц; Титан, будучи не в состоянии удержать свой атмосферный водород, теряет его в полете вокруг Сатурна. Любой из этих механизмов может работать и в окрестностях Урана, не так ли?

Если так, то газы, выбрасываемые каждым из спутников, очень быстро (самое большее - за несколько лет) займут баранкообразную область на их орбитах и при каждом пролете спутника их запас здесь будет пополняться. Таким образом, снимаются все проблемы, связанные со странной динамикой колец.

Можно предположить, что тот спутник, который породил кольцо эпсилон, или крупнее других, или же содержит в своем теле большее количество летучих газов. Такое предположение, а также более длительный период обращения этого кольца вокруг Урана (около 8 часов) дает возможность его веществу больше шансов распространиться вширь, прежде чем полностью улетучиться в космос. Среди прочего, здесь может лежать объяснение вызывающего недоумение факта: почему плотность вещества в этом кольце в момент открытия была одной, а каких-нибудь 8-9 месяцев спустя - совсем другой. Очевидно, количество газов на орбите за это время успело измениться.

Газовые кольца должны быть очень реденькими, Как же в этом случае они "ухитрились" затмить далекую звезду, что и привело к их открытию? К тому же яркость звезды, покрываемой каждым из колец, убывала не постепенно, а резко, как бы закрытая твердым телом, или хотя бы скоплением твердых частиц, а не газом. Новая гипотеза отвечает: подобное возможно благодаря тому, что газовое облако может вызывать оптическое рассеяние, размывание света, нарушение его сфокусированности, вплоть до полного исчезновения из поля видимости наблюдателя.

Например, тень Земли, ложащаяся на Луну в момент лунного затмения, имеет радиус на добрую сотню километров больше, чем твердое тело самой нашей планеты. А виновата в том атмосфера Земли: несмотря на свое газовое естество, она может тоже полностью перекрывать путь солнечным лучам.

Но где же эти спутники, якобы породившие девять колец, а сами предпочитающие оставаться в тени? У ван Фландерна есть ответ и на такой вопрос. Они слишком малы и близки к Урану, чтобы мы могли их наблюдать оптическими методами. Вот ведь даже Миранду с ее диаметром в две-три сотни километров и орбитой, в два с лишним раза более удаленной от планеты, чем внешнее кольцо, мы наблюдаем лишь с огромным трудом.

Но окончательно убедить своих оппонентов ван Фландерн все же не может. Он и сам считает свою гипотезу до некоторой степени экзотичной. Нельзя же "призывать" себе на помощь целых девять неизвестных нам спутников Урана, чтобы они ответили сразу на все недоуменные вопросы о его кольцах.

А тут еще в конце 1978 г. на трибуну конференции Американского астрономического общества в Пасадене поднимаются научные сотрудники Калифорнийского технологического института К. Метьюз и Г. Нойгебауэр и предъявляют присутствующим первые непосредственно полученные фотографии колец Урана. Это газовых-то, якобы принципиально невидимых и не поддающихся фотографированию!

Пока же, кто бы ни был прав в конкретном вопросе о составе колец, наблюдение их позволило установить интересные факты. Оказалось, что эксцентричное кольцо эпсилон, имеющее неправильную форму, вследствие этого обгоняет в своем беге вокруг Урана вращение планеты вокруг ее собственной оси. Обнаружившаяся большая эллиптичность и переменная ширина кольца помогли Голдрейху определить смещение оси вращения этого кольца: она составляет почти 1°,4 в сутки. А отсюда уже получается, что период вращения самого Урана вокруг оси равен 15 часам. А ведь до сих пор специалисты называли самые разные величины - от 11 до 24 часов.

Кстати, появилась возможность сделать и такую оценку: масса кольца эпсилон, по всей видимости, примерно равна массе такого спутника, поперечник которого близок к 20 км. Вообще же все кольца, очевидно, состоят из неравномерно разбросанных в них каменных глыб, каждая из которых имеет поперечник не более 4-6 км. Еще одна особенность бросается в глаза, когда сравниваешь кольца Сатурна и Урана. Относительное расстояние, отделяющее внешний край обоих "обручей" от центра их планеты, у обоих почти одинаково: оно составляет примерно два радиуса соответствующей планеты.

Загадок кольца Урана подкинули ученым немало. Факт остается фактом: совсем недавно астрономы ломали голову над вопросом, почему у Сатурна кольца, а теперь пытаются объяснить, почему это их нет у той или иной другой планеты... Может быть, некоторые из таких загадок будут решены, когда в январе 1986 г, в окрестности Урана прибудет "Вояджер-2".