11. Другие планеты-гиганты - Сатурн, Уран и Нептун

Сатурн

Среди бесчисленных небесных тел, которые можно наблюдать в телескоп, красивее всех - планета Сатурн. Если смотреть вечером, в сумерки, когда небо ещё светлое, жёлто-золотой шар планеты в сказочном мерцании колец на яркой синеве неба кажется редкостным произведением искусства, а не явлением природы. Едва заметные полосы на поверхности Сатурна, более однородные, чем полосы Юпитера, идут параллельно большим кольцам; только иногда удаётся различить отдельные пятна, позволяющие обнаружить быстрое вращение планеты. Яркость падает по направлению от центра к расплывчатым краям диска планеты, а края колец кажутся сливающимися с фоном неба.

В тех местах, где кольца Сатурна пересекают диск, туманная тёмная полоса ограничивает их внутренний край (рис. 105, а). Это креповое кольцо легче всего различить по слабой тени, отбрасываемой им на диск планеты. Внешние кольца также отбрасывают тени на Сатурн, который в свою очередь полностью закрывает значительную часть колец. Полярные области планеты темнее других краёв диска, и при наблюдении в благоприятных условиях можно заметить, что они имеют слегка зеленоватый оттенок. Можно легко различить три главные части, на которые делятся кольца: яркое среднее кольцо (В), более бледное внешнее кольцо (A) и слабо светящееся креповое, или внутреннее кольцо. Два внешних кольца в свою очередь разделены на части узкими тёмными щелями, аналогичными делению Кассини (Названному в честь открывшего его учёного, первого директора Парижской обсерватории. Он дал описание колец в 1675 г)), которое разделяет кольца А и В. Эти тонкие щели можно различить лишь при идеальных условиях наблюдения (рис. 27, глава 3). Ни одному наблюдателю ни разу не удалось различить ни малейшей неровности или разрыва на поверхности колец, за исключением этих тёмных щелей, концентрических относительно планеты. Кольца Сатурна расположены точно в плоскости его экватора, наклонённой на 28° к плоскости земной орбиты. Поскольку плоскость колец остаётся неподвижной при обращении Сатурна вокруг Солнца, то в течение одного обращения мы можем видеть кольца сверху (с севера), снизу (с юга) и два раза сбоку (ребром) (рис. 106). Когда кольца наклонены на наибольший угол к земному наблюдателю, они отражают вдвое больше солнечного света,4 чем cам Сатурн, но, когда кольца повёрнуты к нам ребром, они совершенно исчезают на сутки или на двое суток (рис. 105, b). Отсюда мы заключаем, что толщина колец очень мала, может быть, меньше 15 км. Насколько мы знаем, нигде во всей вселенной не существует естественной поверхности такой ровной и относительно такой тонкой, как система колец Сатурна. Лист бумаги из этой книжки имеет относительную толщину, в 8 раз большую, чем кольца Сатурна, и, кроме того, он далеко не такой ровный. Наибольший диаметр кольца А равен 270 000 км. Отношение толщины к диаметру составляет 15/270 000. Длина страницы равна 19 см, так что бумага должна была бы быть соответственно толщиной 0,001, см, в то время как её действительная толщина составляет около 0,008 см.

Рис. 105. Кольца Сатурна исчезают, когда они повернуты к нам ребром. а) Угол раскрытия колец близок к максимальному

Мы знаем, что кольца состоят из отдельных частиц материи, каждая из которых движется по своей собственной орбите вокруг Сатурна согласно закону всемирного тяготения. Неопровержимое доказательство этого положения представляет собой прекрасный пример прогресса в науке, достигнутого благодаря сотрудничеству физической теории со специальной техникой наблюдения. Основным прибором и в этом случае также явился спектрограф; физическая теория включает в себя законы физической оптики и тяготения; наблюдение показывает, что всякая зона в кольцах движется в точности с такой скоростью, которую следовало бы ожидать, если бы эта зона состояла из частиц, движущихся по круговым орбитам.

Рис. 105. Кольца Сатурна исчезают, когда они повернуты к нам ребром. b) Кольца повёрнуты к нам ребром. См. рис. 106

Мы видели в предыдущей главе, как можно использовать спектрограф для отождествления газа по его спектральным линиям, т. е. по длинам волн, которые поглощены в пучке света после прохождения его через газ. Если газ приближается к нам или мы приближаемся к газу, то за определённый промежуток времени в щель спектрографа войдёт больше волн, чем если бы мы находились в относительном покое. Вследствие этого волны кажутся более близкими друг к другу, в результате чего при измерении все длины волн окажутся короче, чем раньше. Длина волны уменьшается по направлению к фиолетовому концу спектра; таким образом все тёмные линии поглощённых длин волн смещаются по направлению к фиолетовому концу спектра. Величина этого сдвига пропорциональна скорости приближения, делённой на скорость света (Описанное явление известно под названием эффекта Допплера-Физо. Аналогичный эффект Допплера для звука наблюдался каждым; он выражается, например, в понижении тона гудка паровоза, когда поезд удаляется от нас)). Когда мы удаляемся от источника света, волны кажутся более удалёнными друг от друга, длины их увеличиваются и тёмные линии смещаются к красному концу спектра.

Рис. 106. Изменение видимости колец Сатурна для наблюдателя, находящегося на Земле. Положения (а) и (b) соответствуют положениям (а) и (b) на рис. 105

Тщательные измерения длин волн линий в спектре Солнца могут быть произведены по непосредственно полученным спектрам Солнца (С небольшой поправкой на известную нам скорость Земли)), а также по спектрам солнечного света, отражённого планетой, спутником или каким-нибудь другим телом солнечной системы. Сдвиги длин волн являются тогда мерой суммы скоростей этого тела относительно Солнца и относительно Земли. Отражение, конечно, вносит эффект движения отражающего тела относительно Солнца, т. е. сдвиг длин волн, который уже существует, когда свет достигает объекта; кроме того, добавляется эффект движения тела относительно Земли. Когда солнечный свет, отражённый от колец Сатурна, фокусируется на щели спектрографа, движения по лучу зрения могут быть точно измерены в километрах в секунду. Наклон линий в спектре на рис. 107 позволяет определить сдвиги длин волн для различных частей колец и диска и тем самым измерить скорости по лучу зрения. Обратите внимание на обратный на, клон линий колец по сравнению с диском. Скорость-измеренная в каждой точке колец, точно совпадает со скоростью, которой обладал бы спутник Сатурна, если бы он двигался по соответствующей орбите. Законы движения Кеплера точно выполняются; внутренние части колец вращаются быстрее, чем их внешние части. Если бы кольца были сплошными и твёрдыми, то внешние части вращались бы быстрее, чем внутренние. Это экспериментальное доказательство дробного строения колец Сатурна было получено Килером в 1895 г. (Одновременно с Килером и независимо от него, с помощью более простых средств, такой же результат получил известный русский астрофизик акад. А. А. Белопольский. (Прим. ред.) )). На рис. 108 изображена диаграмма, представляющая сдвиги спектральных линий.

Рис. 107. Спектр Сатурна и его колец. Спектр диска планеты дан в центре, спектры колец - по обе стороны от него, а сверху и снизу приведены лабораторные спектры. Сравните со схематическим изображением на рис. 108

Мы в состоянии дать лишь грубую оценку массы колец и размеров отдельных частиц. Известный английский физик прошлого столетия Джемс Кларк Максвелл получил верхнюю границу для средней пространственной плотности колец. Теория Максвелла слишком сложна, чтобы излагать её здесь; результат, полученный Максвеллом, заключается в том, что средняя плотность колец не может превышать 1/300 плотности Сатурна. Далее мы знаем, что кольца прекрасно отражают свет, лучше, чем естественные поверхности различных пород. Вещество обычно, лучше отражает свет, находясь в порошкообрзном состоянии, чем в виде больших кусков, поэтому частицы, из которых состоят кольца Сатурна, по всей вероятности, очень малы, как обычные песчинки, но не настолько малы, чтобы они могли разлететься под давлением света. Мы можем считать, что кольца состоят из осколков камней, гальки и пыли (Не такой мелкой, как белая мука)), причём в целом масса колец составляет одну миллионную массы Сатурна или менее одной сотой массы Луны.

Рис. 108. Вращение Сатурна и колец. Схематическое изображение спектра, приведённого на рис. 107. Обратите внимание на наклоны линий. Внешние края колец движутся медленнее, чем внутренние

Сатурн является единственным в своём роде членом солнечной системы не только потому, что он окружён кольцами, но также и потому, что его средняя плотность меньше плотности воды (0,72!). Проблема определения глубины атмосферы для Сатурна ещё сложнее, чем для Юпитера. Несмотря на низкую среднюю плотность, распределение материи Сатурна в основных чертах такое же, как и у Юпитера: в обоих случаях мы имеем сильную концентрацию материи по направлению к центру. Период вращения (10 часов 16 минут (Период вращения был определён с помощью спектрографа и по движению немногочисленных замеченных пятен)) и сплюснутость у полюсов на 10% Дают меРУ концентрации. Мы заключаем на основании этих данных, что каменное и металлическое ядро должно быть очень небольшим. Оно может содержать всего 10% массы Сатурна, в то время как у Юпитера ядро составляет 40 или 50% массы всей планеты. На рис. 109 показано возможное распределение водорода, льда и твёрдых пород.

Рис. 109. Внутреннее строение Сатурна по Р. Вильдту

Спектрограф показывает нам, что атмосфера Сатурна содержит больше метана и меньше аммиака, чем атмосфера Юпитера. Поскольку Сатурн на 15° С холоднее Юпитера (температура поверхности Сатурна - 153° С), мы можем заключить, что из его атмосферы вымерзло больше аммиака и что отражённый солнечный свет npoникает сквозь более глубокий слой метана. Низкой температурой можно также объяснить сравнительную медленность изменений, происходящих при образовании облаков, и менее сложную структуру деталей.

Однако по временам в атмосфере Сатурна происходят возмущения большого маштаба. На первом снимке рис. 110 можно видеть большое белое пятно, замеченное в 1933 г.; годом позже, на втором снимке, пятно исчезло, а вместо него появилась белая экваториальная полоса. За этот промежуток времени вид поверхности северного (нижнего) полушария Сатурна совершенно изменился. Сходство атмосферных явлений на Юпитере и Сатурне более разительно, чем различия между ними, которые, кстати сказать, касаются, главным образом, масштаба явлений, а не их характера. Сказанное относится также и к окраске обеих планет, если не считать заметного иногда зеленоватого оттенка околополярных областей Сатурна.

Рис. 110. Большое белое пятно на Сатурне. (Слева) В августе 1933 г. (Справа) Белая экваториальная полоса в сентябре 1934 г

Снимки, приведённые на рис. 111, были сделаны в различных лучах спектра. Белые кольца дают готовый стандарт для определения оттенков цвета диска. Поскольку яркость колец соответствует яркости экваториального пояса на всех трёх снимках, этот пояс должен быть белым. Следующий пояс в южном (верхнем) полушарии особенно тёмен в синих лучах, но очень ярок в красных и хорошо виден в жёлто-зелёных лучах. Поэтому он должен быть оранжево-жёлтым, несколько краснее, чем область над ним. Зеленоватый оттенок полярных областей определяется по сравнительному полярному сжатию на всех трёх снимках. Из года в год оттенки окраски диска Сатурна сильно меняются.

Рис. 111. Сатурн в различных лучах. Слева в красных. В середине в синих. Справа в жёлто-зелёных. Снимки сделаны в 1940 г. с различными фильтрами и на разных эмульсиях

Исходя из наблюдения движений и изменений, происходящих при образовании облаков на Сатурне, мы должны заключить, что внутри слоя облаков и под ним действуют какие-то гигантские силы. Возможно, что на Сатурне эти силы не так разрушительны, как на Юпитере, но во всяком случае на обеих этих планетах наличие твёрдой и стабильной внутренней структуры не представляется вероятным.

Из девяти спутников Сатурна наиболее интересным, вероятно, является Япет (Диаметр его равен приблизительно 1300 км)); как и многие другие спутники, он движется таким образом, что к Сатурну обращена всегда одна и та же сторона его поверхности, но за время вращения Япета блеск его изменяется в 5 раз. Следовательно, одна сторона должна отражать в 5 раз больше света, чем другая; отсюда мы заключаем, что структура поверхности обеих сторон Япета должна быть совершенно различна. Мы можем предположить, что Япет претерпел нарушившее его форму столкновение с каким-либо блуждающим членом солнечной системы или же, что часть его была обесцвечена газами, извергнутыми с Сатурна в ранний период его эволюции.

Наиболее далёкий спутник, Феба, обращается вокруг Сатурна в направлении, обратном обращению остальных спутников, по орбите радиусом в 13 миллионов километров. Открытая Пикерингом в 1898 г., Феба представляла собой единственный случай обратного движения во всех системах спутников, но впоследствии были открыты три спутника Юпитера, также обладающие обратным движением. В системе Сатурна спутники очень сходны между собой по размерам и блеску. Самым слабым и последним по времени открытия является уже упомянутая нами Феба; она почти в пятьдесят раз ярче, чем самый слабый из спутников Юпитера. Если принять во внимание многочисленность семейства спутников Юпитера, можно только удивляться, что в системе Сатурна не были открыты более слабые спутники.