Мар 21 2012

Кольца Урана управляются спутниками?

Когда в конце 70-х годов у Урана были обнаружены кольца, среди астрономов возникло немалое волнение. Уж очень не похожи оказались эти девять колец на кольцо Сатурна — темные, узкие, разделенные большими расстояниями, они к тому же имели эксцентриситеты и наклонения, то есть были не круглыми, а слегка вытянутыми и не лежали в плоскости экватора. Начались споры о том, как они образовались и почему имеют такой вид.

Гипотезы возникновении колец у Урана

До недавнего времени существовали две гипотезы о возникновении колец у планеты. По первой, «катастрофической», кольцо появляется в результате разрушения спутника. Разрушают спутник так называемые приливные силы — разница сил притяжения к планете, действующих на его ближнюю и дальнюю стороны (именно эта разница вызывает приливы в земных океанах). Приливные силы растут с приближением к планете, а потому далеким спутникам они не страшны, тогда как спутники, очутившиеся ближе некоторого критического расстояния, обречены на гибель.

Вторая гипотеза получила название «конденсационной». Согласно ей кольца возникли из вращающихся дисков микроскопических частиц, окружавших когда-то каждую из планет Солнечной системы. При столкновениях частицы слипались и росли, образуя спутники, но в районе колец их рост остановили все те же приливные силы. Однако недавние расчеты показали, что приливные силы могут разрушать лишь очень крупное тело. Воздействием таких сил на мелкие метровые частицы, из которых состоят кольца, можно пренебречь.

Советские астрофизики Н. Горька-вый и А. Фридман предложили новую модель образования колец. По их мнению, к истине ближе «конденсационная» гипотеза, только рост частиц останавливают не приливные силы, а разрушение при столкновениях этих частиц друг с другом.

Так что же все-таки происходит при столкновении частиц — их объединение и рост или разрушение? Оказалось, что ответ на этот вопрос зависит от размера сталкивающихся частиц и их удаленности от планеты.

Можно считать, что частицы в кольцах движутся почти параллельно, поэтому столкнуться друг с другом могут только те из них, расстояние между орбитами которых сравнимо с их размерами. Мелкие частицы сталкиваются, если движутся очень близко друг к другу, а потому имеют почти одинаковые скорости. Удар получается слабым, и даже если сразу частицы не слипнутся, под действием взаимного притяжения рано или поздно они упадут друг на друга. Значит, мелкие частицы при столкновениях растут.

Орбиты крупных частиц, сталкивающихся между собой, различаются гораздо больше. Вдали от планеты, когда вращение происходит медленно, разница скоростей все равно будет мала, и частицы объединятся. Но вблизи планеты разница скоростей окажется уже довольно значительной, и при ударе они разрушатся. В результате вблизи планеты частицы могут расти лишь до некоторого предела.

Следовательно, в околопланетном пространстве возникают три зоны — ближняя, в которой присутствуют лишь кольца из мелких частиц, дальняя, в которой выросли крупные спутники, и узкая промежуточная, где кольца и небольшие спутники могут существовать вперемешку.

Выяснив, что ширина ближней зоны зависит только от массы планеты и плотности вещества колец, Н.Горькавый и А. Фридман по размерам колец рассчитали плотность вещества в них. Если плотность вещества в  кольце Сатурна принять равной 0,9 г/см5 (кольцо Сатурна состоит из льда), то для плотности материала частиц в кольцах Урана получается значение 2,6 г/см!. Это еще раз подтверждает общее мнение о том, что они состоят из углистых веществ.

Но почему мелкие частицы не заполнили всю ближнюю зону вокруг  Урана, а собрались в девять узких колец? Ведь из-за столкновений кольца должны были бы расплыться, расшириться. Здесь мнения ученых разделились. Одни считали, что внутри каждого кольца находится спутник, своим притяжением удерживающий частицы. Другие утверждали, что существование узкого кольца обеспечивают сразу два спутника-«пастуха», расположенные у его краев и не позволяющие частицам разлетаться в разные стороны. Но оба эти объяснения исходили из того, что в ближней зоне находится много спутников, а такое допущение противоречило модели построенной Горькавым и Фридманом.

Новые спутники Урана

Советские ученые предположили что причина существования узких колец в другом. Как показал более тщательный анализ, у совокупности частиц возникают новые, коллективные свойства, которыми не обладает каждая частица в отдельности. Поэтому в кольце могут возникать характерные для сложных систем неустойчивости. Видимо, коллективные эффекты собрали частицы в узкие кольца. А почему сгустки образовались именно там, где мы сейчас наблюдаем кольца? Вот в этом спутники планеты действительно сыграли важную роль. Если периоды обращения спутника и частиц в кольце относятся как небольшие целые числа—1:2, 2:3 3:4 — то между спутником и кольцом возникает резонанс. При этом их гравитационное взаимодействие становится особенно сильным и может вызвать рост неоднородностей. Горькавый и Фридман пришли к выводу, что кольца Урана расположены на расстояниях, соответствующих резонансам со спутниками, а эксцентриситет и наклонение колец, вероятно, связаны с эксцентриситетом и наклонением спутников. Однако пять известных спутников Урана в резонанс с кольцами не попадают. И тогда авторы гипотезы предположили, что Уран имеет еще несколько спутников, которые пока не обнаружены. Это предположение подтверждалось двумя обстоятельствами. Во-первых, между последним кольцом планеты и ее первым спутником — Мирандой — лежит очень большое пустое пространство. Во-вторых, в этом пространстве нашлись по крайней мере четыре орбиты, спутники на которых были бы в резонансе сразу с двумя кольцами. Значит, всего пять спутников в промежуточной зоне могли бы управлять всеми девятью кольцами.

Советским астрофизикам удалось не только рассчитать орбиты предполагаемых спутников, но и оценить вероятность их обнаружения с Земли. Оказалось, что их поиск лежит на пределе возможностей современной техники и потому требует долгих и тщательных наблюдений. Однако такие наблюдения не понадобились. Через полгода после опубликования статьи Н. Горькавого и А. Фридмана американская межпланетная станция «Вояджер-2» приблизилась к Урану и обнаружила 10 новых спутников. Все они расположены в промежутке между кольцами и Мирандой, причем радиусы орбит четырех спутников совпали с предсказанными. Таким образом, гипотеза советских ученых блестяще подтвердилась кольцами Урана действительно управляют спутники!

На снимке: Уран, его спутники и кольца. 8 августа 1998 г. Снимок сделан орбитальным телескопом Хаббл.

Автор: Владимир • Популярное, Солнечная система • 2 • Метки: Солнечная система, Уран