Обертання, форма та атмосферні таємниці Сатурна

Сатурн: Секретна щільність та історія глибокого космосу

Сатурн – друга за масою та розміром планета в нашій Сонячній системі. Це шоста планета від Сонця. Неозброєним оком на нічному небі вона виглядає як рівна зірка. Але направте на неї невеликий телескоп – і ви побачите обручки. Вони, мабуть, є найкрасивішим об’єктом у всій Сонячній системі. Символ Сатурна – ♄.

Чому Сатурн обертається так повільно

Назва походить від римського бога землеробства. Ми ототожнюємо його з Кроносом, грецьким титаном та батьком Зевса (або Юпітера в римській міфології). Стародавні спостерігачі знали, що Сатурн – найдальша планета, яку вони можуть побачити. Вони також помітили, що він рухається повільніше за будь-яку іншу планету. Щоб зробити один оберт навколо Сонця, йому потрібно близько 29,5 земних років. Це з тим, що він у 9,5 разу далі від Сонця, ніж Земля.

Галілей першим подивився на Сатурн через телескоп у 1610 році. Він побачив щось дивне. Роздільна здатність була занадто низькою, щоб зрозуміти, на що він насправді дивиться. Потрібні століття, щоб зрозуміти природу кілець.

Планета, яка плаває

Сатурн дивно легкий. Він займає близько 60 відсотків обсягу Юпітера. Але його маса становить лише близько третини маси Юпітера. Його середня щільність – найнижча серед усіх відомих об’єктів у Сонячній системі. Вона приблизно на 70 відсотків менша за щільність води.

Гіпотетично, якщо помістити Сатурн в океан, досить великий, щоб його вмістити, він би плавав. І Сатурн, і Юпітер складаються переважно з водню. Це робить їх схожими на зірки з погляду загального складу. У глибині Сатурна тиск утримує водень у рідкому металевому стані. Подібно до Юпітера, але еволюція Сатурна зовсім інша.

Місяця та походження

Як і Юпітер, Уран та Нептун, Сатурн має кільця та безліч супутників. Ці системи можуть містити ключі до розуміння того, як сформувалася планета. Вони також допомагають нам зрозуміти решту Сонячної системи.

Візьмемо Титан. Це найбільший супутник. Має щільну атмосферу. Вона щільніша, ніж у будь-яких планет земної групи, крім Венери. Це робить Титан унікальним серед решти супутників.

Як ми дізналися те, що знаємо

Ми дізналися майже все про Сатурн завдяки зондам глибокого космосу. Чотири космічні апарати відвідали сатурніанську систему. «Піонер-11» пролетів повз 1979 року. “Вояджер-1” і “Вояджер-2” пішли за ним у наступні два роки. Потім був “Кассіні-Гюйгенс”.

Перші три апарати здійснили швидкі прольоти повз планету. Вони дали нам знімки-моменти. “Кассіні” прибув у 2004 році. Він залишався на орбіті багато років. Він вивчав усі. Його зонд “Гюйгенс” пішов далі. Він приземлився на поверхню Титану, парашутуючи через його атмосферу. Це був перший космічний апарат, що торкнувся поверхні супутника, відмінного від земного.

Основні астрономічні дані

Сатурн знаходиться далеко від нас. Його середня відстань від Сонця становить 1,427 мільярда кілометрів. Це 887 мільйонів миль. Найближче зближення із Землею відбувається на відстані близько 1,2 мільярда кілометрів. Ми ніколи не бачимо його наполовину освітленим. Фазовий кут – кут між Сатурном, Землею та Сонцем – ніколи не перевищує 6°. Тому на наш погляд Сатурн завжди майже повністю освітлений. Щоб побачити його в бічному або задньому підсвічуванні, потрібно заглибитися в космос.

Він обертається довкола Сонця, як і інші газові гіганти. Прямий рух. Малий ексцентриситет. Невеликий нахил до екліптики. Але Сатурн відрізняється від Юпітера одним суттєвим чином. Його вісь обертання нахилена на 26,7° щодо площини орбіти.

Цей нахил створює сезони. Довгі сезони. Кожен триває понад сім земних років. Він також визначає те, як ми бачимо обручки. Кільця лежать у екваторіальній площині Сатурна. З Землі бачимо їх під кутами розкриття від нуля (ребром до нас) до майже 30°. Цикл займає 30 років. Близько 15 років ми бачимо освітлену сонцем північну сторону. Потім протягом наступних 15 років – південну сторону. У короткі періоди, коли Земля перетинає площину кілець, кільця зникають з очей. Вони практично невидимі.

Розгадка таємниці обертання Сатурна

Визначення швидкості обертання Сатурна давалося вченим нелегко. Його верхні шари атмосфери потужні. Хмари демонструють різні періоди обертання. Поблизу екватора він становить близько 10 годин та 10 хвилин. На більш високих широтах, поза 40°, швидкість уповільнюється приблизно 30 хвилин. Осциляція. Хаос.

Вчені намагалися визначити період обертання глибоких надр, вивчаючи магнітне поле. Вважається, що поле корениться у зовнішньому ядрі із металевого водню. Прямий вимір був утруднений. Поле має високу симетрію щодо осі обертання. Його важко точно визначити.

Під час прольотів зондів Voyager з’явилися радіосплески. Вони були з невеликими неоднорідностями в магнітному полі. Виміряний період становив 10 годин 39,4 хвилини. Це значення було за період обертання.

Через двадцять п’ять років космічний апарат Cassini знову виміряв поле. Воно оберталося на 6-7 хвилин повільніше. Чому виникла різниця? Вважається, що сонячний вітер є відповідальним за частину цього дрейфу.

«Лише коли Cassini пролетів усередині кілець Сатурна на своїх останніх орбітах, період обертання було виміряно точно».

Cassini довелося пірнути в обручки. Він проаналізував хвилі у матеріалі кілець і пов’язав їх із невеликими варіаціями гравітаційного поля Сатурна. Результат? 10 годин 33 хвилини 38 секунд. Це і є справжній період обертання внутрішніх верств планети. Різниця між цим числом та швидкістю обертання верхніх шарів хмар допомагає оцінити швидкості вітрів.

Найплюснута планета

Газові гіганти не мають твердої поверхні. Тому за згодою радіус і гравітація розраховуються на рівні, де атмосферний тиск дорівнює одному бару. На цьому рівні екваторіальний діаметр Сатурна складає 120536 кілометрів. Його полярний діаметр лише 108 728 кілометрів.

Це на 10% менше. Сатурн – найплюснутіша планета в Сонячній системі. Сплюснуть біля полюсів. Це видно навіть у невеликий телескоп. Він обертається трохи повільніше Юпітера, проте він більше сплюснуть. Чому? Сила відцентрового обертання компенсує велику частку гравітації на екваторі.

Гравітація на екваторі становить лише 74% від гравітації на полюсах. 896 см/с² на екваторі. 1 214 см/с на полюсах.

Маса Сатурна в 95 разів більша за масу Землі. Але він займає обсяг у 766 разів більший. Його середня густина становить 0,69 грама на кубічний сантиметр. Це лише близько 12% від густини Землі. Він ледве щільніший за воду.

Друга космічна швидкість на екваторі майже 36 км/с. 80 000 миль на годину. У Землі вона становить лише 11,2 км/с. Це значення вказує на те, що Сатурн не втратив значної частини атмосфери з моменту свого формування. Він утримав усе.

Цифри

Дані малюють картину світу, що у постійному русі та зміні.

• Середня відстань від Сонця: 1,426 млрд км (9,5 а.о.)
• Ексцентриситет: 0,054
• Нахил до екліптики: 2,49°
• Орбітальний період: 29,45 земних років
• Візуальна величина в опозиції: 0,7
• Синодичний період: 378,10 земної доби
• Орбітальна швидкість: 9,6 км/с
• Екваторіальний радіус: 60 268 км
• Полярний радіус: 54 364 км
• Маса: 5,683 × 10^26 кг
• Середня щільність: 0,69 г/см³
• Гравітація на екваторі: 896 см/с²
• Гравітація на полюсах: 1 214 см/с²
• Друга космічна швидкість на екваторі: 35,5 км/с
• Друга космічна швидкість на полюсах: 37,4 км/с
• Період обертання (по магнітному полю): 10 год 39 хв (Voyager); ~10 год 46 хв (Cassini)
• Нахил осі: 26,7 °
• Сила магнітного поля: 0,21 гауса
• Відомі супутники: 274
• Система кілець: 3 основних кільця, безліч компонентних кільцевих структур, кілька менш щільних кілець

Атмосфера Сатурна

Склад та структура. Зовнішні шари немає твердої поверхні. Атмосфера – це місце, де відбувається дія. Рух хмар варіюється. Швидкості вітрів оцінюються шляхом порівняння обертання хмар із обертанням внутрішніх шарів. Різниця є вітер.

З Землі Сатурн виглядає як туманна жовто-коричнева куля. Він здається одноманітним. Але це брехня. Те, що ми бачимо, – це складна маска з хмарних шарів та дрібномасштабного хаосу. Червоні плями. Білі вихори. Коричневі смуги. Ці особливості швидко змінюються. Сатурн – це, по суті, тихіший і менш активний двоюрідний брат Юпітера.

До вересня 1990 року.

Тоді у екватора виникла гігантська світла буря. Вона розросла до ширини понад 20 000 кілометрів. Вона опоясала планету, перш ніж затихнути. Ми називаємо це «Великою білою плямою». Це сатурніанський аналог Великої червоної плями Юпітера, але вона зустрічається рідше. Такі бурі відбуваються приблизно раз на 30 років. Оскільки орбітальний період Сатурна становить 29,4 роки, зв’язок очевидний. Бурі мають сезонний характер. Вони йдуть за довгим та повільним роком планети.

Що всередині газового гіганта?

Атмосфера в основному складається з молекулярного водню та гелію. Точне співвідношення невідоме. Гелій важко виміряти безпосередньо. Найкраще припущення? Від 18 до 25 відсотків гелію за масою. Решта – водень та близько 2 відсотків інших домішок.

Це дивно. Сонце на 71 відсоток складається з водню та на 28 відсотків із гелію. У Сатурна менше гелію щодо водню, ніж у зірки у центрі нашої Сонячної системи. Чому? Деякі теорії припускають, що гелій осел. Він випав із зовнішніх шарів і опустився глибше в надра планети.

Є й інші молекули. Метан і аміак у 2–7 разів більші тут, ніж у Сонці. Ми припускаємо, що сірководень та вода знаходяться нижче, у глибоких шарах атмосфери. Ми поки що не виявили їх. Але із Землі ми зафіксували фосфін, чадний газ та герман.

Їх там не повинно бути. У багатій воднем атмосфері у хімічній рівновазі вони зникають. Їхня присутність означає, що вони піднімаються з глибини. Високий тиск. Висока температура. Реакції, що відбуваються під видимими хмарами. Конвективні рухи виносять їх угору, туди, де ми можемо їх спостерігати.

Наявність нерівноважних молекул доводить, що надра Сатурна активно перемішують матеріал зі свого глибокого, гарячого ядра і виносять його на видиму поверхню.

Хімія в стратосфері

Стратосфера розповідає іншу історію. Ацетилен. Етан. Можливо, пропан. Метилацетилен. Це вуглеводні. Вони не утворюються глибинним теплом. Вони створюються світлом. Сонячне ультрафіолетове випромінювання запускає фотохімічні реакції. Або на високих широтах цю роботу виконують енергійні електрони з радіаційних поясів Сатурна.

У Юпітера схожа структура. Хімія узгоджується у всіх газових гігантах. Це сімейна риса.

Профілі температури та тиску

Астрономи виміряли температуру Сатурна, спостерігаючи за викривленням зоряного світла та радіосигналів під час проходження через атмосферу. Це відбувається, коли космічні апарати пролітають повз планету або коли зірки затьмарюють її. Ми склали карти температур від однієї мільйонної бар до 1,3 бар.

Нижче 1 мілібар холодно і температура постійна: 140-150 Кельвінів. (-208 до -190 ° F).

Поринаючи глибше, в стратосферу (1-60 мілібар), температури падають. Вони досягають мінімуму 82 Кельвіна. (-312 ° F). Це найхолодніша точка в атмосфері Сатурна.

Ідучи ще глибше, температури знову зростають. Це тропосфера. Як і нижньому шарі Землі, тепло збільшується з тиском. Це просто стиск газу. Без додавання чи втрати тепла. На рівні 1 бар температура становить 135 Кельвінів. Нижче вона продовжує зростати.

Хмарні шари

Хмари, які ми бачимо, – це конденсація незначних сполук у багатій воднем суміші. На висоті 20-70 мілібарів є серпанок. Вона утворюється внаслідок фотохімічних реакцій. Але основні хмари починаються нижче. Нижче 400 мілібар.

Найвищий шар складається з твердих кристалів аміаку. Вони розчиняються і зникають приблизно на рівні 1,7 бар. Ми не можемо бачити нижчі шари прямо. Ми їх моделюємо.

Згідно з хімічними моделями, наступний шар вниз складається з кристалів гідросульфіду амонію. На рівні 4,7 барів. Ще глибше, на рівні 10,9 бар, кристали водяного льоду змішуються з краплями водного аміаку.

Чистий білий аміак. Чистий білий водяний лід. Ці хмари мають бути невидимими.

Але Сатурн жовтий, коричневий та червоний. Чому? Домішки. Побічні продукти хімічних реакцій випадають осадом згори. Фотохімічні продукти Можливо, молекули, які містять фосфор, діють як барвники. Хмари пофарбовані своїм хімічним вихлопом атмосфери.

Сині тіні та зимова тиша

Сатурн сильно похилений по осі. Ця зміна впливає на все. Кільця відкидають довгі, темні тіні на зимову півкулю. Сонячне світло стає слабшим. Тіні стають глибшими.

Коли «Кассіні» спостерігав за освітленими сонцем смугами північної зимової півкулі, він побачив щось несподіване. Атмосфера була синя. Напрочуд прозорою.

Чому? Кільця заблокували сонячне світло. Відсутність сонячного світла означає менше виробництва фотохімічного серпанку. Хімія сповільнилася. Небо з’ясувалося.

Це нагадує нам, що Сатурн не статичний. Це динамічний, вируючий світ. Багатошаровий. Сезонний. Хімічний. І іноді він просто дозволяє нам на мить побачити крізь серпанок. Потім повертаються тіні. Димка знову накопичується. Ви залишаєтесь із запитанням: що ховається в глибших, гарячих шарах, які ми поки що не бачимо?

Зникла межа між газом і рідиною на Сатурні

Провести межу неможливо. По-справжньому.

На Землі різницю між газом і рідиною впадає у вічі. Вода кипить. Пара піднімається вгору. Океан залишається дома. Існує чіткий кордон. Сатурн не підкоряється цим правилам. Навіть глибоко у його атмосфері, де тиск екстремальний, умови інші. Мінімальна температура становить 82 Кельвіна. Це дуже тепло для того, щоб молекулярний водень міг співіснувати у вигляді газу та рідини в рівновазі.

Це означає, що дрібні, видимі телескопи хмари не лежать на твердому дні. Немає чіткого кордону. Водень тут веде себе не як простий газ, а й не як звичайна рідина. Кордон розмивається. Відбувається плавний перехід. Тропосфера тягнеться на десятки тисяч кілометрів нижче цих пухнастих білих верхніх шарів. Вона стає щільнішою. Вона стає гарячішою.

На відміну від Землі, атмосфера Сатурна не закінчується поверхнею. Вона перетворюється на стан надкритичної рідини, стаючи дедалі щільнішою і гарячою у міру занурення глибше.

Ми звикли говорити про планети, які мають поверхню. Твердий. Газоподібну. Але тут все по-іншому. Тиск зростає. Температура різко зростає. Зрештою, ви стикаєтеся з тисячами кельвінів і тиском, що перевищує один мільйон бар.

Чому це важливо? Тому що це кидає виклик нашому уявленню про структуру планети. Ми припускаємо наявність шарів. Тверде ядро. Мантія. атмосфера. Область водню Сатурна не вписується у цей чіткий поділ. Це градієнт. Безперервний континуум. На Сатурн не можна “приземлитися”. Можна тільки поринути у нього. І що глибше ви опускаєтеся, то менше там залишається «газу». Лише все щільніша, перегріта рідина.

То де ж дно? Його нема. Не в тому сенсі, як ми його розуміємо. Атмосфера просто… продовжується. Поки що ви не досягнете того, що знаходиться нижче. Або поки що тиск не розчавить все в щось, для чого в нас ще немає назви.

Погода на Сатурні не просто схожа на юпітеріанську. Це величезна, абсолютно особлива система. Планета оповита зональними течіями — східно-західними вітрами, які створюють знайомі світлі та темні смуги. Але не шукайте тут штормів із високою контрастністю. Особливості атмосфери виражені слабко. Смуги ширші поблизу екватора, а верхівки хмар мають низький контраст. Просто зробивши знімок із Землі, ви не побачите багато чого. Для отримання докладних даних потрібні космічні апарати.

Вимірювання швидкості вітру

Ось у чому проблема. Сатурн не має твердої поверхні. То як виміряти швидкість вітру? Потрібна точка відліку. Вчені використовують як базис обертання магнітного поля Сатурна. Щодо цього магнітного ядра багато рухається на схід — у напрямку обертання планети.

В екваторіальній зоні ситуація стає особливо бурхливою. Нижче 20° широти спостерігається східна течія, що досягає швидкості 470 метрів за секунду. Це 1700 кілометрів на годину. Але воно не завжди. Іноді швидкість знижується на 200 метрів за секунду. Це мінливе явище.

Порівняйте це із Землею. Найсильніша стійка швидкість вітру у тропічному циклоні може досягати 67 метрів за секунду. Екваторіальний струмінь Сатурна рухається вчетверо швидше. І вона вдвічі ширша за широту. Різниця колосальна.

Шестикутник на Північному полюсі

А потім маємо шестикутник.

Він знаходиться на 75 ° північної широти. Перший струмінь на південь від північного вихору повторює цю форму. Хмарні особливості рухаються навколо нього проти годинникової стрілки зі швидкістю 100 метрів за секунду. Чому шестикутник? Ймовірно, це результат взаємодії хвиль. Аналогічні кутові патерни спостерігаються в лабораторних експериментах з рідинами, що обертаються у відрах. Але чому він стабільний? І чому він сформувався саме на цій широті? Ніхто не знає.

Симетрія вражає. Зональні течії дзеркально відбивають одне одного щодо екватора. Течія на цій північній широті зазвичай має аналог Півдні. Сильні східні вітри з’являються на 46 і 60 в обох півкулях. Західні течії, майже нерухомі в магнітній системі відліку, виникають на 40 °, 55 ° і 70 °.

Ця симетрія зберігається десятиліттями. Її зафіксували “Вояджери”. Потім наземні телескопи покращили спостереження. Вони стежили за Сатурном роками. Дані збіглися з результатами “Вояджерів”. Струмені стабільні. Механізм, який підтримує їхню роботу проти атмосферного тертя? Досі залишається загадкою.

Полюси та перлини

Полюси різняться. В межах 11 ° від обох полюсів знаходяться вихори, схожі на урагани. Вихор на південному полюсі має тепле «очне яблуко» (око). Його ширина складає 2000 кілометрів. Він оточений хмарами, які височіють на 50–70 кілометрів над навколишніми полярними хмарами.

Шторми у південній півкулі Землі також мають теплі очі та обертання за годинниковою стрілкою. Вони оточені високими хмарами. Але тут важлива масштабність. Версія Сатурна є колосальною. І що критично важливо, під вихором Сатурна немає океану. Немає теплої води, яка живить теплообмін. Тільки атмосфера аж до низу.

Якщо придивитися до помірних широт. Поблизу 33,5 ° північної широти є «нитка перлів». Близько двох десятків просвітів у хмарах. Кожен із них має діаметр 1 500 кілометрів. Вони розподілені майже рівномірно протягом 100° довготи. На інфрачервоних знімках вони яскраво світяться. Як намисто, що розтягнулося по всій планеті.

Блискавки та глибинні течії

Південна півкуля розповідає іншу історію. Кассіні виявив короткі радіохвильові викиди від грозових штормів на 35 ° південної широти. Інтенсивний. У сотні разів сильніші за земні блискавки. Вони тривають тижнями. Іноді місяцями.

Ці шторми розташовуються на товстих, світлих хмарах. Сильні конвективні рухи, обумовлені водяною парою. Просвіти на півночі та блискавки на півдні пов’язані. Вони знаходяться у зонах швидких західних вітрів. Спрямованих протилежно до більшості інших зональних течій.

Що це означає для надр? Північно-південна симетрія передбачає, що течії пов’язані глибоко всередині. Теоретичні моделі планети з глибинною конвекцією показують, що диференціальне обертання шикується вздовж циліндрів. Циліндр, вирівняних по осі обертання.

Атмосфера Сатурна може бути побудована з коаксіальних циліндрів. Кожен обертається зі своєю швидкістю. Створюючи поверхневі струмені, які ми спостерігаємо. Ці шари починають рухатися узгоджено лише з глибині 9 000 кілометрів. Це набагато глибше, ніж Юпітері. На Юпітері диференціальне обертання припиняється менших глибинах. На Сатурні течії йдуть глибоко. І ми досі не до кінця розуміємо, що їх надає руху.

Магнітне поле Сатурна: чому воно незвичайне і як воно формує кільця

Магнітне поле Сатурна напрочуд ідеальне. Воно збігається із віссю обертання планети з точністю до одного градуса. Центр магнітного диполя знаходиться точно у центрі планети. Ця конфігурація нагадує простий смуговий магніт більше, ніж будь-яка інша планета Сонячної системи. Але є один нюанс. Полярність перевернута проти Землею. Силові лінії виходять у північній півкулі та занурюються назад у південній. Якби ви тримали там компас, стрілка вказувала на південь.

Однак, це не чистий диполь. Є тонкі відхилення. Поле демонструє північно-південну асиметрію. Поверхневе поле на полюсах трохи сильніше, ніж передбачає проста модель. На рівні «поверхні» в один бар північний полюс сягає 0,8 гауса. Південний полюс становить 0,7 гауса. Полярне поле Землі аналогічне. Але на екваторі картина інша. Екваторіальне поле Сатурну становить 0,2 гауса. У Землі воно дорівнює 0,3 гауса. Екваторіальне поле Юпітера складає 4,3 гауса. Це більш ніж у 20 разів сильніше, ніж Сатурн.

Якщо змоделювати поле Сатурна як контур зі струмом, магнітний момент буде приблизно 600 разів більше, ніж Землі. У Юпітера він у 20 000 разів більший за земний. Чому така різниця? Це залежить від того, де генерується поле. Поле Сатурна виникає завдяки рідинним рухам у його електрично провідній внутрішній області. Ця область складається з рідкого металевого водню, що оточує кам’янисте ядро. Вона становить внутрішню половину планети. У Юпітера більше цієї провідної речовини. Найменша маса та обсяг у провідній зоні частково пояснюють, чому поле Сатурна слабше. Юпітер також гарячіший. Більш гарячі надра означають інтенсивніші рідинні руху. Це, мабуть, сприяє величезному розриву у силі поля між двома газовими гігантами.

Форма магнітосфери Сатурна

Магнітосфера – це область простору у формі краплі, що домінується магнітним захопленням Сатурна. Вона керує зарядженими частинками, що надходять переважно від Сонця. Округла сторона звернена до Сонця. Вона утворює кордон, звану магнітопаузою. Цей кордон знаходиться приблизно за 20 радіусів Сатурна від центру планети. Це приблизно 1200000 кілометрів. Але вона вагається. Тиск сонячного вітру постійно змінює форму. На протилежному боці магнітосфера розтягується в величезний магнітний хвіст. Вона тягнеться на великі відстані в космос.

Усередині цього регіону все ускладнюється. Внутрішня магнітосфера захоплює високоенергетичні заряджені частинки. Більшість із них — протони. Вони рухаються спіральними траєкторіями вздовж силових ліній магнітного поля. Ці лінії утворюють пояси навколо Сатурна, аналогічні поясам Ван Аллена Землі. Але на відміну від Землі чи Юпітера, пояси Сатурна протікають. Частинки поглинаються твердими тілами, що обертаються усередині силових ліній. Дані зонда Voyager підтвердили це. Існують «дірки» у популяції частинок. Ці дірки існують на силових лініях, які перетинають кільця та орбіти супутників.

«Дірки» існують у популяціях частинок на силових лініях, які перетинають кільця та орбіти супутників усередині магнітосфери.

Титан та Гіперіон обертаються близько до мінімальних розмірів магнітосфери. Вони періодично перетинають магнітопаузу. Вони виходять за межі захисного міхура Сатурна. Коли захоплені енергетичні частинки стикаються з нейтральними атомами у верхній атмосфері Титану, вони передають їм енергію. Це спричиняє ерозію атмосфери супутника. Кассіні спостерігав ореол із цих енергетичних атомів навколо Титану. Це прямий зв’язок між магнітним насильством Сатурна та втратою атмосфери його найбільшого супутника.

Аврори та взаємодія із сонячним вітром

Сатурн має ультрафіолетові аврори. Вони виробляються енергетичними частинками з магнітосфери, що впливають на атомарний та молекулярний водень у полярній атмосфері. Зображення космічного телескопа Хаббл кінця 1990-х і початку 21 століття зафіксували ці авроральні кільця. Зображення надали переконливі докази високої симетрії поля. Вони також показали, як аврори реагують на сонячний вітер. Сонячне магнітне поле також грає тут роль.

Дані показують тісний зв’язок між Сонцем та планетою. Але вона не статична. Аврори зміщуються. Вони реагують зміни тиску. Вони прямують магнітними лініями. Це динамічна система. Яку ми все ще вчимося розшифровувати. Дірки у радіаційних поясах залишаються загадкою поглинання. Асиметрія в полі натякає на глибинні внутрішні процеси, які ми поки що не бачимо. Сатурн зберігає свої секрети у обертанні свого металу та зіткненні частинок з його кільцями.

Щільне ядро Сатурна та глибини водню

Щільність Сатурна – перший натяк. Вона настільки мала, що його основний склад має складатися переважно з водню. Але це не той водень, який ми бачимо у повітряній кулі. Пориньте на 1 000 км (600 миль) нижче видимих ​​хмар. Тиск досягає одного кілобару. Температура піднімається приблизно до 1000 К (730 ° C). На цій глибині водень перестає поводитися як газ. Він перетворюється на рідину.

Це дивний матеріал, що високо стискається. Щоб знизити середню щільність Сатурна до 0,69 г на кубічний сантиметр, потрібні тиски, що перевищують один мегабар. Це відбувається на глибині 20000 км (12500 миль). Приблизно на одній третині шляху до центру. Планета є куля з щільного рідкого водню, що утримує все разом.

Картографування гравітації для визначення маси

Ми не можемо пробурити свердловину у Сатурні. Ми маємо вивчати його гравітаційне поле. Воно не сферично симетричне. Планета обертається швидко. Її густина низька. Ці чинники спотворюють її фізичну форму. Вони також спотворюють її гравітаційне поле.

Дані космічних апаратів ясно показують це спотворення. Рух зондів та структура кілець розкривають істину. Форма поля розповідає нам про розподіл маси. Сатурн більш конденсований у центрі, ніж Юпітер. Поблизу ядра є значно більше щільного матеріалу.

У центрі Юпітера приблизно 67 відсотків маси посідає водень. У центрі Сатурна лише близько 50 відсотків. Решта – важчі речовини.

Металевий перехід

Пориньте глибше. Приблизно на півдорозі між верхівками хмар та центром. Тиск досягає двох мегабарів. Температура досягає 6000 К (5730 ° C). Відбувається щось дивне. Молекулярний водень зазнає фазового переходу. Він стає рідким металевим воднем. Він виглядає і веде себе як розплавлений лужний метал. Подумайте про літію.

Дані гравітації підтверджують, що цей регіон щільніший за чистий водень, змішаний із сонячним гелієм. Частина цієї надмірної щільності, ймовірно, походить від гелію, що осів із зовнішніх шарів. Але є й більше. Сатурн може містити матеріал щільніше водню, і гелію. Загальна маса може бути в 30 разів більша за масу Землі. Ми не можемо точно визначити розподіл. Однак, ймовірно, є кам’яне та крижане ядро. Ймовірно, воно важить 15-18 мас Землі. Воно знаходиться у самому центрі.

Магнітний динамо

Зовнішнє ядро складається із цього рідкого металевого водню. Воно має високу електропровідність. Якщо існують циркуляційні струми — як очікується, коли тепло тече назовні, а важчі компоненти осідають — досить динамо-ефект. Це створює магнітне поле Сатурна. Механізм той самий, як і в Землі. Теорія глибокого поля застосовна тут.

Глибоке поле поблизу ядра нерегулярне. Але те, що ми бачимо із космічних апаратів, відрізняється. Воно досить регулярне. Вісь диполя вирівняна майже ідеально з віссю обертання. Чому така симетрія? Теорії припускають, що силові лінії проходять через неконвективну, що електрично проводить область, перш ніж досягти поверхні. Ця сфера обертається щодо силових ліній, згладжуючи хаос.

Ми спостерігали разючу зміну періоду обертання магнітного поля за останні 25 років. Цей зсув може бути пов’язаний з глибокими електричними струмами, що включають провідне ядро. Внутрішність не статична. Вона рухається.

Таємниця внутрішнього тепла

Сатурн випромінює в космос приблизно вдвічі більше енергії, ніж отримує від Сонця. Цей вихід переважно знаходиться в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль від 20 до 100 мікрон. Усередині є джерело тепла.

Кілограм за кілограм, внутрішній енергетичний вихід Сатурна аналогічний юпітеріанському. Але Сатурн менш масивний. Він мав менше загального енергетичного змісту, коли обидві планети формувалися. Якщо він все ще випромінює на рівні Юпітера, джерело не може бути тим самим. Щось інше живить це тепло.

Внутрішній тепловий двигун Сатурна

Сатурн непросто сформувався під впливом гравітації; він зростав. Розрахунки його теплової історії показують, що планета почала своє існування з важкого ядра. Йдеться про 10–20 мас Землі. Ймовірно, це ядро ​​сформувалося з багатих на льод планетезималей, що стикалися один з одним. Щойно тверду основу було закладено, у справу вступила гравітація. Величезна кількість водню і гелію з ранньої сонячної туманності кинулась усередину, сколапсувавши навколо ядра.

Юпітер пройшов через той самий процес. Просто він став масивнішим. Він захопив ще більше газу, ніж Сатурн. Швидка акреція нагріла газ до приголомшливих температур. У цих молодих планетах температура всередині сягала десятків тисяч кельвінів.

Чому Сатурн гарячіше, ніж очікувалося

Тут історія стає цікавішою. Внутрішня енергія Юпітера зрозуміла: він почав своє існування неймовірно гарячим і повільно остигає вже 4,6 мільярда років. Тепло, яке ми виявляємо зараз, — лише залишкове тепло від того бурхливого народження.

Сатурн мав зробити так само. Якби він просто остигав, його внутрішнє тепло давно б згасло. Більше того, моделі показують, що близько двох мільярдів років тому його тепло мало впасти нижче за поточний рівень енерговиділення. Але цього не сталося. Сатурн продовжує виділяти тепло.

Відбувається ще щось.

Гелієвий дощ живить тепло

Найімовірніше пояснення у тому, що відбувається глибоко всередині Сатурна. Гелій відокремлюється від водню. У шарі металевого водню гелій випадає із розчину, утворюючи щільні краплі. Ці краплі падають униз.

По суті це гелієвий дощ.

У міру того, як важкі краплі занурюються глибше, вони втрачають потенційну енергію. Ця енергія перетворюється на кінетичну в міру прискорення крапель. Тертя загасає цей рух, і кінетична енергія перетворюється на тепло. Конвекція переносить це тепло вгору, до атмосфери, а випромінювання виводить їх у космос.

Цей процес додає додаткову енергію, дозволяючи Сатурну довше залишатися теплим, ніж це було б можливо при простому охолодженні. Ймовірно, те саме відбувається і на Юпітері. Його внутрішня частина тепліша, що дозволяє більшій кількості гелію залишатися розчиненим у водні. Тому ефект там набагато слабший.

Докази ускладнюють картину

Місії “Вояджерів” виявили щось, що виглядало як доказ. Вони зафіксували значне збіднення атмосфери Сатурна гелієм. Це ідеально відповідало теорії: гелій осідав, залишаючи верхні шари виснаженими з цього елементу.

Здавалося, це стало підтвердженням теорії.

Проте з того часу дані зазнали сумніву. Збіднення може бути не таким однозначним, як вважалося раніше. Теорія гелієвого дощу, як і раніше, залишається кращим поясненням тривалого збереження тепла на Сатурні. Але «зброя злочину» більше не так очевидна, як раніше. Таємниця додаткового тепла залишається нерозкритою.

Одна хаотична система

Ми схильні проводити точний кордон (на піску чи льоду). З одного боку – супутники. З іншого боку — кільця. Здається, що поділ є абсолютно. Але це негаразд. Кільця Сатурна та його супутники є частиною однієї складної, взаємозалежної системи. Їхні структури взаємодіють один з одним. Їхня динаміка впливає один на одного. Навіть їхня еволюція пов’язана.

Подивіться на найвідоміші внутрішні супутники. Вони не перебувають у холодному темному просторі. Вони знаходяться всередині кілець або між ними. Нові супутники постійно з’являються, вбудовані безпосередньо у структуру кілець. Це викликає дивне питання: що саме є супутником?

Сама кільцева система – це, по суті, рій крихітних супутників. Йдеться про частинки розміром з порошинку, шматки розміром з автомобіль і валуни розміром з будинок. Всі вони обертаються навколо Сатурна незалежно один від одного. Немає жорсткого кордону між найбільшою частинкою кільця та найменшим супутником. Це робить підрахунок супутників програшною справою. Точне число може бути неможливим.

Кільцева система

Кільця – це не статичні крижані листи. Вони динамічні. Активні. Формуються під дією гравітації та зіткнень. Супутники діють як «пастки». Вони не дають кільцям розсіюватися. Вони також вирізують зазори. Наприклад, розділ Кассіні – це не порожній простір. Це результат орбітальних резонансів із супутниками, такими як Мімас.

Коли ми дивимося на ці обручки, ми бачимо не просто уламки. Ми бачимо лабораторію. Місце, де фізика розгортається у величезних масштабах. Частинки стикаються. Вони злипаються. Вони розколюються. Система перебуває у постійній зміні.

Це не просто питання гарних фотографій. Це розуміння того, як формуються планетні системи. І як вони залишаються цілими. Або розпадаються. Межі між супутниками та кільцями розмиті. Навмисно? Ні. Просто результат хаотичного, чудового танцю, який триває вже мільярди років.

Спостереження Сатурна Галілеєм у 1610 році було скоріше не відкриттям, а джерелом плутанини. Він направив свій примітивний телескоп на планету та повідомив, що бачить не один об’єкт, а три.

«Сатурн — це не одна зірка, а складовий об’єкт із трьох, які майже стосуються один одного, ніколи не змінюють свого становища щодо один одного і не рухаються, розташовані в ряд уздовж екліптики, при цьому середній об’єкт втричі більший за бічні».

Він вирішив, що виявив систему із трьох зірок.

Через два роки середня зірка залишилася на місці, але супутники зникли. Земля змістилася. Вона перетнула орбітальну площину Сатурна, побачивши кільця під кутом, майже з ребра. Для вражених очей Галілея «придатки» повністю зникли. Коли вони повернулися, він все ще не міг зібрати картину докупи. Він так і не зрозумів, що ці дивні виступи є диском.

Потрібно було голландському вченому Християну Гюйгенсу, який працював із значно досконалішим телескопом у 1655 році, щоб вивести справжню форму. Він побачив похилу площину обручки. Він навіть припустив, що це жорсткий, товстий диск.

Математика, що довела, що кільця не є твердими

Скептицизм посилився 1675 року. Джан Доменіко Кассіні, італійський астроном французького походження, виявив величезний розрив у диску. Поділ Кассіні, як воно відомо сьогодні, зробило теорію суцільного кільця хиткою.

Потім прийшла математика.

В 1789 П’єр-Симон Лаплас припустив, що кільця складаються з безлічі дрібних компонентів. Але лише 1857 року шотландський фізик Джеймс Клерк Максвелл довів це математично. Кільця могли бути стабільними лише в тому випадку, якби вони складалися з величезної кількості дрібних окремих частинок.

Американський астроном Джеймс Кідер підтвердив це припущення приблизно через 40 років.

Крихка структура в космосі

Сьогодні ми знаємо, що обручки Сатурна величезні, але абсурдно тонкі.

• Діаметр: 270 000 км (170 000 миль)
• Товщина: не більше 100 метрів (330 футів)
• Маса: $1.5 \times 10^{19}$ кг

Ця маса становить лише близько 0,41 маси супутника Сатурна Мімаса. Вся система, включаючи слабкі зовнішні кільця, сягає майже 26 000 000 км.

Але чому обручки не злиплися в один супутник?

Пояснення межі Роша

Кільця Сатурна знаходяться в межах класичної межі Роша. Це мінімальна відстань, на яку великий супутник може наблизитись до планети, перш ніж приливні сили розірвуть його на частини. Для Сатурна ця межа становить близько 147 000 км (91 300 миль), або 2,44 радіуси Сатурна.

Усередині цієї зони приливні сили перешкоджають агрегації дрібних тіл у більші об’єкти. Це правило застосовується до об’єктів, які утримуються гравітацією. Воно не поширюється на дрібні тіла, які утримуються молекулярним зв’язком. Саме тому крихітні супутники та штучні супутники можуть існувати невизначено довго всередині цієї межі.

З чого складаються кільця?

Ми не можемо бачити окремі частинки прямо. Натомість ми визначаємо їх розмір по тому, як вони розсіюють світло та радіосигнали від зірок та космічних апаратів.

Результатом є широкий безперервний спектр розмірів частинок, ranging від сантиметрів до кількох метрів. Великих об’єктів значно менше, ніж дрібних. Цей розподіл відповідає очікуваному результату повторних зіткнень, що спочатку розбивають більші тіла.

У деяких областях зіткнення відбуваються настільки часто, що існують навіть пилоподібні зерна. Ці зерна мають короткий термін життя. Вони електризуються під впливом сонячного світла чи ударів мікрометеоритів. Цей заряд взаємодіє з магнітним полем Сатурна, створюючи рухомі клиноподібні «спиці», які простягаються радіально над площиною кільця.

“Спіці” були звичайним явищем під час прольотів зондів “Вояджер”. Вони зникли під час місії Кассіні до вересня 2005 року. Цей зсув, мабуть, свідчить про те, як різні кути падіння сонячного світла впливають освіту заряджених зерен. Деякі астрономи припускають, що «спиці» мають сезонний характер і з’являються лише поблизу рівнодення.

Існують також докази наявності більших «кільцевих місяців» — тіл діаметром кілька кілометрів, вбудованих в основні кільця. Виявлено лише кілька із них. Ці «грудоуламкові» місяця, ймовірно, є минущими об’єктами, що постійно створюються і руйнуються гравітацією, зіткненнями і орбітальними швидкостями, що змінюються.

Кільця вмирають

Кільця сильно відбивають сонячне світло. Спектроскопічний аналіз показує, що вони складаються в основному з водяного льоду, змішаного з темнішими домішками.

Оскільки загальна маса настільки мала, кільця, мабуть, дуже молоді. Їм може бути від 10 до 100 мільйонів років.

Це викликає запитання: звідки вони взялися?

Цілком можливо, що основні кільця утворилися внаслідок розпаду комети. Альтернативно, могли зруйнуватися супутники розміром і складом, схожими з Тетісом чи Діоною. Початкова кільцева система була б набагато більшою, згодом зменшуючись і формуючи крижані внутрішні супутники, такі як Тетіс.

Але обручки також зникають.

Заряджений матеріал з кілець мігрує в іоносферу Сатурна, прямуючи лініями магнітного поля. Кожну секунду від 432 до 2870 кг кільцевого матеріалу падає в атмосферу.

За такого темпу кільця зникнуть через 292 мільйони років.

Це мить у геологічних масштабах. Ми живемо в короткому вікні космічної історії, спостерігаючи за структурою, яка одночасно чудова і минуща. Лід присутній. Фізика зрозуміла. Але кінець уже у русі.

Основна система кілець – це не просто плоский диск. Це хаотичний, багатошаровий комплекс структур, що охоплює різноманітні масштаби. Виділяються три широкі основні кільця – C, B і A, розташовані за віддаленістю від Сатурна. Вони видно із Землі. Усередині них є численні окремі кільцеві нитки, деякі з яких мають ширину всього кілька кілометрів. Вчені використовують ці структури для дослідження гравітаційних резонансів, спостерігаючи за тим, як взаємодіють дрібні частинки при їхньому близькому орбітальному зближенні.

Багато структур мають теоретичні пояснення. Значна кількість залишається загадковою. Повного синтезу даних поки що немає. Чому це важливо? Тому що кільця Сатурна можуть бути аналогом вихідного дисковидного накопичення частинок, з якого сформувалися планети. Розуміння їх динаміки та еволюції має значення розуміння походження самої Сонячної системи.

Як оптична глибина розкриває щільність кілець

Структура загалом описується оптичною глибиною як функцією відстані від Сатурна. Оптична глибина вимірює, скільки електромагнітного випромінювання поглинається під час проходження через середовище. Уявіть собі хмари. Атмосфери планет. Область простору заповнена частинками. Вона є індикатором середньої щільності.

Повністю прозоре середовище має оптичну глибину 0. У міру збільшення густини зростає і це значення. Воно залежить від довжини хвилі та типу середовища. Для кілець Сатурна радіохвилі завдовжки кілька сантиметрів і більше практично не зачіпаються найдрібнішими частинками кілець. Вони відчувають меншу оптичну глибину проти видимим світлом.

Внутрішні кільця: C, D і щільне кільце B

Кільце B є найяскравішим. Найтовстішим. Найширшим. Воно тягнеться від 1,52 до 1,95 радіусів Сатурна. Оптична глибина становить від 04 до 25. Точні значення залежать від відстані до Сатурна та довжини хвилі світла. (Екваторіальний радіус Сатурна дорівнює 60268 км.)

Візуально воно відокремлено від зовнішнього основного кільця – кільця A – розподілом Кассіні. Це найпомітніший розрив. Розташоване між 1,95 та 2,02 радіусами Сатурна, воно не позбавлене частинок. Воно демонструє складні варіації оптичної глибини із середнім значенням 0,1.

Кільце A простягається від 2,02 до 2,27 радіусів Сатурна. Оптична глибина варіюється від 0,4 до 1,0.

Усередині кільця B знаходиться кільце C. Іноді його називають кремовим кільцем. Воно розташоване на відстані від 1,23 до 1,52 радіусів Сатурна, де оптична глибина близька до 0,1. Усередині нього, на відстані від 1,11 до 1,23 радіусів, знаходиться вкрай розріджене кільце D. Воно не вимірює вплив на зоряне світло або радіохвилі. Видно лише у відбитому світлі.

Кільце F та околиці системи

Зовнішнє кільце A знаходиться вузьке кільце F з відривом 2,33 радіуса Сатурна. Спостереження апарату Cassini вказують на щільно закручену спіральну структуру. Між кільцями A та F, розподілена вздовж орбіти внутрішнього супутника Атлас, знаходиться розріджена смуга матеріалу. Мабуть, викинута самим супутником.

Ще далі знаходиться кільце G. Оптична глибина всього 0,000001. Розташоване приблизно з відривом 2,8 радіуса Сатурна. Спочатку виявлено завдяки своєму впливу на заряджені частки у магнітосфері Сатурна. Слабо помітно на знімках апарата Voyager.

Знімки Cassini 2008 виявили невеликий супутник під назвою Егейон в кільці G. Його діаметр становить близько 0,5 км. Можливо, він є одним із кількох батьківських тіл. Кільця, що знаходяться за межами кільця A, аналогічні кільцям Юпітера. Вони складаються переважно з дрібних частинок, що постійно викидаються супутниками.

Кільце E та масивне кільце Феби

За кільцем G знаходиться кільце E. Дуже широке. Розсіяне. Розширюється від 3 до як мінімум 8 радіусів Сатурна. Спостереження Cassini підтвердили, що воно складається з крижаних частинок, що виходять із гейзерів. Крижаного вулканізму, або криовулканізму. Термічно активної області – гарячої точки – поблизу південного полюса Енцеладу.

Потім слідує саме зовнішнє кільце. Розширюється від 128 до 207 радіусів Сатурна. Що знаходиться далеко за межами інших. Величезне, розріджене пилове кільце. Утворене внаслідок ударів об супутник Феба. Це найбільше планетарне кільце у Сонячній системі.

Відкрито космічним телескопом Spitzer. Спостереження показали оптичну глибину 2×10⁻⁸. На відміну від інших кілець, це пилове кільце має такий же спосіб, як і орбіта Феби.

Інші дрібні супутники також мають розріджені кільця. Або кільцеві дуги. Пов’язані з співорбітальними супутниками Янус і Епімет. Метон. Анте. Паллен.

Ця система ще повністю зрозуміла. У нас є шматочки головоломки. Решта прихована у пробілах.

Як місяці і резонанс формують розриви в кільцях Сатурна

Оптична щільність основних кілець Сатурна перестав бути однорідної. Вона фрагментована. У кільцях C, B та A розкидані величезні розриви, деякі з яких названі на честь астрономів, які вперше їх картографували. Йдеться про розриви Коломбо, Максвелла, Бонда та Дьюза всередині кільця C. Потім є розрив Гюйгенса на зовнішньому краю кільця B та розриви Енке та Кілера всередині кільця A.

Більшість із них залишалася загадкою, поки космічні апарати не наблизилися до планети. Розрив Енке був єдиним, відомим із Землі до місій «Вояджерів».

Місяця-косарки

Чому вони порожні? Довгий час це була лише теорія. Вчені припускали, що всередині розриву рухається мунлет (маленький супутник) шириною близько 10 кілометрів, який гравітацією очищає розрив від сміття.

Виявилося, що вони мали рацію.

Пан знаходиться у розриві Енке. «Вояджер» сфотографував його 1990 року. Пізніше Кассіні знову побачив його, підтвердивши теорію. Потім з’явився Дафніс. Він мав бути очікуваним «пасучим» супутником для розриву Кілера. “Кассіні” виявив його в 2005 році.

«Дафніс, очікуваний відповідний супутник усередині розриву Кілера, виявили на знімках «Кассіні» в 2005 році.»

Паттерн повторюється. Місяця можуть ховатися у розривах Гюйгенса та Максвелла теж. Але справжня несподіванка прийшла з кільця A. Кассіні виявив понад 150 мунлетів діаметром близько 100 метрів. Не створюють великих розривів. Вони залишають за собою структури у формі «пропелера» — крихітні обурення у льоду, що видають їхню присутність. Навіть у кільці B було помічено мунлет розміром 400 метрів, хоча, схоже, він не вирізує дірку.

Резонансна пастка

Іноді місяць не в розриві. Вона знаходиться далеко, але її гравітація все одно впливає на кільця.

Це відбувається через орбітальний резонанс. Математика проста. Місяць і частки кільця повинні здійснювати свої орбіти за час, кратний цілій кількості. Якщо частка знаходиться на певному радіусі, вона зустрічає місяць в одній і тій же точці щоразу. Протягом багатьох років ці повторювані гравітаційні поштовхи накопичуються. Вони виштовхують частинку назовні. Формується розрив.

Якщо місяць обертається поза кільцем, він забирає кутовий момент у частинок. Вона запускає спіральну хвилю густини. Якщо резонанс сильний, розрив очищується.

Подивіться на край кільця B та розділовий пояс Кассіні. Вони перебувають у резонансі 2:1 з Мімасом. Мімасу потрібно вдвічі більше часу для звернення навколо Сатурна, ніж часткам на цьому радіусі. Результат? Кордон не є ідеальним колом. Вона має дві частки.

Зовнішній край кільця A формується Янусом та Епіметієм у резонансі 7:6. Він має хвилястий край із сімома частками.

Резонанси пояснюють деякі тонкі структури. Та не всі. Існує тисячі кільцевих кілець. У нас недостатньо відомих місяців чи резонансів, щоб пояснити їх усі. Система хаотичніша, ніж припускають моделі.

Дані про кільця

Цифри розповідають іншу історію, ніж теорія. Ось як елементи співвідносяться по радіусу та ширині.

| Кільце (чи розділовий пояс, чи розрив) | Радіус внутрішнього краю (км) Ширина (км) | Примітки
| :— | :— | :— | :— |
| Кільце D | 67 000 | 7 500 | Слабке, видно лише у відбитому світлі |
| Кільце C | 74 490 | 17 500 | Також називається кільцем Креп |
| (Розрив Коломбо) | 77 800 | 100 | |
| (Розрив Максвелла) | 87 500 | 270 | |
| (Розрив Бонда) | 88 690 | 30 | |
| (Розрив Дьюза) | 90 200 | 20 | |
| Кільце B | 91 980 | 25 500 | Найяскравіша каблучка |
| (Розділовий пояс Кассіні) | 117 500 | 4 700 | Найбільший розрив у кільцях
| (Розрив Гюйгенса) | 117 680 | 285–440 | |
| (Розрив Гершеля) | 118 183 | 102 | |
| (Розрив Рассела) | 118 597 | 33 | |
| (Розрив Джефріса) | 118 931 | 38 | |
| (Розрив Койпера) | 119 403 | 3 | |
| (Розрив Лапласа) | 119 848 | 238 | |
| (Розрив Бесселя) | 120 236 | 10 | |
| (Розрив Барнарда) | 120 305 | 13 | |
| Кільце A | 122 050 | 14 600 | Зовнішнє кільце, видиме із Землі |
| (Розрив Енке) | 133 570 | 325 | |
| (Розрив Кілера) | 136 530 | 35 | |
| (Розділовий пояс Роша) | 136 770 | 2 600 | |
| Кільце F | 140 224 | 30–500 | Слабке, найвужче з основних кілець
| Кільце G | 166 000 | 8 000 | Слабке |
| Кільце E | 180 000 | 300 000 | Слабке |
| Кільце пилове Флеби | 7 772 240 | 4 766 000 | Найбільше планет

Сатурн тримає корону найбільшої кількості місяців у Сонячній системі. Їх кількість становить 274 відомих супутника. Це не просто цифра. Це цвинтар льоду, каменю та хаосу, що обертається навколо газового гіганта. У нас є дані для деяких із цих тіл, узагальнені у докладних таблицях. Назви. Традиційні номери. Орбітальні відстані. Фізичні властивості. Вони перераховані індивідуально.

Внутрішнє коло: маленькі, швидкі та регулярні

Перші 18 відкритих місяців всі тісно згруповані близько. За винятком Флеба, що знаходиться в глибокому холоді зовнішньої системи, вони обертаються на відстані 3,6 мільйона кілометрів від Сатурна. Це 2,2 мільйона миль. Дев’ять із них величезні. Радіус понад 100 км. Люди спостерігали їх через телескопи до кінця 20 століття. Решта? Вони були пікселізованими привидами на знімках “Вояджерів” початку 1980-х років.

Потім прибув Кассіні. Починаючи з 2004 року, він виявив крихітні. Полидій — один із них. Радіус лише 3–4 км. Майже непомітні. Ці внутрішні місяці регулярні. Їхні орбіти прямі (прогородні). Низький спосіб. Низький ексцентриситет. Вони поводяться добре.

«Вважається, що вісім найбільших сформувалися вздовж екваторіальної площини Сатурна з протопланетного диска матеріалу приблизно так само, як формувалися планети навколо Сонця».

Пан – класичний приклад цієї регулярності. Позначення XVIII. Він обертається з відривом 133 580 км. Йому потрібно 0,575 дня, щоб зробити оберт навколо планети. Він крихітний. Радіус 10 км. Маса мізерна – 0,049 x 10^17 кг. Щільність низька – 0,36 г/см3. Це місячний фрагмент, вирізаний із кілець.

Дафніс ще менший. XXXV. Радіус 3,5 км. Він обертається з відривом 136 500 км. Маса погано відома, вказана як (0,002). Але це важливе. Він вирізує щілини. Він “пастух” частинок кілець.

Атлас слідує на відстані 137 670 км. Розміри 19 x 17 x 14 км. Не сфера. Це сплюснутий диск. Прометей та Пандора — місячні «пастухи» для кільця F. Прометей більше. 70 х 50 х 34 км. Пандора – 55 x 44 x 31 км. Їхні орбіти близькі. Прометей з відривом 139 380 км. Пандора на 141720 км.

Епіметей та Янус грають у дивну гру. Вони поділяють орбіти. Епіметей – XI. Янус – X. Їх відстані майже ідентичні. 151410 км проти 151460 км. Вони міняються місцями кожні чотири роки. Гравітаційний танець. Радіус Епіметея 69 х 55 х 55 км. Янус масивніше – 99 x 96 x 76 км.

Егейон – найменший у цій групі. LIII. Радіус 0,3 км. Він живе у кільці G. Камінь.

Мімас — перший великий місяць, який знають більшість людей. I. Він має кратер, через який вона схожа на Зірку Смерті. Радіус 198 км. Маса 373 x 10^17 кг. Щільність 1,15 г/см3. В основному складається з льоду.

Метона та Анте — крихітні крапки. Метону – XXXII. Радіус 1,5 км. Анте – XLIX. Радіус 1 км. Паллена – XXXIII. Радіус 2 км. Усі вони маленькі. Усі регулярні.

Енцелад – виняток. ІІ. Він суперечить моделі «мертвої скелі». Радіус 252 км. Щільність 1,61 г/см3. Має гейзерів. Водяна пара виривається до космосу. Це світ, який може ховати океан.

Тетіда – ІІІ. Радіус 533 км. Щільність низька. 0,97 г/см³. Майже чистий водяний лід. Телесто та Каліпсо – троянські супутники. Вони поділяють орбіту Тетіди. Телесто випереджає на 60 °. Калліпсо слідує за нею. Вони малі. 15 км у поперечнику. Грубі форми.

Полідей – ще один троянський супутник. XXXIV. Він слідує за Діонею. Але його орбіта є хаотичною. Широкі варіації. Він не дотримується точки 60 °, як Калліпсо.

Діона – IV. Радіус 562 км. Маса важка. 10970 x 10^17 кг. Щільність 1,48 г/см3. Гелена – її троянський супутник. XII. Радіус 16 км.

Рея – V. Радіус 764 км. Це друга за величиною із внутрішніх регулярних місяців. Маса 22900 x 10^17 кг.

Титан – VI. Король. Радіус 2576 км. Маса величезна. 1342000 x 10^17 кг. Щільність 1,88 г/см3. Має щільну атмосферу. Метанові озера. Це окремий світ.

Далекі нерегулярні: хаос і ретроградний рух

За межами Титану правила порушуються. Гіперіон – VII. Розміри 185 х 140 х 113 км. Його обертання є хаотичним. Він перекидається. Нема стабільного обертання. Це губка. Пористий.

Япет – VIII. Радіус 735 км. Він далеко. 3,56 млн км. Орбітальний період становить 79,33 дні. Нахил коливається. Місяць двокольоровий. Темна з одного боку. Світла з іншого.

Потім йдуть нерегулярні супутники. Їхні десятки. Маленькі. Далекі. Ретроградні. Вони крутяться назад. Або під крутими кутами.

Ківіук – XXIV. Відстань 11110000 км. Період 449,22 доби. Нахилення 45,708 °. Ретроградна? Ні, проміжна, але з високим нахилом. Радіус 8 км. Маса невідома. (0,033).

Іджрак – XXII. На відстані 11124000 км. Нахилення 46,448 °. Радіус 6 км.

Феба – IX. Чужак у внутрішньому кластері? Ні, вона глибоко у зовнішній системі. На відстані 12 947 780 км. Період 550,31 доби. Літера ‘R’ вказує на ретроградний рух. Нахилення величезне. 175,3 °. Це захоплений об’єкт. Ймовірно, з пояса Койпера. Радіус 107 км. Маса 83 x 10^17 кг.

Зовнішній рій продовжується. Паліак. XX. 15,2 мільйонів км. Скатді. XXVII. Ретроградне. Альбіорікс. XXVI. S/2007 S2. Тимчасове позначення. Імені поки що немає. Бебйонн. Еріапу. Сіарнак. Найбільший із нерегулярних. Радіус 20 км.

Сколл. Тарвос. Тарк. Грип. S/2004 S13. Хірокін. Мундільфарі. S/2006 S1. S/2007 S3. Ярнсаксу. Нарві. Бергельмір. S/2004 S17. Сутунг. Хаті. S/2004 S12. Бестла. Трюмр. Фарбауті. Егір. S/2004 S7. Карі. S/2006 S3. Фенрір. Суртур. Еміл. Логи. Форміот.

Більшість із них маленькі. Радіус 2-5 км. Деякі до 20 км. Сиарнак великий для захопленого об’єкту.

Їхні періоди довгі. Сотні днів. Нахилення сильно варіюються. Від 33 ° до 179 °. Ексцентриситети високі. Від 01 до 05. Вони не є частиною початкового формування Сатурна. Вони були вкрадені.

«Кількості, дані у дужках, погано відомі».

Ця примітка стосується багатьох з цих далеких місяців. Ми їх бачимо. Ми розраховуємо їхні орбіти. Але ми не знаємо їхньої маси. Або їхню точну щільність.

Чому це важливо

Навіщо каталогізувати 274 місяці? Це не просто бюрократія. Це розуміння

Далекий, захоплений край

Відкиньте впорядковані внутрішні кільця та регулярні супутники, і ви впертеся у стіну хаосу. Починаючи з 11 мільйонів кілометрів від Сатурна, географія Сонячної системи повністю змінюється. Тут перестають діяти «звичайні» правила формування місяців. Тут знаходиться друга, зовнішня група супутників, які не підкоряються встановленим правилам.

Їхні орбіти визначаються тим, чим вони не є. Вони не кругові. Вони не пласкі. Натомість ці тіла описують сильно витягнуті, похилі траєкторії навколо гігантської планети. Це безладна геометрія. Близько двох третин з них рухаються у ретроградному напрямку, тобто обертаються у напрямку, протилежному до обертання Сатурна. Це космічні мандрівники, що обертаються проти течії кутового моменту системи.

За розміром вони мізерні проти Титаном чи Енцеладом. За винятком Фоеби — суттєвого аутсайдера, радіус якого пригнічує решта, — ці супутники мають ширину менше приблизно 20 кілометрів. Це мало. Насправді крихітно.

Як ми їх виявили

Як ми взагалі їх побачили? Більшість цих далеких, тьмяних точок не було видно телескопу Галілея чи раннім роботизованим зондам. Для цього знадобилася зміна стратегії виявлення. Починаючи з 2000 року, астрономи почали застосовувати нові методи електронної детекції для пошуку більш тьмяних об’єктів у Сонячній системі. Мета була проста: знайти дрібніші об’єкти. Технологія дозволила їм уловлювати сигнали від об’єктів, занадто тьмяних виявлення старими методами.

Деякі з цих відкриттів були зроблені за допомогою наземних обсерваторій, які використовують нові електронні методи. Інші виявили «Кассіні», космічним апаратом, який провів роки в картографуванні сатурніанської системи. Без пильного погляду «Кассіні» та без покращених наземних датчиків це зовнішнє населення, ймовірно, залишалося б для нас невидимим.

Захоплені, а не первинні

Чому це має значення? Це змінює наше розуміння історії Сатурна. Ці зовнішні тіла, схоже, є первинними супутниками. Вони не сформувалися на місці разом із Сатурном із вихідного диска газу та пилу. Натомість вони виглядають як захоплені об’єкти. Або фрагменти цих об’єктів.

Подумайте про це. Місяць, народжений в іншому місці, можливо, в поясі Койпера або далі в туманності, був притягнутий гравітацією Сатурна і застряг там. Це небесне викрадення. Неправильні орбіти – це шрами від цієї події захоплення. Високий спосіб та ексцентриситет є результатом хаотичного впровадження в систему.

Це передбачає, що Сатурн має складну гравітаційну історію, де він не просто створив свою сім’ю з нуля. Він украв сусідів. Він збирав уламки. Зовнішнє кільце супутників — це не родина, а колекція біженців.

Крижані світи Сатурна

Титан – це не просто великий супутник. Це єдиний супутник у нашій Сонячній системі, що має хмари, щільну атмосферу та справжні рідкі озера. Його тверде тіло має діаметр 5150 км (3200 миль). За розміром він поступається лише Ганімеду, супутнику Юпітера.

Його щільність низька – лише 1,88 грама на кубічний сантиметр. Це число розповідає історію про те, що знаходиться усередині. Це не просто камінь. Це суміш силікатів та льодів. Лід, ймовірно, є водою, що замерзла разом з аміаком і метаном.

Повітря тут важке. Тиск поверхні становить 1,5 бар. Це на 50% вище, ніж Землі. Домінує азот. Метан становить близько 5%. У суміші є сліди інших вуглецевих сполук.

Довгий час поверхня залишалася прихованою. Густий коричнево-червоний серпанок закривав огляд. Ми не могли побачити нічого значущого, поки не прибула станція Кассіні-Гюйгенс. Дані змінили все.

Поверхня Титану сформована процесами, напрочуд схожими на земні: опадами, перебігом рідин, вітром і навіть можливими вулканами.

Апарат виявив складний рельєф. Йдуть дощі. Течуть рідини. Вітер формує ландшафт. Є й ударні кратери. Можливо, є тектонічна активність. Це не мертва скеля. Це активний світ.

А ще є інші супутники.

Вони набагато менші. І переважно позбавлені атмосфери. Енцелад – виняток. «Кассіні» виявив викиди водяної пари з її південного полюса. Але що щодо інших? Нічого не виявлено.

Їхня щільність ще нижча — від 1 до 1,5 грама на кубічний сантиметр. Спектроскопія це підтверджує. Вони багаті на льоду. В основному водяним льодом. Іноді змішаним із вуглекислим газом або аміаком.

На відстані Сатурна від Сонця холодно. Безкомпромісно холодно. Лід веде себе як камінь. Він не тече та не відновлюється. Ударні кратери залишаються вигравіруваними на поверхні протягом еонів.

Здалеку вони схожі на Місяць Землі. Кратерні. Сірі. Мертві.

Але ця схожість поверхова. Хімічний склад відрізняється. Історія відрізняється. Це не просто каміння, вкрите інеєм. Це крижані світи, які чекають на своє розуміння.

Місяць, скалічений насильством

Мімас виглядає так, начебто програв бій поясу астероїдів. Його поверхня поцяткована кратерами, являючи собою хаотичний ландшафт, що нагадує суворі нагір’я нашого власного Місяця. Але є одна особливість, яка робить цей крижаний супутник справді унікальним у Сонячній системі. Не просто великий. Пропорційно потужний.

У центрі цього хаосу є кратер Гершель.

Названий на честь Вільяма Гершеля, астронома XVIII століття, що відкрив Мімас у 1789 році, цей ударний кратер є свідченням чистої кінетичної енергії. Діаметр кратера становить 130 км. Щоб зрозуміти масштаб, це одна третина всього діаметра самого Мімаса. Якби ви стояли на краю, ви б дивилися не просто на яму. Ви б дивилися на третину вашого світу.

Ушкодження глибокі. Кратер іде приблизно на 10 кілометрів углиб кори. Зовнішні стіни піднімаються приблизно на 5 кілометрів заввишки. Це вище, ніж висота гори Еверест від основи до вершини.

Чому це важливо?

Це розповідає нам про нестабільність ранньої Сонячної системи. Мімас не просто існував. Він вижив. Зіткнення такого масштабу мало б повністю зруйнувати місяць. Натомість вона вціліла. Геометрія кратера вказує на те, що удар був майже перпендикулярним. Пряме влучення.

Ми бачимо той самий патерн на інших крижаних тілах. Близький до Мімасу Енцелад показує ознаки припливного нагріву, але Мімас залишається холодним та мертвим. Його поверхня не змінюється. Вона зберігає шрами.

Масштаб важко уявити, доки ви не порівняєте його. Кратер настільки великий, що центрального піку немає. Або, можливо, він звалився. Або, можливо, його спочатку не було. Стіни круті. Деякі ділянки виглядають так, ніби вони сповзли у порожнечу.

Це не просто камінь із вм’ятиною. Це – попередження.

Якщо щось настільки маленьке може витримати такий удар і продовжувати обертатися, що станеться при зіткненні більших тіл? Кратер Гершель – це застиглий момент насильства. Він сфотографував ту саму секунду, коли Мімас майже загинув.

Ми картуємо ці кратери, щоб датувати поверхню. Старіші області мають більше ударів. Молодші області мають менше ударів. Гершель стародавній. Він існує від початку фази очищення планетного диска.

Вчені вивчають співвідношення глибини до діаметру, аби зрозуміти надра. Чи є Мімас твердим льодом? Чи є під ним рідкий океан? Структура кратера натякає на внутрішню міцність місяця. Вона витримала. Насилу.

Наступного разу, коли ви подивіться на Місяць, подумайте про Мімаса. Крихітному, далекому світі, що носить шрам розміром у третину його власного розміру.

Енцелад – яскрава аномалія. Його поверхня відбиває більше світла, ніж свіжий сніг Землі. На знімках апарату Voyager були виявлені великі ділянки з майже повною відсутністю великих кратерів. Гладкі рівнини та горбисті місцевості домінують у ландшафті. Це свідчить про нещодавню внутрішню теплову активність. Плавлення та оновлення поверхні відбувалися останні 100 мільйонів років. Енцелад геологічно молодий.

Спектральні дані зонду Cassini підтвердили, що лід складається майже із чистої води. Але справжня історія розгортається у районі південного полюса. Там знаходиться гаряча точка із температурою 140 Кельвінів (−208 °F). Це дуже висока температура для пояснення лише сонячним нагріванням. На супутнику є «тигрові смуги» — дивні геологічні розломи.

Ці тріщини викидають частинки водяного льоду у космос. Фонтани живлять кільце E Сатурна. Супутник викидає близько 1000 тонн матеріалу щорічно. Частинки крихітні. Їхній розмір становить приблизно один мікрометр. Вони зникають протягом кількох тисяч років через орбітальну динаміку. Якщо кільце існує зараз, значить супутник активно його поповнює. Джерело – підповерхневий океан. Ймовірно він покриває весь супутник. Гідротермальні джерела, ймовірно, посіюють дно океану на глибині 30-40 км під поверхнею.

Більш старі та сухі сусіди

Тетіда розповідає іншу історію. Вона більша за Енцелад, але набагато менш активна. Поверхня сильно кратерована. Вона виглядає старою. Є слабкі ознаки повзучого руху льоду або в’язкої течії. Але немає ознак масштабного поновлення поверхні.

Діона та Рея схожі. Їхні поверхні нагадують місячні нагір’я. Багато кратерів. Яскраві плями вказують на оголений свіжий лід. Однак Діона демонструє більш недавню активність, незважаючи на те, що менше Реї. Вона має оновлені рівнини. Системи розломів пронизують її кору. Внутрішнє тепло відігравало тут свою роль.

Темна сторона Япета

Япетет дивний. Його провідна і ведена півкулі мають різко різну відбивну здатність. Ведуча сторона неймовірно темна. Найтемніший матеріал знаходиться в апексі її орбітального руху. Cassini виявив там вуглекислий газ, органічні речовини та сполуки ціаніду.

Ведена сторона – протилежність. Вона відбиває до 10 разів більше світла. Вона сильно кратерована і складається здебільшого з водяного льоду.

Чому такий поділ? Темний матеріал із пилового кільця Феби накопичується на провідній півкулі. Цей темний пил поглинає сонячне світло. Регіон нагрівається. Водяний лід там перетворюється на пару. Пара мігрує. Він конденсується і замерзає більш холодному веденому півкулі. Цей процес посилює контраст. Низька середня щільність Япета припускає, що супутник здебільшого складається з водяного льоду по всьому об’єму.

Динаміка супутників Сатурна не статична. Це хаотична пульсуюча система гравітаційних обмінів, яка не піддається простому поясненню. Деякі з цих явищ безпосередньо пов’язані з кільцями планети, створюючи головоломку, яку вчені досі намагаються розгадати.

Розглянемо маленькі супутники Янус, Епіметей та Пандору. Вони знаходяться у зовнішнього краю основної системи кілець. Гравітаційна взаємодія з частинками кілець виштовхує їх назовні. Це дуже мала сила. Але вона стала. Цей обмін кутовим моментом робить дві речі. Він зменшує розсіювання, викликане зіткненнями у кільцях. Він також виштовхує супутники більш високі орбіти.

Ось у чому проблема. Ці супутники крихітні. Якби цей процес продовжувався протягом усієї історії Сонячної системи, вони виявилися б далеко за межами своїх поточних позицій. Але це не відбувається. Різкий зовнішній край основного кільця зберігається. Внутрішні супутники, як Атлас, залишаються на своїх місцях. Це підтверджує тривожну гіпотезу: поточна система кілець набагато молодша за самого Сатурна.

Супутники-пастухи

Пандора та Прометей – найвідоміші приклади утримання. Voyager 1 відобразив їх на орбітах по обидва боки від вузького кільця F. Pioneer 11 виявив це кільце всього за рік до цього.

Термін «супутник-пастух» тут цілком доречний. Ці тіла утримують частинки кілець у вузькій смузі. Прометей діє як внутрішній пастух. Він виштовхує кільце назовні. Ця дія тягне самого Прометея усередину. Пандора – зовнішній пастух. Вона отримує кутовий момент від кільця. Це виштовхує кільце всередину і виштовхує саму Пандор назовні.

Місія Cassini зафіксувала це ясно. Складні хвилеподібні смуги частинок витягуються з кільця F у міру проходження супутників-пастухів.

Термін “пастух” часто використовується для опису будь-якого супутника, який обмежує довжину кільця за допомогою гравітаційних сил.

Це визначення широке. Воно включає Янус та Епіметей, ефекти кілець яких описані вище. Він також включає супутників, які створюють розриви, таких як Пан.

Орбітальні партнери

Янус і Епіметей поділяють ту саму середню орбіту. Вони є коорбітальними супутниками. Кожні кілька років вони зближуються. Їхня гравітація взаємодіє. Один передає кутовий момент іншому. Одержувач переходить на трохи вищу орбіту. Передавач опускається на трохи нижчу. Процес повторюється у порядку при наступному зближенні.

Не всі коорбітальні супутники поводяться таким чином. У Тефіди та Діони теж є супутники-компаньйони. Але Тефіда та Діона масивні. Значного обміну кутовим моментом немає. Натомість їхні супутники-компаньйони перебувають у стабільних точках Лагранжа.

Телесто і Каліпсо випереджають та відстають від Тефіди на 60°. Вони аналогічні троянським астероїдам на орбіті Юпітера. Гелена і Полідевк роблять те саме для Діони. Вони в середньому випереджають та відстають.

Резонанс і тепло

Існує кілька пар супутників, що у стабільних динамічних резонансах. Вони періодично проходять повз один одного. Їхні орбітальні періоди співвідносяться як невеликі цілі числа.

Візьмемо Гіперіон та Титан. Титан здійснює оборот за 15,94 дні. Гіперіону потрібно 21,28 дня. Співвідношення приблизно 4:3. Титан здійснює чотири обороти, тоді як Гіперіон здійснює три. Вони завжди зближуються найближче в апоапі Гіперіона — найдальшій точці його еліптичної орбіти.

Маса Титану більш ніж у 50 разів перевищує масу гіперіону. Він передає найбільший імпульс в тих самих точках орбіти Гіперіона. Ці періодичні «поштовхи» змушують гіперіон перебувати на відносно витягнутій, ексцентричній орбіті.

Це має значення для геологічної еволюції. Резонанси можуть змушувати орбітальні ексцентриситети набувати великих значень.

Зазвичай приливні взаємодії зменшують ексцентриситет. Гравітаційне тяжіння Сатурна циклічно деформує найближчі супутники. Ця гальмівна дія викликає синхронне обертання. Супутник обертається з тією ж швидкістю, якою обертається навколо планети. Одна й та сама півкуля завжди звернена до планети. Так робить Місяць Землі. Також роблять кілька внутрішніх супутників Сатурна.

Коли супутник обертається синхронно, деформація є стаціонарною у системі відліку. Тертя та нагрівання припиняються.

Але резонанс змінює все. Супутник, змушений резонансом перебувати на ексцентричній орбіті, відчуває приливну взаємодію навіть за синхронного обертання. Він поперемінно віддаляється від планети і наближається до неї. Деформація стає динамічною. Вона генерує тепло за рахунок внутрішнього тертя.

Іо Юпітера – крайній приклад. Резонанс із Європою змушує її рухатися ексцентричною орбітою. Іо — вулканічно активне тіло в Сонячній системі.

Супутники Сатурна, ймовірно, дотримуються аналогічної логіки. Якщо резонанси підтримують їхні ексцентриситети, вони, можливо, ще нагріваються зсередини. Питання, чи можемо ми виявити це тепло. Або молодість кілець вказує на те, що система повністю перезавантажилася, стерши будь-яку попередню теплову історію.

Приховане тепло супутників Сатурна

Сучасні моделі показують, що припливні сили в даний час не відіграють значної ролі у нагріванні супутників Сатурна. Математичні розрахунки цього не підтверджують. Проте минуле розповідає іншу історію. У ті часи тертя могло бути дуже суттєвим. Це нагадує нам, що ці небесні тіла змінюються. Вони остигають. Вони зміщуються.

Візьмемо, наприклад, Енцелад. Його південний полюс — зовсім інша річ. Знамениті «тигрові смуги» є широкими тріщинами. Вони викидають крижаний матеріал у космос. Цей уламковий матеріал формує дифузне кільце E. Супутник обертається усередині цього кільця. Зв’язок тут прямий.

Вчені досі намагаються точно визначити причину цієї теплової активності. Тріщини гарячі. Занадто гарячі для простого радіогенного розпаду. Провідна теорія свідчить про приливну деформацію. Навіть якщо поточне тепловиділення невелике, механічна напруга, створювана гравітацією Сатурна на корі супутника, ймовірно, двигун процесу. Воно деформує лід. Це тертя генерує тепло. Воно підтримує рідкий стан підповерхневого океану.

Тигрові лінії є сучасним джерелом крижаного матеріалу для дифузного кільця E.

Йдеться не лише про гарні кільця. Йдеться про житло. Якби в минулому приливні сили були сильнішими, ці супутники могли б довше залишатися теплими. Умови для життя могли існувати тоді, коли їх зараз немає. Ми спостерігаємо геологічну хронологію. А не статичний знімок.

Залишається питання: чи ми можемо виявити цю давню активність? Поверхнева геологія пропонує підказки. Тріщини. Гладкі рівнини. Події оновлення поверхні. Все це вказує на динамічну внутрішню будову. Гравітація Сатурна – це сила, що тягне. Вона ніколи не припиняється. Вона лише змінює інтенсивність. Розуміння цього процесу допомагає нам пророкувати, як можуть виглядати інші супутники. Ближче до своїх планет. Тепліше. Активніші.

Гіперіон порушує правила. Більшість супутників у Сонячній системі захоплюються у синхронне обертання, оскільки приливні сили синхронізують їхнє обертання з орбітальним рухом. Гіперіон відмовляється підкорятися. Його витягнута орбіта і химерно несферична форма створюють хаотичне перетягування каната між кутовим моментом обертання і орбітальним кутовим моментом. Результатом є хаос. Математично це непередбачувано.

“Вояджер” зафіксував несинхронне обертання з періодом близько 13 днів. Це була лише окрема вибірка. Якщо застосувати до цих даних теорію хаосу, об’єднавши їх із пізнішими наземними спостереженнями, картина стає ясною. Гіперіон перекидається. Це єдиний відомий об’єкт у Сонячній системі, що обертається хаотичним чином. Неможливо передбачити, якою стороною його буде звернено наступного моменту.

Спостереження Сатурна із Землі

Навіть в ідеальних умовах на Землі телескопи не можуть дозволити деталі на Сатурні розміром менше кількох тисяч кілометрів. До прольоту космічних апаратів ми майже нічого не знали про тонкі деталі кілець або атмосферу.

Розрив Енке в кільці A – гарний приклад. Йоганн Франц Енке повідомив про нього у 1837 році. Протягом понад століття люди сумнівалися у його існуванні. Лише 1978 року Гарольд Райтсма підтвердив його наявність. Він використовував вимірювання затемнення місяця Япет кільцями Сатурна, щоб отримати дозвіл краще, ніж дозволяли звичайні методи наземних.

Сучасні наземні дослідження використовують різноманітні прийоми. Інфрачервона спектроскопія розкриває склад та тепловий баланс кілець, атмосфери та супутників. Також можна отримати дозвіл у масштабах кілометрів, спостерігаючи за проходженням яскравих зірок за планетою. Це називається окультацією. У 1989 році Сатурн і Титан обидва окультували яскраву зірку 28 Стрільця. Це дозволило астрономам побачити структуру кілець та атмосфери з чіткістю, яка не досягнута з часів «Вояджера».

Потім відбулася Велика Біла Пляма 1990 року. Його спостерігали наземні телескопи та космічний телескоп «Хаббл». «Хаббл» знаходився вище спотворювального впливу земної атмосфери. Дані були чистими. 1995 року Земля пройшла через площину кілець Сатурна. Вигляд з ребра дозволив безпосередньо визначити товщину кілець. Це також дозволило точно виміряти швидкість прецесії осі обертання Сатурна.

Місії «Піонерів» та «Вояджерів»

“Піонер-11” був першим. Запущений на початку 1970-х років, він спочатку прямував до Юпітера. Вчені, які планували місію, не передбачали зупинки Сатурна. Проте гравітація Юпітера допомогла їм змінити курс зонду. Вони використовували гравітаційний маневр, щоб направити його до Сатурна.

1979 року «Піонер-11» пройшов через площину кілець. Він наблизився до кільця A на відстань 38000 км (24000 миль). До атмосфери Сатурна він підійшов на відстань 21000 км (13000 миль). Досить близько, щоб, мабуть, відчути тепло.

За ними пішли «Вояджер-1» та «Вояджер-2». Запущені в 1977 році, вони також були націлені на Юпітер. Ці два зонди несли набагато складніше обладнання для зйомки. Вони були створені для послідовних прольотів повз декілька планет з конкретними науковими завданнями в кожній точці призначення.

Як і Піонер, вони використовували масу Юпітера для гравітаційних маневрів. Це змінило їх траєкторії у бік Сатурна. «Вояджер-1» прибув 1980 року. «Вояджер-2» – 1981 року. Разом вони повернули десятки тисяч зображень Сатурна, його кілець та супутників. Дані були пригнічуючими. Детальними. Реальними.

Місія Кассіні-Гюйгенс була не просто подорожжю до Сатурна. Це була двадцятирічна дипломатична та інженерна перемога, в якій брали участь NASA, ESA та ASI (Італія). Запущена 1997 року, космічна станція не летіла прямою. Вона використала космічну коротку дорогу.

Гравітаційні маневри у Венери, Землі та Юпітера розігнали її у бік зовнішніх планет Сонячної системи. До 2004 вона прибула на місце. Маса апарату разом із паливом становила майже шість метричних тонн. Це була одна з найважчих, найдорожчих і найскладніших машин, коли-небудь створених людством.

Але апарат був лише половиною історії.

Загадка у дві частини

Місія складалася із двох різних частин.

“Кассіні” вийшов на орбіту Сатурна. Він вивчав кільця, атмосферу планети та крижані супутники.

“Гюйгенс” відокремився. Він опустився через густу помаранчеву атмосферу Титану. Він не мав парашута на весь шлях, але він м’яко приземлився на тверду поверхню в січні 2005 року.

Протягом трьох годин “Гюйгенс” передавав дані. Зображення. Хімічні свідчення. “Кассіні” приймав сигнал і передавав його на Землю. Вчені реального часу спостерігали, як людство вперше торкнулося поверхні далекого супутника.

Чому кінець був запланований

Ми часто думаємо, що космічні місії закінчуються через брак палива чи поломок. Кінець «Кассіні» був іншим. Це був свідомий вибір.

До 2017 року паливо закінчилося. Космічний апарат також виявився надто близько до супутників, які можуть приховувати життя. На Титані є рідкі озера. На Енцеладі фонтани викидають водяний лід у космос із його південного полюса. Це були основні кандидати на наявність позаземної біології.

Якби «Кассіні» випадково розбився об один із цих супутників, земні бактерії могли б їх забруднити. Вченим слід було бути впевненими.

Тому вони направили зонд у Сатурн.

Останнє занурення

Останніми місяцями «Кассіні» не залишався далеко. Він поринув у верхні шари атмосфери планети. Він пролетів у зазорі між Сатурном та його кільцями. Він виміряв гравітаційні та магнітні поля з безпрецедентною точністю.

Потім він увійшов до атмосфери. Тепло та тиск знищили його.

Це була невдача. То справді був протокол карантину.

Знищивши «Кассіні», NASA забезпечило збереження чистоти Титану та Енцеладу. Якщо ми колись відправимо туди зонди, які несуть життя, ми не тягтимемо із собою «земних привидів». Ми матимемо чистий лист.

Місія закінчилася не катастрофою, а контрольованою самопожертвою. Останнім актом планетарного захисту.

Що ми дізналися

Дані, зібрані за 13 років, змінили наше розуміння Сонячної системи. Ми побачили погодні патерни на Сатурні, які змагалися із земними штормами. Ми склали карту складної структури кілець. Ми підтвердили, що озера Титану складаються з метану та етану. Ми виявили, що Енцелад має підповерхневий океан.

Ці відкриття свідчать, що середовища, які підтримують життя, можуть бути більш поширеними, ніж ми думали. Не лише на скелястих планетах поряд із зіркою, а й у льодах та темряві зовнішніх областей Сонячної системи.

«Кассіні» дав нам глухий світ, який не схожий на Землю. Але який веде себе з аналогічною складністю.

Апарат зник. Дані залишились. І питання