«Семья Солнца» – так в русском переводе называется книга известного американского астронома Фреда Уипла, имеющая подзаголовок «Планеты и спутники Солнечной системы» (М.: Мир, 1984). Сегодня, окидывая взглядом это множество космических «родственников», хочется назвать их не семьей, а племенем, в котором несколько семей совместно живут в одной деревне под руководством верховного вождя. Разумеется, вождь – это Солнце; в его лучах греются окружающие: лучше других согреваются приближенные, но и далеким кое-что достается. Гравитация Солнца поддерживает общий порядок и сплоченность племени, не вмешиваясь, однако, с мелочной опекой в семейные дела. А семьи, как вы поняли, – это планеты с их спутниками. Среди них нет двух одинаковых, хотя у них есть нечто общее – иерархия.

 

Вниз по иерархической лестнице

В мире гравитации царствует иерархия: большинство космических тел объединено в связанные системы различного масштаба. Их члены находятся в постоянном движении, но при этом никогда – или очень долго – не покидают областей, границы которых определены энергией их движения. Давайте окинем взглядом «древо» гравитационно-связанных систем, переходя от самых больших масштабов Вселенной к меньшим. На высшей ступени этой иерархии мы встречаем скопления галактик, поскольку объединяющие их сверхскопления не являются связанными системами: они почти свободно расширяются по закону Хаббла. Следующая ступень – малонаселенные группы, нередко обитающие на периферии скоплений и состоящие из нескольких звездных систем. В одну из таких групп, Местную группу, входит и наша Галактика, но доминирует в ней Туманность Андромеды. Гравитация этих двух гигантов управляет движением остальных членов группы, причем каждый из гигантов удерживает свою свиту, а это уже следующая ступень иерархии.

Опустимся еще на одну ступень – внутрь Галактики, где звезды образуют различные структуры. Наиболее крупные из них, такие как спиральные рукава и бары дисковых галактик, – это фазовые агрегаты, волны, бегущие по «звездному морю». Ни одна звезда не задерживается в них надолго, а рисунок на теле галактики сохраняется лишь благодаря согласованному движению миллиардов звезд. На нашей «лестнице» этим структурам нет места. Галактика безжалостно перемалывает слишком рыхлые звездные агрегаты, остатки которых – звездные ассоциации, движущиеся скопления – иногда обнаруживаются в потоках звезд.

Рис. 8.1. Одна из высших ступеней космической иерархии – скопление галактик. Слева – центральная часть известного скопления в созвездии Персей, в котором доминирует активная галактика NGC 1275 (левее центра). Следующая ступень иерархии – отдельные галактики и их кратные системы. Справа – одиночная галактика NGC 7320 (левее центра) и группа галактик из так называемого Квинтета Стефана (NGC 7317-19). Фото: HST, NASA, ESO, CFHT.

Но достаточно плотные звездные коллективы все же способны противостоять разрушающим силам Галактики: это звездные скопления – непременные жители любой крупной звездной системы. Некоторые звездные скопления – шаровые – содержат сотни тысяч и даже миллионы звезд, другие же, рассеянные, – от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч светил.

На первый взгляд, в звездных скоплениях царит полный хаос. Но это не так. Выбрав наугад звезду и приблизившись к ней (хотя бы с помощью телескопа), мы заметим, что иерархическая лестница не оборвалась: оказывается, внутри скоплений звезды редко живут поодиночке, многие из них объединены в двойные системы. А вне скоплений, где не так тесно, есть и тройные, и четырехкратные, и еще более сложные звездные семьи. При этом большинство из них тоже иерархично: даже простейшая тройная система содержит два уровня иерархии – плотная пара плюс удаленный спутник (см. рис. 6.10). В более населенных системах может быть еще больше уровней иерархии. Разумеется, существуют и «одиночные» звезды, рядом с которыми мы не видим светил сравнимой яркости. Однако даже те звезды, которые не имеют рядом с собой ярких спутников, часто сопровождаются небольшими тусклыми телами – коричневыми карликами, или же вообще не самосветящимися телами – планетами; хотя их нельзя считать совершенно холодными, но все же это не звезды (см. главу 6).

Рис. 8.2. В галактиках часть звезд объединена в звездные скопления, похожие на Плеяды (слева). В бедных скоплениях, содержащих до дюжины звезд, их движение носит регулярный характер: относительное расположение соседей сохраняется. В крупных скоплениях звезды движутся хаотически, но при этом они часто объединены в пары и иногда могут обмениваться веществом, как это наблюдается у гигантской звезды Мира в созвездии Кита и ее соседа – белого карлика (справа).

Итак, спускаясь по иерархической лестнице, мы достигли уровня планетных систем. Казалось бы, это последняя ступень, ибо в планетной системе есть «главный дирижер и оркестр»: вокруг доминирующей по массе звезды обращается скопище значительно меньших тел – планет, астероидов, комет. Звезда полностью подчиняет себе их движение, и любая «самодеятельность» здесь кажется невозможной. Однако это не так! У гравитации есть два важнейших свойства: она ничем не экранируется и сильно зависит от расстояния. Поэтому каждый достаточно уединенный объект способен контролировать вокруг себя некоторую область. Такая область влияния есть вокруг любой планеты, и в ней могут удерживаться еще менее массивные тела – спутники.

Мы так долго спускались по иерархической лестнице гравитационно связанных систем, что уже невольно ожидаем встретить на ней и следующие ступени. Но их нет! Выясняется, что у спутников планет нет своих естественных спутников. Во всяком случае, до сих пор они не были обнаружены. Похоже, что планета и ее спутник или спутники – это самая нижняя ступень космической иерархии.

Впрочем, не будем торопиться. В астрономии действует правило: никогда не говори «этого не существует». Лет 20 назад астрономы очень удивились бы, узнав, что спутники есть… у астероидов. Но в 1993 г. стало известно, что они действительно есть. Причем не только одиночные, такие как Дактиль у астероида Ида (243 Ida) или «Маленький принц» у астероида Евгения (45 Eugenia).

Рис. 8.3. Астероид Ида (243 Ida) размером 54x24x15 км и его спутник Дактиль (Dactyl) размером около 1,5 км, сфотографированные в 1993 г. в момент пролета мимо них межпланетного зонда «Галилео» (NASA), направлявшегося к Юпитеру. Общий снимок получен с расстояния 10 500 км, а снимок Дактиля (на врезке) с расстояния 3900 км. Фото: NASA, JPL, USGS.

Очень скоро обнаружились и системы спутников: например, у астероида Сильвия (87 Sylvia) их два – Ромул и Рем. По сравнению с самой Сильвией размером 385x265x230 км они крохи: Ромул в поперечнике 18 км, а Рем – 7 км. Кстати, недавно и у Евгении нашелся второй спутник, вдвое меньший «Маленького принца»; название для него пока не придумали, я бы назвал его «Барашком». Сегодня число астероидов со спутниками уже далеко перевалило за сотню. В большинстве случаев размер орбиты спутника всего лишь в несколько раз больше размера материнского астероида.

Кроме маленьких спутников, сопровождающих большие астероиды, в последние годы были открыты и двойные астероиды с компонентами примерно одинакового размера. Например, астероид Антиопа (90 Antiope) на самом деле представляет собой два 110-километровых близнеца, обращающихся по круговой орбите на расстоянии 170 км друг от друга; минимальное расстояние между их поверхностями около 60 км (см. с. 14 цветной вкладки). Астероид Патрокл (617 Patroclus), относящийся к юпитерианским троянцам, тоже состоит из двух почти одинаковых тел размерами 122 и 113 км, разделенных расстоянием около 690 км. Кроме того, обнаружились спутники и у карликовых

планет, и у сравнительно небольших объектов пояса Койпера. Поэтому не станем делать поспешных выводов: не исключено, что и у спутников планет когда-нибудь будут открыты свои спутники.

 

В мире множества лун

В 1982 г. Борис Силкин опубликовал книгу именно под таким названием – «В мире множества лун», посвященную естественным спутникам планет. Тогда было известно всего 44 спутника, причем 10 из них были открыты в 1979–1980 гг., что и подтолкнуло Бориса Исааковича к созданию книги. Из упомянутых в ней спутников по одному имеют Земля и Плутон (он тогда считался планетой), по два – Марс и Нептун. За Юпитером числилось 16 спутников и подозревалось существование еще одного; в 2000 г. подозрение подтвердилось. У Сатурна насчитывалось 17 спутников и еще 5 числилось за Ураном.

В начале 1980-х гг. астрономы гордились возросшим поголовьем спутников, не догадываясь, какой демографический взрыв предстоит в этом «стаде» в ближайшие годы. Ведь как раз в начале 1980-х гг. на обсерваториях начался переход от фотопластинок к ПЗС-матрицам, которые существенно повысили зоркость телескопов и обеспечили прямой ввод изображения неба в компьютер. Стало возможно быстро осматривать большие области неба и выявлять подвижные объекты.

Прежде для исследования небольшого кусочка неба астроному требовалось на одном и том же телескопе с перерывом в несколько суток получить два снимка этой области на больших стеклянных фотопластинках, которые затем нужно было в специальных растворах проявить, промыть, закрепить, промыть, высушить… и при этом не разбить. А когда фотографии были готовы, начиналось их длительное и кропотливое исследование с помощью специального прибора, блинк-компаратора, позволяющего смотреть на два изображения либо одновременно, либо попеременно, быстро переводя взгляд с одной пластинки на другую. Это помогало заметить крохотные смещения быстро движущихся объектов Солнечной системы на фоне гораздо более далеких «неподвижных» звезд.

С появлением ПЗС-матриц стало возможным последовательно получать множество кадров, не экономя дорогие фотопластинки и не перегружая себя работой по их проявлению и просматриванию. Теперь компьютер сам сравнивает последовательные кадры (см. рис. 4.11) и обнаруживает на них близкие объекты по их смещению на фоне звезд порою всего за полчаса. Затем положение этих объектов компьютер сравнивает с рассчитанным на момент съемки положением всех уже известных объектов Солнечной системы и решает, новые это объекты или уже известные.

Рис. 8.4. Блинк-компаратор Ловелловской обсерватории производства фирмы «Карл Цейсс» (Германия), за которым Клайд Томбо провел 700 часов в поисках новой планеты. На фото, сделанном около 1950 г., Томбо демонстрирует, как он открывал Плутон в 1930 г.

В главе 4 мы узнали, как новые технологии ускорили обнаружение астероидов (см. рис. 4.10); в не меньшей степени ускорилось и обнаружение новых спутников планет (рис. 8.5).

Но не стоит думать, что поиск новых спутников планет уже стал рутинным занятием. О том, насколько это интересная и непростая «охота», можно судить по истории открытия двух первых внешних спутников Урана – Калибана и Сикораксы. Его совершили две группы астрономов: американцы Ф. Никольсон, Дж. Барнс, Б. Марсден, Г. Уильямс, У. Оффутт и их канадские коллеги Б. Глэдман и Дж. Кавелаарс. Используя 5-метровый рефлектор Паломарской обсерватории (США), они в сентябре 1997 г. обнаружили два небольших спутника Урана, удаленные от него значительно дальше, чем любой из уже известных тогда 15 спутников этой планеты.

Этого открытия ждали давно: ранее неоднократно предпринимались попытки найти далекие спутники Урана, чтобы доказать единство строения спутниковых систем у планет-гигантов. В результате пролета в 1979–1989 гг. зондов «Вояджер-1» и «Вояджер-2» мимо Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна выяснилось, что каждая из этих массивных планет окружена кольцом, в котором или рядом с которым движутся крохотные спутники, как правило, размером несколько десятков километров.

Рис. 8.5. Количество спутников планет, обнаруженных к указанному году.

Дальше от планеты движутся массивные спутники типа нашей Луны. А еще дальше планету сопровождают маленькие «неправильные» спутники. Их называют так за особенности орбит: если близкие к планете спутники движутся по круговым орбитам, лежащим в плоскости экватора планеты, то далекие спутники движутся по «неправильным» орбитам – заметно вытянутым и тяготеющим не к экватору планеты, а к плоскости ее орбиты. Так проявляет себя гравитационное влияние Солнца, которое на большом расстоянии от планеты уже сравнимо с ее собственным притяжением.

Исключение из этой стройной картины представлял тогда лишь Уран, лишенный, как казалось, неправильных спутников. Все его 15 лун, известных к сентябрю 1997 г., обитали сравнительно близко от планеты, обращаясь в плоскости ее экватора, которая, как известно, почти перпендикулярна плоскости орбиты планеты (часто в шутку говорят, что Уран «лежит на боку»). Но с обнаружением двух новых лун все стало на свои места: они оказались типичными неправильными спутниками. У них небольшой размер, порядка 100 км, и движутся они по весьма вытянутым орбитам, лежащим ближе к орбитальной плоскости планеты, чем к ее экватору. Ожидания астрономов, привыкших искать гармонию в строении Солнечной системы, подтвердились и на этот раз.

Однако возникает резонный вопрос: а почему эти спутники Урана не были открыты раньше? Действительно, интерес к их поиску возник давно, Паломарский 5-метровый телескоп работает уже полстолетия, чего же не хватало? А не хватало чувствительных электронных приемников света (ПЗС-матриц) и быстрых компьютеров для автоматического поиска движущихся объектов на оцифрованных изображениях. Только воспользовавшись этими приборами, сделавшими старый Паломарский телескоп значительно более зорким, астрономы смогли глубоко и детально несколько раз «прочесать» большую область вокруг Урана, угловой размер которой (20′х20′) почти равен размеру лунного диска. На этой площади содержится бесчисленное количество слабых звезд и галактик, изображения которых в принципе ничем не отличаются от слабеньких пятнышек ожидавшихся спутников. Но среди всех этих «гор пустой породы» компьютер смог выделить те немногие изображения, которые за время между экспозициями (около 1 часа) чуть-чуть передвинулись среди звезд из-за относительного движения Земли и Урана с семейством его спутников.

Но процесс открытия на этом не завершился, а только начался. Необходимо было подтвердить существование новых членов Солнечной системы, измерить их характеристики и определить орбиты. Пока орбита нового тела неизвестна и его положение нельзя предвычислить на несколько дней вперед, это тело вполне может быть потеряно (что уже неоднократно бывало в истории астрономии), например, из-за нескольких дней плохой погоды, не позволяющей проводить наблюдения. Поэтому в работу немедленно были включены большие и средние телескопы разных обсерваторий – в Калифорнии и Нью-Мексико, на островах Гавайи и Пальма. Кроме этого были просмотрены все ранее полученные изображения области неба вокруг Урана в надежде отыскать на них следы новых спутников. Как всегда, они нашлись: не так уж трудно сделать находку, когда точно знаешь, где и что нужно искать. Но для авторов этих старых снимков, пытавшихся многие годы назад сделать свое открытие и «проморгавших» его, подобное известие прозвучало весьма драматически. Можно представить огорчение американского астронома Дейва Крукшенка, сделавшего в 1984 г. неудачную попытку фотографически обнаружить эти же спутники Урана, когда оказалось, что на его фотопластинках изображения спутников все же были зарегистрированы, но не опознаны.

Впрочем, в истории астрономии и это тоже происходит не впервые. Хрестоматийный пример – Галилео Галилей, «проморгавший» новую планету Нептун. Изучая движение открытых им в 1610 г. спутников Юпитера, Галилей систематически зарисовывал в своей рабочей тетради их положение на фоне неподвижных звезд. Как выяснили современные астрономы, в 1612 г. Галилей отметил положение неизвестной тогда планеты Нептун, приняв ее за одну из звезд. Лишь спустя два с лишним столетия Урбен Леверье открыл Нептун «на кончике пера», и по его указанию Галле и Д’Арре нашли новую планету на небе. Хорошо, что Галилей об этом уже не узнал – ведь он был честолюбив. Впрочем, его случайное наблюдение не пропало для науки: использовав не очень точное, но зато удаленное по времени положение Нептуна, отмеченное Галилеем, астрономы смогли построить высокоточную теорию движения этой планеты. Нашему современнику Дейву Крукшенку остается утешать себя примером Галилея: положение новых спутников Урана в 1984 г. помогло астрономам выяснить особенности движения этих любопытных объектов. Именно характер их движения даст возможность понять историю происхождения спутников, тесно связанную как с эволюцией Солнечной системы в целом, так и с формированием «микропланетной» системы Урана.

Эпоха «великих географических открытий» в Солнечной системе еще далека от завершения. Но уже сейчас приятно посмотреть на богатое семейство спутников планет. Если брать в расчет все спутники, принадлежащие большим планетам, карликовым планетам и астероидам, то в 2010 г. их насчитывалось около 340 с точно определенными орбитами. Еще порядка 150 мелких тел замечено в кольцах Сатурна, но их орбиты пока не определены. Как видим, с 1980 г. «множество лун» значительно возросло. Правда, за прошедшие 30 лет так и не были обнаружены спутники у Меркурия и Венеры, «не обзавелись» новыми спутниками Земля и Марс, а Плутон вообще был выведен из состава планет. Зато у четырех планет-гигантов вместо 41 теперь известно 165 спутников. Этим четырехкратным ростом в некоторой степени мы обязаны космонавтике (особенно зондам «Вояджер-2» и «Кассини»), но основная заслуга все же принадлежит наземной астрономии. Гигантские телескопы с адаптивной оптикой, а также космический «Хаббл» помогли обнаружить не только новые спутники планет, но и спутники карликовых планет – два новых у Плутона, два у Хаумеи и один у Эриды. К тому же более сотни спутников обнаружено у астероидов и около шестидесяти – у объектов за орбитой Нептуна.

Как видим, число спутников нарастает подобно лавине. По мере детального исследования колец вокруг планет-гигантов число спутников у этих планет вообще может превысить разумный предел. Дело в том, что до сих пор не проведена нижняя граница размера «спутника планеты», а кольца – это мириады камней всевозможного размера. Если не установить нижнюю границу размера тел, называемых спутниками, то каталоги спутников станут безразмерными.

Любопытно, что с похожей проблемой столкнулись в последние годы исследователи переменных звезд: чем выше точность фотометрических измерений, тем большее число звезд демонстрирует переменность блеска. Еще недавно несколько тысяч переменных звезд умещалось в одном каталоге, а после создания космических телескопов с большим полем зрения и высокой фотометрической точностью чуть ли не каждая звезда стала проявлять себя как переменная. Составители «Общего каталога переменных звезд» уже не в состоянии обрабатывать поступающий к ним гигантский поток данных. Такие же трудности грозят и исследователям спутников планет. Похоже, что в ближайшее время придется ввести новую категорию тел, более мелких, чем спутники, назвав ее, например, «околопланетный мусор» (более удачные названия принимаются).

Специалисты считают, что в ближайшем будущем придется отказаться от того, чтобы давать имена очень маленьким спутникам. Из-за стремительно растущего темпа их открытия приходится расширять используемые категории имен для спутников Юпитера и Сатурна, которые пока берутся из греко-римской мифологии. Раньше спутникам Юпитера давали имена возлюбленных Зевса/Юпитера, однако сейчас в банк названий включили также имена потомков Зевса. Спутники Сатурна пока что называют в честь греко-римских титанов и их потомков – гигантов. Чтобы расширить «национальный состав», сейчас используются также имена гигантов и монстров из других мифологий – галльской, инуитской и норвежской. Но и эти имена когда-то закончатся, а количество спутников лишь увеличивается.

Из сотен зарегистрированных сегодня спутников только Луна была известна с глубокой древности, а остальные открыли с помощью телескопов и космических зондов. Конечно, Луну трудно не заметить: в полнолуние ее блеск достигает почти -13m. Спутники других планет недоступны невооруженному глазу, и только четыре галилеевых спутника Юпитера могли бы быть видны как звездочки 5m, если бы не соседство яркого Юпитера. Люди с особо острым зрением способны заметить присутствие спутников вблизи Юпитера (я этому свидетель), но верно интерпретировать увиденное, вероятно, может только человек, заранее знающий о существовании этих тел. Без труда спутники Юпитера различаются в полевой бинокль, по характеристикам близкий к первым телескопам Галилея.

Именно галилеевы спутники Юпитера были открыты первыми сразу после изобретения телескопа. А затем, по мере совершенствования астрономической оптики, становились известными все более мелкие и далекие спутники (см. табл. 3.1 на с. 99). Применение фотографии еще дальше продвинуло эту работу, позволив обнаруживать рядом с ближайшими планетами-гигантами спутники размером 10–20 км. Наконец, запуск космических зондов и использование ПЗС-камер на телескопах 10-метрового калибра сделали возможным обнаружение совсем крохотных тел размером до 1 км.

Неудивительно, что неспециалисту многочисленные спутники планет кажутся «все на одно лицо». Лишь упоминание Луны вызывает у несведущего человека интерес и некоторые ассоциации. А со спутниками других планет не связаны легенды и предания, в их честь не совершали жертвоприношения, древние народы не использовали их для счета времени. Однако для специалиста-планетолога каждый спутник – это уникальный мир, не менее важный и интересный, чем наша вечная соседка Луна. Более того, система спутников каждой планеты – это своеобразный аналог Солнечной системы, со своими закономерностями в распределении спутников по орбитам и их физическим свойствам. Поэтому поиск новых спутников будет продолжаться как вглубь – ко все более мелким телам, так и вширь – охватывая все большую область вокруг каждой планеты. В связи с этим зададимся вопросом: каков максимально возможный размер спутниковой системы?

Поскольку спутником мы называем объект, постоянно сопровождающий планету, то максимальный размер системы спутников определяется областью гравитационного контроля планеты. Хотя она и не совсем сферическая, ее принято называть сферой Хилла. Если отвлечься от деталей, то на границе этой области, очевидно, должно наступать равенство двух сил: силы притяжения спутника к планете (F) и силы, действующей со стороны Солнца и старающейся «оторвать» спутник от планеты (f). Силу f обычно называют приливной, поскольку именно она, действующая со стороны Луны и Солнца, вызывает приливы в океанах и теле Земли. Найдем эти силы в расчете на единицу массы спутника. Пусть M и m — массы Солнца и планеты, R и r – расстояние планеты от Солнца и спутника от планеты, G – постоянная тяготения. Тогда

и

Полагая, что R ≫ r, мы легко преобразуем выражение для f (отбросив малые величины) к виду

Тогда радиус сферы Хилла (r) определится равенством F=f и составит

Эта формула не учитывает характера движения спутников, но для оценок она годится. Поскольку нас в основном интересуют системы спутников планет-гигантов (R ≫ 1 а. е.), то угловой радиус их сфер Хилла для земного наблюдателя составит

Например, для Юпитера (М/т ≈1000) получим α = 4,5°. А в противостоянии, когда Земля и Юпитер сближаются на минимальное расстояние и поиск спутников наиболее продуктивен, это значение возрастает до 5,6°. Следовательно, астроному приходится вести поиск в круге диаметром 11,2°, что по площади равно 500 лунным дискам! Для Сатурна диаметр зоны спутников составляет 6°, для Урана и Нептуна – около 3°. Именно таковы наблюдаемые с Земли предельные размеры спутниковых систем планет-гигантов.

А насколько исчерпаны эти области? Насколько близки к их границам наиболее далекие известные спутники планет? Самый удаленный спутник Юпитера (S/2003 J2) в противостоянии планеты отходит от нее для земного наблюдателя на 3,3°. То есть до границы остается еще 2,3° – изрядная область для поиска неизвестных объектов. В системе спутников Сатурна самый далекий (Бестла) виден на расстоянии 1,6° от планеты: до границы еще 1,4°. Внешний спутник Урана (Фердинанд) удаляется на 0,6°, а внешний спутник Нептуна (Несо) – на 1°. Как видим, у всех этих планет осталось большое пространство в сфере Хилла, где могут прятаться неизвестные спутники. Разумеется, вблизи границ этих областей движение спутников неустойчиво и связь с планетой очень слаба. Уже найденные там объекты движутся хаотически, но все же они могут жить там довольно долго. Возможно, эти спутники иногда теряют связь с планетой, а затем они – или им подобные – возвращаются в ее гравитационные объятия. Там их и надо искать.

Кстати, на периферии сферы Хилла могут прятаться не только отдельные спутники, но даже кольца планет! Так, в мае 2009 г. удалось обнаружить ранее неизвестное кольцо Сатурна, самое большое среди планетных колец: для земного наблюдателя его угловой размер составляет около 1°, вдвое больше лунного диска! К сожалению, наблюдать этот колоссальный объект в оптическом диапазоне невозможно из-за его крайней разреженности. Глазом его не увидеть, даже находясь непосредственно в нем. Как же оно было открыто? Новое кольцо в основном состоит из частиц пыли и льда, температура которых около 80 К. Именно из-за такой сравнительно высокой температуры его заметил космический телескоп «Спитцер», наблюдающий в дальнем инфракрасном диапазоне (см. с. 15 цветной вкладки).

Инфракрасное кольцо Сатурна начинается на расстоянии примерно 6 млн км от планеты и тянется еще на 12 млн км. Для сравнения, ширина крупнейшего видимого кольца этой планеты – кольца В – составляет 25 500 км. Толщина нового кольца около 1,2 млн км, тогда как толщина того же кольца В составляет от 5 до 15 м. В центре нового кольца располагается спутник Феба. Похоже, что именно Феба служит основным источником вещества, образующего кольцо. Весьма вероятно, что наличием этого кольца объясняется загадка другого спутника Сатурна – Япета. Как известно, одна его половина заметно темнее другой. Скорее всего, это потемнение вызвано падением на поверхность спутника материала кольца. Япет покрыт светлым льдом, поэтому оседающая на нем темная пыль хорошо видна (рис. 8.6).

Возвращаясь к заголовку этого раздела, давайте прочитаем его немного иначе: «В мире – множество лун». И это верно! Но справедливо ли, что все они несут на себе налет неполноценности? Мол, спутник – это не планета, а так, довесочек. Окинув взглядом семейство спутников планет, мы увидим среди них крупные самобытные объекты, имеющие сфероидальную форму, проявляющие геологическую активность, а иногда даже обладающие могучей атмосферой! Ну чем не планеты? Лишь тем, что они движутся в плену более массивных тел? Тогда назовем их не просто спутниками, а планетами-спутниками! И будем надеяться, это название со временем приживется.

Раз создано новое семейство, то нужно определить его членов – спутников со свойствами планет. Как мы знаем, важнейшим признаком планеты служит ее способность силой собственного тяготения придать себе сфероидальную форму. На это способны только крупные тела – льдистые диаметром более 400 км и каменистые диаметром более 900 км. Для надежности примем пограничное значение равным 1000 км и все более крупные спутники определим в группу планет-спутников (табл. 8.1).

Рис. 8.6. Спутник Сатурна Япет – один из самых необычных: одна его половина – черная как уголь, а вторая – белая как снег. Япет обращается по орбите так же, как Луна вокруг Земли, – всегда одним и тем же полушарием вперед. Именно это полушарие загрязнено темным веществом, вероятно, из самого внешнего кольца Сатурна, открытого в 2009 г. Фото: «Кассини», NASA.

Таких тел оказалось 16, и все они действительно имеют сферическую форму. Однако и среди спутников меньшего размера тоже могут найтись достаточно пластичные объекты, способные сферизовать себя собственными силами. Это возможно, если в составе небольшого спутника много льдов. Поэтому спутники диаметром от 400 до 1000 км мы назовем кандидатами в планеты-спутники; таких оказалось три (табл. 8.2). Два из них сферические, а наименьший – Протей – угловатый. Возможно, нижняя граница диаметров планет-спутников близка к 450 км, но это еще предстоит уточнить.

Как видим, планеты-спутники нашлись рядом с каждой планетой-гигантом, а также у одной планеты земной группы и одной карликовой планеты. Любопытно, что в Солнечной системе нет ни одной планеты-спутника диаметром от 500 до 1000 км. Причину этого странного разрыва еще предстоит понять. Любопытно также, что все без исключения планеты-спутники и даже кандидаты обращаются по орбитам синхронно со своим суточным вращением, как Луна, постоянно демонстрируя планете-хозяину одно и то же свое полушарие. Причина синхронного вращения Луны известна – приливное влияние Земли. Несомненно, и у других планет-спутников причиной их синхронного движения служат приливы. Однако не ясно, почему все они располагаются в том диапазоне расстояний от планеты-хозяина, где приливы, очень быстро ослабевающие с расстоянием, оказались достаточно интенсивными для синхронизации их движения. Возможно, в этом есть какой-то космогонический смысл. Вот только какой?

Таблица 8.1 Планеты-спутники

Таблица 8.2 Кандидаты в планеты-спутники

Итак, мы определили планету-спутник как тело, способное своими силами изменить свою форму и за счет собственной гравитации обеспечить эволюцию своих недр. Именно в этом смысле мы называем такое тело «планетой». Но вторая часть термина – «спутник» – говорит о том, что в своем движении этот объект пленен более крупным телом: планетой-хозяином. Если иметь в виду осевое вращение планет-спутников, то это, без сомнения, так: все они находятся в полном подчинении у своей планеты, поскольку вращаются синхронно с обращением вокруг нее. О таких спутниках говорят, что они «приливно захвачены» (по-английски tidally-locked), то есть их осевое вращение и орбитальное обращение взаимно синхронизованы под влиянием гравитационного приливного эффекта со стороны планеты.

Однако перемещение планеты-спутника в пространстве требует отдельного анализа. Является ли планета-хозяин безоговорочным хозяином своих спутников? Нет ли у нее конкурентов? Действительно ли планеты-спутники находятся в гравитационном плену у своих более массивных соседей? Насколько крепок этот плен, да и плен ли это в прямом смысле слова? Может быть, это просто «мирное сосуществование» двух планет – худой и толстой, – их совместная «прогулка» по Солнечной системе? Чтобы оценить «уровень самостоятельности» объектов, которые мы назвали планетами-спутниками, давайте сравним гравитационное притяжение, действующее на них со стороны двух конкурентов – Солнца и планеты-хозяина (табл. 8.3). Используя ранее введенные обозначения, найдем ускорение спутника в сторону планеты:

и в сторону Солнца:

Очевидно, «уровень самостоятельности» планеты-спутника как члена Солнечной системы определяется отношением этих величин:

Если это отношение заметно меньше единицы, значит, спутник в плену у своей планеты. Если же оно больше единицы, то спутник движется в основном под влиянием Солнца, как нормальная планета Солнечной системы, а роль планеты-хозяина состоит лишь в том, чтобы синхронизовать движение самой планеты и ее спутника по близким околосолнечным орбитам. Такое движение – не плен, а скорее совместная прогулка. Из равенства  легко найти радиус так называемой сферы тяготения планеты, внутри которой доминирует ее гравитация:

Как видим (табл. 8.3), среди всех спутников-планет только у Луны  больше 1: Луна находится вне сферы тяготения Земли, она вдвое сильнее притягивается к Солнцу, чем к Земле! С этой точки зрения Луна – планета, а не спутник. Если внезапно остановить Землю, то Луна «бросит» ее и продолжит свой обычный путь вокруг Солнца. В чем причина такой уникальности Луны? Возможно, своим происхождением она отличается от других планет-спутников?

Таблица 8.3

Гравитационное влияние планеты-хозяина и Солнца на планету-спутник, включая кандидатов

Не на все вопросы удается немедленно дать ответ. Над некоторыми еще предстоит размышлять и автору этой книги, и ее читателям. Иногда поставить вопрос не менее важно, чем найти на него ответ. Мы даже не знаем пока, есть ли смысл в объединении планетообразных спутников в отдельную группу, что общего между ними и в чем каждый их них неповторим. До сих пор только одно из этих тел, Луну, посетили астронавты и роботы и еще на одном, Титане, недолго пора-

ботал спускаемый аппарат. С некоторыми спутниками сближались зонды, другие они изучали издалека, а визит к Харону еще только предстоит. Поэтому не будем забегать вперед и познакомимся с теми планетами-спутниками, о которых уже многое известно.

 

Луна – окно в прошлое и будущее Земли

Лунная ночь – это больше, чем просто ночь. Лунная ночь – это прогулка вдвоем по берегу моря, теплый весенний вечер, силуэты стогов на скошенном поле, тихая гладь реки с серебристой лунной дорожкой… Лунная ночь – это поэзия. Земля и Луна – космические соседи; они постоянно взаимодействуют, но не создают друг другу проблем. Иное дело – Солнце. Это опасный сосед: оно может согреть, а может и убить. Недаром у жителей пустынь есть казнь Солнцем: человека зарывают в песок по горло и оставляют на солнцепеке медленно умирать… В отличие от Солнца, Луна – наш друг и помощник. Она не греет, но и не убивает; с ней светло и не одиноко по ночам. Любуясь Луной, любитель астрономии делает свой первый «шаг» во Вселенную, а нередко – и в большую науку. Вооружившись биноклем или подзорной трубой, юный ученый ловит в объектив лунный свет и замирает от восхищения: перед ним иная планета, совсем рядом, с горами и долинами, с круглыми цирками и россыпями мелких кратеров.

Рис. 8.7. Изобразив Луну в одном масштабе с нормальной планетой (Меркурий), карликовой планетой (Церера) и крупным астероидом (Веста), мы понимаем, что по своим физическим параметрам Луна принадлежит к группе планет.

Рис. 8.8. Планета-спутник Луна сопровождает Землю миллиарды лет.

Ему еще предстоит узнать, что его простенький оптический прибор, наведенный на Луну, превращается в машину времени и «переносит» своего хозяина на миллиарды лет назад, в ту далекую эпоху, когда сформировалась и навсегда застыла в почти неизменном виде поверхность Луны.

Сегодня мы видим на поверхности Луны следы событий, происходивших миллиарды (!) лет назад. Повторяю – мы не обнаруживаем их с помощью хитроумных научных приборов, а просто видим, глядя на Луну в маленький телескоп, в простой бинокль и даже невооруженным глазом. Ничего подобного нельзя сказать о Земле и большинстве других планет: их лик изменчив. Только поверхности Меркурия и отчасти Марса «помнят» свое далекое прошлое, которое неразделимо с прошлым Солнечной системы. Этим они и интересны.

Разумеется, даже у таких «замороженных» тел, как Луна и Меркурий, поверхность понемногу эволюционирует под действием ударного вскапывания микрометеоритами. Оценки показывают, что верхний сантиметр лунного грунта перемешивается примерно за 10 млн лет, а слой толщиной в 1 м – за 1 млрд лет. Если это так, то на глубине всего нескольких метров залегают слои возрастом в миллиарды лет! Конечно, такое счастье ждет планетологов не в любом месте лунной поверхности, а лишь там, где в ближайшие эпохи не падали крупные метеориты, разрушающие порядок слоев лунной коры.

Все, что происходило в космосе в окрестности Земли, неминуемо отражалось и на Луне: изменение активности Солнца, периоды интенсивной метеоритной бомбардировки, эволюция орбиты – все это Луна «помнит» лучше, чем Земля. На нашей родной и очень активной планете дождь и ветер, вулканы и движение материков быстро стирают следы космического влияния; на лунной поверхности эти следы сохраняются почти вечно. Недаром единственный геолог, побывавший на Луне, астронавт Харрисон Шмитт, назвал Луну «пыльным окном в прошлое Земли». Это, конечно, верная, но не полная характеристика нашего спутника. Исследования Луны позволяют нам заглянуть не только в прошлое, но отчасти и в будущее Земли.

Например, обладая менее сильной гравитацией, чем Земля, Луна не смогла удержать у своей поверхности летучие вещества – атмосферу и гидросферу. Такая же участь ожидает и Землю. Пока еще темп утечки невелик: Земля теряет около 3 кг водорода и 50 г гелия (два легчайших газа) в секунду; но даже такая струйка может стать существенной за геологический период, а в будущем, когда светимость Солнца заметно возрастет, темп потери газов станет значительно выше. В то же время остывающие недра Земли уже не будут выбрасывать на поверхность столько газа. Через несколько миллиардов лет земная поверхность станет такой же сухой и незащищенной, как лунная.

Присутствие Луны рядом с Землей существенно влияет на эволюцию нашей планеты. Луна стабилизирует положение земной оси и своим приливным влиянием тормозит суточное вращение Земли. Но и Земля не остается в долгу: ее момент импульса за счет того же приливного эффекта передается Луне и понемногу увеличивает радиус ее орбиты. Сейчас Луна удаляется от Земли со скоростью около 4 см/год (примерно с такой же скоростью у нас растут ногти). В будущем Луна продолжит удаляться от Земли, но всё медленнее и медленнее. Через 5 млрд лет радиус ее орбиты достигнет максимального значения – 463 тыс. км, а продолжительность земных суток составит 870 часов, или 36 современных суток. В этот момент скорости вращения Земли и Луны станут равными: Земля будет смотреть на Луну одной своей стороной, так же как Луна сейчас смотрит на Землю. Их взаимное движение синхронизируется, как это уже случилось у Плутона и Харона. Казалось бы, приливное трение при этом должно исчезнуть. Однако солнечные приливы будут продолжать тормозить Землю. Теперь уже бег Луны по орбите начнет опережать вращение Земли, и приливное трение будет тормозить движение Луны. В результате Луна станет приближаться к Земле, правда, очень медленно, так как сила солнечных приливов невелика.

Если небольшая Луна способна в будущем так заметно изменить вращение Земли, то значительно превосходящая ее по массе Земля уже давно решила эту задачу – затормозила вращение Луны. Об этом известно с незапамятных времен: к Земле всегда ориентирована видимая сторона Луны и никогда не бывает видна ее обратная сторона. А недавно мы узнали, где и когда произошел этот захват. Наблюдения за искусственными спутниками Луны позволили определить гравитационное поле Луны и ее фигуру. Если сглаженную поверхность Земли называют геоидом, то фигуру Луны естественно назвать селеноидом. Он был бы шаром, если бы Луна не вращалась и не испытывала внешнего влияния. Но селеноид – не шар: на нем отчетливо видно увеличение высоты поверхности уровня над шаром в сторону Земли на 400 м и свыше 300 м – на обратной стороне Луны. То есть фигура Луны вытянута вдоль направления на Землю. Ясно, что это результат приливного влияния Земли. Но расчеты показывают, что при современном расстоянии до Луны приливный эффект Земли на порядок меньше необходимого! Но ведь мы знаем, что Луна отдаляется от нас, значит, в прошлом она была ближе к нам, и приливный эффект был сильнее современного. Если бы Луна была ближе в 2,7 раза, то приливным влиянием можно было бы объяснить наблюдаемую вытянутость селеноида в сторону Земли. Зная современную скорость удаления Луны, легко оценить, что это было несколько миллиардов лет назад. Значит, уже тогда вращение Луны и ее обращение вокруг Земли были синхронны!

Впрочем, все это события далекого будущего и далекого прошлого, а наш нынешний интерес к Луне в значительной мере вызван современными проблемами. Сегодня она представляется источником полезных ископаемых, космическим портом для экспедиций к далеким планетам, научной базой, военным полигоном, инструментом политической борьбы… Первые лунные экспедиции – самая романтическая страница в истории космонавтики. Полеты человека на Луну стали в полном смысле слова легендой, которую многие теперь стали воспринимать как фантазию, а некоторые – как мистификацию. Кто бы мог подумать 40 лет назад, что в XXI веке придется доказывать реальность лунных экспедиций и искать их следы на поверхности Луны (рис. 8.9)?

Рис. 8.9. Следы пилотируемой экспедиции «Аполлон-17» (слева, в центре кадра – посадочная ступень лунного модуля) и автоматического «Лунохода-2», сфотографированные спутником Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA) в 2009 г.

До сих пор все посадки на поверхность Луны – людей и автоматов – происходили на ее видимой стороне. Бесспорно, это стало огромным техническим достижением, демонстрацией целеустремленности и мужества людей и обычно воспринимается как первый шаг в исследовании иных планет. Но я хочу напомнить о более раннем событии, которое, на мой взгляд, было более значимым, чем посадки на Луну. Странно, что сейчас об этом событии помнят немногие, и даже его юбилей в 2009 г. не был отмечен.

Чуть более 500 лет назад цивилизованный мир узнал о самом грандиозном открытии на Земле: на «обратной» стороне нашей планеты обнаружился гигантский материк – Америка. А 50 лет назад столь же грандиозное открытие состоялось в космосе: люди впервые увидели обратную сторону Луны. Кстати, там тоже оказался – по терминологии астрономов – гигантский материк.

Это открытие совершил маленький космический аппарат «Луна-3», созданный советскими инженерами. Сейчас об этом мало кто помнит. Но, оценивая все космические открытия прошедшего полувека, следует признать, что снимки обратной стороны Луны, переданные нашим зондом, – это единственный научный результат, который в принципе не мог быть добыт с помощью наземной или даже околоземной аппаратуры.

Рис. 8.10. Автоматическая межпланетная станция «Луна-3», впервые сфотографировавшая обратную сторону Луны (1959 г.).

Фотографии далеких планет, переданные космическими зондами, сегодня с успехом получают и наземные телескопы. Но увидеть обратную сторону Луны никто и никогда не смог бы, не отправив за Луну космического робота. Отечественная наука смогла сделать это первой, намного опередив коллег-конкурентов из других стран. 4 октября 1959 г. к Луне стартовала ракета, а 7 октября радиоантенны в Крыму приняли изображения невидимой стороны Луны.

Это важное событие в истории нашей науки и техники, и о нем следует помнить. Тем более, что незаслуженно забытым оказался не только его юбилей, но и 50-летие первого в истории человечества межпланетного перелета: 14 сентября 1959 г. аппарат «Луна-2» достиг поверхности Луны. Всего два года отделяло эти первые межпланетные экспедиции от запуска первого спутника. Сейчас даже трудно представить, какие сложные научные и технические проблемы пришлось решить за это короткое время ученым и инженерам в еще не восстановленной после разрушительной войны стране. Но они были решены, порою весьма остроумно и неординарно (см. книгу «Путешествия к Луне», М.: Физматлит, 2009). Именно эти достижения убедили мир в том, что отечественные ученые способны создавать не только мощные ракеты-носители для ядерных бомб, но и совершенные научные зонды для разведки дальнего космоса. Именно это подняло престиж нашей науки, заставило западные страны переводить на свои языки нашу научно-техническую литературу, перекраивать по нашим образцам свои школьные и вузовские программы, заставило их догонять… И они догнали. И перегнали. Теперь наш черед догонять. Ну что же, возможно, догоним. Если не будем забывать, что 50 лет назад были впереди.

После окончания первой «лунной гонки», завершившейся кратковременными пилотируемыми экспедициями на Луну, наступил довольно долгий период затишья и разговоров о необходимости создания постоянной научной базы на Луне. В начале XXI в. к Луне отправилось несколько автоматических аппаратов, но возможность строительства на ее поверхности постоянной обитаемой базы рассматривается уже не так оптимистично. Затраты на ее создание и поддержание кажутся администраторам астронавтики слишком большими, а ожидаемый эффект (в первую очередь политический) видится не столь уж значительным. Руководителей NASA и Роскосмоса все сильнее привлекает идея пилотируемого полета на Марс. Разумеется, даже однократное посещение Марса человеком произвело бы больший эффект, чем длительная работа ученых на Луне. К примеру, 100 лет назад покорение Южного полюса стало столь значимым событием, что об этом до сих пор говорят и пишут, а часто ли сегодня обсуждается постоянная и очень полезная работа сотен ученых в Антарктиде? Но целесообразность пилотируемого полета на Марс выглядит сейчас весьма сомнительной. А что касается лунной базы, то ее создание на основе международной кооперации было бы вполне естественным очередным шагом на пути продвижения человека в космос. Без лунной базы нам не приобрести опыт освоения других планет. В ближайшие годы полет человека на Марс – авантюра, преследующая лишь политические цели, а отказ от лунной базы – неоправданная заминка в развитии космонавтики.

 

Титан – планета в плену гиганта

Титан – крупнейший спутник Сатурна и второй, после Ганимеда, в Солнечной системе. Впрочем, если измерять Титан вместе с его атмосферой, то он оказывается больше Ганимеда. По всем своим параметрам Титан наиболее близок к нормальным планетам: размером он превосходит Меркурий, его плотная атмосфера толще, чем у Земли, а поверхность – в географическом смысле – почти такая же живая, как у нашей планеты.

Наземные наблюдения еще до начала космической эры показали, что Титан имеет плотную атмосферу; по сути, это единственная планета-спутник с полноценной атмосферой. Пролетая в 1981 г. через систему Сатурна, «Вояджер-2» обнаружил, что основной компонент атмосферы Титана – азот (N2); в ней присутствуют также метан (СН4) и другие углеводороды. Данные космического телескопа «Хаббл» и наземных телескопов позволили в 1995 г. заподозрить существование на поверхности Титана значительных площадей, покрытых жидким метаном. Но подтвердилось существование этих углеводородных озер лишь после того, как к интенсивным исследованиям приступил первый искусственный спутник Сатурна – «Кассини», с борта которого 14 января 2005 г. на поверхность Титана опустился зонд «Гюйгенс». Экспедиция «Кассини – Гюйгенс», организованная NASA, ESA (Европейским космическим агентством) и ASI (Итальянским космическим агентством), началась 15 октября 1997 г., но лишь в середине 2004 г. аппарат прибыл в систему Сатурна и приступил к работе (см. с. 16 цветной вкладки).

Рис. 8.11. Межпланетный зонд «Кассини» во время испытаний в Космическом центре.

Титан без малого вдвое массивнее Луны и наполовину больше нее. Поэтому на его поверхности сила тяжести почти лунная: она в 7 раз меньше земной (на Луне – в 6 раз). Вторая космическая скорость на поверхности Титана – 2,6 км/с, на Луне – 2,4 км/с, однако взлетать с Титана будет намного сложнее, чем с Луны: помешает плотная атмосфера. Состав атмосферы Титана известен теперь детально: у поверхности 95 % азота и около 5 % метана, а в стратосфере 98,4 % азота и 1,4 % метана. Давление у поверхности в 1,45 раза выше нормального атмосферного давления на Земле. Но если вспомнить, что сила тяжести там в 7 раз меньше, чем у нас, то ясно, что масса газового столба над единицей поверхности Титана в 10 раз больше, чем на Земле. Поскольку размер Титана в 2,5 раза меньше земного, площадь его поверхности меньше земной примерно в 6 раз, а значит, полная масса атмосферы Титана в 1,5 раза больше массы земной атмосферы! Вероятно, поэтому на поверхности Титана очень мало метеоритных кратеров: мелкие метеориты тормозятся и разрушаются в атмосфере, а следы падения крупных быстро уничтожаются дождями и ветром.

Рис. 8.12. Сборка зонда «Гюйгенс» на предприятии Daimler-Benz Aerospace. Над зондом – тепловой экран, защищающий его при входе в атмосферу Титана.

Мощная и чрезвычайно протяженная атмосфера Титана облегчила посадку на него космического аппарата. Отделившись от «Кассини», зонд «Гюйгенс» три недели двигался в сторону Титана в дремлющем состоянии, а затем стал готовиться к спуску. Посадка «Гюйгенса» на Титан – уникальная операция; вот ее основные этапы (часы: минуты по среднеевропейскому времени): 06:51 – включается электропитание приборов.

Рис. 8.13. Поверхность Титана, сфотографированная зондом «Кассини» 26 октября 2004 г. с расстояний от 300 тыс. до 650 тыс. км. Это мозаика из 9 лучших снимков, наиболее четко демонстрирующих детали поверхности, не закрытые в момент съемки облаками и туманом. Наилучшее разрешение в центре диска (координаты – 15° ю. ш. и 156° з. д.) – 2 км/пиксел. Внизу отчетливо видны яркие облака вблизи южного полюса. Правее центра – светлая область Ксанаду, левее и выше центра – темная область Шангрила.

11:13 – начало входа в атмосферу на высоте 1270 км со скоростью 6 км/с. Торможение осуществляется лобовым теплозащитным экраном.

11:17 – высота 180 км, скорость 400 м/с, раскрыт вытяжной парашют диаметром 3 м. Через 2,5 секунды он вытягивает основной парашют диаметром 8,3 м.

11:18 – высота 160 км. Сброшен лобовой экран. Начали исследовать атмосферу газовый хроматограф и масс-спектрометр. Производится сбор и испарение аэрозолей. Камера передает панораму облаков.

Рис. 8.14. Мозаика из фотографий поверхности Титана, полученных «Гюйгенсом» при спуске на парашюте. Вверху – светлая гористая местность, пронизанная руслом реки с притоками. В нижней части – более темная плоская низменность, куда впадает «река». В момент съемки русло было сухим. Вероятно, в периоды редких, но мощных дождей его заполняют потоки метана.

11:32 – высота 125 км. Сброшен основной парашют и раскрыт тормозной диаметром 3 м, чтобы ускорить падение и успеть приземлиться до полной разрядки батарей (заряд 1,8 кВт-ч). Расстояние до «Кассини» 60 тыс. км.

11:49 – высота 60 км. Включен радар-альтиметр; до этого работой управлял таймер. Камера начинает снимать панораму поверхности. Измеряется скорость ветра (по доплер-эффекту передатчика), температура и давление воздуха, электрическое поле (проверяется наличие молний). На высоте нескольких сотен метров от поверхности включена белая лампа для спектрального анализа поверхности. Сонар и радар измеряют неровности грунта. Спуск «Гюйгенса» в атмосфере Титана занял около 2,5 часа.

13:34 – касание грунта со скоростью 4,5 м/с. Работают камера, микрофон, акселерометры и сонар для измерения глубины жидкости, если бы посадка произошла в море. Но грунт под аппаратом оказался надежным, по механическим свойствам похожим на мокрый песок или глину. Аппарат при ударе углубился в грунт примерно на 15 см. В течение 2 часов он передал данные с поверхности со скоростью 8 кбит/с.

15:44 – «Кассини» уходит за горизонт. Конец передачи данных. «Кассини» разворачивается антенной к Земле и начинает трансляцию записанных с «Гюйгенса» данных.

Рис. 8.15. На изображении Титана (слева), переданном с борта «Кассини», черным прямоугольником показана область посадки аппарата «Гюйгенс». Справа – фото, переданное «Гюйгенсом» с поверхности Титана. Цифры указывают расстояние от фотокамеры. Судя по всему, отдельные валуны – это куски водяного льда; при температуре -180 °C они тверды как камень.

Зонд опустился немного южнее экватора, на краю ледяных холмов в середине огромного песчаного моря. На фото окружающего ландшафта вдали видна пара длинных дюн, но само место посадки больше похоже на русло потока, заваленное булыжниками поверх песка. Температура у поверхности Титана очень низкая: -180 °C. Эта температура близка к тройной точке метана, подобно тому, как температура земной поверхности близка к тройной точке воды. При такой температуре сосуществуют газовое, жидкое и твердое состояния вещества. Подобно тому, как в природе Земли происходит круговорот воды, на Титане должен происходить круговорот метана. Фактически метан (в смеси с этаном и другими углеводородами) там играет ту же роль, что вода на Земле: он испаряется из озер, образует облака, выпадает в виде осадков, прокладывает русла по долинам и вновь стекает в озера.

Изучение снимков показывает, что ландшафт Титана частично сформирован ливнями и быстрым течением жидкости по поверхности. Но, в отличие от Земли, этот гидрологический цикл на Титане доведен до экстремального состояния. На Земле солнечного тепла достаточно для испарения примерно одного метра воды в год. Но атмосфера может удержать только пару сантиметров осажденной влаги до конденсации облаков и выпадения дождя, поэтому для земной погоды характерны легкие дожди, выливающие по нескольку сантиметров воды с промежутком в неделю или две. На Титане недостаток солнечного тепла приводит к испарению всего лишь около 1 см жидкого метана в год, а его мощная атмосфера способна удержать в газообразном виде количество метана, соответствующее примерно 10 м осажденной жидкости. Поэтому для Титана должны быть характерны редкие проливные дожди, рождающие бурные потоки, а в промежутках между этими потопами – вековые периоды засухи. Вполне вероятно, что на месте посадки «Гюйгенса» некоторое время назад тоже было половодье. Специалисты по климату считают, что мощные погодные циклы Титана – это экстремальная версия того, что может случиться на Земле в результате глобального потепления. По мере нагрева земной тропосферы она сможет удерживать все больше влаги, поэтому ураганы и засухи у нас станут более интенсивными.

Итак, Титан – это замерзший вариант Земли, где метан вместо воды, вода вместо камня, а погодные циклы длятся столетиями. Весьма вероятно, что атмосфера Титана напоминает атмосферу юной Земли в период зарождения на ней жизни. Более того: средняя плотность Титана (1,88 г/см3) указывает, что он наполовину состоит из камня (ядро), наполовину из воды (мантия и кора) и покрыт углеводородами. Математические модели предсказывают, что толщина ледяной коры составляет около 50 км, а ниже лежит океан жидкой воды, возможно, с аммиаком. Глубина этого «нашатырного» океана должна достигать сотен километров. Некоторые ученые полагают, что там может быть жизнь.

Запланировано, что работа аппарата «Кассини» продолжится до 2017 г. С июля 2004 г. по сентябрь 2010 г. он совершил 72 пролета вблизи Титана, передавая радиолокационные изображения его поверхности и снимки в ИК-диапазоне. Когда исследователей заинтересовал источник смога в атмосфере Титана, «Кассини», пролетая сквозь верхние слои его атмосферы, на высоте около 1000 км, собрал и проанализировал образцы этого тумана. Ученые ожидали, что туман состоит из легких углеводородов, таких как этан с молекулярной массой 30. Но «Кассини» обнаружил неожиданное обилие тяжелых органических молекул, включая бензол, антрацен и макромолекулы с массой 2000 и более. Эти вещества формируются из атмосферного метана под действием солнечного света. Вероятно, они постепенно конденсируются в более крупные частицы и опускаются на поверхность, но детали этого процесса не ясны.

Как видим, замечательная маленькая планета Титан становится все интереснее. Принципиальных трудностей при исследовании Титана не предвидится. Для экспедиций к нему уже разрабатываются «титаноходы», а также плавающие и летающие зонды. Увлекательное занятие для космических инженеров!

 

Энцелад – долина супергейзеров

Среди всех спутниковых систем именно система Сатурна наиболее богата планетами-спутниками: их 5 или 6 (если включить Энцелад), и они чрезвычайно разнообразны. В то время как огромный Титан занимает в группе планет-спутников одну из верхних ступеней, скромный Энцелад расположился на одной из нижних, возможно – на самой низкой ступеньке. Но это не означает, что он наименее интересен, скорее наоборот!

Невысокая средняя плотность Энцелада (1,6 г/см3) говорит о преимущественно водном составе его недр. На это же указывает идеально сферическая форма этого весьма небольшого тела. Действительно, вся его поверхность покрыта льдом, причем очень чистым, прекрасно отражающим солнечный свет, не хуже, чем свежевыпавший снег. Кстати, по этой причине там очень холодно, почти -200 °C на поверхности. Поразительной особенностью Энцелада является неоднородное распределение метеоритных кратеров по его поверхности: северное полушарие покрыто ими довольно густо, а южное почти лишено кратеров. Учитывая, что метеориты не падают прицельно, остается заключить, что ледяная поверхность южного полушария в геологическом смысле более молодая, т. е. существуют процессы, «стирающие» там кратеры.

Все это было известно довольно давно. Высказывались даже предположения, что несколько сотен миллионов лет назад на Энцеладе происходили извержения ледяных вулканов, выбросы которых омолодили поверхность. Однако никто не ожидал, что в наши дни на поверхности спутника бьют фонтаны. Тем не менее это так. Наблюдения с борта «Кассини» показали, что струи воды (в виде пара и льдинок) взмывают над поверхностью Энцелада с такой силой, что частично даже улетают в космос.

Рис. 8.16. Титан (справа) и Энцелад из системы Сатурна. Этот снимок довольно точно передает соотношение их размеров (10:1). Фото получено аппаратом «Кассини» 5 февраля 2006 г., когда расстояние от него до Энцелада составляло 4,1 млн км, а до Титана – 5,3 млн км.

Эти струи были открыты на изображениях, переданных зондом «Кассини» в момент, когда, пролетая мимо Энцелада, он получил команду посмотреть назад, в направлении Солнца. Энцелад при этом был виден аппарату с ночной стороны, а небольшая часть его дневного полушария выглядывала из ночной тьмы как тонкий полумесяц. Устраивая наблюдение при «контровом» освещении, ученые ожидали, что рассеивающие солнечный свет частицы, выброшенные с поверхности Энцелада, будут хорошо видны. И действительно, на полученных изображениях видно несколько струй, вылетающих из тех мест, где раньше были обнаружены разломы поверхности – «тигровые полосы». Здесь поверхность выглядит в геологическом смысле намного моложе, чем в соседних областях. В июле 2005 г. «Кассини» обнаружил увеличенный поток частиц из этих областей, а в ноябре 2005 г. ему удалось сфотографировать и сами «гейзеры». «Кассини» регулярно сближается с Энцеладом; 9 октября 2008 г. он прошел на расстоянии всего 25 км от поверхности и прямым анализом доказал, что фонтаны водяные. В составе пара 91 % воды, 4 % азота, 3,2 % двуокиси углерода и 1,7 % метана.

Рис. 8.17. Значительная часть фонтанирующей воды покидает Энцелад и распределяется вдоль его орбиты, образуя кольцо Е Сатурна. Фото: «Кассини».

Рис. 8.18. Ледяные гейзеры в южной полярной области Энцелада. Некоторые из выбросов видны даже на ночной стороне. Фото: «Кассини».

Рис. 8.19. Энцелад, несмотря на небольшой диаметр (504 км), имеет сферическую форму и вполне может считаться планетой-спутником. В его южной полярной области (на снимке внизу) видны длинные разломы коры – «тигровые полосы» (tiger stripes). Их температура выше, чем у окружающей ледяной поверхности: здесь из недр выходит жидкая вода. Фото «Кассини».

На переданных аппаратом снимках мы видим мелкие частицы льда, в который превратилась вода, вырвавшись из-под поверхности Энцелада в космический вакуум. Вероятно, эти струи выбрасываются из «карманов», заполненных водой при температуре около О °С. Вскипая при уменьшении давления, вода стремительно расширяется и выплескивается наружу, как в обычных гейзерах на Земле. Большая ее часть, разумеется, падает на поверхность и замерзает. Но поскольку вторая космическая скорость на поверхности Энцелада всего около 240 м/с, часть выброшенного вещества устремляется в космос.

Эта находка уникальна тем, что прямо демонстрирует присутствие жидкой воды у поверхности небесного тела. Уже многие годы обсуждается подповерхностный океан, обнаруженный на спутнике Юпитера Европе. Но нужно помнить, что существование этого океана пока лишь подозревается: на Европе о наличии внутреннего океана свидетельствуют геологические особенности поверхности, тогда как на Энцеладе прямо наблюдается вода, выбрасываемая из источников, близких к поверхности. До недавних пор астрономы знали только три объекта, где наблюдается активный вулканизм: это Ио (спутник Юпитера), Земля и в незначительной степени Тритон (спутник Нептуна). Четвертым членом этого «закрытого клуба» стал Энцелад с его водно-ледяными вулканами, которые принято теперь называть криовулканами. Впрочем, точнее было бы называть эти фонтаны гейзерами по аналогии с их земными прототипами.

Существование воды на Энцеладе открывает перед исследователями заманчивые перспективы. Данные, переданные «Кассини», убеждают в том, что запасы жидкой воды находятся на глубине всего нескольких десятков метров под поверхностью Энцелада, и они должны быть намного доступнее, чем, например, внутренний океан Европы, скрытый многокилометровой толщей льда. Жидкая вода на Энцеладе открывает перспективы для поиска внеземной жизни. Фактически это открытие существенно раздвигает границы, в пределах которых в Солнечной системе существуют условия, приемлемые для живых организмов. Наряду с Титаном Энцелад теперь стал приоритетным объектом исследований в системе Сатурна и одним из самых притягательных мест в Солнечной системе для экзобиологов.

* * *

Эта книга подошла к концу, но разведка далеких планет продолжается. А если говорить серьезно – она еще только начинается. Невозможно даже представить себе, какие открытия ждут нас впереди. Где еще мы побываем в XXI веке? Кто знает… До встречи, друзья!