Вид с высоты

Районы зоны астероидов, которые были «очищены» Юпитером, известны под названием «пустот Кирквуда». Их назвали так в честь американского астронома Даниэля Кирквуда, который в 1876 году обратил внимание на эти пустоты и объяснил причины их возникновения.

Именно этим объясняется, что у Сатурна несколько колец, а не одно.

Кольца были открыты голландским ученым Христианом Гюйгенсом в 1655 году. Ему казалось, что Сатурн окружен сплошным светлым кольцом, нигде не касающимся планеты. Однако в 1675 году французский астроном Джиованни Доменико Кассини (родом из Италии) заметил темную щель, делившую кольцо на широкую и светлую внутреннюю часть и на более узкую и менее светлую внешнюю часть. Эту щель шириной 4800 километров с тех пор стали называть «щелью Кассини».

В 1850 году американский астроном Джордж Филлипс Бонд «подсмотрел» у Сатурна и третье кольцо, довольно тусклое и расположенное еще ближе к планете. Из-за своей тусклости оно было названо креповым кольцом. Креповое кольцо отделено от среднего, яркого кольца щелью шириной 1600 километров.

В 1859 году английский физик Джеймс Клерк Максвелл указал, что из-за тяготения планеты кольца не могут быть сплошными, а должны состоять из многочисленных отражающих свет обломков[16]; сплошными они кажутся только на далеком расстоянии. Частицы крепового кольца более разбросаны, чем частицы светлых колец, и потому оно выглядит таким тусклым. Теоретическое предсказание подтвердилось, когда в результате спектроскопических измерений было обнаружено, что периоды обращения разных точек колец отличаются друг от друга. Если бы кольца были сплошными, то период обращения был бы везде одинаков.

Внутренняя часть крепового кольца находится в каких-нибудь 10 000 километров от поверхности Сатурна. Эти частицы движутся по самым коротким орбитам и быстрее других. Они обращаются вокруг планеты примерно за 31/4 часа.

Во внешних кольцах частицы движутся медленнее и должны покрыть большие расстояния, а это означает, что период их обращения растет. На внешней стороне крайнего кольца период обращения частиц равен примерно 131/2 часа.

Если бы в щели Кассини были обнаружены частицы, оказалось бы, что они обращаются вокруг Сатурна за 11 часов с небольшим. Но в этом районе частиц нет, и потому он выделяется темной полоской на фоне окружающих его светлых колец.

В чем же тут дело?

Кроме системы колец, Сатурн обладает семьей из девяти более далеких спутников, и поле тяготения каждого из них возмущает движение частиц в кольцах. Ближайший из спутников Сатурна, Мимас, отстоит от внешнего края колец всего на 55 000 километров и имеет период обращения 221/2 часа. Период обращения второго спутника, Энцелада, равен 33 часам, а Тефии, третьего спутника, — 44 часам.

Любая частица в щели Кассини имела бы период обращения, равный 1/2 периода обращения Мимаса, 1/3 периода обращения Энцелада, 1/4 — Тефии. Не удивительно, что этот район совершенно пуст. В действительности спутники — малые тела и они могут возмущать движение еще меньших тел величиной с гальку; именно из таких «камешков» и состоят кольца. Если бы это было не так, то спутникам самим пришлось бы сойти со своих орбит.

Что же касается щели между креповым и внутренним светлым кольцами, то частицы в ней обращались бы вокруг Сатурна немногим менее чем за 7 часов, то есть за 1/3 периода обращения Мимаса и 1/6 периода обращения Тефии. В системе колец есть и более мелкие щели, существование которых объясняется теми же причинами.

Здесь я прерву повествование, чтобы рассказать об одном любопытном факте, — до сих пор я не встречал упоминаний о нем в литературе. В книгах по астрономии всегда отмечается, что Фобосу, ближайшему спутнику Марса, требуется меньше времени, чтобы обернуться вокруг Марса, чем самому Марсу, чтобы сделать поворот вокруг своей оси. Период вращения Марса вокруг своей оси равен 241/2 часа, а период обращения Фобоса — только 71/2 часа. Авторы книг по астрономии подчеркивали, что Фобос — это единственный спутник в солнечной системе, который ведет себя именно так.

Такое утверждение будет правильным, если мы примем во внимание только естественные спутники солидных размеров. Однако каждая частица в кольцах Сатурна, в сущности, тоже настоящий спутник, а раз это так, положение меняется. Период вращения Сатурна вокруг своей оси равен 101/2 часа, а каждая частица в креповом и во внутреннем светлом кольцах обращается вокруг Сатурна за меньшее время. Следовательно, спутник типа Фобоса далеко не единственный, у него есть бесчисленные миллионы собратьев.

Кроме того, почти всякий искусственный спутник, запущенный Советским Союзом и США, обращается вокруг Земли менее чем за 24 часа. Эти спутники относятся к той же категории, что и Фобос.

Гравитационные возмущения не только очищают от частиц некоторые районы, но и собирают эти частицы в одно место. Самый примечательный случай, — когда частицы собираются даже не в зоне, а буквально в одной точке.

Чтобы пояснить это, мне придется начать с самых истоков вопроса. Ньютоновский закон всемирного тяготения полностью решал «задачу двух тел» (по крайней мере в классической физике, которая игнорирует такие «новшества», как теория относительности и квантовая теория). Другими словами, если во Вселенной есть только два тела, положение и скорость которых известны, тогда на основе закона тяготения можно точно определить положение двух тел относительно друг друга в любой момент времени в прошлом или будущем.

Однако во Вселенной не два тела. Их бесчисленные триллионы. И следующий шаг к их учету состоит в решении «задачи трех тел». Как узнать положение трех тел во Вселенной относительно друг друга в любой момент времени, если известны их положения и направления движения в данный момент?

И вот тут-то астрономы оказались в затруднении. Никакого общего решения этой задачи нет, поэтому нет смысла в переходе к «задаче триллионов тел», существующих во Вселенной.

К счастью, это не остановило астрономов. Хотя в теории и есть изъян, ее все-таки можно использовать. Представьте, например, что ученым понадобилось бы рассчитать орбиту, по которой Земля обращается вокруг Солнца, чтобы затем вычислить положение этих тел по отношению друг к другу на следующий миллион лет. Если бы Солнце и Земля были единственными телами во Вселенной, то решить такую задачу было бы пустяковым делом. Но тут надо учитывать и притяжение Луны, Марса и других планет и — для полной точности — даже звезд.

К счастью, Солнце настолько больше любого другого небесного тела в солнечной системе и настолько ближе к Земле, чем любое другое тело с большой массой, что его тяготение «глушит» все остальные. Если при расчете орбиты Земли в качестве исходных данных брать только эти два тела, то ответ получается почти правильный. Кроме того, учитывается довольно слабое влияние ближайших тел и вносятся соответствующие поправки. Но чем точнее мы хотим рассчитать орбиту Земли, тем больше поправок нужно внести, чтобы учесть все более и более мелкие возмущения.

Принцип ясен, но на практике такие расчеты, разумеется, могут стать громоздкими и весьма утомительными. Формула, по которой более или менее точно рассчитывается движение Луны, занимает многие сотни страниц. Но она вполне пригодна для предсказаний времени и мест затмений с большой точностью и на большие сроки вперед.

Тем не менее астрономы не удовлетворены. Очень хорошо рассчитывать орбиты на основе последовательных приближений, но как прекрасно и изящно выглядела бы формула, которая позволила бы простым и общим путем связать влияние всех или по крайней мере трех тел.

16

Одновременно и независимо к такому же выводу пришла замечательная русская женщина-математик Софья Ковалевская. — Прим. ред.