Тайна колец шестой планеты. История изучения Сатурна

Сатурн часто называют самой красивой планетой Солнечной системы. И чтобы понять, почему, достаточно увидеть любую его фотографию либо посмотреть на него даже в относительно небольшой телескоп. Знаменитые кольца придают ему особый шарм, которым не обладает ни одно другое тело Солнечной системы.

Сегодня поговорим о том, как человечество изучало шестую планету от Солнца, и как космические аппараты сумели раскрыть тайну ее знаменитых колец.

Планета на краю мироздания

Сатурн хорошо виден на небе невооруженным глазом, поэтому об его существовании было известно с незапамятных времен. На протяжении многих столетий он считался планетой на краю мироздания, за которой начиналась сфера неподвижных звезд.

Первым человеком, посмотревшим на Сатурн в телескоп, стал Галилео Галилей. Увиденное весьма смутило итальянского астронома. Оказалось, что у планеты имеются «уши» — два странных пятна по обе стороны ее диска. Не найдя лучшего объяснения, Галилей предположил, что у Сатурна есть два очень крупных спутника. А когда спустя два года итальянский астроном вновь взглянул на планету, его постигло настоящее потрясение: увиденные ним «спутники» куда-то исчезли. До конца своей жизни Галилей так и не нашел разгадку этой пропажи.

Тайна исчезнувших компаньонов Сатурна была раскрыта лишь в 1655 году, когда Христиан Гюйгенс произвел наблюдения планеты более мощным телескопом. Оказалось, что та окружена кольцами. К сожалению, телескоп Галилея был слишком слаб, чтобы исследователь сумел понять, что рассматривает именно кольца. К тому же не стоит забывать, что ученые той эпохи в принципе не знали, что у планет могут быть такие «украшения». Что касается их последующего «исчезновения», оно объясняется тем, что время от времени Сатурн поворачивается к Земле таким образом, что его кольца становятся видны с ребра. В такие периоды их очень сложно рассмотреть даже в мощный телескоп, не говоря уже о примитивных инструментах начала XVII века.

Помимо колец, Гюйгенс обнаружил, что у планеты есть спутник. Его назвали Титаном. Сейчас мы знаем, что это второй по размерам спутник планеты Солнечной системы. Титан меньше Ганимеда, но больше Меркурия.

По мере появления более мощных телескопов последовали новые открытия. Стало понятно, что Сатурн напоминает Юпитер и тоже представляет собой газовый гигант. Выяснилось, что в кольцах Сатурна имеется несколько промежутков. Также был постепенно найден ряд новых спутников планеты.

Одно из наиболее примечательных открытий состоялось в 1899 году, когда астрономы обнаружили спутник Фебу. Это важно по нескольким причинам. Феба стала первым в истории спутником, найденным с помощью фотографии. Кроме того, она была первым открытым нерегулярным спутником планеты. Дело в том, что Феба движется по ретроградной орбите, это означает, что она не сформировалась вместе с Сатурном, а была захвачена его гравитацией. До ее обнаружения у астрономов не было доказательств, что такой сценарий возможен.

Следующее важное открытие состоялось в 1944 году, когда выяснилось, что у Титана есть плотная атмосфера. Это уникальная особенность не только для спутников Сатурна, но и в принципе для всех спутников планет Солнечной системы.

Проба пера

В наши дни уже мало кто помнит, что первым космическим аппаратом, посетившим Сатурн, был зонд Pioneer 11. Это связано с тем, что все его достижения вскоре были превзойдены намного более совершенными аппаратами Voyager. Тем не менее первопроходцем оказался именно Pioneer 11.

Стоит сказать, что изначально аппарат вообще не планировали отправлять к Сатурну. Зонд должен был ограничиться лишь изучением Юпитера. Но уже после его запуска в NASA решили изменить план полета и использовать гравитационный маневр, чтобы от Юпитера направить Pioneer 11 к Сатурну.

Таким образом аэрокосмическая администрация собиралась убить сразу двух зайцев. Во-первых, Pioneer 11 позволял отработать процедуру выполнения гравитационного маневра. Во-вторых, аппарат должен был пролететь через плоскость колец Сатурна и проверить их «проходимость» (ввиду опасений, что она может быть заполнена представляющими угрозу космической технике частицами). Если бы Pioneer 11 не пережил встречу с Сатурном, NASA изменило бы траекторию полета Voyager.

Но все обошлось. Pioneer 11 успешно прошел через плоскость колец Сатурна, доказав ее безопасность. Аппарат мог погибнуть по другой причине: он едва не столкнулся с ранее неизвестным спутником планеты, который позже назвали Эпиметей. Pioneer 11 также сделал ряд снимков, но в силу низкого разрешения они не помогли совершить никаких существенных открытий.

Визит Voyager

Спустя два года после визита Pioneer 11 к Сатурну прибыла тяжелая артиллерия в виде пары зондов Voyager. Они обладали более мощными источниками питания и совершенными научными инструментами, так что громкие открытия не заставили себя долго ждать.

Снимки Voyager показали, что кольца шестой планеты устроены куда сложнее, нежели считалось ранее, и на самом деле состоят из сотен небольших колечек. Были открыты и так называемые спутники-пастухи — маленькие луны, гравитация которых влияет на кольца и удерживает воедино их частицы.

Зонды провели детальную съемку всех основных спутников Сатурна, а также открыли несколько ранее неизвестных лун. Оказалось, что благодаря крупному кратеру Мимас напоминает Звезду Смерти из «Звездных войн», в то время как полушария Япета имеют радикально разную окраску. Также выяснилось, что спутники Эпиметей и Янус время от времени меняются своими орбитами. Это уникальный случай для Солнечной системы. Скорее всего, в далеком прошлом они были единым телом, которое впоследствии раскололось на два крупных обломка.

Ученые возлагали очень большие надежды на снимки Титана. К тому моменту уже было известно, что его атмосфера слишком холодна, чтобы на спутнике могли существовать привычные нам формы жизни. Тем не менее, всех очень интересовало, что же находится на поверхности. Однако, когда астрономы получили долгожданные снимки Титана, то пережили большое разочарование, обнаружив, что из-за углеводородной дымки его атмосфера полностью непрозрачна в видимом спектре. В итоге паре аппаратов так и не удалось узнать, что же именно прячется внизу.

Впрочем, данные Voyager указали на весьма интригующую возможность. Оказывается, температура на поверхности Титана близка к тройной точке, при которой вещество может одновременно существовать в жидком, твердом и газообразном состоянии. Вот только если на Земле таким веществом является вода, то на Титане ее роль может выполнять метан.

Визиты космических посланцев также позволили уточнить размеры и массу планеты. При чуть меньшем, нежели у Юпитера, диаметре в 116 000 км, масса Сатурна всего в 95 раз превосходит массу Земли. Из-за этого он является наименее плотной планетой Солнечной системы. Средняя плотность Сатурна составляет всего 0,68 г/см³, что меньше плотности воды.

Миссия Voyager дала много ответов, но вместе с тем поставила и ряд новых вопросов. Как именно сформировались кольца Сатурна и каков их возраст? Почему многие спутники планеты такие странные? И, наконец, что же скрывается на поверхности Титана? Действительно ли там текут метановые реки или это лишь красивая фантазия?

Получить ответы на все эти вопросы можно было лишь одним способом. Для этого требовалось отправить к Сатурну новую миссию, которая вышла бы на постоянную орбиту вокруг планеты, обладая достаточно мощными инструментами, чтобы пробиться через углеводородную дымку Титана и узнать, что же находится внизу.

Триумф Cassini

Разработка новой миссии к Сатурну началась еще в первой половине 1980-х. Она получила название Cassini. Ввиду технической сложности и масштаба поставленных задач с самого начала это был международный проект, в котором принимали участие NASA и ESA. Американская сторона отвечала за строительство орбитального аппарата, в то время как европейцы взяли на себя создание зонда, который должен был совершить посадку на Титан. Его назвали Huygens.

Cassini оказался довольно проблемным проектом. Создание аппарата омрачилось перерасходом средств, из-за чего его несколько раз едва не лишили финансирования, спорами между NASA и ESA, а также протестами экоактивистов, которым очень не нравилось, что на его борту был размещен ядерный источник питания. Тем не менее, в ноябре 1997-го Cassini все же покинул Землю. Далее аппарат выполнил серию гравитационных маневров, которые направили его к Сатурну. Cassini достиг его в 2004 году.

Хотя создание Cassini и сопровождалось противоречиями, аппарат практически безукоризненно исполнил свою научную программу, став образцом для подражания конструкторов будущих космических миссий. Одно из первых важных открытий было сделано, когда Cassini еще только выходил на орбиту вокруг Сатурна. Аппарат совершил близкий пролет Фебы и установил, что она представляет собой не захваченный гравитацией Сатурна астероид, а объект, изначально сформировавшийся в поясе Койпера.

В конце 2004 года от Cassini отделился зонд Huygens. Он выполнил историческую посадку на Титан 14 января 2005 года. Переданные зондом снимки продемонстрировали сложный рельеф с участками, напоминающими русла рек и береговую линию. На фотографиях с поверхности можно было увидеть округлые камни со следами воздействия жидкости. Кроме того, Huygens сделал первую в истории запись звуков атмосферы Титана.

В последующие годы Cassini выполнил множество близких пролетов Титана. Благодаря наличию радара и инфракрасной камеры ему удалось картографировать большую часть поверхности спутника. Данные Cassini подтвердили самые смелые предположения ученых. На Титане действительно есть жидкость в виде смеси метана и этана. На спутнике идут дожди и могут течь реки, а вокруг северного полюса сконцентрирован целый ряд углеводородных озер, крупнейшее из которых по площади сравнимо с Каспийским морем. Также данные Cassini указали на то, что в недрах Титана может скрываться океан, состоящий из воды, аммиака и различных солей.

Второй крупной сенсацией стал Энцелад. До Cassini этот 500-километровый спутник не привлекал особого внимания ученых. Но уже после первого визита аппарата все изменилось. Оказалось, что Энцелад является одним из самых геологически активных тел Солнечной системы. Его южный полюс густо усеян гейзерами, которые постоянно выбрасывают в космос воду. Они настолько активны, что сформировали вокруг Сатурна целое кольцо.

Выбрасываемая гейзерами вода поступает из скрытого в недрах Энцелада океана, чья глубина оценивается в 10 км. За время своей миссии Cassini несколько раз пролетал через выбросы, анализируя их химический состав. Ему удалось выявить соли, органические соединения и вещества, указывающие, что в океане Энцелада идут активные гидротермальные процессы. Благодаря этому сейчас этот спутник считается одним из наиболее перспективных мест в Солнечной системе для поиска внеземной жизни.

Нашелся ответ и на загадку двух полушарий Япета. Оказалось, что все дело в выбиваемой с поверхности других спутников Сатурна пыли. Она оседает на одном из полушарий Япета, из-за чего оно нагревается сильнее, чем чистые участки. В результате лед с него испаряется и конденсируется там, где температура поверхности ниже.

Немало сюрпризов преподнес и Сатурн. Cassini сфотографировал крайне необычный вихрь шестиугольной формы на северном полюсе планеты. Его назвали гексагоном. Диаметр вихря составляет 25 000 км, что примерно в два раза больше диаметра Земли. Периодически гексагон меняет свой цвет. Когда в северное полушарие Сатурна пришло лето, он сменил окраску с темно-синей на золотистую. Ученые связывают это с тем, что увеличение интенсивности ультрафиолетового излучения запустило фотохимические реакции в атмосфере, которые и изменили цвет шторма.

Конечно же, Cassini не оставил без внимания кольца Сатурна. За годы своей миссии он сделал множество поразительных снимков, показавших, что те устроены еще сложнее, чем считалось ранее. Под действием гравитации спутников в них регулярно формируются весьма причудливые структуры — завихрения, волны, изломы, петли и тому подобное.

Именно Cassini нашел ответ на давно интересовавший астрономов вопрос: каков возраст колец Сатурна? Долгие годы в научной среде существовали две основные гипотезы. Согласно первой, кольца являются ровесниками самой планеты и сформировались одновременно с ней. Альтернативное объяснение заключалось в том, что кольца значительно моложе Сатурна и возникли в результате разрушения одного из его ледяных спутников.

До визита Cassini большинство астрономов склонялись к первой гипотезе. Но Cassini опроверг ее. Аппарату удалось впервые определить массу колец, а также обнаружить выпадающий на Сатурн ледяной дождь, состоящий из их вещества.

Рассчитав скорость потери вещества, астрономы сумели определить примерный возраст колец Сатурна. Оказалось, что он не превышает 400 млн лет. То есть, кольца Сатурна вполне могут быть ровесниками динозавров. Что касается оставшегося им времени существования, то оно оценивается в несколько сотен миллионов лет.

Миссия Cassini завершилась в 2017 году. Чтобы избежать, пускай и весьма небольшой, вероятности его столкновения с одним из спутников Сатурна и занесения на поверхность земных микробов, NASA приняло решение направить станцию в атмосферу газового гиганта. Это произошло 15 сентября 2017 года.

Несмотря на то, что с тех пор прошло уже шесть лет, в какой-то степени миссия Cassini все еще продолжается. На протяжении изучения Сатурна аппарат передал на Землю такой внушительный объем данных, что их анализ будет длиться еще много-много лет.

Дрон для Титана

На данный момент в системе Сатурна нет ни одного функционирующего космического аппарата. Ситуация должна измениться в середине 2030-х, когда к нему прибудет миссия Dragonfly. Ее целью является высадка на Титан летательного аппарата.

Созданием Dragonfly занимаются Лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкинса. Конструктивно он представляет собой 450-килограммовый октокоптер, оснащенный четырьмя двойными винтами, которые позволят ему перемещаться в атмосфере Титана со скоростью порядка 36 км/ч и подниматься на высоту до 8 км. Энергоснабжение дрона будет осуществляться за счет радиоизотопного источника питания. Таким образом оно не будет зависеть от местной погоды (средняя температура на поверхности спутника составляет –180°C).

Основная задача аппарата будет заключаться в поиске сложных органических молекул и оценке общей пригодности Титана для жизни. Дрон сможет собирать образцы с титанианской поверхности и проводить их химический анализ. Также Dragonfly будет изучать рельеф спутника, его атмосферу и углеводородные резервуары.

На данный момент запуск Dragonfly запланирован на 2027 год, прибытие к Титану — в 2034-м. В качестве места посадки дрона выбран регион Шангри-Ла, расположенный в районе экватора Титана. Он представляет собой обширную равнину, покрытую достаточно высокими дюнами. Считается, что они состоят из крупинок сложных углеводородов, осевших из атмосферы спутника.

На сегодняшний день Dragonfly является единственной официально утвержденной миссией, которая отправится к Сатурну в ближайшие годы. Но существует еще множество проектов, которые со временем могут получить зеленый свет. Целью большинства из них являются астробиологические исследования Энцелада. Наличие на спутнике гейзеров открывает довольно заманчивую возможность исследования их выбросов на предмет поиска следов жизни без необходимости посадки на саму поверхность и последующего бурения льда, чтобы добраться до океана.

Конечно, Cassini уже изучал выбросы гейзеров Энцелада. Но стоит понимать, что его конструкторы не предусматривали такую возможность и инструментарий аппарата не был заточен на астробиологические исследования. Специализированная же миссия сможет провести детальный анализ воды из океана Энцелада и дать ответ на вопрос о его пригодности к жизни.

Также в недрах NASA существует проект по отправке на Сатурн зонда, который совершит спуск в его атмосферу и проведет ряд специализированных исследований. В настоящее время он является одним из претендентов на получение финансирования в рамках нового отбора по программе New Frontiers. В случае если проект атмосферного зонда получит одобрение, он может быть запущен в середине следующего десятилетия и достигнет Сатурна где-то в начале 2040-х годов.