Планеты-гиганты и спутники

В отличие от планет земной группы, которые сформировались вблизи Солнца из тяжелой высокотемпературной фракции исходного материала про- топланетного облака, планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — аккумулировали значительно более легкие элементы, отвечающие космической распространенности элементов. Соответственно, Юпитер и Сатурн состоят в основном из наиболее обильных водорода и гелия, то есть их состав близок к солнечному. Только очень массивные планеты были способны аккрецировать эти легкие газы из протопланетного облака и удержать их в своем составе — согласно существующим оценкам (Wetherill, Steward, 1989: Lissauer, 1993) такому сценарию соответствует пороговое значение массы М > 10МЕ. По доступному измерениям химическому составу атмосферы можно судить как о составе недр, так и о составе материала протопланетного диска. Вместе с тем, атмосферы планет-гигантов обогащены более тяжелыми элементами, в частности углеродом, содержание которого на Юпитере втрое, а на Уране и Нептуне даже в 30 раз, превышает солнечное, что возможно объясняется бомбардировкой планетезималями, продолжавшейся в течение длительного времени после завершения основной фазы аккреции (Owen и др., 1999: Atreya и др., 2003).

При очень низких температурах в областях Солнечной системы между 10 и 30 а. е. наиболее эффективно конденсировались водородсодержащие соединения — вода, аммиак, метан («льды»), которые в различных соотношениях вошли, главным образом, в состав Урана и Нептуна. Еще более тяжелые элементы и соединения сосредоточились только в ядрах планет-гигантов, на которые происходила аккреция более легких элементов и соединений (рис. Ц.З, б). У Юпитера и Сатурна они составляют относительно небольшую долю маесы планеты, всего от 3 до 15%, достигая 60—80% у Урана и Нептуна, что, по-видимому, объясняется меньшим содержанием первичных газов в этой области диска на более поздней стадии формирования этих планет. Предполагают, что примерно аналогичное соотношение тяжелой и легкой фракции элементов содержит недавно открытая вресолнечная планета HD 149026b, сопоставимая по размерам с Сатурном (см. Lissauer, 2007). В целом же планеты- гиганты являются газовожидкими и ледяными телами малой средней плотности, несмотря на огромное давление в недрах, не имеющими твердой поверхности, а атмосферой можно называть продолжение их недр, т. е. наружный слой верхней мантии. О свойствах динамики атмосфер специально говорится в разделе 1.3.4.

Заметим, что Юпитеру, масса которого ~0,1% Ms, не хватило всего двухтрех порядков, чтобы могли начаться термоядерные реакции, соответственно, в водородно-дейтериевом (M = 0,11MS) и водородно-гелиевом (M = 0,8MS) циклах. Можно поэтому думать, что Юпитер занимает позицию у нижней границы звездной эволюции, находясь вблизи коричневых карликов [см. раздел 1.3.6].

У всех планет-гигантов есть спутники и кольца. Благодаря громадному прогрессу методов и техники наблюдений наземной астрономии число открытых за последние годы спутников возросло в несколько раз, и в настоящее время известно 162 спутника: 62 у Юпитера, 60 у Сатурна, 27 у Урана и 13 у Нептуна (Вашковьяк, Тесл емко. 2008). Размеры большинства спутников не превышают десятков и сотен километров, но некоторые сопоставимы с Луной и даже Меркурием. Тем не менее отношение суммарной массы спутников к массе планеты не более 0,01%. В отличие от самой планеты, ее спутники являются твердыми телами, обладающими поверхностью, хотя их относительно низкие средние массы свидетельствуют о значительной доли в их составе льдов, прежде всего водяного льда. Очевидно, большинство крупных спутников сформировалось из вещества того же диска, что и сама планета, и гораздо ближе к ней, увеличив в дальнейшем свои радиальные расстояния за счет приливных взаимодействий с планетой. В то же время спутники, находящиеся значительно дальше от планеты, преимущественно являются захваченными астероидами и ядрами комет. Сама система спутников вокруг каждой из планет, лежащих вблизи плоскости ее экватора, напоминает Солнечную систему в миниатюре.

Внимание привлекают прежде всего галилеевы спутники Юпитера — Ио, Европа, Ганимед, Каллисто (рис. Ц.12, Ц.13), в понимание природы которых решающий вклад внесли полеты космических аппаратов «Вояджер» и «Галилей» (Барсуков, Маров, 1985; Burns, Matthews, 1986; Buratti, 1999). Галилеевы спутники образовались, вероятно, одновременно с самой планетой вблизи нее и в дальнешем увеличили свои радиальные расстояния вследствие приливного воздействия Юпитера (см. Spencer, 2001). Их теория движения обладает характерной особенностью, обнаруженной еще Лапласом, — в системе этих спутников имеется тройной резонанс 1 :2:4, т. е. в таком кратном соотношении находятся периоды обращения Ио, Европы и Ганимеда вокруг Юпитера. Наряду с этим, существует соотношение между средними движениями, что вызывает либрацию спутников, а сами они испытывают возмущениями от сильного гравитационного взаимодействия друг с другом (Lieske, 1977). В результате каждому из галилеевых спутников свойственны определенные уникальные черты, но особенно выделяются ближайшие к Юпитеру Ио и Европа с периодами обращения соответственно 1,77 и 3,55 суток. Последующее обсуждение несет, по нашему мнению, убедительные свидетельства того, что формирование уникальных особенностей как этих, так и многих других спутников гигантов, является следствием процессов самоорганизации, приведших вначале к возникновению резонансов, а в процессе дальнейшей эволюции — к формированию специфических природных комплексов.

На Ио, радиус которой (1821 км) сопоставим с размером Луны, обнаружена широкомасштабная вулканическая активность глобального масштаба, продолжающаяся в современную эпоху. На поверхности, практически лишенной следов ударных кратеров из-за ее непрерывного обновления со скоростью до ~ см/год, наблюдается, как правило, несколько одновременно действующих вулканов, самые крупные из которых получили названия Прометей и Пеле. Сама поверхность в областях широко распространенных долин покрыта отложениями серы и ее аллотропов, образующихся вследствие фазовых переходов и придающих ей характерную желто-оранжевую окраску (рис. Ц.14). Свой вклад в формирование этих свойств, кроме самой лавы, вероятно, вносили процессы конденсации летучих и пирокластики. Наряду с этим, имеются горы (до 15 км высотой) и многочисленные кальдеры шириной от 10 до 200 км и глубиной до 2 км, а следы лавовых потоков тянутся на сотни километров (Johnson, Soderblom L. А., 1983; Nash и dp., 1986). Существуют многочисленные тепловые аномалии на фоне окружающей холодной поверхности, среди которых особенно выделяется область Локи патера.

Грандиозным является сам процесс извержения лавы и газов в вакуум со скоростью около 1 км/с, образующих в условиях малой силы тяжести плюмажи высотой свыше 200—400 км (рис. Ц.15). В состав лавы входят преимущественно силикаты вместе с сернистыми соединениями, так что вулканизм на Ио по своей природе мало отличается от силикатного взрывного вулканизма на планетах земной группы, с той разницей, что генерируется он не газами Н,0 и СО,, а S02 (Keszthelyi, McEwen, 1997; McEwen и dp., 1998a, b; Wilson, 1999). Силикатному вулканизму не противоречит как зарегистрированная высокая температура лавы (свыше 1500 К), так и модель недр Ио, состоящих из железного или железо-сульфидного ядра (~ 20% по массе), частично расплавленной конвективной силикатной мантии (возможно, обогащенной магнием) и литосферы толщиной ~ 30 км. Однако, в отличие от Земли, Венеры, Марса, где вулканизм обусловлен радиогенным теплом, на Ио, как и на Луне, из-за малости размеров радиоактивные изотопы давно исчерпаны, и источником извержений служит диссипация приливной энергии вследствие упомянутого выше гравитационного взаимодействия Ио с другими галилеевыми спутниками при орбитальном движении в гравитационном поле Юпитера, что приводит к периодическим сильным деформациям фигуры (Peale и dp., 1979). Согласно существующим оценкам, этот механизм примерно на два порядка превышает другие возможные энергетические источники. Достаточно высокая средняя плотность (3,53 г/см3) свидетельствует о том, что Ио состоит практически целиком из каменистых пород, а водно-ледяная оболочка (если она когда-либо существовала) была, по-видимому, потеряна благодаря разогреву недр уже на ранней стадии эволюции. Интересно, что энергия, излучаемая Ио в окружающее пространство (2,5—5 Вт/м2) примерно на два порядка превышает внутренние тепловые потоки на Земле (0,08 Вт/м2) и Луне (0,02 Вт/м2). Поскольку, к тому же, эта энергия в современную эпоху почти на порядок больше равновесного значения (0,8 Вт/м2), то следует, видимо, допустить, что скорость приливной диссипации энергии претерпевала заметные изменения (Matson, Blaney, 1999).

Благодаря вулканической деятельности Ио обладает атмосферой из двуокиси серы, хотя и очень разреженной, и многочисленными нейтральными облаками, для которых из-за сильного рассеяния солнечного света наиболее характерна натриевая эмиссия, хотя преобладают в них сера и кислород. Те же компоненты в состоянии ионизации образуют ионосферу и плазменный тор вдоль орбиты Ио, который активно взаимодействует с мощной магнитосферой Юпитера (Schneider и dp., 1995 Krimigis и др., 2002). Это взаимодействие приводит, в частности, к известной модуляции декаметрового излучения Юпитера, зарегистрированной еще в середине прошлого столетия. Ио, находящаяся на радиальном расстоянии 5,91 R., буквально погружена в его магнитосферу, следствием чего является интенсивное выбивание с поверхности нейтральных частиц энергичными магнитосферными ионами (sputtering), что служит основным механизмом потерь материала со спутника и пополнения атмосферы и тора. Взаимодействие окружающей Ио плазмы с магнитосферой Юпитера порождает токи силой до миллиона ампер, проецирующиеся от тора в ионосферу планеты.

Примерно аналогичное, но меньшее приливное воздействие испытывает находящаяся немного дальше от Юпитера и наименьшая по размерам среди галилеевых спутников, но, возможно, наиболее интригующая в Солнечной системе, Европа (радиус 1561 км, плотность 3 г/см3). Но если мощный разогрев и связанный с ним вулканизм на Ио привел, как уже говорилось, к утрате ее ледяной оболочки, как у других галилеевых спутников, то на Европе она предположительно превратилась в водный океан глубиной ~ 50 км, находящийся под ледяным панцирем толщиной ~ 10—20 км (рис. Ц.16). К возможности появления жидкой воды на такой глубине приводит оценка теплового потока за счет диссипации приливной энергии — около 5 К/км. Об этом же свидетельствует обусловленное приливами несинхронное по отношению к недрам вращение внешней оболочки Европы, наличие во льду многочисленных трещин, образование областей с хаотическим нагромождением блоков, которые можно уподобить айсбергам, необычная форма ударных кратеров (Spencer, 2001', Carr и др., 1998). Более того, за счет периодического энерговыделения в недрах спутника океан может прогреваться и быть, таким образом, даже подходящей биогенной средой. Интересно, что если эти оценки верны, то объем воды в океане Европы существенно превышает водные запасы Земли.

Подтверждением существования океана служит и уникальная гладкость фигуры Европы, а также то, что ее ледяная поверхность буквально испещрена хаотически расположенными бесчисленными невысокими хребтами и разломами длиной до 3000 км, шириной до 70 км и глубиной в несколько сот метров, как это видно на изображениях, полученных при нескольких сближениях с Европой спутника Юпитера «Галилей». Эти геологические особенности рельефа, лишенные какой-либо упорядоченности, по-видимому, образовались сравнительно недавно, о чем свидетельствует отсутствие на поверхности древних кратеров ударного происхождения. Происхождение разломов можно отнести на счет конвективных и других динамических процессов в океане, инициирующих подвижки льдов и, возможно, частичный вынос воды наружу, где образующиеся трещины заполняются свежим льдом типа шуги. С этими же процессами, очевидно, связана достаточно быстрая эрозия (сглаживание) следов метеоритной бомбардировки Европы. Другим важным аргументом служит наличие сравнительно небольшого магнитного поля, скорее всего обязанного наличию электропроводящего соленого океана, в котором индуцируются электрические токи, вследствие чего магнитосфера Юпитера испытывает заметные возмущения.

Магнитные поля обнаружены также на Ганимеде, самом крупном спутнике в Солнечной системе, размер которого больше Меркурия, и несколько уступающем ему по размерам Каллисто (Kivelson и др., 1996: 1999). На Ганимеде (рис. Ц.17) отчетливо выделяются светлые и темные области, происхождение которых, по-видимому, обусловлено обнажением водяного льда или, наоборот, отложениями каменистых пород при метеоритной бомбардировке поверхности, включая крупные астероиды и кометы Наряду с этим, присутствуют системы желобов и трещин, вероятно, связанные с тектонической активностью, обусловленной, наряду с притоком приливной энергии при резонансном взаимодействии с Европой и Ио, также, возможно, сохранившимся источником радиогенного тепла в силикатной мантии, контролируемой конвективным переносом. Так или иначе, эти энергетические источники привели к дифференциации недр Ганимеда, с чем, очевидно, и связано наличие у него магнитного поля. Оно может быть обусловлено как механизмом динамо в частично расплавленном железном или железо-сульфидном ядре, радиус которого оценивается ~ 1000 км, так и механизмом индукции в предполагаемой водно-ледяной внешней оболочке протяженностью ~ 800 км (Anderson и др., 1996; Kivelson и др., 1996: 1999: Schubert и др., 1996).

Каллисто наименее модифицирована среди всех галилеевых спутников {Anderson и др., 1998). Степень кратерирования ее поверхности близка к насыщению, что свидетельствует о высокой эффективности ударной бомбардировки в окрестности Юпитера. На Каллисто сохранились крупные старые кратеры, деградированные значительно меньше, чем на Ганимеде. Особенно выделяется область Валхалла с системой концентрических валов и гребней высотой в сотни метров и протяженностью в несколько тысяч километров, вызванных, вероятно, падением крупного астероида и образовавшего обширную котловину, подобную лунным. Однако, в отличие от Луны, ледяная поверхность этого спутника, покрытая наслоениями более темного материала (вероятно, экзогенного происхождения), в составе которого такие углеродсодержащие соединения, как CH, С02, CN, S02 и, возможно, SH-радикалы, сохранила последовательность рапространения волн от эпицентра взрыва благодаря пластичности ледяной коры.

Поскольку Каллисто не подвержена приливному разогреву вследствие орбитального динамического резонанса Лапласа, как три других галилеевых спутника, какие-либо следы эндогенной активности на ней отсутствуют. С этим же связано и то обстоятельство, что степень дифференциации пород, слагающих Каллисто, существенно меньше, чем у Ганимеда, о чем свидетельствует измеренное значение квадрупольного момента гравитационного поля, которому отвечает более высокое значение его безразмерного момента инерции / = С/MR2 = 0,359 ±0,005, в то время как у Ганимеда оно / = 0,3105 ±0,0028.

В отсутствие внешнего энергетического источника трудно ожидать, что на глубине сохранилась жидкая вода, поскольку за геологическое время недра должны были охладиться сабсолидусной конвекцией, контролируемой вязкостью льда, хотя и менее эффективной, чем на Ганимеде. Существует, однако, и иная точка зрения, подкрепляемая отсутствием на стороне, противоположной котловине Валхала, заметных сейсмических следов ударного воздействия от падения крупного тела, что можно объяснить поглощением энергии удара жидким слоем недр. В пользу данного предположения свидетельствует и наличие у Каллисто магнитного поля, сопоставимого по напряженности с Европой (Shubert, 1997; Anderson и др., 1998 КИигапа и др., 1998).

Помимо галилеевых спутников, наибольшее внимание у других планет- гигантов привлекают спутник Сатурна Титан и спутник Нептуна Тритон. Заслуживает вместе с тем упоминания и совсем небольшой почти целиком ледяной спутник Сатурна Энцелад, размер которого 500 км, а плотность всего 1,120 г/см-3. Несмотря на столь малые размеры, значительная часть его поверхности сильно модифицирована активными геологическими процессами, оставившими хребты и желоба, а отсутствие кратеров и альбедо спутника, близкое к единице, свидетельствует о том, поверхность очень молодая. Ее альбедо достигает 90% и является самым высоким из всех тел Солнечной системы. Как оказалось, и в этом случае наблюдаемые структуры являются следствием самоорганизации, возникшей из-за слабо эллиптической орбиты Эн- целада, находящегося в резонансе 2:1с другим спутником Сатурна Дионой. Ее приливное воздействие достаточно для того, чтобы разогреть его недра до температуры 176 К, отвечающей температуре плавления водно-аммиачной эвтектики. По-видимому, этим механизмом обусловлена как сохранившаяся геологическая активность этого холодного тела в виде обнаруженного «водного вулканизма», так и источник частиц, заполняющих кольцо Сатурна Е, внутри которого как раз и находится Энцелад.

Судя по величине средней плотности, Титан и Тритон, подобно Ганиме- ду и Каллисто, состоят наполовину из каменистых пород и наполовину из льдов, вероятно, в основном водяного, с разными типами кристаллизации. Уникальность Титана, сопоставимого по размерам с Меркурием и Ганиме- дом, — наличие у него мошной азотно-аргоновой атмосферы протяженностью — 400 км и несколькими инверсионными слоями, с давлением у поверхности 1,6 атм при температуре 94 К. Заметим, что эта температура близка к тройной точке метана, при которой на поверхности происходят фазовые переходы. Поскольку ускорение силы тяжести на Титане составляет примерно одну седьмую часть от земного, то для создания давления 1,6 атм масса атмосферы Титана должна быть на порядок больше земной (Hunten и dp., 1984 Coustenis, Lorenz, 1999). Наличие в атмосфере 40Аг, по-видимому, означает существование на нем вулканической деятельности. Особенности морфологии поверхности не исключают также, что на нее оказали влияние тектонические процессы.

Другой интересной особенностью Титана является круговорот метана, включающий образование в атмосфере метановых облаков и выпадение на поверхность осадков в виде метановых дождей. Существование такого метанового цикла предполагалось ранее на основе расчетных моделей и исследования свойств поверхности путем радиолокационных измерений и при помощи космического телескопа «Хаббл» (Meier и др., 2000). Эти ожидания подтверждала съемка панорам поверхности с борта посадочного аппарата «Гюйгенс», отделенного от орбитального комплекса «Кассини» при подлете к Сатурну и осуществившего посадку на Титан в январе 2005 г. На снимках видны глыбы округлой формы, состоящие, вероятно, из водяного и метанового льдов и, вероятно, других органических соединений, темные пятна, долины, напоминающие русла рек, стекающих с возвышенностей, ряды дюн, состоящих из частиц «углеводородной пыли», видимо, образованные сильными ветрами, и отдельные заполненные или высохшие озера размером в сотни километров, образование которых действительно можно связать с выпадением из атмосферы жидкого метана (рис. Ц.18). Метан конденсируется в облака на высоте в несколько десятков километров, из них постоянно выпадает на поверхность слабая изморось, а из особо плотных облаков вблизи Южного полюса —более крупные «дождевые» капли, компенсируемые испарением, что представляет собой аналог гидрологического цикла на Земле. При очень низкой температуре жидкой воды на поверхности быть не может, но не исключено, что, подобно галилеевым спутникам, она есть на глубине, в подповерхностном слое. Наряду с этим, есть основания предполагать, что на поверхности кроме метана существуют и более сложные непредельные углеводороды (этан, этилен, ацетилен, диацетилен, метилацетилен, циа- ноацетилен), а также пропан, синильная кислота и другие органические соединения, образующиеся в верхней атмосфере и углеводородных облаках под действием ультрафиолетового излучения в результате процессов фотолиза метана. Углеводороды придают атмосфере характерный красно-оранжевый цвет. Можно думать, что на Титане создаются благоприятные условия для начальных этапов биогенного синтеза, подобные тем, которые существовали на ранней Земле (Sagan и др., 1984), и это привлекает к Титану особый интерес.

В противоположность Титану, Тритон, размер которого чуть меньше Луны, практически лишен атмосферы (давление не превышает 15 микробар), а температура его азотно-метановой поверхности всего 38 К (Benner, 1997 McCinnon, Kirk, 1999). Заметим, что ряд признаков роднит Тритон с Плутоном, до недавнего времени считавшимся девятой планетой Солнечной системы, а ныне переведенного в категорию крупных тел пояса Койпера —плу- тонидов. Между тем, существуют и очень большие различия, ставшие очевидными после пролета вблизи Нептуна космического аппарата «Вояджер». Прежде всего на поверхности Тритона в области Южной полярной шапки было обнаружено несколько десятков темных полос, некоторые из которых отождествлены с гейзероподобными выбросами жидкого азота на высоту в несколько километров (криовулканизм, рис. Ц.19). С гейзерами, вероятно, связаны также отложения на замерзшем метане пылевых частиц, переносимых преобладающими ветрами даже в сильно разреженной среде. Кроме того, на поверхности обнаружены образования, напоминающие замерзшие озера с азотно-метановыми береговыми террасами высотой до километра, образование которых, возможно, связано с последовательными эпохами плавления — замерзания при изменении условий инсоляции или, скорее, в результате приливных взаимодействий Тритона с Нептуном. По-видимому, разогрев недр за счет диссипации приливной энергии служит, подобно галилеевым спутникам, основным источником криовулканизма на этом очень холодном теле. Другим источником энергии гейзероподобных выбросов могло бы быть повышение уровня инсоляции, поскольку они наблюдаются на широтах, на которых Солнце находится в зените. Однако данный механизм, скорее всего, играет второстепенную роль. Так или иначе, о сохранившейся геологической активности Тритона свидетельствует малое число ударных кратеров на его относительно молодой поверхности.

У Тритона очень необычная орбита, что остро ставит вопрос о его происхождении. Она сильно наклонена к плоскости эклиптики и обладает почти нулевым эксцентриситетом, а сам Тритон, в отличие от всех других крупных спутников планет, движется не в прямом, а в обратном направлении (по часовой стрелке). Особенности орбитального движения Тритона позволяют предположить, что он первоначально образовался в поясе Койпера, как и Плутон, а позднее был захвачен Нептуном. Однако обычный гравитационный захват, как показали расчеты, маловероятен, поэтому дополнительно предполагается, что Тритон был членом двойной системы, либо постепенно затормозился в верхней атмосфере Нептуна. Подкреплением данной гипотезы служит то обстоятельство, что при переходе на орбиту вокруг Нептуна Тритон должен был испытать со стороны Нептуна и существовавшей системы его спутников (в частности, Нереиды) мошное приливное воздействие, что привело к расплавлению его преимущественно водно-ледяных недр (средняя плотность 2,07 г/см3). Вполне вероятно, что, как уже говорилось, продолжающееся приливное взаимодействие Нептуна и Тритона в современную эпоху разогревают планету, следствием чего является тепловой поток из недр, почти втрое превышающий величину инсоляции. Другим следствием является то, что Тритон постепенно приближается к Нептуну и в далекой перспективе войдет внутрь предела Роша, где будет разорван на части.

Из краткого обзора небесных тел во внешних областях Солнечной системы можно заключить, что всем им свойственна удивительная упорядоченность природных комплексов, которая складывалась в процессе самоорганизации в открытой диссипативной системе первоначально хаотических образований в виде роя планетезималей, из которых рождались планеты-гиганты и системы их спутников. Самоорганизация была обеспечена в первую очередь гравитационными силами, приведшими к возникновению соизмеримостей и резонансов в движениях планет и спутников, приливными взаимодействиями, вызвавшими разогрев недр и уникальные природные явления в виде вулканов, гипотетического теплого водного океана и азотных гейзеров в условиях крайне низких температур. Формирование вулканических плюмажей, сопровождающих истечение газов в вакуум, напрямую связано с турбулентными движениями многокомпонентных сред и фазовыми переходами в таких средах, ответственными за морфологию и свойства поверхности, как это имеет место на Ио. По-видимому, турбулентность вносит свой вклад в образование разломов и трещин ледяной поверхности, возникающих при конвективных движениях в водной толще гипотетического океана Европы. С круговоротом метана в турбулизованной атмосфере Титана связаны многие особенности формирования облаков, фотохимических процессов, морфологии поверхности, образования сложных органических соединений.

Замечательный пример самоорганизации — кольца планет-гигантов. Она возникает в системе частиц, находящихся в орбитальном движении и одновременно испытывающих хаотические взаимодействия. При этом образуются упорядоченности в конфигурациях колец, обязанные в первую очередь возникновению коллективных процессов и наличию в дисковой системе неупругих столкновений макрочастиц (Fridman, Polyachenko, 1984 Горькавый, Фридман, 1994). Другими словами, самоорганизация заложена в самой системе, а находящиеся вблизи или внутри структуры колец спутники, часто называемые «пастухами», оказывают дополнительное «стимулирующее» влияние. Наряду с этим, частицы колец, сами представляющие собой бесконечное количество мелких спутников, оказываются в резонансах с более крупными спутниками планеты (рис. Ц.20). Это приводит к нарушению однородной структуры колец, в частности, к образованию внутри их щелей, таких как щели Кассини, Энке в кольцах Сатурна, по своей природе аналогичных люкам Кирквуда в Главном поясе астероидов (Greenberg, Brahic, 1984 Esposito и др., 1984). С этим же механизмом связана генерация волн плотности, формирование иерархической структуры колец и вследствие механизма развития гравитационно- диссипативной неустойчивости — их расслоение на тысячи тонких спиральных колечек (ringlets). Другим примером самоорганизации и взаимодействия с кольцами близко расположенных спутников планеты служит образование у Урана системы очень узких колец (рис. Ц.21), в которых частицы концентрируются вследствие эффекта гравитационной фокусировки (Elliot, Nicholson, 1984', Esposito и др., 199Р, French и др., 1991), а в кольцах Нептуна наблюдается даже неравномерное распределение частиц в виде отдельных «арок» вдоль орбиты, дрейфующих в азимутальном направлении. Два наиболее характерных кольца с арками названы Адамс и Леверье в честь первооткрывателей Нептуна путем предвычислений («на кончике пера»), что вскоре блестяще подтвердилось наблюдениями. Механизм образования арок до конца не понят, хотя одним из объяснений служит наличие резонансов (42:43) частиц колец с эк- центрисететом и наклонением спутника Нептуна Галатеи, что препятствует равномерному расределению частиц вдоль орбиты (Рогсо и др., /995; Рогсо, 1999). Этот механизм нуждается, однако, в дополнительном обосновании.

Все кольца планет, вероятно, представляют собой либо рой первоначальных частиц, формированию которых в спутник препятствовали гравитационные силы внутри предела Роша, либо они, наоборот, являются результатом распада астероида или кометы, зашедших внутрь предела Роша. Характерным примером такого события, видимо, служит кольцо Юпитера, заполненное очень мелкими частицами и окруженное снаружи и изнутри диффузными туманностями (Ockertbell и др., 1999). Гипотеза распада выдвинута, исходя из оценок ограниченного времени существования колец, — 0,5 млрд лет, что существенно меньше возраста Солнечной системы (Esposito и др., 1984: 1991). В этом случае нужно считать кольца не реликтом стадии аккумуляции самой планеты, а периодически возникающими и исчезающими образованиями в результате катастрофического события гравитационного захвата планетой и последующего разрушения малого тела, что, вообще говоря, представляется вполне вероятным. В пользу этого предположения говорит и то обстоятельство, что, например, преимущественно ледяные частицы колец Сатурна обладают высоким альбедо, то есть не покрылись темным микрометеорным веществом, как это произошло бы с реликтовыми кольцами за время существования Солнечной системы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >