Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

известная неопределенность относительно их растущего количества. Некоторые из самых маленьких спутников еще не получили подтверждения, но как только они будут подтверждены, другие, по всей вероятности, тоже будут добавлены к их числу.)28 Богатый урожай новых спутников собран в 1980 г. Оказалось, что самый большой из них, Титан, хорошо известный до этого по наблюдениям с помощью наземных телескопов и превышающий по размерам Луну и Меркурий, обладает собственной атмосферой. В настоящее время о нем обычно говорят как о месте в Солнечной системе, больше всего напоминающем Землю, хотя сходств по большому счету не так уж много, поскольку его температура около –178°C и, по всей видимости, метан на Титане играет ту же роль, что вода на Земле. На Энцеладе, размеры которого составляют 500 километров в поперечнике (то есть меньше одной десятой доли размеров Титана) обнаружены признаки геологической активности.

Последнее открытие дополнено еще одним, объявленным в начале 2006 г.: на спутнике Сатурна Энцеладе есть водоемы с жидкой водой. Это открытие сделано в ходе работы космической миссии «Кассини-Гюйгенс» («Кассини» – космический аппарат со своим отдельным оборудованием, а «Гюйгенс» – зонд с обширным набором своих приборов). Это самый продвинутый, по-настоящему международный проект, в котором участвовали семнадцать государств. «Кассини» был построен для НАСА и управлялся Лабораторией реактивных двигателей, а Европейское космическое агентство создало зонд «Гюйгенс». Многие из приборов «Кассини» сделаны Итальянским космическим агентством. В обработке полученных данных участвовало около трехсот ученых. «Кассини-Гюйгенс» запущен с помощью ракеты-носителя Титан IV-B/Центавр 15 октября 1997 г. Из-за его огромной массы (около шести тонн) он не мог быть запущен прямо к Сатурну, необходим был «гравитационный», или «пертурбационный», маневр, траектория которого показана на ил. 240. Аппарат достиг Сатурна в июле 2004 г. Приблизившись к планете, «Кассини» включил свой главный двигатель, чтобы затормозиться и выйти на орбиту вокруг Сатурна. На следующем этапе зонд «Гюйгенс» отделился от орбитального летательного аппарата «Кассини» и погрузился в атмосферу Титана, оставив «Кассини» на орбите для более подробного изучения системы Сатурна в целом. Для такого подробного изучения были весомые доводы. Сатурн (как и Юпитер, Уран и Нептун) является газовым гигантом, состоящим в основном из водорода и гелия. В связи с этим возникали сложные вопросы, связанные с его огромной магнитосферой и штормовой атмосферой, ветры которой достигают у экватора скорости почти 2000 километров в час. Относительно последствий этих необычных ветров был сделан вывод, что они совместно с тепловой энергией, исходящей из недр планеты, создают желтые и золотые пояса, различимые в атмосфере Сатурна.

240

Траектория гравитационного маневра космического аппарата «Кассини-Гюйгенс». Орбиты Земли и Венеры отмечены буквами e и v соответственно. Мелкие цифры (1, 2, 3, 4, 5) помогают проследить траекторию. Аппарат сделал два оборота вокруг Солнца, пройдя в обоих случаях вблизи Венеры, а на третьем обороте – вблизи Земли. За эти три витка он с помощью планет набрал импульс, достаточный для достижения дальних областей Солнечной системы. В декабре 2000 г. еще один гравитационный маневр возле Юпитера сообщил ему последнюю порцию энергии, необходимую для броска в направлении Сатурна.

Вернемся к спутнику Сатурна Энцеладу и обнаруженной на нем геологической активности: изображения высокого разрешения, полученные «Кассини», демонстрируют изобилие струй и шлейфов водяных частиц, движущихся с высокой скоростью. У других спутников планет Солнечной системы тоже есть океаны жидкой воды, но покрытые многокилометровой ледяной корой, а не в полостях, расположенных под поверхностью, как это видно из поразительных наблюдений Энцелада. В Солнечной системе есть только три места, где происходит нечто подобное, – это, конечно же, Земля, спутник Юпитера Ио и, возможно, спутник Нептуна Тритон. Редкое присутствие жидкой воды, наблюдаемой столь близко от поверхности Энцелада, вызвало много вопросов. Как это возможно, если температура планеты столь низка? Проводились аналогии с гейзером «Старый Служака» в Йеллоустонском национальном парке, хотя подповерхностная температура на Энцеладе должна быть гораздо ниже. Являются ли условия на Энцеладе пригодными для живых организмов? Оказалось возможным по меньшей мере задать этот давний вопрос. По мере того как «Кассини» приближался к Сатурну, удалось обнаружить, что в окрестностях планеты очень много атомов кислорода. Часть из них, как теперь ясно, скорее всего, образовалась из воды, выброшенной Энцеладом и расщепленной на атомы кислорода и водорода.

Многое из обнаруженного миссией «Кассини-Гюйгенс», явилось дополнением к тому, что уже знали о Сатурне по результатам предыдущих космических программ. К 1990 г. уже многое было известно о природе планетных колец, состоящих в основном из частиц льда, некоторые из них не больше пылинки, а другие – размером с гальку. Все они, как выяснилось, обращаются вокруг планеты, образуя диск толщиной порядка 100 метров – удивительно устойчивый, если принять во внимание, что внешнее легко различимое кольцо имеет диаметр более 270 000 километров. Щель Кассини (представляющаяся взгляду, как обнаружил ее первооткрыватель, в виде темной полосы, делящей кольцо на две части) содержит значительно меньше частиц – вполовину меньше, чем ожидалось. Все кольца в целом обнаруживают несколько неожиданных свойств, самое загадочное из них – группа образований, лучше всего обозначаемых как «спицы», природа которых еще недостаточно неясна. Не менее удивительными были полученные в 2006 г. миссией «Кассини» данные о существовании совершенно нового класса крохотных спутников, находящихся в пределах мелких колец Сатурна, а их счет, возможно, ведется на миллионы в пределах одного большого кольца. Ожидается, что их существование поможет, наконец, получить ответ на один давний вопрос: сформировались ли кольца Сатурна в результате распада более крупного тела или это остатки вещества диска, из которого изначально формировались Сатурн и его спутники?

Одним из многих сюрпризов, преподнесенным еще более ранним мониторингом Сатурна, произведенным в 1980 г., было открытие двух небольших спутников, обращающихся по той же орбите, что и Диона. (Диаметр Дионы в два раза больше, чем у Энцелада.) Позже такая же свита обнаружилась и у спутника Сатурна Тефии. Эти «утроенные» орбиты стабильны, и положения спутников великолепно вписываются в теорию, заложенную Жозефом Луи Лагранжем более двухсот лет назад. Спутники находятся в местах, которые сегодня принято называть «точками Лагранжа»; они важны не только с позиции теоретической астрономии, но и по весьма практическим соображениям технологии производства и управления спутниками. Это имеет достаточно важное значение для нас, поэтому поговорим о них отдельно.

ТОЧКИ ЛАГРАНЖА

Точки Лагранжа (известные также как «точки либрации») – это места, где тело может оставаться неподвижным по отношению к двум другим более массивным телам, обращающимся друг относительно друга под действием сил гравитации, – таким телам, как Солнце и Земля. Если взять данный легко визуализируемый случай, то существует пять точек Лагранжа, в которых спутник может оставаться неподвижным относительно нас. На ил. 241 три из них обозначены буквами L1, L2, L3, каждая соответствующим образом расположена на линии, соединяющей Землю и Солнце. Другие две точки Лагранжа, L4 и L5, находятся на той же орбите, что и Земля, но одна из них на 60° впереди, а другая – на 60° сзади. Лагранж показал, что тела в последних двух точках будут находиться в устойчивом равновесии в случае, если центральное тело (в нашемм случае – Солнце) более чем в 24,96 раза массивнее «планеты» (в нашем случае – Земли). Три первые точки Лагранжа не обладают таким качеством стабильности: тела в них могут находиться в равновесии, но при слабом возмущении они не вернутся в исходную точку, как в четвертом и пятом случаях. Именно в этих двух последних точках устойчиво расположились соседи Дионы и Тефии.

Пространное математическое обоснование