Кольца Сатурна легче, чем кажутся

Повседневный опыт подсказывает, что непрозрачный материал должен содержать больше вещества, чем прозрачный. Например, в мутной воде (по сравнению с чистой) присутствует больше взвешенных твердых частиц. Из таких соображений можно было бы предположить, что концентрация вещества в участках колец Сатурна, хуже пропускающих свет, выше, чем в тех, которые кажутся более прозрачными.

Но подобные интуитивные соображения не всегда справедливы. Такой вывод можно сделать по итогам недавних исследований кольцевой системы планеты космическим аппаратом Cassini, касающихся в основном кольца B — наиболее яркого и прозрачного из всех сатурнианских колец. Вывод согласуется с результатами предыдущих исследований. При том, что непрозрачность кольца B меняется в широких пределах по всей его ширине, количество материала (ледяных обломков метровых размеров) там отличается несущественно. Ученые впервые «взвесили» почти непрозрачный центр кольца — определили плотность его вещества в нескольких местах путем анализа спиральных волн плотности. Эти мелкомасштабные кольцеобразные образования появляются при гравитационном взаимодействии частиц кольца с планетой. Структура каждой волны напрямую зависит от средней массы материи в области, где она находится.

Исследование распределения массы в кольцах Сатурна поможет уточнить их возраст: менее массивные из них эволюционируют быстрее, чем те, которые содержат больше вещества. Таким образом, самое «легкое» кольцо B, по-видимому, относится к наиболее молодым — его возраст может составлять всего несколько миллионов лет (ничтожную величину по меркам Солнечной системы).

«В настоящее время еще не совсем понятно, как регионы с одинаковым количеством материала могут иметь разную прозрачность. Возможно, это связано с размером или плотностью отдельных частиц, или этот эффект обусловлен структурой кольца», — считает ведущий автор исследования, сотрудник группы сопровождения миссии Cassini Мэттью Хэдман из Университета штата Айдахо (Matthew Hedman, Idaho State University). Его коллега Фил Николсон из Корнельского университета (Phil Nicholson, Cornell University, Ithaca, New York) добавляет: «Внешность иногда обманчива. Вот хорошая аналогия: туманный луг может выглядеть более непрозрачным, чем бассейн, хотя вода в бассейне плотнее и ее там намного больше».

Все планеты-гиганты Солнечной системы (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) имеют кольцевые системы, но сатурнианские кольца среди них явно выделяются. Ответ на вопрос, почему они такие большие и яркие, важен для понимания того, как они образовались и эволюционировали. Для ученых плотность материала, «упакованного» в каждой секции колец, является критическим фактором в описании процессов их формирования.

В более раннем исследовании члены рабочей группы композитного инфракрасного спектрометра Cassini выдвинули предположение, что в кольце B вообще может быть меньше материала, чем считалось ранее. Новый анализ стал первой попыткой непосредственного измерения плотности вещества в этом регионе.

Исследователи обнаружили, что общая масса кольца B оказалась неожиданно низкой. Это стало большим сюрпризом, потому что некоторые его части на порядок непрозрачнее соседнего кольца A. В то же время массы колец отличаются в два-три раза. Несмотря на это, ученые полагают, что на самом деле в кольце B содержится основная часть вещества всей кольцевой системы Сатурна. Ее «взвешиванием» сейчас занято несколько научных коллективов, параллельно пытающихся как можно точнее определить массу самой планеты.