Разведка далеких планет

Эпоха «великих географических открытий» в Солнечной системе еще далека от завершения. Но уже сейчас приятно посмотреть на богатое семейство спутников планет. Если брать в расчет все спутники, принадлежащие большим планетам, карликовым планетам и астероидам, то в 2010 г. их насчитывалось около 340 с точно определенными орбитами. Еще порядка 150 мелких тел замечено в кольцах Сатурна, но их орбиты пока не определены. Как видим, с 1980 г. «множество лун» значительно возросло. Правда, за прошедшие 30 лет так и не были обнаружены спутники у Меркурия и Венеры, «не обзавелись» новыми спутниками Земля и Марс, а Плутон вообще был выведен из состава планет. Зато у четырех планет-гигантов вместо 41 теперь известно 165 спутников. Этим четырехкратным ростом в некоторой степени мы обязаны космонавтике (особенно зондам «Вояджер-2» и «Кассини»), но основная заслуга все же принадлежит наземной астрономии. Гигантские телескопы с адаптивной оптикой, а также космический «Хаббл» помогли обнаружить не только новые спутники планет, но и спутники карликовых планет – два новых у Плутона, два у Хаумеи и один у Эриды. К тому же более сотни спутников обнаружено у астероидов и около шестидесяти – у объектов за орбитой Нептуна.

Как видим, число спутников нарастает подобно лавине. По мере детального исследования колец вокруг планет-гигантов число спутников у этих планет вообще может превысить разумный предел. Дело в том, что до сих пор не проведена нижняя граница размера «спутника планеты», а кольца – это мириады камней всевозможного размера. Если не установить нижнюю границу размера тел, называемых спутниками, то каталоги спутников станут безразмерными.

Любопытно, что с похожей проблемой столкнулись в последние годы исследователи переменных звезд: чем выше точность фотометрических измерений, тем большее число звезд демонстрирует переменность блеска. Еще недавно несколько тысяч переменных звезд умещалось в одном каталоге, а после создания космических телескопов с большим полем зрения и высокой фотометрической точностью чуть ли не каждая звезда стала проявлять себя как переменная. Составители «Общего каталога переменных звезд» уже не в состоянии обрабатывать поступающий к ним гигантский поток данных. Такие же трудности грозят и исследователям спутников планет. Похоже, что в ближайшее время придется ввести новую категорию тел, более мелких, чем спутники, назвав ее, например, «околопланетный мусор» (более удачные названия принимаются).

Специалисты считают, что в ближайшем будущем придется отказаться от того, чтобы давать имена очень маленьким спутникам. Из-за стремительно растущего темпа их открытия приходится расширять используемые категории имен для спутников Юпитера и Сатурна, которые пока берутся из греко-римской мифологии. Раньше спутникам Юпитера давали имена возлюбленных Зевса/Юпитера, однако сейчас в банк названий включили также имена потомков Зевса. Спутники Сатурна пока что называют в честь греко-римских титанов и их потомков – гигантов. Чтобы расширить «национальный состав», сейчас используются также имена гигантов и монстров из других мифологий – галльской, инуитской и норвежской. Но и эти имена когда-то закончатся, а количество спутников лишь увеличивается.

Из сотен зарегистрированных сегодня спутников только Луна была известна с глубокой древности, а остальные открыли с помощью телескопов и космических зондов. Конечно, Луну трудно не заметить: в полнолуние ее блеск достигает почти -13 ^m. Спутники других планет недоступны невооруженному глазу, и только четыре галилеевых спутника Юпитера могли бы быть видны как звездочки 5 ^m, если бы не соседство яркого Юпитера. Люди с особо острым зрением способны заметить присутствие спутников вблизи Юпитера (я этому свидетель), но верно интерпретировать увиденное, вероятно, может только человек, заранее знающий о существовании этих тел. Без труда спутники Юпитера различаются в полевой бинокль, по характеристикам близкий к первым телескопам Галилея.

Именно галилеевы спутники Юпитера были открыты первыми сразу после изобретения телескопа. А затем, по мере совершенствования астрономической оптики, становились известными все более мелкие и далекие спутники (см. табл. 3.1 на с. 99). Применение фотографии еще дальше продвинуло эту работу, позволив обнаруживать рядом с ближайшими планетами-гигантами спутники размером 10–20 км. Наконец, запуск космических зондов и использование ПЗС-камер на телескопах 10-метрового калибра сделали возможным обнаружение совсем крохотных тел размером до 1 км.

Неудивительно, что неспециалисту многочисленные спутники планет кажутся «все на одно лицо». Лишь упоминание Луны вызывает у несведущего человека интерес и некоторые ассоциации. А со спутниками других планет не связаны легенды и предания, в их честь не совершали жертвоприношения, древние народы не использовали их для счета времени. Однако для специалиста-планетолога каждый спутник – это уникальный мир, не менее важный и интересный, чем наша вечная соседка Луна. Более того, система спутников каждой планеты – это своеобразный аналог Солнечной системы, со своими закономерностями в распределении спутников по орбитам и их физическим свойствам. Поэтому поиск новых спутников будет продолжаться как вглубь – ко все более мелким телам, так и вширь – охватывая все большую область вокруг каждой планеты. В связи с этим зададимся вопросом: каков максимально возможный размер спутниковой системы?

Поскольку спутником мы называем объект, постоянно сопровождающий планету, то максимальный размер системы спутников определяется областью гравитационного контроля планеты. Хотя она и не совсем сферическая, ее принято называть сферой Хилла. Если отвлечься от деталей, то на границе этой области, очевидно, должно наступать равенство двух сил: силы притяжения спутника к планете ( F) и силы, действующей со стороны Солнца и старающейся «оторвать» спутник от планеты ( f). Силу fобычно называют приливной, поскольку именно она, действующая со стороны Луны и Солнца, вызывает приливы в океанах и теле Земли. Найдем эти силы в расчете на единицу массы спутника. Пусть  Mи m —массы Солнца и планеты, Rи r– расстояние планеты от Солнца и спутника от планеты, G – постоянная тяготения. Тогда

и

Полагая, что R ≫ r, мы легко преобразуем выражение для f(отбросив малые величины) к виду

Тогда радиус сферы Хилла ( r) определится равенством F=fи составит

Эта формула не учитывает характера движения спутников, но для оценок она годится. Поскольку нас в основном интересуют системы спутников планет-гигантов (R ≫1 а. е.), то угловой радиус их сфер Хилла для земного наблюдателя составит

Например, для Юпитера (М/т≈1000) получим α = 4,5°. А в противостоянии, когда Земля и Юпитер сближаются на минимальное расстояние и поиск спутников наиболее продуктивен, это значение возрастает до 5,6°. Следовательно, астроному приходится вести поиск в круге диаметром 11,2°, что по площади равно 500 лунным дискам! Для Сатурна диаметр зоны спутников составляет 6°, для Урана и Нептуна – около 3°. Именно таковы наблюдаемые с Земли предельные размеры спутниковых систем планет-гигантов.

А насколько исчерпаны эти области? Насколько близки к их границам наиболее далекие известные спутники планет? Самый удаленный спутник Юпитера (S/2003 J2) в противостоянии планеты отходит от нее для земного наблюдателя на 3,3°. То есть до границы остается еще 2,3° – изрядная область для поиска неизвестных объектов. В системе спутников Сатурна самый далекий (Бестла) виден на расстоянии 1,6° от планеты: до границы еще 1,4°. Внешний спутник Урана (Фердинанд) удаляется на 0,6°, а внешний спутник Нептуна (Несо) – на 1°. Как видим, у всех этих планет осталось большое пространство в сфере Хилла, где могут прятаться неизвестные спутники. Разумеется, вблизи границ этих областей движение спутников неустойчиво и связь с планетой очень слаба. Уже найденные там объекты движутся хаотически, но все же они могут жить там довольно долго. Возможно, эти спутники иногда теряют связь с планетой, а затем они – или им подобные – возвращаются в ее гравитационные объятия. Там их и надо искать.