Разведка далеких планет

Кстати, на периферии сферы Хилла могут прятаться не только отдельные спутники, но даже кольца планет! Так, в мае 2009 г. удалось обнаружить ранее неизвестное кольцо Сатурна, самое большое среди планетных колец: для земного наблюдателя его угловой размер составляет около 1°, вдвое больше лунного диска! К сожалению, наблюдать этот колоссальный объект в оптическом диапазоне невозможно из-за его крайней разреженности. Глазом его не увидеть, даже находясь непосредственно в нем. Как же оно было открыто? Новое кольцо в основном состоит из частиц пыли и льда, температура которых около 80 К. Именно из-за такой сравнительно высокой температуры его заметил космический телескоп «Спитцер», наблюдающий в дальнем инфракрасном диапазоне (см. с. 15 цветной вкладки).

Инфракрасное кольцо Сатурна начинается на расстоянии примерно 6 млн км от планеты и тянется еще на 12 млн км. Для сравнения, ширина крупнейшего видимого кольца этой планеты – кольца В – составляет 25 500 км. Толщина нового кольца около 1,2 млн км, тогда как толщина того же кольца В составляет от 5 до 15 м. В центре нового кольца располагается спутник Феба. Похоже, что именно Феба служит основным источником вещества, образующего кольцо. Весьма вероятно, что наличием этого кольца объясняется загадка другого спутника Сатурна – Япета. Как известно, одна его половина заметно темнее другой. Скорее всего, это потемнение вызвано падением на поверхность спутника материала кольца. Япет покрыт светлым льдом, поэтому оседающая на нем темная пыль хорошо видна (рис. 8.6).

Возвращаясь к заголовку этого раздела, давайте прочитаем его немного иначе: «В мире – множество лун». И это верно! Но справедливо ли, что все они несут на себе налет неполноценности? Мол, спутник – это не планета, а так, довесочек. Окинув взглядом семейство спутников планет, мы увидим среди них крупные самобытные объекты, имеющие сфероидальную форму, проявляющие геологическую активность, а иногда даже обладающие могучей атмосферой! Ну чем не планеты? Лишь тем, что они движутся в плену более массивных тел? Тогда назовем их не просто спутниками, а планетами-спутниками! И будем надеяться, это название со временем приживется.

Раз создано новое семейство, то нужно определить его членов – спутников со свойствами планет. Как мы знаем, важнейшим признаком планеты служит ее способность силой собственного тяготения придать себе сфероидальную форму. На это способны только крупные тела – льдистые диаметром более 400 км и каменистые диаметром более 900 км. Для надежности примем пограничное значение равным 1000 км и все более крупные спутники определим в группу планет-спутников (табл. 8.1).

Рис. 8.6. Спутник Сатурна Япет – один из самых необычных: одна его половина – черная как уголь, а вторая – белая как снег. Япет обращается по орбите так же, как Луна вокруг Земли, – всегда одним и тем же полушарием вперед. Именно это полушарие загрязнено темным веществом, вероятно, из самого внешнего кольца Сатурна, открытого в 2009 г. Фото: «Кассини», NASA.

Таких тел оказалось 16, и все они действительно имеют сферическую форму. Однако и среди спутников меньшего размера тоже могут найтись достаточно пластичные объекты, способные сферизовать себя собственными силами. Это возможно, если в составе небольшого спутника много льдов. Поэтому спутники диаметром от 400 до 1000 км мы назовем кандидатами в планеты-спутники; таких оказалось три (табл. 8.2). Два из них сферические, а наименьший – Протей – угловатый. Возможно, нижняя граница диаметров планет-спутников близка к 450 км, но это еще предстоит уточнить.

Как видим, планеты-спутники нашлись рядом с каждой планетой-гигантом, а также у одной планеты земной группы и одной карликовой планеты. Любопытно, что в Солнечной системе нет ни одной планеты-спутника диаметром от 500 до 1000 км. Причину этого странного разрыва еще предстоит понять. Любопытно также, что все без исключения планеты-спутники и даже кандидаты обращаются по орбитам синхронно со своим суточным вращением, как Луна, постоянно демонстрируя планете-хозяину одно и то же свое полушарие. Причина синхронного вращения Луны известна – приливное влияние Земли. Несомненно, и у других планет-спутников причиной их синхронного движения служат приливы. Однако не ясно, почему все они располагаются в том диапазоне расстояний от планеты-хозяина, где приливы, очень быстро ослабевающие с расстоянием, оказались достаточно интенсивными для синхронизации их движения. Возможно, в этом есть какой-то космогонический смысл. Вот только какой?

Таблица 8.1 Планеты-спутники

Таблица 8.2 Кандидаты в планеты-спутники

Итак, мы определили планету-спутник как тело, способное своими силами изменить свою форму и за счет собственной гравитации обеспечить эволюцию своих недр. Именно в этом смысле мы называем такое тело «планетой». Но вторая часть термина – «спутник» – говорит о том, что в своем движении этот объект пленен более крупным телом: планетой-хозяином. Если иметь в виду осевое вращение планет-спутников, то это, без сомнения, так: все они находятся в полном подчинении у своей планеты, поскольку вращаются синхронно с обращением вокруг нее. О таких спутниках говорят, что они «приливно захвачены» (по-английски tidally-locked), то есть их осевое вращение и орбитальное обращение взаимно синхронизованы под влиянием гравитационного приливного эффекта со стороны планеты.

Однако перемещение планеты-спутника в пространстве требует отдельного анализа. Является ли планета-хозяин безоговорочным хозяином своих спутников? Нет ли у нее конкурентов? Действительно ли планеты-спутники находятся в гравитационном плену у своих более массивных соседей? Насколько крепок этот плен, да и плен ли это в прямом смысле слова? Может быть, это просто «мирное сосуществование» двух планет – худой и толстой, – их совместная «прогулка» по Солнечной системе? Чтобы оценить «уровень самостоятельности» объектов, которые мы назвали планетами-спутниками, давайте сравним гравитационное притяжение, действующее на них со стороны двух конкурентов – Солнца и планеты-хозяина (табл. 8.3). Используя ранее введенные обозначения, найдем ускорение спутника в сторону планеты:

и в сторону Солнца:

Очевидно, «уровень самостоятельности» планеты-спутника как члена Солнечной системы определяется отношением этих величин:

Если это отношение заметно меньше единицы, значит, спутник в плену у своей планеты. Если же оно больше единицы, то спутник движется в основном под влиянием Солнца, как нормальная планета Солнечной системы, а роль планеты-хозяина состоит лишь в том, чтобы синхронизовать движение самой планеты и ее спутника по близким околосолнечным орбитам. Такое движение – не плен, а скорее совместная прогулка. Из равенства 

легко найти радиус так называемой сферы тяготения планеты, внутри которой доминирует ее гравитация:

Как видим (табл. 8.3), среди всех спутников-планет только у Луны

 больше 1: Луна находится вне сферы тяготения Земли, она вдвое сильнее притягивается к Солнцу, чем к Земле! С этой точки зрения Луна – планета, а не спутник. Если внезапно остановить Землю, то Луна «бросит» ее и продолжит свой обычный путь вокруг Солнца. В чем причина такой уникальности Луны? Возможно, своим происхождением она отличается от других планет-спутников?