Cassini показал, как спутники Сатурна пробивают огромные щели в его кольцах

Cassini, который уже пять лет крутится вокруг Сатурна, в последние месяцы активно фотографирует удивительную систему колец планеты-гиганта. Причина – равноденствие, случившееся на планете 11 августа 2009 года. В этот день Солнце пересекло экватор планеты, а с ним и плоскость его колец, которые в толщину не более нескольких метров.

Такие моменты случаются раз в 15 лет, и астрономы их очень любят. Дело в том, что кольца не только «изюминка» планеты Сатурн, но и нежелательный фон, на котором теряются многие интересующие ученых детали. Мелкие спутники и неровности обычно сливаются с ярким кольцом, и заметить их становится очень сложно. Зато вблизи равноденствия они отбрасывают на те же потускневшие кольца длинные тени и ярко светятся на их фоне, перехватывая чуть больше света, чем тонкое кольцо. Доказательством может служить тот факт, что более десятка сатурнианских лун было открыто именно в моменты равноденствий.

Длинные тени

Новая фотография фрагмента кольца А получена узкоугольной камерой аппарата Cassini 15 июля текущего года с расстояния около 1,5 млн км от центра изображения. В этот момент Cassini находился на высоте примерно 38° над плоскостью колец, а Солнце – всего на 3-4° выше той же плоскости.

Самое примечательное на этом снимке – спутник Сатурна Дафнис, видимый на фоне узкой щели Килера в кольце А. Cassini – «крестный отец» Дафниса, так как именно он четыре года назад открыл этот спутник Сатурна. «Крестник» не превышает 8 км в поперечнике, а потому на этой фотографии виден как ярко светящаяся точка. Тем не менее его безошибочно выдает тонкая тень, протянувшаяся под косыми лучами весеннего Солнца на полторы сотни километров.

Протяженную неясную тень, раскинувшуюся справа от спутника, отбрасывают частицы кольца, возмущенные притяжением Дафниса. И пожалуй, это наилучшая демонстрация механизма, благодаря которому даже небольшое тело может пропахать в системе колец Сатурна щели, существенно превосходящие шириной размеры самого спутника. Такие спутники, кстати, часто называют «пастухами».

Пастушье дело

Иногда приходится слышать, что спутник просто собирает на себя все частицы кольца, до которых дотягивается его гравитация, тем самым очищая себе проход и формируя очередной провал в сатурновых кольцах. Однако это только половина правды. Гравитация – действительно причина появления щелей, но действует она более изощренно.

Тяготение Дафниса совсем крохотное и не смогло бы, к примеру, удержать оттолкнувшегося от поверхности спутника спринтера. Тем не менее оно постоянно возмущает движение составляющих кольцо песчинок и булыжников и искривляет их траектории. Так спутник оказывается в роли тела, рассеивающего мерный бег частиц вокруг Сатурна, чем-то вроде фонарного столба на пути несущейся по улице метели. Именно из-за этого рассеяния и возникает щель.

Однако в случае с Дафнисом существует особенность. Он обладает орбитой, чуть наклоненной к плоскости колец, и при движении вокруг Сатурна непрерывно выныривает то в северное, то в южное полушарие планеты. Притяжение «вверх» и «вниз» также возмущает движение частиц, увлекая его в соответствующие стороны над и под плоскостью колец.

Если поглядеть на длину тени от возмущенных частиц, которая существенно превосходит длину тени самого Дафниса и целиком даже не помещается в пределах кольца, становятся понятными масштабы этого движения. Точно так же Дафнис действует и в плоскости кольца, только увидеть этого нельзя – возмущенные частицы из щели теряются на фоне плотного участка кольца, куда тяготение спутника их направляет.

Старинная уловка

Вдумчивый читатель может спросить: а почему ж тогда тяготение Дафниса и его коллег-пастухов не затягивает в эту щель соседние песчинки и глыбы, вновь заполняя ее? Ведь тяготение, кажется, действует во все стороны?

Ответ очень простой: затягивает. Но в существенно меньших количествах, чем выталкивает. Сила тяготения, как известно, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до тяготеющего центра. К каким последствиям это приводит для рассеяния (правда, на атомном ядре), подсчитал еще Эрнест Резерфорд на рубеже XIX и XX веков. Все сходится.