Незамеченная сенсация: российские ученые разгадали тайну колец Сатурна

Иван Петровский

3600 участников разных стран из 36 тысяч членов общества работали на 400 секциях. Конференция превратилась во всемирный праздник астрономии. Приветствовали лауреатов Нобелевской премии по физике 2019 года Дж. Пиблза за вклад в понимание эволюции Вселенной, и М. Майора и Д. Кело за открытие экзопланеты на орбите солнцеподобной звезды. Обсуждали особенности гравитационных волн и генерацию излучения черными дырами. Спорили с Дж. Мазером о реальности большого взрыва и последователями ускоренно расширяющейся Вселенной А. Рииса. Сомневались, что эволюция Вселенной может определяться законами пространственной геометрии. Говорили, что, скорее всего, она связана с динамикой энергии протона и электрона. И может прав знаменитый Д. Гросс, призывающий к созданию физики Планковского масштаба, которая позволит определить скрытые параметры физического вакуума, рассчитывать наблюдаемые физические постоянные, объяснить выход света из черных дыр, несовпадение масс инерции и гравитации, построить единую теорию поля, найти связь между электромагнитной теорией и физикой элементарных частиц и другое.

Удивил обзорный доклад о черных дырах, представленный 250 соавторами из 10 стран и 20 институтов. Это реально эффективная кооперация ученых мира. Было заметно, что ученые США уходят в научный прорыв. Ведь в астрономии и астрофизике трудно найти новые физические идеи, успех исследований в основном определяется возможностями уникальных инструментов. Их орбитальный телескоп Хаббл, вкупе с 260 наземными обсерваториями за 30 лет уже сделал 10 открытий. А предполагаемый запуск в 2021 году на орбиту телескопа Уэбб с диаметром зеркала 6,5 м. позволит заглянуть вглубь Вселенной на 13 млрд. световых лет. Это поможет и решению проблем космической безопасности. Жаль, что Россия была представлена на конференции AAS 235 только одним докладом.

Интерес к проблеме колец Сатурна вызван тем, что известные еще со времени открытия их 410 лет назад Галилеем в 1610 году, до сих пор не раскрыта природа их появления. Даже после трех миссий к Сатурну - Пионер-11 (1979), Вояджер-1 (1980), Вояджер-2 (1981), и виртуозной работы на орбите Сатурна в течение 13 лет (2004-2017) феноменального в технологическом исполнении зонда Кассини, ученые НАСА, Европейского и Итальянского космических агентств, так и не нашли однозначного ответа на вопрос о происхождении, особенностях строения и возрасте загадочных колец, которые своим видом восхищают всех.

Известные теории не давали полного представления о кольцах. Ученые НАСА отклонили ставшую классической теорию гравитационной дефрагментации происхождения колец из обломков приблизившегося к Сатурну астероида выдающихся советских астрофизиков Н.Н. Горькавого и А.М. Фридмана (1990), поскольку Кассини не нашел в кольцах железа, характерного для астероидов. Но это не означает, что гравитация не играет определенной роли в образовании колец. Они доказали важную роль столкновения частиц в процессе образования колец. Астрофизик Р. Кэнап из Колорадо (2010) фактически повторила их теорию, заменив подлетевший к Сатурну астероид на ледяное тело размером с Титан.

Однако гравитационная теория, теория пылевой плазмы и магнитогидродинамическая модель - все они не объясняют с единой позиции происхождение колец и наблюдаемые в них явления. Они не дают ответа на вопросы: почему нет колец у Земли и у планет между Солнцем и поясом астероидов; почему кольца существуют только у планет за поясом астероидов; почему кольца находятся в плоскости магнитного экватора Сатурна, а не в плоскости эклиптики планет; почему частицы колец не слипаются, но могут сталкиваться; почему кольца сплющены и у них резкие края; почему в кольце В образуются области похожие на спицы; почему существует радиальный пылевой поток мелких частиц, падающих на планету; почему происходит наполнение колец Сатурна ледяными частицами от возникающих гейзеров спутника Энцелад; почему наблюдается импульсное широкополосное излучение колец; чем объясняется аномальное поведение спектральной зависимости колец в субмиллиметровом диапазоне, и т.д.

7 января 2020 года на конференции AAS 235 в Гонолулу выступил российский физик из Института современной науки, SAIBR д.физ.-мат.н. Владимир Черный (соавторы Сергей Капранов и Андрей Поспелов) с пионерским докладом о магнитной и квантовой природе происхождения колец Сатурна. Доклад был принят на конференцию, поскольку впервые сообщалось о новом взгляде на происхождение колец Сатурна с позиций электромагнетизма и квантовой сверхпроводимости. Авторы показали, что явления в космосе должны объясняться без мистики, известными в земной лаборатории законами физики. Трудность восприятия теории специалистами связана в необычном пионерском предложении авторов, обратиться к естественной сверхпроводимости вещества в космосе. Хотя, в тоже время, за открытия в области сверхпроводимости уже присуждено шесть нобелевских премий, а астрономы нашли много необычного в космосе, включая экзопланеты у далеких звезд.

После доклада на конференции AAS 235 В. Черный с коллегами опубликовали новую теорию происхождения колец в журналах arXiv, 4 мая 2020 и The Astrophysical Journal, 6 мая 2020. Здесь надо сделать отступление. 7 мая Россия отмечает День Радио в честь создания русским физиком А.С. Поповым первого радиоприемника в 1895 году. На языке науки, по сути, это День электромагнитных волн, теория которых была создана англичанином Дж. Максвеллом в 1861/2 годах. Электромагнетизм дал человечеству невероятное цивилизационное развитие. В 1991 году появился Интернет, а 24.02.2009 - всемогущий WhatsApp. Интересно, что Максвелл еще и доказал, что кольца Сатурна не обручи, а для устойчивости состоят из раздельных частиц. За эту работу он был награжден премией Адамса (1857). Но он верил, что кольца упадут на планету.

Поскольку РАН и Роскосмос не пригласили в Кассини, трое российских ученых из России оказались единственными ее участниками, они выдвинули новую гипотезу сверхпроводимости частиц колец, и разрабатывали ее в течение 25 лет. Еще до запуска Кассини в 2004 году они писали письма в НАСА с предложениями, учитывающими их видение проблемы. Публиковали статьи, выступали с докладами в НАСА, Астрономическом институте, Национальном бюро стандартов США, университетах США и на международных конференциях, продвигаясь к астрономическому Олимпу – конференции AAS 235 в Гонолулу и статье в The Astrophysical Journal.

Ученые доказали, что, согласно измерениям Кассини, частицы состоящие из 7% углерода и 93% льда, являются сверхпроводниками II рода. Это объясняет образование колец из частиц протопланетного облака Сатурна, динамическую стабильность колец, их жесткую привязку к магнитосфере планеты, возраст колец, и упомянутые ранее особенности и явления в кольцах.

Механизм образования колец следующий. Подход основан на теории В.С. Сафронова «Эволюции протопланетного облака и формирование Земли и планет», отмеченной премиями Шмидта и Койпера. Он известный ученый, к нему на стажировку в МГУ приезжал, например, ставший уже знаменитым американский астроном Jack Burns, University of Colorado, Boulder.

В пространстве вокруг Сатурна, имеющего магнитное поле, температура колец от -163°С до -203°С. Эти факты ведут к идее возможной сверхпроводимости частиц колец. Как показали физики из Израиля, образец из малого количества сверхпроводящего углерода и большого количества диамагнитного льда ведет себя как сверхпроводник II рода. Его особенность в том, что если в идеальном сверхпроводнике магнитное поле полностью выталкивается из образца за счет эффекта Мейснера (1933), то из сверхпроводника II рода магнитное поле выталкивается не полностью и часть силовых линии внешнего магнитного поля пронизывает образец, образуя вихри Абрикосова (Нобелевская премия 2003) - кванты магнитного потока. Таким образом, частица колец Сатурна, как сверхпроводник II рода, находясь во внешнем магнитном поле, оказывается жестко локализованной в трехмерной яме за счет квантового захвата и квантовой левитации.

До возникновения магнитного поля Сатурна частицы внутри его протопланетного облака вращались вокруг него по законам Кеплера под действием центробежной силы и гравитации. Процесс образование колец начинается после включения магнитного поля Сатурна. На сверхпроводящие частицы протопланетного облака начинает действовать дополнительная сила диамагнитного выталкивания за счет эффекта Мейснера. В результате орбиты частиц начинают дрейфовать в плоскость магнитного экватора Сатурна, где магнитная энергия частиц имеет наименьшее значение. После многих столкновений частиц все их орбиты оказываются в плоскости магнитного экватора планеты, расположенного под углом к плоскости эклиптики. Магнитное поле выталкивается из каждой сверхпроводящей частицы, это расталкивает их и делает резкими края колец. В тоже время частицы могут сталкиваться и образовывать более крупные частицы. Гравитационное поле Сатурна сферически симметрично, а магнитное поле имеет магнитный экватор там, где наименьшая плотность магнитного потока (наибольшее расстояние между силовыми линями магнитного поля планеты).

В итоге орбиты частиц образуют жесткую систему в плоскости магнитного экватора Сатурна, вращающуюся с магнитосферой планеты. По вертикали частицы удерживаются на экваторе, где их энергия минимальная. Для перемещения их вверх или вниз по меридиану частицам необходима дополнительная энергия. По горизонтали, в плоскости магнитного экватора частицы удерживаются от смещения тем, что они сверхпроводники II рода. Это свойство препятствует смещению частицы перпендикулярно силовым линиям магнитного поля Сатурна. .Такая стабилизация следует из доказательства учеными из Израиля устойчивости решения уравнения Гинзбурга-Ландау для сверхпроводников.

Возраст образования системы колец Сатурна нужно отсчитывать от момента включения его магнитного поля с добавлением времени, потраченного на перемещение хаотических орбит частиц в плоскость магнитного экватора планеты и времени, ушедшего на многочисленные столкновения частиц.

Подтверждением данной теории происхождения колец Сатурна из сверхпроводящих частиц протопланетного облака, включая вышеперечисленные факты, является подтверждение данной теории измерениями зонда Кассини и особенно совпадением спектральных зависимостей колец Сатурна в субмиллиметровом диапазоне с такими же для сверхпроводников.

Картина колец Сатурна напоминает картинку опыта из школьной физики, когда образуются полоски железных опилок и щелей между ними вокруг магнита на лабораторном столе. Если убрать магнит со стола, то гравитация Земли не поможет создать такую же картинку. Если нет магнита, то нет картинки с полосками.

Предложенная теория не отвергает влияние гравитации, плазменных эффектов и магнитогидродинамических явлений. Она дополняет их и показывает, что магнитное поле Сатурна играет важнейшую роль в происхождении его колец.

В заключении хотелось бы еще раз упомянуть основателя теории электромагнетизма великого Дж. Максвелла, доказавшего, что кольца состоят из разделенных частиц, предвосхитившего знаниями свое время на 150 лет. Кажется, что для понимания природы происхождения колец Сатурна ему оставалось немного. Были необходимы знания о диамагнетизме льда, сверхпроводимости II рода, сверхпроводимости углерода, уравнении Ландау-Гинзбурга для сверхпроводников и наличие спектральных приборов современного уровня, типа использованных зондом Кассини. Все эти знания были добыты уже после Максвелла.

По публикациям авторов на Западе создали 4-минутный фильм о пользе их теории для астрономии и астрофизики.

Для ознакомления с итоговыми работами авторов теории можно рекомендовать следующие публикации.

1.

Доклад на международной конференции Американского Астрономического Общества, AAS 235, Honolulu, Jan. 4-8, 2020:

https://aas235-aas.ipostersessions.com/default.aspx?s=F8-19-3B-00-D3-32-01-1E-36-9A-5F-1C-ED-BB-FC-4B

2.

Препринт, опубликованый 4 мая 2020. Объясняет физику происхождения колец Сатурна:

arxiv.org/abs/2004.13212

3.

Математическое решение задачи происхождения колец.

Published 6.05.20. Vladimir V. Tchernyi and Sergey V. Kapranov.

Contribution of Magnetism to the Origin of Saturn's Rings.

The Astrophysical Journal, 2020, Vol. 894, No. 1.

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab8475

4.

4-мин. фильм о предложенной теории, сделанный кем-то на Западе, вышедший в свет 31 июля 2019: https://youtu.be/AI6AaMJoR4A ФИО авторов упоминают на 0:43 - 0:47 и 3:54 - 3:56.

Фильм вышел после публикации препринта 8 июля 2019:

arxiv.org/abs/1907.07114