Российские ученые открывают тайны происхождения колец Сатурна

Владимир Черный, доктор физико-математических наук

В 2004 – 2017 годах проводились исследования системы Сатурна космическим роботом Кассини. Это уникальный космический зонд НАСА, Европейского и Итальянского космических агентств. В нем участвовало более 300 ученых. Кассини работал в автоматическом режиме, т.к.радиосигнал от Земли до Сатурна идет 79,34 мин. Его электрические аккумуляторы работали 13 лет. Зонд сделал 293 обращения вокруг Сатурна, нашел 20 новых спутников, и неоднократно пролетал через щели колец. Он обнаружил, что частицы колец содержат 93% льда, а температура около колец 70-100К. Однако по признанию ученых, природа происхождения колец так и осталась не раскрытой.

Ранее считалось, что кольца Сатурна образовались из обломков подлетевшего к Сатурну ледяного тела размером с Титан, спутник Сатурна, разрушенного двумя силами - гравитации планеты и центробежной. Но эта теория не может объяснить, почему кольца Сатурна расположены на экваторе планеты, ведь гравитационное поле Сатурна сферически симметричное. Не ясно также, почему стабильно существует диск из колец, почему частицы колец разделены, почему разделены сами кольца, почему в кольце В наблюдаются похожие на спицы колес образования , почему нет колец у Земли и др.

Группа российских ученых уже более 30 лет строит разные модели колец Сатурна, чтобы понять процесс их происхождения. Ею руководит доктор физико-математических наук Владимир Викторович Черный. Вместе с кандидатом наук Сергеем Викторовичем Капрановым они опубликовали фундаментальную статью о новой теории происхождения колец Сатурна в ведущем научном журнале Американского астрономического общества The Astrophysical Journal. В ней они описали важную роль магнитного поля Сатурна для образования колец. Согласно теории, Сатурн изначально был окружен так называемым протопланетным облаком, а в нем по орбитам Кеплера летали ледяные частицы. После появления магнитного поля у Сатурна ледяные частицы начали проявлять диамагнитные свойства. Авторы решили задачу взаимодействия магнитного поля Сатурна с диамагнитными ледяными частицами протопланетного облака. Результат оказался фундаментальным.

Надо отметить, что лед в космосе является сложным, мало исследованным образованием. Лед в кольцах Сатурна уже существует миллиарды лет. Вряд ли возможно создать такой лед в земной лаборатории. Тем более, что по заключению ученых, вода, продуктом которой является лед,, является раствором жидкости и не может быть представлена набором молекул H2O. Ситуация сложная, ведь свойства воды меняются с изменением магнитного поля и даже при встряхивании. В. Черный с коллегами изучили существующие данные о льде на Земле и пришли к выводу, что лед ХI может быть похожим на лед в кольцах Сатурна. Он стабилен и обладает диамагнитными свойствами при параметрах среды, в которой находятся кольца.

Согласно новой теории, при попадании в неоднородное магнитное поле, окружающее Сатурн, на частицу льда начинает действовать дополнительная третья сила диамагнитного выталкивания, перемещая частицу льда, и положение ее орбиты изменяется. Авторы решили задачу о движении ледяной частицы под действием гравитации планеты и ее магнитного поля. Магнитное поле Сатурна имеет аксиальную симметрию. Это и объясняет, почему кольца образуются в плоскости экватора. Под действием магнитного поля Сатурна орбиты диамагнитных частиц начинаются смещаться в плоскость экватора, где магнитная энергия диамагнитных ледяных частиц минимальная. И орбиты частиц смещаются из протопланетного облака к экватору. В итоге частицы оказываются запертыми в магнитной яме на экваторе планеты. И нужно приложить внешнюю силу, чтобы их переместить с экватора.

Авторы теории нашли ответы на упомянутые ранее многие вопросы о природе происхождения и структуре колец Сатурна. Стало ясно, почему сомбреро колец стабильно существует на экваторе Сатурна, почему частицы колец расталкиваются, почему кольца разделяются, почему существуют спицы в кольце В, состоящем из мелких ледяных частиц, подобных частицам в тумане.

Сам процесс, определяющий влияние магнитного поля на образование колец под действием третьей силы диамагнитного выталкивания, В. Черный предложил назвать Магнитной Анизотропной Аккрецией. Эта идея была поддержана учеными за рубежом.

Статья вызвала резонанс в научном мире. Американское астрономическое общество предложило интервью В.Черному, которое они опубликовали на канале YouTube. Интервью вел выдающийся астрофизик современности Francis Timmes, профессор университета в Аризоне. На Западе сделали фильм о важности новой теории для развития астрофизики планетных колец: The Mystery of Saturn’s rings solved by magnetism?

Результаты оригинального научного исследования, открывающего новую страницу в истории науки о происхождения колец Сатурна, за последние шесть месяцев В. Черный доложил на пяти международных конференциях: Отделение планетарных наук Американского астрономического общества - 52nd Annual DPS Meeting AAS в США, Международном симпозиуме по исследованиям солнечной системы в ИКИ РАН, Международной космической научной ассамблее - COSPAR 43 в Сиднее, международной конференции по Луне и планетным наукам - 52 LPSC в Хьюстоне, конференции NASA и URSI «Камни, лед и пыль в космосе» в Софии.

Ссылки на первоисточники:

1. V.V. Tchernyi and S.V. Kapranov. The Astrophysical Journal, May 6, 894, 1 (2020) https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab8475/meta

2. V.V. Tchernyi. Interview to American Astronomical Society:

AAS Journal Author Series: Vladimir Tchernyi on 2020ApJ... 894...62T: https://youtu.be/La7RmcWGUTQ

3. V.V. Tchernyi et al. 43rd COSPAR Scientific Assembly, Sydney, Australia, 28 Jan. – 4 Febr. , 2021 https://www.youtube.com/watch?v=MBvpnihZFp4&feature=youtu.be

4. V.V. Tchernyi et al. 52 LPSC Houston, March 15-19, 2021. SESSION: GIANT PLANETS, RINGS AND DYNAMICS — OH MY! https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2021/pdf/1355.pdf

5. V.V. Tchernyi et al. 52nd Annual DPS Meeting of AAS, Oct. 26-30, 2020. https://dps52-aas.ipostersessions.com/default.aspx?s=4A-8D-41-C6-A4-66-BC-91-29-69-56-0F-EE-C0-75-3D

6. V.V. Tchernyi et al. The Eleventh Moscow International Solar System Symposium (11M-S3), Oct. 5-9, 2020. https://youtu.be/nHHS0lX6qtw

7. V.V. Tchernyi, S.V. Kapranov. https://arxiv.org/abs/1907.07114

8. 4-мин научно-популярный фильм о теории на Западе: https://youtu.be/AI6AaMJoR4A