Намагниченный лед: российские ученые узнали, как появились кольца Сатурна

Владимир Черный, доктор физико-математических наук

Наши тридцатилетние исследования влияния магнитного поля Сатурна на происхождение колец привели к открытию нового явления в астрофизике – эффект Черного-Капранова (Tchernyi-Kapranov effect), который показывает, как Сатурн сам создал кольца с помощью своего магнитного поля. Статья с таким названием опубликована в международном научном журнале: Physics & Astronomy International Journal, 2023.

В 1610 году великий итальянский ученый Г. Галилей впервые увидел кольца Сатурна, космическое чудо солнечной системы. Нас поражает их красота и уникальность. Однако за 400 лет после этого открытия ученые так и не смогли найти ответ на вопрос о происхождении плотных колец Сатурна, которые наблюдал Галилей, и мы видим в телескоп.

Чтобы понять важность и загадочность проблемы происхождения плотных колец Сатурна, достаточно представить себе систему колец, состоящую из разделенных частиц и кусков льда, заключенную в огромное виртуальное сомбреро толщиной от 10 до 100 метров с шириной вдоль радиуса более 200 тысяч км. Может показаться, что вся эта гигантская система удерживается какими-то неведомыми волшебными силами и поэтому сомбреро из колец как бы висит в открытом космосе вокруг Сатурна, у которого диаметр 120 тысяч км. Из рис. 1 видно, что кольца прозрачны. Это подтверждает тот факт, что они в основном состоят из прозрачного водяного льда. Если сравнить отношение толщины к длине листа А4, то отношение толщины колец к их диаметру будет в тысячи раз меньше.

История исследования происхождения колец Сатурна такая, что во всех существующих моделях предполагалось, что кольца сформировались из осколков пролетающих мимо Сатурна космических объектов размером с его спутник Титан. С приближением к планете они разрушаются ее гравитационными силами. К сожалению, такой подход и другие экзотические теории не объясняют происхождение колец и наблюдаемые в них явления.

Для исследования Сатурна и его фантастических колец НАСА организовало уникальные космические миссии - Пионер-11 (1979), Вояджер-1 (1980), Вояджер-2 (1981), и был создан технологически феноменальный зонд-робот Кассини НАСА, Европейского и Итальянского космических агентств, который в течение 13 лет, с 2004 по 2017 работал на орбитах вокруг Сатурна, собирал уникальные данные. Однако, более 300 ученых из 20 стран, участвовавших в этих экспериментах, так не смогли получить ответ на вопрос о происхождении колец Сатурна. Дискуссии продолжаются и сегодня.

Заслуга авторов в том, что они впервые решили фундаментальную математическую задачу и доказали, что Сатурн сам создал свои кольца не только с помощью гравитационного поля, но и, что особенно важно, также и с помощью своего магнитного поля. Именно благодаря действию магнитному полю кольца фиксируются на экваторе планеты, обладают устойчивостью и стабильностью. Американское Астрономическое Общество опубликовало нашу статью в ведущем астрофизическом журнале мира: The Astrophysical Journal, 2020, 894, 1. Ее можно найти на сайте журнала.

Подобные идеи и гипотезы о влиянии магнитного поля Сатурна на происхождение колец высказывались и ранее российскими учеными в публикациях А. Поспелова, С. Гирича, Е. Ченского,  С.Капранова, работавших под руководством В. Черного. В них предпринимались попытки качественного моделирования физического процесса образования колец. Об этом мы сообщали читателям «Новых Известий» 29 мая.2020 года и 10 апреля 2021 года.

Но окончательное фундаментальное математическое доказательство важной роли магнитного поля Сатурна для происхождения колец получено В. Черным и С. Капрановым, что и нашло отражение в упомянутых выше статьях в The Astrophysical Journal, май 2020 и в названии приглашенной статьи в Physics & Astronomy International Journal, март 2023 года.

На основе нашего математического решения на Западе был создан увлекательный научно-популярный фильм, подробно объясняющий происхождение колец с учетом магнетизма Сатурна: The Mystery of Saturn’s rings solved by magnetism?          

Эффект Черного-Капранова состоит в том, что ледяные частицы и кусочки льда протопланетного облака, окружавшего Сатурн, намагничиваются под действием магнитного поля после его появления. На кусочки льда протопланетного облака начинает действовать дополнительная сила диамагнитного выталкивания, и возникает процесс магнитной анизотропной аккреции. В результате орбиты частиц начинают сдвигаться в плоскость магнитного экватора Сатурна, где магнитная энергия частиц имеет наименьшее значение. В результате образуется стабильная кольцевая система на экваторе планеты. Этот процесс магнитной анизотропной аккреции ледяных частиц и представляет новый астрофизический эффект Черного-Капранова. Впервые за 400 лет была решена задача движения намагниченной ледяной частицы в гравитационном и магнитном поле Сатурна. Образованию колец способствует тот факт, что гравитационное поле планеты обладает сферической симметрией, а магнитное поле является осесимметричным и оно имеет магнитный экватор.

Достижение новой теории состоит в том, что она является единственной, которая объясняет и математически доказывает наблюдаемое разделение частиц плотных колец.

Явление магнитной анизотропной аккреции (эффект Черного-Капранова) впервые было озвучено и признано как новое явление в астрофизике во время интервью Владимира Черного 18 сентября 2020 года, предложенного Американским Астрономическим Обществом после публикации вышеупомянутой статьи авторов с математическим решением проблемы в The Astrophysical Journal. 

Результаты наших исследований, связанных с фундаментальным математическим решением проблемы происхождения колец Сатурна, были доложены на пятнадцати международных конференциях в 2019 – 2022 годах в России, США, Китае, Австралии и Европе. В 2021 году В. Черный выступил с приглашенной трехчасовой лекцией на Генеральной Ассамблее Международного Радиосоюза URSI GASS 2021 в Риме.