КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 1, с. 44-58
УДК 532.5:523.46-862
ПЛАНЕТНЫЕ КОЛЬЦА КАК РЕЛИКТЫ ПЛАЗМЕННЫХ ПРАКОЛЕЦ
© 2007 г. Б. И. Рабинович
Институт космических исследований РАН, г. Москва vprokhor@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 04.11.2004 г.
Обсуждается возможность того, что наблюдаемые сейчас кольца больших планет являются реликтами праколец, состоявших, в соответствии с гипотезой X. Альвена, из замагниченной плазмы. При этом используется решение модельной задачи, опубликованное в [36, 37], основным результатом которого является механизм стратификации эволюционно зрелого плазменного пракольца на большое количество узких элитных колец, разделенных "антикольцами" (щелями). Другим результатом является теоретическое обоснование наличия в околопланетном пространстве области существования и устойчивости плазменных колец (в дальнейшем ES-область (Existence and Stability)). В целях проверки модели, лежащей в основе решений, представленных в [36, 37], ниже используется информация, полученная в ходе реализации миссий Voyager, Galileo и Cassini.
PACS: 96.15.Uv, 96.30. Wr
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Кольца больших планет остаются по-прежнему одним из наиболее интересных и загадочных объектов Солнечной системы. В настоящее время такие кольца обнаружены у всех планет юпи-терианской группы (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). И, хотя до начала космической эры были известны только кольца Сатурна, проблемы физики, в частности, - механики колец, были объектом многочисленных исследований, начиная с классической работы Дж. К. Максвелла [1]. Эти исследования можно весьма условно разделить на два направления: рассмотрение колец либо как совокупности твердых частиц, либо как континуума (газовое облако, плазменное облако), эволюция которого привела, предположительно, к образованию наблюдаемых планетных колец. Первое направление базируется на уравнениях небесной механики, механики сплошных сред и резонансной теории, второе - на уравнениях механики сплошных сред и уравнении Шредин-гера, "адаптированном" к макросистемам, в развитие идеи Н.Г. Четаева [2], который, насколько известно автору, сделал первый шаг в этом направлении (см. книгу В.В. Белецкого [3]). В последней можно найти также всестороннее рассмотрение резонансных эффектов в движении небесных тел, включая изложение концепции ре-зонансности Солнечной системы А.М. Молчанова [4]. Проблеме планетных колец посвящена обширная литература (см., например, [5-7]) и цикл работ А.М. Фридмана и его соавторов, в частности, [8-11] (см. также опубликованный недавно обзор Эспозито [12]). Особо следует отметить монографию Н.Н. Горькавого и А.М. Фридмана
[11], которая представляет собой фундаментальный труд, содержащий наиболее полное изложение достижений в области физики (а не только механики) планетных колец в рамках первого из направлений, упомянутых выше. Авторы построили теорию столкновительных, коллективных и резонансных процессов в кольцах планет, исходя из концепций небесной механики сплошной среды. Это позволило объяснить ряд тонких особенностей планетных колец.
Важной ветвью второго направления является исследование изоморфизма квантования в микро-и макромире применительно к проблемам динамики планетных и спутниковых систем, включая планетные кольца. Это направление, активно развивающееся в последние два десятилетия, представлено целым рядом исследований отечественных и зарубежных авторов; в частности, -циклом работ А.М. Чечельницкого [13-16] (см. также препринт А.Ф. Гареева [17]). Здесь следует отметить концепцию волновой астродинамики, сформулированную впервые в монографии А.М. Чечельницкого [13], позволившую автору сделать ряд важных шагов в обосновании динамической структуры как планетарных, так и спутниковых систем, включая планетные кольца. К тому же направлению можно отнести статьи автора [18, 19]. Оба направления, упомянутые выше, следует рассматривать не как альтернативные, а как взаимно дополняющие. Можно надеяться, что именно это обстоятельство позволит продвинуться дальше в решении тонких вопросов генезиса, структуры и эволюции рассматриваемых дискретно-континуальных систем.
Рис. 1. Система колец Сатурна:
а - общая картина колец (КА Voyager-2 [21]); б - кольца B и C (КА Voyager-2 [22]); в - фрагмент кольца А (КА Cassini [28]).
Появление новых исследований, связанных с проблемой планетных колец, было в стимулировано информацией, полученной в результате успешной реализации миссий американских KA Pioneer, Voyager и Galileo. Эта информация, относящаяся, в частности, к тонкой структуре колец Сатурна и Урана, содержит целый ряд экспериментальных фактов, не получивших пока однозначного объяснения. С июля 2004 года начала поступать информация от KA Cassini, выведенного на орбиту вокруг Сатурна. Вероятно, она даст ответы на некоторые вопросы, но одновременно пополнит коллекцию этих фактов.
2. МИССИИ К БОЛЬШИМ ПЛАНЕТАМ И НЕКОТОРЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ФАКТЫ
Миссии, о которых идет речь, суть следующие: Pioneer-2, запущенный в 1979 году; Voyager-1 - в 1980; Voyager-2 - в 1981; Galileo - в 1989; Cassini. Последний из этой серии KA Cassini был запущен в октябре 1997 и выведен на орбиту вокруг Сатурна 1. VII. 2004 г. В ходе этих миссий был проведен
и продолжает проводиться обширный комплекс космических исследований, включающих фотографирование планет и их спутников в различных областях спектра и измерение целого ряда параметров околопланетного пространства. Это дает основание для использования терминов "экспериментальная информация", "экспериментальные факты", что и делается в дальнейшем. Информация, полученная в результате перечисленных миссий, широко опубликована и продолжает публиковаться (см. [21-31]). Перечислим некоторые из наиболее удивительных экспериментальных фактов. На снимках колец Сатурна и Урана, полученных КА Voyager-1 и Voyager-2 и Cassini бросается в глаза огромное количество узких колечек ("ringlets"), на которые распадаются кольца (см. снимки на рис. 1). В структуре колец есть еще ряд специфических особенностей, о которых говорится ниже. Здесь уместно процитировать руководителя группы отображения миссий Voyager Брэда Смита [21]:
"Сатурн является наиболее чарующим объектом на небосводе. На сегодняшний день он силь-
нее всего сбивает нас с толку своими странными спицами или пальцеобразными выступами, которые являются более темными, чем сами кольца, и которые тянутся через кольцо".
"...Тайна колец представляется все более глубокой, пока мы не начинаем думать, что это бездонная пропасть. Вещь, которую я меньше всего ожидал увидеть, - это эксцентричное кольцо - и мы нашли два".
".Сотни неожиданных колечек внутри колец появляются перед электронными глазами Вояджера. Деление Кассини, предположительно свободная зона между внешним кольцом A и средним кольцом В, ожила, по меньшей мере, тремя дюжинами малых колечек. Удивительные спицы протянулись в радиальном направлении поперек кольца В".
".Большинство астрономов полагают, что с тех пор как кольца еще формировались, этот процесс всегда является рутинным следствием законов небесной механики, особенно - механизма, называемого резонансом. До Вояджера такие ре-зонансы предполагались ответственными за те локальные структуры, которые демонстрируют кольца. Но теперь мониторы JPL (Jet Propulsion Laboratory) видят больше структур не только в кольцах, но и в делении Кассини, чем может объяснить любая симфония резонансов".
".Мы думали, что увидели все, что можно было увидеть, но в этом странном мире колец Сатурна причудливое стало банальностью; когда мы посмотрели сегодня на кольцо, вот, что мы увидели":
То, что показал Смит, - это картина кольца F, расщепленного на три пряди, две из которых оказались переплетенными. Они напоминали двойную спираль ДНК. Смит заметил, что в прядях имеются также узлы, или петли.
"."Косы" бросают вызов законам небесной механики по многим причинам, - сказал он, - но, очевидно, эти кольца ведут себя правильно (these rings are doing the right thing); я полагаю, что мы просто не очень хорошо понимаем законы".
Мы цитировали высказывания Брэда Смита 24-летней давности. Возникает вопрос, прояснилась ли ситуация за истекшие годы? Обратимся к публикациям [29, 30], автором которых является руководитель группы отображения миссии Cassini Каролин Порко, содержащим информацию, полученную в 2004 г. в ходе успешной реализации этой миссии.
Приведем ее весьма эмоциональные высказывания на эту тему, заимствованные из [29]:
".Стало немедленно очевидно после изучения 61 изображения, что мы обнаружили целую коллекцию новых явлений, которые никогда не
удавалось увидеть раньше, а некоторые из которых даже предвидеть. Мы видели много узких колечек, отделенных от широких лент, разрезанных на множество казавшихся некогерентными структур. Но по большей части мы видели волны, много волн".
".Волны являются точно идентифицируемыми, но странными структурами, и мы не имеем сколько-нибудь полного удовлетворительного объяснения того, почему они выглядят именно так. Соответствующие теории "спотыкались" много лет тому назад, когда отсутствовали достаточно точные данные, на которых они могли бы базироваться. Сейчас, вернувшись к Сатурну, мы имеем щедрую информацию, которой не располагали раньше, обстоятельство, которое, конечно, будет стимулировать изучение формирования и распространения этих волн". Попытки объяснить эти волны чисто резонансными эффектами предпринимались, начиная с появления информации, полученной миссией Voyager (см. [32]). Однако идентифицировать, исходя из этой концепции, удалось только несколько десятков "ringlets", число которых (наблюдаемых) имеет порядок 103, так что слова Брэда Смита, которые мы приводили выше, не утратили силу.
Обратимся теперь к Урану [24, 33]. Все его кольца, кроме кольца "eta", эксцентричны. Наиболее поразительным объектом является кольцо "epsilon", обладающее не только наибольшим эксцентриситетом, но и резко меняющейся шириной. Перицентр и апоцентр кольца отличаются на 440 км, а ширина меняется от 20 км (в перицентре) до 95 км (в апоцентре).
Всю совокупность перечис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.