Доба на Сатурні
П'ятниця, 14 травня 2010, 16:33
Наприкінці 2005 року міжнародна група вчених, що об'єднувала дослідників з таких авторитетних дослідницьких організацій, як Калтех (California Institute of Technology), Національне управління з аеронавтики і дослідження космічного простору (NASA) і лондонський Імперіал Коледж (Imperial College London), оголосила про необхідність змінити одну вельми важливу астрономічну константу. Мова йшла про період добового обертання Сатурна, тобто величину, яка з досить великою точністю зазначена майже в будь-якому астрономічному довіднику як 10 годин 39 хвилин 24 секунди. Ініціатори перегляду дали свою оцінку - 10 годин 47 хвилин 6 секунд, - але відзначили при цьому, що не вважають завдання вирішеним до кінця. Можливо, майбутні дослідження змусять змінити і цю оцінку.
Проблема викликає деяке здивування. Як же так? Сатурн - це одне з найбільших тіл сонячної системи: за розміром він поступається тільки Сонцю і Юпітеру. А точні методи сучасної астрономії дозволяють визначати з точністю до часток секунди періоди обертання найдрібніших супутників тих же Юпітера і Сатурна (у кожного з них відкривають по кілька супутників щорічно, і до теперішнього часу у кожної з цих планет їх відомо по півсотні). З не меншою точністю визначаються періоди добового обертання об'єктів, що знаходяться в мільйонах світлових років від Землі. Але період добового обертання Сатурна, як з'ясувалося, невідомий і, мабуть, його не вдасться виміряти найближчим часом.
Діти Сатурна
Свого найвищого розквіту прогнозна астрологія досягла до XVI століття. Незважаючи на неодноразові засудження її в різних церковних документах, включаючи папські булли, вона залишалася привабливою для багатьох людей різного соціального стану, але особливо для монархів і понтифіків, упевнених у тому, що небосхил обертається заради них. Примітно, що один і той же папа римський - наприклад, Лев Х - міг видати буллу, в якій засуджував астрологію, яка суперечить духу і змісту християнства, і утримувати у себе при дворі цілий штат астрологів. У той же час, протягом XV століття, склалася нова категорія людей, які, не маючи ні знатного походження, ні військових заслуг, були переконані у своєму небесному походження і в невпинній увазі небес до їхньої долі. Таких людей чомусь стали називати «дітьми Сатурна».
Вважалося, що Сатурн покровитель художніх натур, людей з артистичними нахилами, мінливим характером і підвищеною ранимістю. Вони були схильні до меланхолії, відрізнялися нестійкою вдачею і схильністю до мізантропії. Називали їх дітьми Сатурна з тієї простої причини, що такі якості, як вважалося, люди отримують від присутності планети Сатурн у своєму гороскопі, який сходив в момент народження знаку зодіаку.
Протягом доби сходять всі дванадцять знаків зодіаку. Кожен сходить по дві години. Протягом доби обов'язково сходить і Сатурн. Отже, щоб бути «дитям Сатурна», треба потрапити з моментом народження саме в ті дві години, поки сходить саме той знак, де в той день знаходився Сатурн. Незрозуміло, коли саме склалося таке повір'я, але воно виявилося на подив точним. Не в тому, зрозуміло, що стосується характеру людей, але в тому, що стосується характеру самого світила. У сонячній системі немає більш примхливого і невизначеного об'єкта.
Планета без поверхні
Сатурн - друга за розміром планета сонячної системи. Причому, він зовсім небагато поступається Юпітеру, - найбільшій планеті. За розміром. А за масою Сатурн поступається Юпітеру майже втричі, хоча Юпітер далеко не найщільніша з планет. Наприклад, якщо порівнювати із Землею, то Сатурн важчий за неї менш ніж в сто разів, а за об’ємом більший майже у 800. Інакше кажучи, він у вісім разів меншої густини. Це означає, що на відміну від Землі на Сатурні взагалі немає нічого, що можна було б назвати поверхнею планети. Вона вся або рідка, або газоподібна. Через дуже високу першу космічну швидкість - вона дорівнює 36 км/с - газ практично не може покинути планету. Кордон між власне планетою та її атмосферою проводять за домовленістю в тому місці, де тиск виявляється рівним одному бару (одній атмосфері). І ця умовна поверхня сильно відрізняється від сферичної - Сатурн найбільш сплющена з усіх планет сонячної системи.
Спостерігачеві, який знаходиться на Землі, і навіть подорожуючій в просторі космічній обсерваторії видно тільки хмари, і з упевненістю сказати, що це за хмари - чи то вони в атмосфері, чи це верхні шари самої планети, - навряд чи можливо. Однак, на щастя, хмари виявляють завидну постійність у своєму обертанні: вони роблять повний оборот приблизно за 10 годин 10 хвилин на екваторі і 10 годин 40 хвилин вище сорокової паралелі. Постійність цих двох періодів дають можливість зробити певні припущення і про період обертання самої планети, але лише з точністю до півгодини. Для того щоб досягти великої точності, треба постаратися якось визначитися і з тим, що саме ми вважаємо періодом обертання планети. Адже змогли ж астрономи домовитися, що вважати її поверхнею!
Приховане динамо
На щастя, у Сатурна є магнітне поле. Саме коливання магнітного поля Юпітера дозволяють точно виміряти період його добового обертання. Безпосередні спостереження тут теж мало допомогли б, оскільки побачити його поверхню так само складно, як і поверхню Сатурна - занадто велика хмарність, навіть якщо вона там є. Але, на відміну від Юпітера, у якого магнітні полюси сильно зміщені по відношенню до географічних, на Сатурні перші і другі збігаються, магнітне поле майже симетричне щодо осі обертання, і безпосередні спостереження мало що дають. Найнадійніший спосіб встановити в таких умовах «справжній» період обертання планети - за радіосигналами. Обертове магнітне поле, у відповідності з теорією Максвелла, створює змінне електричне - воно, у свою чергу, знову магнітне. Це і є електромагнітна хвиля, і її може виявити космічний зонд, який знаходитиметься поряд. Інтенсивність цієї хвилі створює пульсації, з яких можна виділити компоненту, що відповідатиме приблизно десяти з половиною годинам.
Але тут ховається одна складність. Магнітне поле планети, згідно з сучасними уявленнями, створюється в її рідкому ядрі через те, що ця електрично заряджена рідина знаходиться в постійному вихровому русі. Цей механізм називається гідромагнітним динамо. Виходить, що всередині планети рідина, зовні - теж чи то рідина, чи то газ, різні шари мають різні кутові швидкості, і поки ще залишається невідомим, чи є всередині цієї планети що-небудь тверде. Чи можна в таких умовах говорити про період добового обертання взагалі?
Виявляється, можна. Через велику першу космічну швидкість сумарна маса всіх цих шарів - тобто саме те, що ми називаємо масою планети - зберігається незмінною. Але це не єдина постійна величина. Є й інші. Наприклад, так званий момент кількості руху. У різних шарів він не просто різний, але і змінюється з часом - шари можуть передавати момент один одному. Однак якщо теоретично уявити собі планету абсолютно твердим тілом постійної густини, то, знаючи момент кількості руху, можна обчислити кутову швидкість.
Можна використовувати і інші теоретичні моделі. Наприклад, вважати, що магнітне поле, створюване планетою, практично незмінне, і шукати час, необхідний для того, щоб вона здійснила повний оборот. У будь-якому разі доба на Сатурні зовсім не схожа на добу на Землі. І якщо б навіть який-небудь гіпотетичний астронавт зміг «припланетитися» на його поверхню, він і тоді не зміг би зрозуміти, скільки тут триває день. Тривалість доби тут - величина, швидше, теоретична. Її треба вимірювати і обчислювати, спираючись на результати різних вимірів. А гарантій, що всі вони проведені, немає.
Радіодоби короткі і довгі
Перший раз виміри радіовипромінювання Сатурна провели американські зонди «Піонер-11», який зустрівся з ним у вересні 1979-го, і два «Вояджери» - «Вояджер-1» і «Вояджер-2», які пройшли поблизу від нього в листопаді 1980 і серпні 1981 року. Тоді проблема здавалася успішно вирішеною - всі три супутники дали одну і ту ж величину, що увійшла у всі довідники. Але пройшло не цілих двадцять років, і супутник «Одіссей» в 1999-му дав інше значення, більше майже на десять хвилин, і при цьому показав нестабільність періоду в один відсоток. Взагалі кажучи, можна уявити собі обертання небесного тіла зі змінною кутовою швидкістю - наприклад, якщо воно сильно заряджене і потрапляє в сильне електричне або магнітне поле. Але у випадку Сатурна нічого подібного відбуватися не могло: надто велика маса і надто швидкі зміни. Найімовірніше, проявився дефект методу. Пульсації радіовипромінювання схильні до різних флуктуацій. Зокрема, картину можуть спотворювати радіохвилі, що виникають у магнітосфері планети під дією частинок сонячного вітру.
Залишалося визнати: вимір «радіодоби» - гарний метод, але і його застосування обмежене. Щоб уточнити результати, отримані за його допомогою, треба було спостерігати саме за тим, що, як ми вважаємо, нас цікавить найбільше - за магнітним полем. Як раз і настав для цього підходящий момент: у липні 2004 року американський космічний зонд «Кассіні» вийшов на орбіту навколо Сатурна, а вже в лютому 2005 року журнал «Science» опублікував огляд магнітометричних вимірювань при виході на орбіту і на самій орбіті. За цими першими вимірами отримані і наступні, виконані влітку 2005 року, коли зонд «Кассіні» підходив до умовної поверхні Сатурна на відстань, яка всього на третину перевищує його умовний радіус.
Звичайно, супутник міг вимірювати магнітне поле тільки поблизу себе самого. Сам він безперервно рухався, то наближаючись до поверхні планети, то віддаляючись від неї. Планета при цьому оберталася, а її магнітне поле зазнавало різноманітних «сторонніх» збурень, наприклад через сонячний вітер. Для того, щоб пов'язати піки на графіках магнітометричних вимірювань з реальними рухами планети і супутника, професор Імперіал Коледжу Дугхерті і дослідник NASA доктор Джампьєрі створили теоретичну модель магнітного поля всередині і навколо Сатурна. Ця модель і дозволила їм вивести з результатів вимірювань нове значення тривалості доби на цій планеті. Але не тільки. За її допомогою, вони також визначили точність своєї оцінки (40 секунд) і показали, як виникають періодичні відхилення від цієї величини, через які «помилилися» «Вояджери».
Успіх? Успіх. Але він не в тому, що ми тепер краще знаємо, скільки триває день на Сатурні. Цього ми, можливо, поки ще й не знаємо - модель Дугхерті і Джампьєрі може виявитися невірною. Ми краще розуміємо, як влаштовані гігантські планети Сонячної системи і що нового ми можемо дізнатися за допомогою зондів, відправлених в космос майже десятиліття тому.
За матеріалами vokrugsveta.ru.