Если бы мы были небелковыми существами, живущими в атмосфере Юпитера или Сатурна, то наверняка назвали бы область на расстоянии от 5 до 10 а.е. от Солнца «золотой серединой». Для жизни нам был бы нужен газ, очень много газа, а во внутренних областях Солнечной системы его мало – он был вытеснен оттуда излучением Протосолнца. С другой стороны, этот газ не мог быть вытеснен на самые дальние границы Солнечной системы – для этого просто не хватило мощности излучения центрального светила. Получилось следующее: далеко за орбитой Марса в протопланетном диске газ резко преобладал над пылью, причем наибольшая плотность газа была достигнута как раз на расстоянии 5-10 а.е. от Солнца.

Как следствие, самые большие планеты образовались именно там. Как следствие номер два, это – газовые планеты.

Конечно, в них присутствует и твердое вещество, но главный компонент – все же газ. Их вещество – по сути первичное, поскольку влияние Солнца на таких расстояниях сказывается уже слабо, а о ядерных реакциях в недрах газовых планет можно забыть сразу – для них требуются куда более значительные температуры, чем те, что могут «предложить» планеты.

Можно считать, что в первом приближении процесс формирования больших планет подобен процессу формирования звезд, особенно тех небольших звезд, которые являются спутниками более массивных соседок. Точно так же происходит конденсация вещества вокруг случайной флюктуации плотности, вот только таких центров конденсации в протопланетном диске первоначально может быть несколько, причем на пересекающихся орбитах, из-за чего конденсации сливаются, наращивая массу. Строго говоря, нет четкой границы между маломассивными звездами и большими планетами. Казалось бы, звезда отличается от планеты тем, что в ее недрах идут ядерные реакции. Но несколько десятилетий назад были открыты тусклые звезды, названные коричневыми карликами. Уже из того факта, что несколько коричневых карликов обнаружены в сравнительной близости от Солнца, следует, что это весьма распространенный класс звезд. Их массы меньше предела Кумара (0,075 массы Солнца), ниже которого невозможны ядерные реакции на водороде. И действительно, при температуре, скажем, 2 млн К протон-протонная реакция просто не пойдет, не говоря уже об углеродно-азотном цикле и тем более тройной гелиевой реакции. Возможны лишь реакции на легких ядрах (дейтерий, литий), но этих ядер мало, и они могут обеспечить собственную светимость объекта лишь на каком-то этапе, после чего закончатся. Что же обеспечивает светимость коричневого карлика?

Сжатие. То самое медленное сжатие, которое предлагал Гельмгольц в качестве объяснения причины светимости Солнца. И если насчет Солнца он ошибся, то коричневые карлики полностью «ложатся» в его теорию. Для маломассивных и крайне слабых коричневых карликов процесс сжатия, конечно, крайне медлителен и совершенно незаметен, но он есть. И тут возникает терминологическая путаница: считать ли коричневые карлики звездами? С одной стороны, звездами мы называем тела, светящие в оптическом диапазоне собственным, а не отраженным светом. С другой стороны, ядерные-то реакции в таких звездах не идут. Как быть?

Астрономам пришлось принимать «волевое решение». Звездами были «назначены» те красные карлики, чьи массы превышают 0,013 масс Солнца, а менее массивные объекты были причислены к планетам. Граница эта, конечно, чисто условна, как условна та граница количества предметов, с которой начинается куча. Как договорились, так и будет – до тех пор, пока проведенная граница не перестанет удовлетворять слишком многих. Но пока удовлетворяет.

Юпитер имеет массу в тысячу раз меньше массы Солнца, а значит, он очень сильно – в 13 раз – легче той границы масс, за которой объект считается звездой (хотя и «неполноценной»). Однако это все же в 317,8 раз больше массы Земли. Юпитер, конечно, планета. Кто-нибудь может сказать: стоило, мол, огород городить, чтобы доказать то, что и так всем известно? Не будем, однако, поспешны. Да, Юпитер не излучает собственный свет в видимом диапазоне, светя лишь отраженным светом. Но в дальней инфракрасной области ситуация иная: там Юпитер излучает в два с половиной раза больше энергии, чем получает от Солнца. И причина этого излучения – то самое гельмгольцевское сжатие планеты. По расчетам, оно составляет около 1 мм в год, и, конечно, измерить его существующими методами в принципе невозможно. Уверенность в том, что за инфракрасное излучение Юпитера отвечает именно сжатие, дает метод исключения: никакими иными механизмами это явление не объяснить.

Юпитер – самая яркая планета на небе после Венеры. Его видимый поперечник достигает (в противостоянии) 50 секунд дуги. Кроме того, он, как всякая внешняя по отношению к Земле планета, может отходить от Солнца на любое угловое расстояние и довольно медленно перемещается по небу. Это и неудивительно, учитывая период обращения планеты вокруг Солнца: 11,87 года. (Поскольку зодиакальных созвездий как раз 12, можно считать, что каждый год Юпитер переходит в следующее созвездие, что очень удобно для астрологов.) Диск планеты заметно сплюснут с полюсов (1:15), что объясняется высокой скоростью вращения планеты. Как и на Солнце, вращение зональное. Внешние слои атмосферы делают один оборот за 9 ч 50,5 мин., высокоширотные – за 9 ч 55,7 мин. Естественно, газовый шар, вращающийся с такой скоростью, будет сплюснутым.

На 82 % Юпитер состоит из водорода, на 17 % из гелия, а на долю всех оставшихся элементов приходится жалкий 1%. Ничего общего с составом Земли, зато очень похоже на Солнце! Присутствуют метан, этан, аммиак, кристаллики водяного льда, бисульфида аммония и т. д. Наружные слои атмосферы состоят преимущественно из водорода в молекулярном состоянии. Присутствуют и примеси. Первое, что бросается в глаза при взгляде в телескоп на Юпитер: он полосатый. Само собой, полосы параллельны экватору. Особенно ярко выражены две широкие полосы в «тропических» широтах гигантской планеты. И эти, и другие полосы маркируют собой зоны с различными скоростями вращения. На границах зон возникают завихрения, легко различимые даже в сравнительно небольшой телескоп в виде округлых пятен или фестонов (рис. 37 на цветной вклейке). И неудивительно: скорости движения газа в двух соседних зонах могут отличаться на 300 км/с. Ну как тут не возникнуть завихрениям?

Один вихрь получил всемирную известность: это Большое Красное Пятно (рис. 38 на цветной вклейке) размером 48 на 12 тыс. км (для масштаба: экваториальный радиус планеты 71 492 км). Сколько времени оно существует, сказать трудно. Астрономам оно известно с XVII века. Правда, в последние десятилетия яркость Красного Пятна ослабла, и очень похоже на то, что оно понемногу сойдет на нет. Что ж, рано или поздно возникнет новое! Хотя, конечно, Большое Красное Пятно – образование во всех отношениях выдающееся. Меньшие же по размеру вихри возникают на Юпитере достаточно регулярно. Некоторые из них живут всего-то несколько недель или месяцев, другие остаются на годы. Вихри возникают, сливаются друг с другом, исчезают – словом, ведут себя примерно так же, как циклоны и ураганы на Земле. Например, в марте 2007 года были зафиксированы два атмосферных шторма размером по 4000 км. Нет особых сомнений в том, что причина этих и других гигантских вихрей кроется в собственном энерговыделении планеты и неизбежной конвекции. Согласно результатам моделирования, оба шторма образованы струями нагретого водорода, вырывающимися из-под облачного слоя с глубины в несколько десятков километров, куда не проникают лучи Солнца. Нагреть этот водород мог только сам Юпитер. Частички водяного и аммиачного льда, подхваченные вихрями с порядочной глубины, придали им белый цвет и сформировали нечто вроде «наковальни» грозовых облаков, формирующихся над Землей. Такие образования на Юпитере называются плюмами. Основная разница здесь в масштабах явления: полная высота юпитерианского шторма от подножия до верхушки плюма достигает 120 км – вдесятеро больше, чем на Земле.

Сравнение с земными грозами не случайно: в атмосфере Юпитера молнии не просто замечены, а представляют собой самое обычное явление. Причем длина юпитерианских молний может достигать 1000 км! (На Земле не зафиксированы молнии длиннее 50 км.)

В 1995 году от АМС «Галилео» отделился зонд Galileo Probe и проник под облачный покров планеты. Зонд перестал работать на глубине 140 км, где давление юпитерианской атмосферы составляет примерно 1 бар, что соответствует атмосферному давлению на Земле на уровне моря. Конечно, хотелось бы большего, и к тому же спуск зонда проходил в безоблачном регионе Юпитера, поэтому многие детали облачного покрова планеты не были изучены непосредственно. Вспоминаются перипетии космолета «Тахмасиб» из повести «Путь на Амальтею» братьев Стругацких, провалившегося в Юпитер на большую глубину и сумевшего выбраться. Естественно, никто не пошлет пилотируемый космический корабль внутрь газовой планеты уже потому, что он не батискаф, однако крайне жаль, что миссия Galileo Probe не была повторена другим, более защищенным аппаратом. Возможно, эти исследования не считаются очень уж актуальными (поскольку строение наружных слоев Юпитера более-менее понятно, а в более глубокие слои, где царят высокие давления и температуры, не заберется никакой работоспособный аппарат), и все же остаются сожаление и чувство неудовлетворенности. Хотя вряд ли когда-нибудь будет создан зонд, способный проникнуть в такие глубокие слои Юпитера, где давление газа превышает давление в центра Земли, а температура выше, чем на поверхности Солнца.

Приходится довольствоваться моделированием. Считается, что до глубины примерно 1000 км вещество Юпитера – газ. Глубже происходит то, чего мы никогда не видим на Земле: с увеличением глубины и повышением давления газ постепенно становится жидкостью. Мы привыкли к тому, что газ – это газ, а жидкость – это жидкость, но мы не сталкиваемся с давлениями той силы, что царят в глубинах Юпитера. Четкой границы между газообразным и жидким водородом в недрах Юпитера не существует. А еще глубже, на глубине порядка четверти радиуса планеты, жидкий водород становится металлическим, оставаясь, судя по всему, жидкостью. Его температура при этом достигает 6500 К, а плотность при переходе в металлическое состояние скачком удваивается, составляя 0,8 г/см³. Недурная плотность для самого легкого газа, хотя, конечно, ее не сравнить с плотностью того же водорода в недрах Солнца.

Что находится еще глубже, можно сказать лишь с некоторой долей неуверенности. По-видимому, в самом центре планеты расположено твердое ядро радиусом до 12 тыс. км, массой 10–20 масс Земли, температурой порядка 20 тыс. К и давлением 40–50 Мбар, каковое давление и удерживает ядро в твердом состоянии. Оно каменное, но с большим содержанием железа и никеля, его плотность оценивается в и г/см³. Вокруг ядра, возможно, находится слой льда, состоящего из воды, аммиака и метана. Вопрос о наличии твердого водорода остается открытым.

Так или иначе, бесспорно одно: Юпитер имеет твердое ядро, окруженное жидкостью, и взаимодействие между ними включает «динамо-машину», генерирующую магнитное поле. И какое! Радиационный пояс Юпитера в 40 тыс. раз мощнее земного и простирается как минимум до 400 тыс. км. Магнитное поле гигантской планеты чрезвычайно сильное, его напряженность у экватора равна 4,2 Гс, что почти вдесятеро больше, чем у Земли. Полярность его обратная по сравнению с магнитным полем Земли, что не имеет серьезного значения: ведь мы знаем, что магнитное поле Земли многократно испытывало «переполю-совку». Возможно, такое же явление характерно и для Юпитера. Строго говоря, у Юпитера два магнитных поля. Одно из них обычное дипольное, но несимметричное по отношению к телу планеты. Второе связано с мощными радиационными поясами. Силу магнитного поля Юпитера первым испытал на себе аппарат «Пионер-10». Угрожающе быстрый рост радиации начал наблюдаться еще за 700 тыс. км до планеты и почти достиг предельного значения, но все-таки приборы выдержали.

Магнитосфера Юпитера вращается вместе с планетой, то есть так же быстро. Взаимодействие ее с заряженными частицами солнечного ветра приводит к разгону этих частиц до весьма высоких энергий. И если когда-нибудь к Юпитеру полетят обитаемые космические аппараты, их конструкторам придется очень серьезно подумать о защите экипажа, ибо при отсутствии таковой у космонавтов просто не будет шанса вернуться на Землю живыми. Юпитер – серьезная планета, и как бы банально ни звучало это утверждение, повторять банальности иногда стоит.

Все газовые планеты Солнечной системы окольцованы. Кольцо Юпитера открыл в 1979 году «Вояджер-1», хотя правильнее будет сказать не «открыл», а «подтвердил», так как на возможное существование кольца еще в 1960 году указывал советский астроном С.К. Всехсвятский, а в 1976 году и с большей определенностью – американские физики М. Экуна и Н. Несс, проанализировавшие распределение около Юпитера заряженных частиц, измеренное аппаратом «Пионер-11». Строго говоря, это кольцо является системой колец. Полученные от АМС «Галилео» данные говорят о том, что кольца Юпитера состоят из пыли, выбитой из внутренних спутников при ударах метеоритов. Внутренними называют спутники, обращающиеся вокруг планеты на меньшем расстоянии, чем ближайший галилеев спутник – Ио. Таких спутников четыре: Метида, Адрастея, Амальтея, Теба. Крупнейший из них – Амальтея – маловат для того, чтобы принять форму гидростатического равновесия, и представляет собой глыбу неправильной формы размером 262 на 134 км удивительно малой плотности, приблизительно равной плотности воды. Возможно, Амальтея не единое тело, а непрочно скрепленный конгломерат меньших тел, «попытавшийся» принять сферическую форму и не преуспевший в этом из-за малой массы. Меньшие спутники и подавно не являются шарами. Эти спутники находятся близ внешнего резкого края системы пылевых колец – каждый из них близ края «своего» кольца. Объяснение существования колец ударами метеоритов о мелкие спутники кажется правдоподобным: ведь такие удары действительно изредка случаются, а пылевые кольца Юпитера разрежены и темны (альбедо 0,015), так что небольшое количество их вещества и его низкая отражательная способность находят простейшее и довольно естественное объяснение.

О других спутниках мы поговорим ниже, а пока перейдем к Сатурну (рис. 39 на цветной вклейке). Вот уж у кого кольца так кольца! Их открыл еще Галилей в свою крайне несовершенную трубу с апертурой 4,5 см и увеличением 30 крат. Правда, неизбежно сильная при однолинзовом объективе хроматическая аберрация и посредственное качество самих линз не позволили великому итальянцу понять, что же все-таки такое он увидел. Галилей сумел разглядеть лишь какие-то «придатки» по краям диска Сатурна. Это явно не были спутники, но что это было такое? В те времена, как и ныне, ученые заботились о приоритете, и если совершалось открытие, но требовалось подтверждение, они, не теряя времени, составляли анаграммы – перемешивали буквы в краткой формуле открытия, иногда еще добавляя лишние буквы, чтобы труднее было догадаться. Составил такую анаграмму и Галилей. Ее попытался расшифровать Кеплер – и расшифровал неправильно, решив в итоге, что Галилей открыл два спутника Марса. Однако до открытия Фобоса и Деймоса оставалось еще более двух столетий, а на самом деле анаграмма Галилея расшифровывалась так: «Высочайшую планету тройною наблюдал».

В наше время автору такого открытия, вероятно, посоветовали бы лучше закусывать, но тогда были иные времена. Прошло несколько лет, и Галилей перестал видеть в свой телескоп упомянутые «придатки». Произошло это из-за того, что время от времени Сатурн поворачивается к нам так, что его кольцо становится невидимым. Но Галилей решил, что «придатки» ему померещились, и больше не возвращался к ним. По-настоящему кольцо – пока еще кольцо, а не кольца! – Сатурна открыл Христиан Гюйгенс и по обычаю составил анаграмму, расшифровывающуюся так: «Кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным». И это правда: кольца Сатурна лежат в плоскости экватора планеты, наклоненной к эклиптике под углом 26,73°. Соответственно, бывают периоды, когда кольца видны нам в максимальном раскрытии, а случается, что либо луч зрения лежит как раз в плоскости колец, либо они строго параллельны солнечным лучам – и тогда с Земли не увидеть никаких колец. Предыдущий период невидимости колец пришелся на лето 2009 года, и сейчас кольцо постепенно раскрывается все сильнее, чтобы максимально раскрыться в 2016 году. В течение 15 лет 9 месяцев Солнце освещает северную поверхность колец, а 13 лет 8 месяцев – южную. Кольца имеют толщину не более 1–2 км, поэтому их невозможно разглядеть с Земли, когда они стоят к нам ребром. За несколько дней до периода невидимости и в течение нескольких дней после него кольца видны как тонкая игла, пронзающая диск планеты.

Любой человек, впервые взглянувший на Сатурн в телескоп, конечно же, первым делом любуется кольцами (рис. 40). Самой планете достается меньше внимания, наблюдатель лишь отмечает, что она тоже сплюснута, причем даже чуть сильнее, чем Юпитер (l: 10,2), а полосы на ней гораздо более широки, менее контрастны, но более четко ограничены. Любоваться там в общем-то нечем. Нет ничего похожего на Красное Пятно, не видно и фестонов на краях полос. Право слово, если бы не роскошные кольца, Сатурн казался бы нам младшим и каким-то плохо удавшимся братом Юпитера.

Рис. 40. Сатурн. Игры теней. Видна относительная прозрачность колец

В общем-то древние греки, а за ними и римляне не зря дали «высочайшей планете» имя бога времени, старости и дряхлости – и притом бога, свергнутого Зевсом (Юпитером), а потому второстепенного. С Земли Сатурн, конечно, заметен хорошо, имея наибольшую звездную величину – 0,9, но все же уступая по блеску даже Меркурию. Одно хорошо: Сатурн со своим 30-летним (точнее, 29,67-летним) периодом обращения вокруг Солнца движется среди созвездий еще медленнее Юпитера, и уж если его положение на небе удобно для наблюдений, то это надолго.

Кроме того, Сатурн, будучи меньше Юпитера и дальше от нас, все же достаточно велик, чтобы быть приятным объектом для наблюдения в небольшой телескоп. При апертуре от 80–90 мм можно уверенно обнаружить деление Кассини в, казалось бы, сплошном кольце планеты, а при апертуре от 250–300 мм – и более узкое деление Энке, разумеется, при достаточном раскрытии кольца. Угловой экваториальный диаметр самой планеты достигает в противостоянии 20,8”, что лишь немногим меньше углового диаметра Марса в противостоянии. Казалось бы, Сатурн должен был дать богатейший материал и при чисто наземных средствах его наблюдения.

Что ж, с помощью наземных средств астрономы сделали все, что смогли. Был определен период вращения Сатурна (10 часов 12 минут на экваторе и более и часов в приполярных областях), был определен спектроскопически газовый состав планеты, оказавшийся схожим с составом Юпитера, но с несколько меньшим содержанием водорода (если не считать атмосферы, где все наоборот), была определена масса планеты. Она оказалась равной 95,16 массы Земли, что составляет менее 30 % массы Юпитера. Как следствие, Сатурн имеет меньшую плотность: всего 0,70 г/см³, что составляет всего 13 % плотности Земли и 52,6 % плотности Юпитера. Он просто недостаточно массивен, чтобы давление газа сильно сжало его внутренние слои. Однако и Сатурн излучает в тепловом диапазоне вдвое больше тепла, чем получает от Солнца, – правда, надо учесть, что получает он гораздо меньше Юпитера, поскольку и расположен значительно дальше, и сам несколько меньше (экваториальный радиус равен 60 268 км, что все-таки на порядок превышает радиус Земли). Нет ни малейших сомнений в том, что механизм тепловыделения Сатурна точно такой же, как у Юпитера и коричневых карликов, – медленное сжатие, еще более медленное, чем у Юпитера. Соответственно, и конвективные процессы в атмосфере Сатурна выражены гораздо слабее. Иногда на поверхности планеты появляются белые пятна, некоторое время спустя растягивающиеся в полосы. По всей видимости, эти пятна образуются вследствие извержений нагретого вещества из глубины, однако они вовсе не настроены принимать вид устойчивых атмосферных вихрей, как на Юпитере. Все говорит за то, что конвекция в атмосфере Сатурна носит более упорядоченный характер, что при относительно малом тепловыделении и неудивительно.

Как и Юпитер, Сатурн обладает собственным магнитным полем и радиационными поясами. Это значит, что внутри планеты имеется твердое ядро, окруженное жидким металлическим водородом. В отличие от Юпитера, магнитное поле Сатурна чисто дипольное, почти точно совпадающее с осью вращения планеты. Само собой разумеется, напряженность магнитного поля Сатурна слабее, чем у его более массивного соседа, – ничего иного и не следовало ожидать. Годы, предшествовавшие началу исследования Сатурна космическими аппаратами, принесли мало новой информации собственно о планете. Открывались новые спутники, были замечены «спицы» в кольцах, но и только.

Лишь с началом исследования Сатурна американскими АМС на астрономов обрушился вал новой информации. Опять-таки он больше касался колец и спутников, но и планета преподнесла некоторые сюрпризы. Сенсацией оказалось обнаружение в высоких южных широтах «горячей» области и шестиугольной (а не кольцеобразной) полосы вокруг него (рис. 41).

Конечно, «горячей» эту область можно назвать лишь с большой натяжкой – просто ее температура на несколько градусов выше средней температуры атмосферы планеты, составляющей около 95 К. Поначалу астрономы объясняли этот феномен энергией, получаемой Сатурном от Солнца, так как на момент обнаружения планета была повернула к Солнцу южным полушарием, но позднее инфракрасный спектрометр зонда «Кассини» обнаружил зону локального разогрева и на северном полюсе Сатурна. Более того, вокруг северного полюса Сатурна расположен такой же шестиугольный вихрь. Собственно говоря, самопроизвольное появление упорядоченных структур в таком, казалось бы, хаотичном процессе, как конвекция, был известен и ранее (например, так называемая неустойчивость Бенара), так что сама по себе шестиугольная структура нашла если не объяснение, то во всяком случае земные аналоги. Сложнее оказалось с объяснением отвода тепла через полюса. Какие конкретно процессы в атмосфере планеты отвечают за этот феномен, пока неясно.

Рис. 41. «Шестиугольный шторм» вокруг южного полюса Сатурна

И все же мир ахнул не от этих нежданных чудес, а от тонкой структуры колец Сатурна (рис. 42), чье изображение впервые передал «Пионер-11».

Рис. 42. Тонкая структура колец Сатурна

До этого считалось, что у Сатурна лишь несколько колец, впрочем, очень ярких и оказывающих влияние на блеск планеты при наблюдениях с Земли. Выделялись 3 основных кольца: А (внешнее), В (среднее) и С (внутреннее, оно же креповое). Среди них кольцо В – самое яркое, а кольцо С – очень слабое, трудно наблюдаемое. Позднее были добавлены кольцо Е (самое внешнее, размытое), G (очень узкое кольцо между кольцами F и Е), D (внутри кольца С) и F (очень узкое кольцо с внешней стороны кольца А); их яркость совсем мала. Давно уже не было никаких сомнений в том, что кольца Сатурна состоят из мелких частиц, так что кадры из некоторых художественных фильмов, где кольца состоят из сплошного камня, являются болезненным бредом недоучки-режиссера. То, что кольца не могут быть сплошными, доказал французский астроном Э. Рош еще в 1848 году, что и подтвердилось на практике. Минимальное расстояние до планеты, ближе которого крупный спутник не может сохранить устойчивую форму и будет разорван приливными силами на мелкие фрагменты, определяется выведенной Рошем формулой. Суть доказательства: кольца Сатурна находятся внутри «полости Роша» и уже по этой причине не могут быть сплошными. Частицы, составляющие кольца, имеют высокое альбедо, а их инфракрасный спектр похож на спектр обыкновенного земного инея. Яркость колец удивительно велика и заметно влияет на общий блеск планеты.

Все газовые планеты Солнечной системы окольцованы, и причина возникновения колец во всех случаях одна: дробление какого-то близко расположенного к планете тела (или тел). В случае Сатурна это было довольно крупное и притом ледяное тело. Было ли оно настолько крупным, чтобы разорваться на мелкие части под действием приливных сил, или ледяному спутнику «помог» расколоться удар какого-нибудь постороннего космического тела – о том мы теперь можем лишь гадать. Ясно лишь, что это событие произошло очень давно, в противном случае осколки не успели бы собраться в чрезвычайно тонкий диск. Исследования с борта «Пионера-11» показали, что наиболее яркое кольцо В представляет собой монослой глыб с характерным поперечником 15 м, погруженный в более толстый слой более мелких обломков размером порядка 10 см. Механизм уплощения диска точно таков же, каков он для протогалактического облака или для протопланетного диска, и причиной его служат неупругие столкновения между частицами, будь то атомы или куски льда.

Впрочем, разреженное внешнее кольцо Е, простирающееся от 3 до 8 радиусов Сатурна (считая от центра планеты), гораздо более «растрепано», чем чрезвычайно тонкие внутренние кольца. Толщина кольца Е достигает целых 6000 км на внутреннем крае и до 15 тыс. км на внешнем. Любопытно, что пик яркости этого кольца наблюдается около орбиты спутника Сатурна Энцелада. Возможно, Энцелад, из трещин на поверхности которого наблюдаются выбросы ледяного крошева, постоянно «подпитывает» кольцо «Е». Кроме того, любая космическая пылинка, летящая со значительной скоростью, выбивает из поверхности спутников крошечные осколки, имеющие достаточные скорости, чтобы покинуть зону притяжения спутника. По всей видимости, в этом, а также в возмущающем действии других крупных спутников, находящихся в пределах кольца Е, кроется причина значительной ширины этого кольца. Нечего и говорить, что кольцо Е далеко выходит за границы полости Роша, достигая почти 1 млн км в диаметре. Кольцо Е можно рассматривать как внешнее «гало» системы колец.

Характерный размер пылинок в нем около 1 мкм. Построив математическую модель движения пылинки, выброшенной с поверхности Энцелада, и учтя по возможности все действующие на нее силы (световое давление, влияние прецессии и др.), астрономы пришли к выводу, что наиболее «долгоживущими» будут пылинки именно микронного размера, что и наблюдается.

Снимки с борта АМС показали, что у Сатурна не три и не семь колец, а сотни. Или можно сказать так: основных колец немного, но структура их тонковолокнистая. Иногда она не совсем правильная: сфотографированы узкие кольца, как бы обвившиеся друг вокруг друга. Еще «Вояджер-1» в 1980 году обнаружил, что некоторые из орбит частиц, образующих кольца, отчетливо эллиптические. Возможно, так проявляется резонансное воздействие спутников Сатурна, причем не только крупных, но и мелких. Эта же причина «отвечает» за разрывы в кольцах, известные как деления Кассини и Энке.

Кольца Сатурна хранят еще немало загадок. Не вполне понятно повышенное рассеяние света в области деления Кассини. Не все данные наблюдений удается согласовать в рамках чисто ледяной модели, так что не исключено присутствие в кольцах мелких минеральных и металлических частиц. По-прежнему интригуют астрономов радиальные темные или светлые лучи – «спицы», – довольно быстро перемещающиеся по кольцам (рис. 43–44). Возможно, этот явно волновой процесс обусловлен влиянием мелких спутников, находящихся на внешней границе кольца А и вблизи кольца F, а также в делениях Энке и Кассини. Некоторые из этих спутников находятся внутри полости Роша, но они слишком мелки, чтобы быть разорванными приливными силами.

Рис. 43. Светлые «спицы» в кольцах Сатурна…

Рис. 44. …и темные «спицы»

Спутники Сатурна (как и Юпитера) – интереснейшая тема, но мы пока оставим ее «в тылу» и перейдем к двум оставшимся газовым гигантам – Урану и Нептуну.

Открытый Уильямом Гершелем в 1781 году Уран в принципе мог быть открыт и ранее. Его видимая звездная величина колеблется в пределах от 5,67 до 5,9, то есть при хорошем небе он виден невооруженным глазом как слабая звездочка, различимая с некоторым трудом, но все же различимая. В горах же, где предельная звездная величина «точечного» светила, видимого невооруженным глазом, достигает 7, он виден уверенно.

После открытия Гершеля выяснилось, что Уран наблюдался ранее не менее 20 раз и впервые (впервые ли?) был замечен еще в 1690 году, но не отождествлен. Причина проста: новую планету не искали, поскольку не предполагали ее существования. Кто бы обратил сугубое внимание на слабую звездочку, каких на небе несколько тысяч, и специально стал разглядывать ее в телескоп, применив большие увеличения, при которых стал бы различим диск планеты? Что до звездных карт, то они в те времена были еще несовершенными и неполными – хотя небесные координаты Урана на тот момент были-таки измерены. И опять-таки следовало заметить, что одна из слабых звезд, отмеченных на карте, спустя некоторое время «убежала» со своего места! Словом, чтобы найти, желательно искать, иначе открытие состоится с большим опозданием и случайно. Ведь и Гершель не искал новую планету!

Однако нашел, хотя поначалу думал, что открыл комету. Скоро выяснилось, что орбита нового тела – чисто планетная, со средним расстоянием от Солнца 19,187 а.е. и периодом обращения 84,048 года.

С Нептуном получилось еще интереснее. Нельзя сказать, что эту планету уже искали целенаправленно, основываясь на том предположении, что Уран, возможно, не самая дальняя планета. Стимулом к началу поиска стали неправильности в движении Урана.

В конце XVIII и начале XIX века Уран «торопился» – непрерывно убегал вперед в своем движении по орбите, вычисленной в 1784 году. Эта орбита оказалась, естественно, эллиптической с эксцентриситетом 0,046 и малым углом наклона плоскости орбиты к эклиптике: всего 0,772°. Казалось бы, типичная, чуть ли не образцовая планетная орбита. И тем не менее «убегание» вперед Урана было просто катастрофическим.

Поначалу, естественно, предположили, что вычисленная орбита ошибочна, и попытались подобрать другую. Попытка провалилась: выяснилось, что эллиптической орбиты, полностью удовлетворяющей движению Урана, попросту не существует.

Пришлось сделать следующий логический шаг: учесть возмущения со стороны Юпитера и Сатурна. Влияние внутренних планет, более далеких и гораздо менее массивных, было справедливо признано пренебрежимо малым. Масса Урана была вычислена из наблюдений за орбитальным движением его спутников Титании и Оберона, открытых опять-таки Гершелем в 1787 году. Масса оказалась равной 14,5 массы Земли. И вот появились новые таблицы движения Урана, созданные сначала Деламбром (1790 год), а затем пересчитанные и исправленные Буваром (1820 год).

Толку не вышло. В 1832 году стало окончательно ясно, что эти таблицы никуда не годятся. Теперь Уран отставал от вычисленного положения на небе на 30 угловых секунд, и это отставание увеличивалось на 6–7 секунд в год. Нонсенс! Пришлось вздохнуть и признать, что на Уран, по-видимому, действует еще какая-то сила, не учтенная в расчетах.

Но какая? Возможных объяснений виделось пять: сопротивление газово-пылевой среды, влияние не открытого еще спутника, столкновение с кометой незадолго до открытия Урана Гершелем, поправки к закону тяготения, которые надо вносить, если расстояние между телами велико, – и, наконец, существование еще одной планеты.

Все эти возможные причины, кроме двух последних, были отброшены одна за другой. Казалось бы, в справедливости ньютонова закона всемирного тяготения в тех случаях, когда поправками общей теории относительности можно спокойно пренебречь, может усомниться только психически нездоровый человек, – ан нет: сомнения в этом вопросе возникали и в конце XX века, и возникнут снова, когда встанет очередная задача, вроде бы не имеющая иных решений. Если утопающий хватается за соломинку, то упершийся в глухой тупик склонен ломать и ниспровергать. Но все же был другой выход, последний: поискать еще одну планету.

Она должна была находиться еще дальше от Солнца, чем Уран, и выглядеть гораздо более слабой звездочкой. Таких звездочек на небе уже не тысячи, а десятки тысяч, и даже если ограничиться 10-градусной полосой вокруг эклиптики, все равно это потребовало бы от квалифицированных наблюдателей колоссального количества человеко-часов.

Проще было теоретически вычислить, в какой части неба находится неизвестная планета, и уже там искать ее. Эту работу – тоже весьма громоздкую – мог выполнить один теоретик. Первым за вычисления взялся немецкий астроном Фридрих Бессель, но он умер, не успев закончить работу. Вслед за ним открыть планету «на кончике пера» независимо друг от друга попытались двое: молодой английский математик Джон Адамс и уже известный к тому времени французский теоретик Урбен Леверье.

Успех сопутствовал обоим. Адамс закончил вычисления на год раньше, но расчеты Леверье оказались более основательными и убедительными. Адамс не сумел уговорить английских астрономов заняться поисками новой планеты, зато Леверье тотчас после опубликования своих результатов (1846 год) обратился к немецким астрономам, имевшим лучшие на то время карты звездного неба. Ведь самый простой способ найти новую планету состоял не в том, чтобы долго и нудно измерять координаты множества звезд в вычисленном «теоретическом квадрате», причем делать это дважды, сравнивая положение звезд на небе, и не в том, чтобы искать планету по видимому диску, а в том, чтобы просто-напросто сличить участок звездной карты с реальным участком звездного неба. Крик студента-астронома д’Арре: «Этой звезды нет на карте!» – вошел в историю. Так ассистент Берлинской обсерватории Галле и помогавший ему д’Арре нашли новую планету всего в одном градусе от расчетной точки, потратив едва полчаса на поиски. Триумф небесной механики был велик.

Новую планету после некоторых споров и интриг назвали Нептуном. Леверье, вначале сам предложивший назвать планету Нептуном, в скором времени пожелал, чтобы теоретически открытое им светило носило его имя, в чем нашел поддержку некоторых видных астрономов того времени. Что ж, тщеславие – универсальный порок, оно равно поражает и великих, и ничтожных. Однако предложение не было принято: ведь тогда по справедливости Уран следовало бы назвать Гершелем и переименовать все известные к тому времени малые планеты. Так что восьмая планета Солнечной системы стала называться все-таки Нептуном, а не Леверье.

В том же году у Нептуна был открыт крупный спутник Тритон, из параметров движения которого легко вычислялась масса планеты. Она оказалась равной 17,204 массы Земли, то есть Нептун несколько массивнее Урана. Как ни странно, и средняя плотность у него выше: 1,76 г/см³ против 1,30 г/см³ у Урана. Орбита Нептуна практически круговая (е = 0,0113) – из всех планетных орбит лишь орбита Венеры имеет меньший эксцентриситет. Полный оборот вокруг Солнца планета совершает за 164,491 года.

При взгляде в не слишком крупный телескоп Уран и Нептун – просто близнецы-братья, отличающиеся лишь видимым размером и немного цветом, но все же оба они голубовато-зеленые. Впрочем, особо зоркие наблюдатели отмечают на Уране полосы, похожие на полосы Сатурна и также параллельные экватору планеты. Поскольку Уран иногда повернут к нам северным или южным полюсом, полосы в такие моменты времени становятся кольцами.

Уран уникален тем, что угол между плоскостью его экватора и плоскостью орбиты составляет 97,77°, то есть планета вращается практически «лежа на боку», подставляя нам в своем движении вокруг Солнца то экваториальные области, то один из полюсов. При этом Уран, как и Венера, вращается в сторону, противоположную вращению остальных планет. Какой древний космический катаклизм заставил планету вращаться столь необычным образом, остается только гадать.

Нептун в этом отношении гораздо более «добропорядочен», имея нормальное направление вращения и угол наклона экватора к орбите 28,32°. Зато периоды вращения вокруг оси у обеих планет близки: 17 часов 14 минут у Урана и 16 часов 7 минут у Нептуна. Обе планеты имеют спутники и кольца.

В 1977 году Уран покрыл своим диском слабую звезду SAO 158 687. Незадолго до покрытия звезда пять раз ненадолго ослабла в блеске, и то же явление зеркально повторилось, когда диск Урана «слез» со звезды. Ничем иным, кроме как системой колец – причем темных колец, – объяснить это явление было нельзя. Годом позже было открыто еще 4 кольца, так что всего их у Урана стало 9. Кольца Урана очень узкие (от 0,6 до 100 км) и очень темные, с низким (менее 5 %) альбедо. Можно считать, что по отражательной способности вещество колец Урана подобно саже. Наверняка кольца Урана не состоят изо льда, но зато могут состоять из вещества, выбитого с поверхности Титании и Оберона – не покрытых льдом спутников Урана. Любопытно, что кольца эти эллиптические, а их плоскость не совсем совпадает с плоскостью экватора планеты.

Но даже «Вояджер-2», пролетевший в 1986 году вблизи Урана, не заметил два внешних, опять-таки узких кольца и два новых спутника. Эти объекты были открыты с использованием Космического телескопа им. Хаббла. Кольца получили обозначение Ui и U2, причем орбита одного из новых спутников совпадает с орбитой самого внешнего кольца Ui. По всей видимости, этот спутник, получивший имя Мэб, подпитывает кольцо пылью и осколками, выбрасываемыми с его поверхности вследствие метеоритной бомбардировки. Надо думать, бомбардировка носила «разовый», случайный характер – об этом прежде всего говорят орбиты других спутников, не связанные с кольцами. Немаловажно и то, что пространственная плотность метеоритов на орбите Урана должна быть гораздо ниже, чем, скажем, в Главном поясе астероидов, так что при достаточном количестве «мишеней» для бомбардировки не хватает «снарядов».

Есть кольца и у Нептуна. Их наличие подозревалось давно, но открыты они были лишь при пролете вблизи планеты АМС «Вояджер-2». Было обнаружено четыре очень узких кольца. Все это типично для газовых планет. Нетипично другое: почему-то крупный спутник Нептуна Тритон (диаметр 2710 км) движется по орбите в обратном направлении. Предпринимались попытки объяснить такое его движение тем, что некогда спутником Нептуна был и Плутон, но взаимные возмущения этих тел выбросили Плутон прочь, а Тритон заставили обращаться вокруг Нептуна в противоположном направлении. Существует и другая гипотеза, согласно которой Тритон некогда был самостоятельным телом пояса Койпера и стал спутником планеты после тесного сближения с ней. Моделирование показало, что для этого Тритон должен был иметь крупный спутник, выброшенный впоследствии в самые дальние области Солнечной системы. Трудно сказать, было так на самом деле, но так быть могло. Спутники же у плутоидов – самое обычное дело.

Как Уран, так и Нептун окружены «знатными» атмосферами, в них наблюдаются светлые и темные пятна – следы местных циклонов. Измеренные скорости ветра на Нептуне превосходят все, что мы знаем, и могут достигать 1120 км/с, причем образования, подобные земным перистым облакам, перемещаются с огромной скоростью из одних широт в другие. Моделирование, однако, показало, что атмосферы Урана и Нептуна гораздо менее толсты, чем у Юпитера или Сатурна. В них заметно меньше водорода и больше соединений типа аммиака, метана и др. Высказывалась гипотеза, что если Солнце родилось не как одиночная звезда, а в составе довольно тесного скопления (за это говорит теория вероятностей), то мощное излучение соседних звезд или протозвезд могло вымести часть водорода и гелия из пухлых оболочек формирующихся периферийных планет, тогда как Сатурн и Юпитер убереглись от подобной участи, будучи экранированными пылью околосолнечного газово-пылевого диска, в котором образовались спиральные волны плотности – почти как в галактике. Что ж, спиральный рукав – очень неплохой «защитный экран». В эту гипотезу хорошо ложится и большая, чем у Урана, плотность Нептуна, который был ближе к периферии газово-пылевого диска и потерял больше легких элементов. К сожалению, эту гипотезу трудно проверить иначе, чем моделированием, а такая проверка, конечно же, не может считаться полноценной (посчитать-то можно что угодно, вопрос лишь в том, какое отношение все это имеет к реальности).

По всей видимости, в относительно тонкой, не превышающей, скажем, радиуса Земли атмосфере Урана и Нептуна газ с увеличением глубины довольно быстро становится жидкостью, чему немало способствуют низкие температуры. Ниже располагается толстая ледяная мантия, состоящая преимущественно из метана и аммиака в твердой фазе, а в центре находится ядро из горных пород, несколько большее Земли по размерам. В центре Урана держится температура порядка 10–12 тыс. К при давлении 5,5–6 Мбар; в центре Нептуна – 12–14 тыс. К и 7–8 Мбар.

Как видим, называть Уран и Нептун газовыми планетами мы можем лишь с изрядной долей условности. Правильнее было бы назвать их каменно-ледяными, поскольку очень заметная часть их массы пребывает не в газовой фазе. И возникает вопрос: если бы по каким-то причинам из первичных рыхлых планетоидов, притягивающих к себе вещество газово-пылевого протопланетного диска, образовались бы не Уран и Нептун, а несколько десятков или сотен тел помельче, то на что бы они были похожи?

Ответ ясен: на тела пояса Койпера. В таком случае пояс Койпера начинался бы не от орбиты Нептуна, а гораздо ближе к Солнцу. Конечно, из-за инсоляции состав льдов у ближайших к Солнцу тел был бы несколько иным, но это уже частности.