Кольца Урана

Уран обладает слабыми, почти незаметными, планетарными кольцами, состоящими из несветящихся частиц материи до 10 м в диаметре. Первые кольца Урана были обнаружены в марте 1977 Джеймсом Эллиотом, Эдвардом Данхэмом и Дугласом Минком. На данный момент известны 13 его колец, что является неким «рекордом» в Солнечной системе.

Узкие кольца планеты, открытые в 1977 г., пристально изучаются в последние годы. Они оказались очень непохожими на кольца. Сатурна, широкие и разделенные узкими «щелями». В случае Урана все наоборот: очень узкие кольца и очень широкие интервалы между ними. Наиболее заметных колец 9, причем самое широкое (несколько десятков километров) — кольцо ε, имеющее средний радиус 51 150 км. Общей массы материала в кольцах хватило бы лишь на самый маленький спутник, диаметром 15 км (для колец Сатурна объем материала в 1000 раз больше).

Главные спутники. Перейдем теперь к главным (известным по наземным исследованиям) спутникам Урана. Они расположены в следующем порядке (считая от Урана): Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания, Оберон. Система спутников Урана очень компактная: большая полуось орбиты Оберона 582 тыс. км, а период обращения вокруг планеты — всего 13,5 сут (что объясняется, конечно, большой массой планеты). Миранда находится в 4,5 раза ближе к Урану и завершает один оборот за 1,4 сут.

Основные данные о спутниках планеты были приведены в табл. 5. Все они движутся в радиационных поясах планеты, что приводит к постоянной бомбардировке поверхности спутников заряженными частицами, как уже говорилось выше. Строго говоря, действие радиационных поясов имеет сложный периодический характер, потому что магнитосфера Урана «полощется» относительно плоскости орбит спутников (и плоскости экватора планеты). Ось дипольного поля планеты отклонена от оси ее вращения на 60°, поэтому полярность поля магнитосферы меняется за полоборота Урана, т. е. за 8,62 ч. Такое явление пока неизвестно больше ни у одной планеты: у Земли наклон оси диполя к оси вращения 11,7°, у Юпитера 9,6°, у Сатурна 0°. Большой наклон оси дипольного поля для Урана и вызывает периодический характер изменений плотности радиации у поверхности спутников.

Положение полярной оси Урана, которое ныне близко к направлению на Солнце, сделало чрезвычайно сложной программу телевизионной съемки спутников. В самом деле, аппарат шел сквозь. плоскость орбит спутников, примерно как стрела сквозь мишень. В случае Юпитера и Сатурна движение было совсем другим: можно было выбрать момент удачного расположения спутников, и тогда аппарат последовательно сближался с многими из этих тел. Схема сближения с системой Урана вызывала еще одну проблему: регистрация последовательных гравитационных возмущений от спутников становилась невозможной, а именно таким методом определялись массы (и средние плотности) спутников Юпитера и Сатурна.

Таким образом, спутники Урана тоже ледяные, но отличаются от спутников Сатурна несколько большей плотностью. По-видимому, в них содержится довольно много гидратированных силикатов; ядро из них может составлять половину диаметра небесного тела или даже больше.

На мелкомасштабных телевизионных снимках Оберона угадывались светлые пятна, которые оказались венцами очень светлых лучей вокруг ударных кратеров больших размеров. Природа светлых выбросов — водяной лед, иней, снег. Светлые выбросы контрастируют с очень темной древней поверхностью этого довольно крупного небесного тела. Его диаметр. более 1500 км, составляет почти половину поперечника нашей Луны. Поверхность насыщена старыми ударными кратерами, некоторые из которых имеют очень темное дно.

Следует помнить,. что температура на поверхности спутников Урана очень низкая, средние в течение суток значения составляют от 60 К для Умбриэля до 54 К для Ариэля. При таких температурах физические свойства водяного льда очень отличаются от привычных нам — лед, становится минералом.

Более подробное изучение снимков показало, что через все южное полушарие Оберона проходит широкая долина, свидетельствующая о тектонических процессах ранней геологической истории, спутника. В ряде крупных кратеров видны частично заполнившие их затвердевшие темные потоки. По-видимому, в его истории действовали мощные внутренние силы (и потоки тепла), которые разрушали ледяную кору и вызывали ее движения. Их следы мы видим теперь как разломы поверхности спутника. Но происходило все-это очень давно.

Не следует, однако, считать, что сведения о присутствии воды (в твердой фазе) на поверхности спутников Урана были получены| впервые: об этом говорили наземные спектрометрические исследования и раньше.

Титания заметно светлее Оберона и немного больше по размерам, около 1600 км в диаметре. Это самый большой спутник в системе Урана. Снимки Титании, сделанные с высоким разрешением, показали, что древних ударных кратеров здесь значительно меньше, чем на Обероне, причем особенно мало крупных кратеров. Так как они, несомненно, когда-то существовали, действовал какой-то. процесс, который привел к их разрушению. Вся поверхность спутника изрезана системой рифтов и пересекающихся извилистых долин, очень похожих на русла рек. Наиболее длинные достигают почти 1000 км в длину. Некоторые из них окружены системами светлых отложений на поверхности. Интересные сведения были получены в поляриметрическом эксперименте: поверхность покрыта слоем пористого материала. Скорее всего, это водяной иней, конденсировавшийся на поверхности после излияний воды в трещинах (вспомним спутник Юпитера Европу).

Наиболее многочисленны мелкие ударные кратеры, которые образовались из остатков протопланетного материала, обломков и. других небольших тел, обращавшихся вокруг Урана (не зависимые от него тела образовали бы более крупные кратеры). Что же касается древнего рельефа, то он, по-видимому, был полностью разрушен под действием значительного выделения внутреннего тепла.. Этот разогрев происходил опять-таки в раннюю эпоху жизни Титании. В результате разогрева поверхность плавилась, происходила гравитационная дифференциация материалов (более тяжелые породы тонули), что, в свою очередь, приводило к выделению тепла в, еще больших масштабах. И уже после застывания вновь образовавшейся поверхности и ее многократных перестроек в процессах тектоники образовались те мелкие кратеры, о которых говорилось выше. Такой процесс глобальной переработки поверхности остается пока недоказанным, но очень вероятным.

Нарастание признаков геологической активности от Оберона к Титании почему-то не находит продолжения на Умбриэле (хотя резко усиливается на Ариэле и Миранде). Поверхность его носит примитивный характер крупных ударных образований с высокой степенью насыщения (многократного наложения кратеров). Умбриэль находится на довольно низкой орбите — всего 265 тыс. км. Умбриэль — очень темное небесное тело. Вокруг его кратеров полностью отсутствуют светлые выбросы. Моноточная, темная поверхность не имеет оттенков, что можно попытаться объяснить именно ее древностью и переработкой под действием заряженных частиц и внедряющихся в поверхность ионов и нейтральных атомов. Но, чтобы еще больше «запутать все дело», найдено несколько крупных кратеров с очень светлым дном. Самый крупный из них находится на экваторе спутника. Как и у Урана, особенность положения оси вращения Умбриэля проявляется в том, что его экватор в наши дни практически постоянно находится на терминаторе спутника (границе дня и ночи).

Отсутствие контрастных образований и очень темная поверхность выделяют Умбриэль среди других спутников Урана. Как это ни парадоксально, именно отсутствие контрастов делает его самым непонятным. Одно из предложенных объяснений заключается в том, что выделение тепла в недрах Умбриэля (в эпоху его образования) почему-то было недостаточным, чтобы вызвать плавление коры и гравитационную дифференциацию. Поэтому смесь льда и темных каменных пород осталась на поверхности в первозданном виде, а выбросы материала вокруг ударных кратеров неотличимы.от основной поверхности.

Как же в таком случае объяснить белое дно некоторых (единичных) кратеров? Можно предположить, что темный слой имеет ограниченную толщину, а под ним находится чистый лед. Тогда наиболее крупные тела могли пробить темную корку и обнажить чистые слои. Наконец, толщина темного слоя может быть различной в разных местах. Словом, гипотез немало, как и аргументированных возражений. Вероятно, решение проблемы потребует времени.

Орбита следующего спутника, Ариэля, вдвое ниже, чем орбита Луны, а один оборот он завершает всего за 2,5 сут. Как и другие спутники Урана, он постоянно обращен к планете одной стороной. Диаметр его несколько больше 1 тыс. км. Если геологическая активность Титании не вызывает сомнений, но относится ж далекому прошлому, то Ариэль имеет все признаки сравнительно.недавней активности. По-видимому, основной источник его энергии был тот же, что и у Ио: приливное трение, вызванное резонансами с Умбриэлем и Мирандой. Проблема, однако, в том, что сейчас таких резонансов в движении Ариэля нет. Возможно, они были в прошлом. Интересно отметить, что расчеты пока опровергают такую возможность, как, впрочем, отвергает теория и возможность:разогрева спутника Сатурна Энцелада, с которым мы познакомились раньше. Что ж, как говорят, тем хуже для теории.

Была получена мозаика Ариэля из четырех снимков с высоким разрешением. И если предварительные телевизионные снимки говорили об активности не меньшей, чем у Титании, то здесь ученые увидели поверхность, сплошь изрезанную рифтами (долинами с обрывистыми краями). Глубина рифтов близка к 10 км, а сами долины достигают нескольких сотен километров в длину. Долины ветвятся, образуя причудливую сеть притоков. Ширина рифтов доходит до 25—30 км. Их гладкое дно несет следы какого-то движения, что еще больше напоминает древние образования такого же вида на Марсе.

Наиболее вероятно, что рифтовые долины образовались в эпоху интенсивной перестройки ледяной коры Ариэля, сопровождавшейся ее разломами, сжатием и тектоникой. На поверхности спутника очень мало метеоритных кратеров, что опять-таки указывает на ее молодость, в геологических, конечно, масштабах. Впрочем... высказано даже кажущееся фантастическим предположение о возможной современной активности Ариэля. Но тогда источник его энергии становится совершенно непонятным.

В качестве материала, который мог бы заполнять долины и двигаться вдоль них, предлагается, конечно, лед. Чтобы он был достаточно вязким при столь низких температурах, в нем должны присутствовать какие-то примеси. Предполагается, что это аммиак и метан, которые вместе с водой выделялись на поверхность сквозь. разломы. Но так же как и на других спутниках Урана, метан не был обнаружен. Есть и другие предположения о возможной природе этих «ледников неподалеку от абсолютного нуля». Во всяком. случае, «водяной вулканизм» на Ариэле сомнений не вызывает.

Поверхность спутника покрыта отложениями очень светлого материала, по-видимому, такого же водяного инея, как на спутнике Юпитера Европе.

Миранда — сплошные неожиданности. И все-таки «звездой телеэкрана» оказался не Ариэль. Миранда, спутник диаметром менее 500 км, который, судя по табл. 6 содержит наибольшую долю льда,, баллистически стала самой удобной целью телевизионной съемки... И Миранда оправдала все усилия ученых и инженеров, которым пришлось решить массу технических проблем, чтобы обеспечить эту съемку. Во-первых, у Урана довольно темно, в 370 раз темнее чем на Земле. Освещенность «сцены» была примерно такой, как в хорошо освещенной рабочей комнате при искусственном освещении. Любой фотограф знает, что в таких условиях приходится увеличивать экспозицию. То же относится и к телевизионной съемке с космического аппарата.

Однако если другие спутники наблюдались с большого расстояния, когда собственные движения космического аппарата и. спутников не мешали длительной экспозиции и особой роли не играли, то в случае Миранды эти движения становились трудной проблемой. Впрочем, даже на снимках Ариэля мелкие детали слегка смазаны. Для Миранды расстояние, с которого производилась съемка, было совсем малым, а требовалось получить ряд снимков с высоким разрешением, чтобы затем составить из них мозаичный «портрет» спутника. Каждая экспозиция достигала нескольких секунд. Словом, чтобы осуществить эту съемку, пришлось полностью. изменить обычный порядок работы, когда изображения передавались по радиолинии на Землю сразу после их получения. При съемке Миранды аппарат все время поворачивался, чтобы скомпенсировать размазывание изображений. Но из-за этого его антенна уже не оставалась направленной на Землю, поэтому изображения пришлось записывать на борту, на Землю они были переданы лишь. на следующие сутки. Съемкой удалось охватить почти всю освещенную часть спутника, представив ее на восьми снимках с высоким разрешением.

В центре полученного изображения ученые увидели почти правильную трапецию, образованную из темных и светлых полос (см. последнюю страницу обложки вверху, слева). Трапеция выделяется на фоне окружающей ее поверхности почти полным отсутствием метеоритных кратеров, в то время как окружающий район представляет собой перерезанный небольшими рифтами кратерный рельеф. Трапеция получила условное название «шеврон». Его размеры 140х200 км (на снимках видны детали размерами от 4,6 км и выше). Полосы, образующие шеврон, имеют вид множества параллельных гряд, которые сходятся с другой такой же системой, образуя почти прямой угол. Странное продолжение шеврона — это глубокий, до 20 км, разлом, крутые склоны которого уходят за пределы освещенной части спутника. Шеврон находится у южного полюса Миранды.

Не менее загадочные образования, возможно той же природы, находятся вблизи терминатора; как и у других спутников, из-за положения полярной оси терминатор сейчас постоянно находится в одном и том же географическом поясе Миранды — вблизи ее экватора. Первое из них окантовано такой же системой светлых и темных полос, но более широких, чем у шеврона. Похоже, что отснятая часть этого объекта образует стороны правильного пятиугольника, по площади раз в 5 больше шеврона. Для него, как и для еще одного объекта, о котором речь пойдет ниже, предложено название Цирки Максими, которое древние римляне понимали как «большой стадион». И действительно, на стадион образование очень похоже, хотя второй из них больше напоминает дорожки ипподрома.

И на «стадионе» и на «ипподроме» почти отсутствуют метеоритные кратеры, т. е. это относительно молодые объекты. Второе образование находится с диаметрально противоположной стороны спутника. Оно напоминает очертания «стадиона» и выглядит, словно след пахоты на краю поля. Это примерно 15—20 параллельных торных гряд, разделенных такими же долинами, повторяющимися через каждые 5—7 км. Вся система поворачивает почти под прямым углом и также уходит за терминатор. Этот «ипподром» очень напоминает систему субпараллельных борозд на Ганимеде. По образному выражению одного из геологов, маленькая Миранда предоставила коллекцию всех геологических форм, какие встречаются в Солнечной системе.

Чтобы объяснить природу поверхности Миранды, выдвинуто много гипотез. Одна из них предполагает, что первичное тело было расколото в крупных столкновениях, но части не разошлись, а соединились снова, обнажив внутреннюю структуру небесного тела. Однако остается непонятным, почему сохранились ударные кратеры на остальных частях поверхности спутника. Другая гипотеза допускает, что существовал неравномерный разогрев недр Миранды.

Локальное плавление коры обнажило плиты, обладавшие положительной плавучестью, которые мы теперь видим на поверхности спутника.

Нептун

Часа через четыре после встречи с Нептуном КА приблизился к Тритону (самому большому спутнику Нептуна) и прошел около него на расстоянии 36 500 км. Астрономы ждали этого момента с большим интересом. Это позволило наконец получить надежные данные о спутнике. Его диаметр равен 2706 км, масса - 1/4800 массы Нептуна. Таким образом, среди крупнейших спутников планет Тритон оказался на седьмом месте. Как мы уже знаем, самым крупным является спутник Юпитера Ганимед. За ним в по рядке убывания размеров и массы идут Титан (спутник Сатурна), Каллисто и Ио (спутники Юпитера), наша Луна, еще один спутник Юпитера - Европа и, наконец, Тритон. Последний уступает по массе Ганимеду в 6,93 раза и Луне в 3,43 раза.

У Нептуна на данный момент известно 13 спутников. Масса крупнейшего составляет более, чем 99,5 % от суммарной массы всех спутников Нептуна, и лишь он массивен настолько, чтобы стать сфероидальным. Это Тритон, открытый Уильямом Ласселом всего через 17 дней после открытия Нептуна. В отличие от всех остальных крупных спутников планет в Солнечной системе, Тритон обладает ретроградной орбитой. Возможно, он был захвачен гравитацией Нептуна, а не сформировался на месте, и, возможно, когда-то был карликовой планетой в поясе Койпера. Он достаточно близок к Нептуну, чтобы постоянно находиться в синхронном вращении. Из-за приливного ускорения Тритон медленно двигается по спирали к Нептуну, и, в конечном счёте, будет разрушен при достижении предела Роша, в результате чего образуется кольцо, которое может быть более мощным, чем кольца Сатурна (это произойдёт через относительно небольшой в астрономических масштабах период времени: от 10 до 100 миллионов лет). В 1989 году Тритона была проведена оценка температуры, которая составила −235 °C (38 К). На тот момент это было наименьшее измеренное значение для объектов в Солнечной системе, обладающих геологической активностью. Тритон является одним из трёх спутников планет Солнечной системы, имеющих атмосферу (наряду с Ио и Титаном). Не исключено существование под ледяной корой Тритона жидкого океана, подобного океану Европы.

В отличие от спутников других планет-гигантов, система спутников Нептуна известна только из наземных наблюдений. Пока достоверно известны два члена этого-семейства: гигант Тритон и маленькая Нереида. Показать на одной и той же схеме (рис. 8) орбиты обоих спутников невозможно, так как большая полуось орбиты Нереиды составляет 5,5 млн. км, а на один оборот вокруг планеты она затрачивает почти ровно 1 земной год. Нереида — небольшое небесное тело, может быть, всего 100—200 км диаметром, и о ней известно мало.

Тритон — один из самых крупных в Солнечной системе спутников; он входит в группу таких гигантов, как Титан и Ганимед (табл. 7).

Сторонники «катастрофической» гипотезы подчеркивают также, что Нереида имеет орбиту с фантастическим эксцентриситетом 0,75. (это более подходит для кометы) и что Тритон вращается в обратную сторону, а его орбита сильно наклонена к плоскости экватора Нептуна. Энтузиасты этой гипотезы даже называют вероятный продукт такой катастрофы: потерянный спутник, который известен нам как девятая планета, Плутон, и который, по имеющимся данным, очень похож на Тритон.

Спутник Нептуна Тритон очень необычен. Эксцентриситета орбиты у него практически нет, но вращение вокруг планеты — обратное. Это единственный случай, когда обратное вращение имеет столь крупный (по размерам подобный нашей Луне) и близкий к планете спутник (от Нептуна он отстоит на то же расстояние, что и Луна от Земли). Тритон находится в синхронном вращении (постоянно обращен к Нептуну одной и той же стороной). Передняя по движению сторона спутника примерно на 25% темнее остальной его поверхности (как у некоторых спутников Сатурна).

Особенности в движении Тритона некоторые ученые пытаются увязать с удивительными различиями, обнаруженными в тепловом излучении Нептуна и Урана. Нептун получает от Солнца на единицу поверхности в 900 раз меньше энергии, чем Земля, а всего с учетом большой площади и высокого альбедо — в 100—150 раз. Та же характеристика для Урана выше в 2,4—2,5 раза. Однако обе планеты имеют практически одинаковые эффективные температуры, около 60 К. Уран излучает столько же тепла, сколько получает от Солнца, а Нептун имеет какой-то мощный внутренний источник энергии, который, кстати отметим, вызывает заметные метеорологические явления в его атмосфере. В качестве источника энергии рассматривались, например, постоянное выпадение более тяжелых элементов к центру планеты и фазовые переходы в недрах Нептуна, т. е. тот же источник, который «работает» на Сатурне. Но. как объяснить, что этот механизм не действует на Уране, двойнике Нептуна?

По составу Тритон должен относиться к группе ледяных или силикатно-ледяных тел, типичных для планет-гигантов. В его спектре недавно была обнаружена полоса метана. Не исключено, что Тритон, как и Титан, имеет атмосферу. Но по другим оценкам, полоса метана настолько слаба, что может соответствовать только очень разреженной атмосфере, примерно в 25 тыс. раз более разреженной, чем земная. Конечно, атмосфера может включать и другие газы (вспомним Титан). Однако новые измерения показывают, что атмосферы может и не быть: наблюдения в полосах метана 620, 725, 790 и 890 нм не дали положительных результатов. Верхний предел толщины атмосферы, согласно измерениям, не может превосходить 1 м. атм (2,7х10²¹ молекул метана на 1 см² поверхности).

Вместе с тем обнаружены некоторые признаки полос метанового инея на поверхности, что привело авторов исследований к заключению, что поверхность Тритона состоит из каменных материалов с возможным присутствием незначительных количеств метанового инея, в основном в глубоких тенях. Наконец, недавно было показано, что метановый иней присутствует лишь на одной стороне Тритона.

В этих спектральных исследованиях было сделано еще более интересное открытие. Найдена спектральная полоса у длины волны 2,15 мкм, относящаяся к жидкому азоту! По-видимому, значительная часть поверхности Тритона покрыта неглубоким морем или океаном жидкого азота, по оценкам — всего в несколько метров глубиной. Жидкая поверхность находится где-то неподалеку от южного полюса Тритона, где ныне наблюдается.полярный день.

Таким образом, атмосфера Тритона может состоять в основном из азота, а метан образует лишь небольшую примесь к нему. Если размеры и масса Тритона того же порядка, что и у Плутона, гравитационные силы спутника вполне способны удержать такую атмосферу.