ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ САТУРНА, ЕГО СПУТНИКОВ И КОЛЕЦ

Борислав Славолюбов

Сатурн известен людям с древнейших времен. Из-за своей сравнительно небольшой яркости (даже в благоприятные периоды яркость Сатурна не превышает -0.4 звездной величины) он был открыт несколько позже других планет. Однако уже в Древней Греции знали, что из всех известных планет эта планета является самой удаленной от Земли и Солнца. За неторопливость в движении по небу древние греки называли ее Кроносом (в честь бога - отца Зевса, хранителя времени, ведающего тайнами жизни и смерти). Древние римляне называли планету Сатурном.
Угловой диаметр Сатурна составляет от 15 до 20 угловых секунд. Поэтому в 1610 году Галилей легко разрешил планету в свой телескоп. Однако при наблюдениях в 20-кратный инструмент планета оказалась не похожей ни на одну другую. Она выглядела не одной звездой, а как бы состоящей из трех неподвижных почти касающихся звезд, при этом центральная была крупнее боковых, и все три были расположены на прямой линии. В трубу с меньшим увеличением планета выглядела "удлиненной звездой в форме оливы". Галилей сравнил "боковые звезды" с покорными служителями, которые помогают престарелому Сатурну совершать свой путь и всегда держатся по обе стороны от него.
В то время была традиция сообщать в краткой шифровке (анаграмме) информацию об открытии, достоверность которого вызывала сомнения. Если открытие подтверждалось, то сообщение расшифровывалось для закрепления приоритета автора. И Галилей опубликовал такое сообщение: "Smaismrmielmepoetaleumibuvnenugttaviras". Число вариантов различных перестановок было просто огромно - число из 35 знаков. Но Иоганн Кеплер попытался его расшифровать. Выбросив из набора пару букв, он составил фразу "Salve, umbistineum geminatum Martia proles" (Привет вам, близнецы, Марса порождение). Иначе говоря, Кеплер решил, что Галилей открыл два спутника Марса.
Кеплер, ища небесную гармонию, решил, что у Марса должно быть именно два спутника. (Так как у Земли -1 спутник, у Юпитера - 4, а Марс находится между Юпитером и Землей). Но Кеплер ошибся. Фраза означала: "Altissimum planetam tergeminum observavi" (Высочайшую планету тройную наблюдал). "Высочайшая" означает самая далекая.
Однако на этом загадки не закончились. В 1612 году "боковые звезды" исчезли. Галилей был первым, кто наблюдал явление "исчезновения" колец Сатурна, т.е. пересечение Землей их плоскости. Галилей и другие наблюдатели терялись в догадках, пытаясь понять наблюдаемую картину. При этом Галилей предположил, что после зимнего солнцестояния 1614 года они появятся вновь. И действительно, в 1614 году "боковые звезды" Сатурна видел в свою трубу иезуит Кристофер Шайнер, в 1616 году - сам Галилей, а в 30-50-е годы XVII века их замечали такие известные наблюдатели, как Пьер Гассенди, Франческо Фонтана, Джованни Батиста Риччиоли и Ян Гевелий. Но хотя отдельные зарисовки планеты определенно показывали кольцевые очертания, разгадать тайну никому не удавалось. Даже Гевелий, обнаруживший периодичность смены фаз видимости "боковых звезд" Сатурна, так и не сумел разобраться в наблюдаемом явлении.

В 1655 году Христиан Гюйгенс наблюдает Сатурн в 12 футовый телескоп (дающий 50-кратное увеличение). 25 марта этого же года во время пересечения Земли плоскости колец он открывает Титан - самый крупный спутник Сатурна, объект 8 звездной величины. Спустя 7 месяцев Гюйгенс предполагает, что Сатурн окружен кольцом. Публикуется анаграмма: "Aaaaaaa, ccccc, d, eeeee, g, h, iiiiiii, llll, mm, nnnnnnnnn, oooo, pp, q, s, ttttt, uuuuu". Продолжив наблюдения с помощью нового 23-футового телескопа, в 1658 году он окончательно убеждается в своем предположении и расшифровывает анаграмму: "Annulo cingitur, tenui, plano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinato", что означает: "Кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным". В своей книге " Systema Saturnium", изданной в 1659 году, Гюйгенс в числе прочего правильно объясняет эффект видимого "исчезновения" колец с периодом в 14-15 лет.
Гюйгенс и его современники предполагали, что кольцо цельное и твердое. Однако в 1666 году французский ученный Персонье Робервалю, один из создателей Парижской академии, впервые предположил, что кольца состоят из множества мелких спутников. В 1664 году Джузеппе Кампани, один из признанных мастеров телескопостроения, проверяя качество своего 35-футового инструмента, "расщепил" кольцо Сатурна на два - внешнее, более темное, и внутреннее, светлое (по современному обозначению, введенному в XIX веке О. В. Струве, кольца А и В).

Наибольший вклад в изучение системы Сатурна в 17 веке принадлежит французскому астроному Жану Доминику Кассини. В 1671 году во время очередного "исчезновения" кольца он открыл два новых спутника - Япет и Рею. Причем Япет оказался не без странностей. Открытый в 1671 году к западу от Сатурна, он не был обнаружен в 1672 году к востоку от планеты. Наблюдая за спутником, Кассини обнаружил, что Япет виден в телескоп только тогда, когда находится по одну, строго определенную, сторону от Сатурна. Это позволило ученому сделать правильный вывод, что спутник имеет одно светлое и одно темное полушарие, и повернут к Сатурну всегда одной и той же стороной.
В 1676 году астроном обнаружил, что внутреннюю и внешнюю часть кольца разделяет темный промежуток, позже названный "делением Кассини". В 1684 году, незадолго до очередного "исчезновения" колец в 1685 году, Кассини открыл еще два новых спутника Сатурна - Тефию и Диону.

Зарисовки системы Сатурна в 17 веке. 1 - Г. Галилей, 1610 год; 2 - К. Шайнер, 1614 год; 3 - П. Гассенди, 1633 год; 4 - Дж. Риччиоли, 1640 год; 5, 6, 7, 8 - Я. Гевелий, 1640-1650 годы; 9, 10 - П. Гассенди, 1645 год; 11 - Е. Дивини, 1647 год; 12 - Ф. Фонтана, 1648 год; 13, 14, 15 - Дж. Риччиоли, 1648-1650 годы; 16, 17- X. Гюйгенс, 1656, 1659 год; 18 - Дж. Кампани, 1664 год; 19 - В. Болл, 1665 год; 20 - Я. Гевелий, 1675 год; 21 - Ж. Кассини, 1676 год

XVIII век.
Жак Кассини, возглавивший после смерти отца Парижскую обсерваторию, в 1715 высказал догадку о том, что кольца являются: "скоплением спутников, которые находились в одной плоскости и обращались вокруг планеты... величина их столь мала, что они не могут быть заметны по отдельности, но в то же время они столь близки друг к другу, что невозможно различить промежутки между ними, поэтому кажется, будто они образуют единое сплошное тело". Эту версию Жак Кассини аргументировал ссылкой на третий закон Кеплера, согласно которому твердое кольцо должно быть разрушено притяжением планеты.
В 30-х годах 18 века французский ученый и инженер П.-Л. Мопертюи предположил, что кольцо Сатурна обязано своим происхождением кометам, которые планета захватывала при близком прохождении. Головы комет становились спутниками Сатурна, а хвосты образовали кольца. Ж.-Ж. Мэран и Ж.-Л. Бюффон, коллеги Мопертюи по Парижской академии, считали кольцо остатком экваториального вещества планеты. По Мэрану, Сатурн первоначально имел большие размеры, но, сжимаясь в результате охлаждения, сбросил внешние слои. Согласно Бюффону, кольцо отделилось от планеты вследствие избытка центробежной силы.
В марте 1739 году английский астроном Томас Райт, наблюдая Сатурн, впервые описал темное внутреннее кольцо (кольцо С). Используя рефлектор с 5-футовым фокусом, он описал кольца "образованным из многих колец, из которых два видны очень хорошо и заметно третье, причем внешнее относилось к внутреннему (кольцо А к кольцу В), как 1 к 3, а остальная часть (кольцо С) казалась очень темной. В это время кольцо было максимально развернутым".

В 1755 году Иманнуил Кант в своем труде "Всеобщая естественная история и теория неба" развил интересную гипотезу строения колец. Ему уже было известно о наблюдении "многих концентрических колец, отделенных друг от друга некоторым пространством". Считая кольцо "газом частиц", Кант доказывает, что поскольку равновесие кольца обусловлено равенством силы тяготения и центробежной силы, то, в соответствии с законом сохранения углового момента разреженный, но все же "столкновительный" диск будет дробиться на узкие концентрические кольца, и что именно это предотвратит кольцо от полного разрушения. Кант рассуждал так: "Каким бы ничтожным ни казалось препятствие, чинимое друг другу частицами, если принять во внимание их большое рассеяние в плоскости кольца, то представляется вероятным, что отставание более удаленных частиц при каждом их обороте должно постепенно замедлять и задерживать быстрее движущиеся, ближайшие к планете частицы; и наоборот, эти последние должны сообщить более удаленным часть своего движения для более быстрого обращения; если бы это взаимодействие не было прервано, то указанный процесс продолжался бы до тех пор, пока все частицы кольца, и ближние, и дальние, не стали бы обращаться за одинаковое время. Но при таком движении кольцо совершенно разрушилось бы. Однако такого беспорядка опасаться не приходится. Механизм созидающего движения кольца по тем же причинам, которые должны были бы его разрушить, приводит его в устойчивое состояние; это достигается тем, что кольцо дробится на несколько концентрических круговых полос, которые, из-за разделяющих их промежутков теряют связь друг с другом... Я питаю надежду - и это дает мне немалое удовлетворение - что действительные наблюдения когда-нибудь подтвердят мое предположение". Рассуждения Канта о динамике разреженного кольца вполне состоятельны, а вывод о дроблении кольца на множество концентрических "колечек" предвосхитил ошеломляющие открытия 19-20 веков.

Примерно в 1760 году кольцо Сатурна изучал в 12-футовый телескоп английский оптик Джеймс Шорт. Ж. Лаланд в своем руководстве по астрономии приводит рисунок Шорта, на котором внешняя часть кольца поделена многочисленными линиями, которые выглядят концентрическими окружностями. В 1787 году другой теоретик, П.-С. Лаплас, писал: "Результаты Шорта не позволяют усомниться, что кольцо Сатурна сложено из многих колец, лежащих примерно в одной плоскости".
Наибольший вклад в изучение системы Сатурна в 18 веке принадлежит известному английскому астроному Вильяму Гершелю. Он наблюдал Сатурн в течение 20 лет, начиная с 1774 года. Он скептически относился к наблюдениям Шорта, замечая, что "многие телескопы дают двойные и тройные изображения, особенно те, которые имеют большую апертуру и подвержены дрожаниям". Гершель видел лишь "одну темную, весьма широкую полосу, неизменно обнаруживавшуюся на одном месте" - основное деление кольца, которое "не изменялось ни по ширине, ни по цвету". Просмотрев все свои наблюдения Сатурна, Гершель смог найти лишь четыре, когда было отмечено какое-либо другое черное деление. Наблюдения были следующие:
1) 19 июня 1780 года, в новый 7-футовый телескоп с апертурой 6,4 дюйма видна вторая черная кромка на кольце Сатурна, у внутреннего края на восточном рукаве кольца.
2) 20 июня, та же кромка.
3) 21 июня, малый 20-футовый ньютоновский рефлектор, увеличение 200, видна вторая черная кромка. Она ближе к внутренней стороне кольца, чем основное деление к внешней стороне.
4) 26 июня, вторая черная кромка заметна на восточной стороне кольца Сатурна".
Гершель признавал, что эти наблюдения проводились при благоприятной ориентации кольца и, следовательно, могли считаться убедительным фактом в пользу существования другого деления. Но он отказался признать это деление - главным образом потому, что никогда больше не мог его увидеть, даже в лучшие свои инструменты. Возможно, Гершель видел деление Энке.
В 1787 году Гершель подозревает, что обнаружил новый спутник (позже названный Энцеладом), но хочет перепроверить свое открытие и ждет очередного пересечения Землей плоскости колец в 1789 году. В этом году он открывает два новых спутника - Мимас и Энцелад, объекты 12-13 звездной величины. Также он замечает сжатие Сатурна, наличие которого подозревает с 1776 года. Во время исчезновения колец он делает одну из первых оценок их толщины - в 300 миль, а также наблюдает уход спутников в тень планеты. Продолжая наблюдения, в 1790 году по изменениям деталей на диске Сатурна он находит период вращения планеты - 10 часов 32 минуты. Сделать это было совсем не просто из-за того, что детали на диске Сатурна различимы гораздо хуже, чем на диске Юпитера.
Его сын Джон Гершель в 1847 году в статье "Результаты астрономических наблюдений, сделанных на Мысе Доброй Надежды" предложил назвать семь известных тогда спутников Сатурна именами сестер и братьев Кроноса (греческого аналога римского бога Сатурна). До этого спутники имели лишь обозначения из цифр.

XIX век.
Следующее свидетельство о сложном строении колец принадлежит английскому капитану Генри Кейтеру - оптику, геодезисту, метрологу. 17 декабря 1825 года "вечер был изумительный: ни малейшего ветерка и легчайшая дымка, что всегда благоприятствует отличной видимости". Наблюдая в ньютоновский телескоп (фокус 40 дюймов, апертура 6,25 дюйма), Кейтер увидел следующее: "внешнее кольцо было разделено многочисленными темными полосами, чрезвычайно близкими, причем одна сильнее остальных и делит кольцо примерно пополам. После многочасового тщательного исследования я мало сомневаюсь в том, что внешнее кольцо Сатурна состоит из отдельных колец". В этот же вечер явление было засвидетельствовано двумя другими людьми, которым Кейтер показывал кольцо Сатурна. Один увидел несколько делений на кольце А, тогда как второй разглядел здесь только основную полосу. "Этот человек, - писал Кейтер, - был крайне близорук, а телескоп оставался отрегулированным по моим глазам, и это может объяснить, почему тонкие деления не были видны, а более крупное оставалось заметным". 16 и 17 января 1826 года полосы представились Кейтеру менее отчетливыми. 26 февраля он не смог различить "делений", видимо, по причине лондонского смога". Наконец, 22 января 1826 года, когда основное деление прослеживалось превосходно, "не ощущалось никаких следов делений внешнего кольца. Поэтому я убежден, что они не являются неизменными". О своих наблюдениях Кейтер сообщил в начале 1826 года Джону Гершелю, который вскоре исследовал кольцо Сатурна в 20-футовый телескоп и ничего особенного не обнаружил.
Как выяснилось в наши дни, появление низкоконтрастной полосы, которую Энке и другие одновременно наблюдали либо посередине кольца А, либо чуть ближе к его наружному краю, обусловлено наложением нескольких близких темных полос. Вместе с тем современные наблюдения подтвердили наличие крайне узкой высококонтрастной щели вблизи наружного края кольца А, которую отчетливо видел в 36-дюймовый рефрактор Ликской обсерватории (США) и зарисовал Джеймс Килер 7 января 1888 года. Именно эту полосу сейчас называют делением Энке.
В 1835 году Фридрих Бессель определил ориентацию полюсов Сатурна с большой точностью и определил период прецессии для Сатурна в 340 тыс. лет (современная оценка - 1,7 млн. лет.)
В 1848 году во время очередного пересечения Землей плоскости колец Вильям Бонд, Джордж Бонд и Вильям Лассель открывают новый спутник Сатурна - Гиперион. Также Вильям и Джордж Бонд дают новую оценку толщины колец - в 40 миль. В 1849 году Эдуард Роше предполагает, что кольца образовались после того, как один из спутников, приблизившись к Сатурну, был разорван приливными силами. В 1859 году будущий создатель классической электродинамики Джеймс Максвелл доказал, что кольцо Сатурна не может быть единой системой, твердой или жидкой, и на более высоком математическом уровне подтвердил вывод Канта о дроблении кольца. Чтобы система колец могла существовать, утверждал Максвелл, она "должна состоять из бесконечного числа независимых частиц, обращающихся вокруг планеты с различными скоростями. Эти частицы могут собираться в серии узких колец или же могут двигаться внутри своего ансамбля хаотически. В первом случае разрушение будет чрезвычайно медленным, во втором - более быстрым, но при этом может появиться тенденция к окучиванию в узкие кольца, что замедлит разрушительное действие". Таким образом, данные наблюдений структуры кольца Сатурна получили в XIX столетии недостающие ранее атрибуты надежных результатов: независимость от места наблюдений и конкретных инструментов, повторяемость, возможность проверки. Но все-таки почему, начиная с середины XIX века, больше никто не наблюдал многочисленных делений на кольцах А и В? Возможно, это объясняется ухудшением астроклимата - астрономы первыми ощутили последствия мирового промышленного бума.
Признавая заслуги астрономов прошлого в изучении "сатурнова украшения", Международный астрономический союз недавно присвоил отдельным делениям кольца имена Гюйгенса, Максвелла и Килера.

Наиболее значительные события в изучении Сатурна и его колец до полетов к Сатурну автоматических межпланетных станций:
1866 год - Дэниэл Кирквуд обращает внимание на то, что частицы в делении Кассини находятся в резонансе 3:1 с периодом обращения Энцелада. А в 1872 он уже связал деление Кассини и деление Энке с резонансами частиц кольца и четырех внутренних спутников: Мимаса, Энцелада, Тефии и Дионы.
1883 год - Коммонс (Commons) получил первую фотографию Сатурна.
1888 - Джеймс Килер становится первым человеком, который ясно наблюдает деление Энке (Энке в 1837 году видел только темную полосу).
1889 - Эдвард Барнард наблюдает затмение Япета кольцом Сатурна. Япет становится менее ярким в тени кольца С и полностью исчезает в тени кольца B. Барнард делает вывод, что кольцо С полупрозрачное, а кольцо В непрозрачно.
1895 - Джеймс Килер и Уильям Кэмпбелл замечают, что внутренняя часть колец вращается быстрее, чем внешняя часть, подтверждая предположение Максвелла, что кольца Сатурна состоят из небольших частиц.
1898 - Уильям Пикеринг открывает новый спутник Сатурна - Фебу.
1907-1908 - Наблюдения исчезновения колец позволяют ввести новую верхнюю оценку для их толщины в 15 км.
1911 - Эдвард Барнард фотографирует Сатурн на Обсерватории Маунт-Вилсон. На фотографиях видно, что Сатурн просвечивает сквозь кольцо А.
1923 - Лют (Lyot) обнаруживает поляризацию света, отраженного кольцами Сатурна.
1940-ые - Гарольд Джефферс (Jefferys) окончательно доказывает, что кольца Сатурна состоят из отдельных твердых частиц.
1966 - Во время "исчезновения" колец открыты два новых спутника - Эпиметеус (авторы открытия Стефан Ларсон, Джон Фонтейн, Х.Рейтсема (H. Reitsema) и Б. Смит) и Янус (автор открытия A. Дольфус). Используя обсерваторию Pic du Midi, Дольфус устанавливает фактический край в яркости колец и оценивает их толщину в 2,4 км.
1967 - Уолтер Фейбелман (Feibelman) обнаруживает кольцо E на фотографиях обсерватории Allegheny, полученных годом раньше.
1969 - Пьер Гурин (Guerin) находит подтверждение существования кольца D.
1970 - Изучение спектра колец в ближнем инфракрасном диапазоне указывает на присутствие водного льда. Это говорит, что частицы колец покрыты водяным льдом.
1980 - Во время пересечения Землей плоскости колец обнаружены три новых спутника. Телесто (обнаружена Смитом, Ларсеном, Рейтсемой и Фонтейном), Калипсо (открыта Д. Пэску (Pascu), Сейдельманом (Seidelmann), В. Баумом (Baum) и Д. Курье (Currie)) и Элена (обнаружена П. Лаке (P. Laques) и Дж.Лекашо (J. Lecacheux)). Стивен Ларсон и Уильям Баум наблюдают, что кольцо E распространяется от орбиты Мимаса на 8 радиусов Сатурна до орбиты Реи. Максимальная яркость кольца E соответствует орбите Энцелада, говоря о том, что этот спутник, возможно, является источником вещества для этого кольца.
1990 - При анализе фотографий Сатурна, полученных Вояджером-2, М. Шоуолтер (M. Showalter) открывает новый спутник, Пан, движущийся по орбите, пролегающей в делении Энке.

Использованные источники:
www.solarviews.com/eng/saturn.htm
www.astrolab.ru
Информационный справочник "Естественные спутники планет"

Сатурн

наверх

к оглавлению