НОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ УРАНА - Солнечная активность в 1984 году и новые исследования системы Урана

Беспилотный космический корабль "Вояджер-2" (США) пролетел 24 января 1986 г. вблизи Урана на РАСТОЯНИИ приблизительно четырех радиусов этой гигантской планеты от ее центра. Это была первая попытка исследовать систему Урана при помощи космической техники, которая позволила "увидеть" планету с расстояния приблизительно в 30 000 раз меньшего, чем от "3емли. На борту космического, корабля находился полуавтоматический комплекс научной аппаратуры. Радиопередатчики "Вояджера" передали на Землю изображения планеты и другую научную информацию.

Уран был третьей планетой на пути "Вояджера-2". Этот космический корабль пролетел мимо Юпитера в июле 1979 г. и вблизи Сатурна в августе 1981 г. Повороты трассы, необходимые для полета от одной планеты к другой, выполнялись за счет энергии гравитационного поля исследуемых планет. Для правильного выполнения такого маневра требуются очень точные корректировки движения космического корабля, чтобы он пролетел на заранее намеченном расстоянии от; центра планеты и в заранее намеченном позиционном угле. "Вояджер-2" был выведен на такую трассу, которая привела его к встрече с Ураном. Возле Урана' пролетная траектория была откорректирована с таким расчетом, чтобы после гравитационного воздействия Урана трасса комического корабля отклонилась в направлении к следующей планете -- к Нептуну, встреча с которым ожидается в августе 1989 г.

Трасса "Вояджера-2" пересекла дискообразную систему орбит спутников Урана приблизительно в поперечном направлении, а не в продольном. Такая геометрия пролета позволила пройти особенно близко только возле одного из спутников Урана -- Миранды. Впрочем, "Вояджер" успел "осмотреть" с более или менее близкого расстояния все пять ранее известных спутников Урана и систему очень своеобразных колец вокруг планеты, а также самый Уран и его окрестности, где были обнаружены еще 10 небольших спутников (см. таблицу). Чрезвычайно интересными оказались предварительные сообщения о магнитном поле планеты и результаты дистанционных измерений температуры различных слоев надоблачной атмосферы.

Уран на снимках с "Вояджера". Лучшие на Земле телескопы не позволяют различить на Уране какие-либо детали, наблюдая за которыми можно было бы измерить период вращения планеты вокруг оси. Прежние более или менее надежные оценки этого периода (16± 1 ч) не отличаются высокой точностью и были получены благодаря усилиям спектроскопистов. Когда "Вояджер" подлетал к Урану, астрономы предполагали, что камеры космического корабля "увидят" и покажут отчетливые детали в облачном слое планеты. Но снимки с "Вояджера" показали, что Уран (в отличие от Юпитера) даже вблизи выглядит как матовый биллиардный шар. В газовой оболочке Урана имеется очень холодный слой (~64 К), содержащий оптически плотную дымку, которая окутывает планету от ее южного полюса (где сейчас Солнце -- почти в зените) до широты приблизительно 35°, Съемка через разные светофильтры показала, что планета имеет окраску морской волны, но с менее насыщенным цветом. Такую окраску объясняют примесью метана в составе водородно-гелиевой атмосферы. Окрестности южного полюса слегка отличаются по цвету: эта область чуть-чуть светлее и краснее, чем области на широтах, более близких к экватору.

Даже применяя компьютерные методы обработки снимков, специалисты смогли различить сквозь атмосферную дымку только четыре достаточно отчетливых детали типа отдельных облачных массивов. Одно из этих облаков -- на южной широте 27° -- завершало полный оборот вокруг оси вращения планеты каждые 16,9 часа. Другое, расположенное на 13° ближе к полюсу, затрачивало на это ровно 16 часов, а третье -- на широте 33°-- 16,2 часа.

Таким образом, вращение Урана вокруг оси совсем, не похоже на вращение твердого тела, поскольку на различных широтах период вращения различен, так же как у Юпитера и Сатурна. Это объясняется быстрой циркуляцией вещества в наружном слое толщиной не менее 10 000 км. Американские специалисты, получившие данные с "Вояджера", относят эту циркуляцию к ветру в наружном облачном слое. Однако даже по наблюдаемой картине движения облаков в атмосфере планеты не так просто решить вопрос не только о скорости ветра, но даже о его направлении, потому что для этого надо знать период вращения вокруг оси той невидимой извне поверхности (или той системы координат), относительно которой мы будем рассматривать движение облаков. Однако решить такой вопрос ученым удалось, и помогло в этом магнитное поле Урана, которое вращается вместе с внутренними частями планеты.

Магнитное поле Урана. Подходя к Урану со стороны Солнца, "Вояджер" зарегистрировал магнитное поле планеты менее чем за 8 часов до момента пролета, когда находился на расстоянии приблизительно 18 радиусов планеты от ее центра. Наблюдавшаяся напряженность поля превысила самые высокие прогнозы. По данным Нормана Несса (он -- глава магнитологов "Вояджера"), магнитный момент Урана составляет приблизительно 4- 1027 Гс-см3. Это в 50 раз больше, чем магнитный момент Земли. Тем не менее, с учетом различия размеров планет, вычисленная индукция поля возле видимой поверхности облаков Урана меньше, чем на Земле (0,25 и 0,31 Гс соответственно). Ось магнитного диполя Урана сильно наклонена по отношению к оси суточного вращения -- приблизительно на 60°! С таким явлением исследователи планет встретились впервые. Что касается полярности магнитного поля, то она такая же, как на Земле, тогда как на Юпитере и на Сатурне -- противоположная.

Чрезвычайно большой наклон магнитного диполя к оси суточного вращения Урана приводит к очень сильному периодическому "вихлянию" магнитного экватора, поскольку планета вращается вместе со своим магнитным полем. В таком случае, казалось бы, можно выявить периодические вариации на регистрограм мах радиошума от заряженных частиц, удерживаемых Ураном в его "магнитной ловушке". Но Уран оказался довольно "молчаливым" в радиодиапазоне. "Вояджер" начал регистрацию радиошумов планеты слишком поздно, когда не оставалось времени, чтобы определить их периодичность, связанную с вращением вокруг оси. Более того, остался неясным вопрос о расположении источника зарегистрированных радиошумов и даже о том, имеет ли он отношение к планете вообще. Тогда специалисты, ведущие исследования с помощью; "Вояджера", обратились к радиоастрономам, которые 1 предприняли попытку измерить период суточного вращения Урана при помощи наиболее совершенных наземных радиотелескопов.

Оказалось, что излучение Урана в радиодиапазоне похоже на брызги от вращающегося опрыскивателя газонов. Хронометраж эмиссий за несколько недель показал, что конфигурация на регистограммах повторяется каждые 17 ч 14 мин,-- такой период выведен С возможной погрешностью в несколько минут. Можно полагать, что он соответствует периоду суточного вращения внутренних частей Урана (с которыми связано магнитное поле планеты). Сравнивая между собой данные о периоде суточного вращения, определенном по магнитному полю и по наблюдениям облаков на разных широтах Урана, нетрудно определить направление ветра в облачном j слое и вычислить скорость ветра. Для этого требуется и знать еще экваториальный радиус планеты: Яжъ = 25,7 тыс. км. Полярным сжатием (приблизительно 0,02) можно пренебречь ввиду его незначительного влияния на результат этих вычислений.

Что касается причины возникновения магнитного поля, то, по мнению Нормана Несса, оно может быть обусловлено конвективным течением вещества в недрах Урана. Если это вещество является электропроводным, то такое течение должно приводить к усилению слабого первоначального магнитного поля, носителем которого могло быть каменистое ядро в центре планеты. По современным теоретическим оценкам радиус такого ядра может составлять до 30% радиуса самого Урана. Такая модель позволяет согласовать числовое значение объема планеты с ее массой; последнюю находят с высокой точностью по наблюдаемому орбитальному движению спутников планеты.

Электропроводностью и текучестью может обладать вещество в толстой оболочке расположенной между ядром и атмосферой Урана. Такая оболочка (мантия) могла образоваться в результате естественной гравитационной сортировки легких и тяжелых веществ. Толщина этой оболочки может составлять приблизительно 35 % радиуса планеты. Мантия должна быть горячей, так как поверх нее лежит мощная водородно-гелиевая оболочка, в нижних слоях которой вещество сжато под действием чудовищно большого давления вышележащих слоев.

На основе таких данных о внутреннем строении Урана в зарубежной прессе появилась сенсационная гипотеза о горячем водяном океане на Уране между, атмосферой и каменистым ядром, причем вода остается жидкой благодаря высокому давлению мощной вышележащей атмосферы. Эта гипотеза о жидкой воде является результатом недоразумения. Дело в том, что температура в любом слое гипотетического водного океана на Уране должна быть значительно' более высокой, чем та критическая температура, при которой еще возможно существование воды в жидком! состоянии. Поэтому не может быть и речи об океане из жидкой воды под атмосферой Урана. В таких физических условиях океан может существовать лишь в форме толстой оболочки из сжатого водяного пaрa.

Однако конвективные течения в такой оболочке при наличии там ионов других веществ могут, по-видимому, быть причиной возникновения довольно сильного магнитного поля планеты.

Атмосфера Урана. Надоблачная часть атмосферы Урана состоит главным образом из водорода со значительной примесью гелия и со следами некоторых углеводородов. Относительное количество там метана, ацетилена и еще нескольких химических соединений]1 обнаруженных методами наземной спектроскопии чрезвычайно мало. Оно выражается числом Ю-6--lO-7 , Между тем вопрос о количественном соотношении между наиболее обильными компонентами -- водородом и гелием -- остается спорным до последнего времени, поскольку наземные наблюдения не позволяют; обнаружить гелий. По предварительным данным "Впяжера", гелия в атмосфере Урана не 40 %, как сдай дали некоторые астрономы, а только 12--15 %. Другими словами, соотношение между количеством водорода и гелия в атмосфере Урана приблизительно такое же, как в атмосфере Юпитера, Сатурна и в составе вещества на Солнце.

Оптически плотная дымка в атмосфере Урана может состоять из капель или кристаллов каких-то углеводородов.

Для исследований атмосферы Урана на "Вояджере" были использованы три независимых метода, в том числе и радионаблюдения захода "Вояджера" за планету. Радиолуч от узконаправленной антенны "Вояджера", прежде чем достигнуть Земли, проникал сквозь газовую оболочку Урана, погружаясь во все более глубокие слои. Прохождение радиолуча удалось регистрировать вплоть до того слоя атмосферы Урана, где давление в несколько раз больше, чем у поверхности Земли.

Результаты пока не опубликованы в научных изданиях, но исследователи сообщили журналистам, что по полученным данным на предельной глубине, куда проникает оптический луч, температура составляет 64 К; на экваторе она приблизительно такая же, как и на полюсе.

В первых интервью и в популярной литературе бурно обсуждался вопрос о загадочных причинах почти одинаковой температуры на уровне видимой "поверхности" в различных точках планеты; между тем все можно объяснить довольно просто: оптически плотная дымка образуется повсюду именно на таком *уровне в атмосфере, где температура соответствует конденсации какого-то вещества при соответствующем атмосферном давлении.

В верхней атмосфере Урана, по данным "Вояджера", существует горячий слой высоко над уровнем оптической дымки (~1,6 тыс. км). Температура в этом слое составляет приблизительно 750 К на освещенных Солнцем участках планеты и доходит до 11000 К над ночной стороной. Объяснений пока не найдено. На дневной стороне обнаружено свечение верхней атмосферы в ультрафиолетовых линиях молекул водорода. Это явление имеет определенно иную приводу, чем полярные сияния, и названо "электросвечением" (electroglow). Оно простирается до высоты более полутора тысяч километров над уровнем плотной дымки, свидетельствуя о большой протяженности верхней атмосферы Урана. "Электросвечение" обнаружено также на Юпитере и Сатурне, но там оно более слабое; не исключена возможность, что на Уране оно связано с удивительными особенностями магнитного поля планеты.

Кольца Урана. Уран опоясан компактной системой тонких, почти концентрических колец, висящих над экватором планеты. Это -- довольно прозрачные потоки вещества. На первый взгляд кольца Урана сильно отличаются от плотной и широкой системы колец Сатурна (где, впрочем, также имеются очень узкие, резко очерченные детали, но это не было известно к моменту открытия колец Урана).

Напомним, что узкие кольца могут состоять только из твердых частиц, причем каждая частица движется вокруг планеты как самостоятельный спутник, подчиняясь законам Кеплера. Кинетическая и потенциальная энергия орбитального движения этих частиц в гравитационном поле планеты чрезвычайно велика, так что для заметного убывания этой энергии потребовалось бы природное тормозное воздействие весьма значительное по своей продолжительности или по силе торможения.

Кольца вокруг Урана довольно близки к планете и слабы по яркости, поэтому непосредственно увидеть их в телескоп невозможно. Тем не менее, они были обнаружены раньше, чем их "увидел" "Вояджер", благодаря тому, что кольца способны ослабить блеск видимой сквозь них звезды. Поскольку Уран (как и другие планеты) медленно перемещается на фоне звездного неба, он время от времени закрывает от нас какую-либо звезду. Регистрируя блеск одной из таких звезд в поле зрения телескопа (чтобы по продолжительности затмения вычислить диаметр урана), астрономы стали свидетелями нескольких ослаблений блеска перед началом главного затмения и после его окончания. Это было 10 марта 1977 г. Успеху наблюдений и правильному пониманию полученных результатов способствовало международное сотрудничество астрономов. Так в учебники астрономии была внесена' поправка: кольцами обладает не только Сатурн, но также Уран. Прошло немного времени, и в 1979 г" было открыто кольцо вокруг Юпитера, предсказанное еще в 1960 г. С. К. Всехсвятским, а в 1980 г. были выявлены чрезвычайно интересные особенности тонкой структуры колец Сатурна. После этого кольца вокруг планет стали предметом столь высокого интереса и столь бурных дискуссий, что можно понять волнение астрономов, с нетерпением ожидавших, когда "Вояджер" пролетит недалеко от Урана и сделает снимки его колец с близкого расстояния.

Ко дню этого пролета астрономы знали 9 колец Урана и располагали данными о некоторых их геометрических и оптических характеристиках по наблюдениям уже 13 затмений звезд. Когда "Вояджер" приближался к Урану, кольца появились на снимках только в последний день перед максимальным сближением; девять концентрических полосок оказались, как ожидалось узкими и резкими. Затем удалось различить такое же узкое слабо выделяющееся десятое кольцо и, наконец, было открыто слабое кольцо без резких границ, находящееся ближе к Урану, чем самое внутреннее кольцо из ранее известных.

По предварительным дойным кольца Урана состоят из частиц угольно-темных, в отличие от колец Сатурна.

Специалисты полагали, что система колец будет более ярко выделяться на снимках, полученных не на подлете, а после максимальной близости "Вояджера" к Урану, когда камеры аппарата будут "смотреть" на кольца в направлении не от Солнца, а в противоположном. Это обусловлено особенностями рассеяния света очень мелкой пылью. Но ожидания не оправдались: на первых послепролетных снимках кольца Урана не были видны, -- они оказались неожиданно темными при встречном освещении. Никто не предполагал, что в них содержится слишком мало мелкой пыли. Потребовалось резко увеличить экспозицию. Радиокоманда от центра управления до "Вояджера" шла 2 ч 45 мин, а пролет -- такой короткий! Всего один снимок был сделан с экспозицией, увеличенной до 96 с; космический аппарат находился в тени от Урана, и обе камеры были защищены этой тенью от прямых солнечных лучей. Это был поистине один из наиболее интересных "снимков века". Система колец Урана там выглядит непривычно: она похожа по внешнему виду на некоторые участки в системе колец Сатурна: видна сравнительно широкая полоса диффузного фона и множество неизвестных ранее чрезвычайно слабых концентрических колец.

Дополнительные сведения о кольцах Урана были получены методом их оптического просвечиваний -- по регистрограмме блеска яркой звезды приборами самого "Вояджера", а также методом "радиопросвечивания", -- когда кольца загораживали "Вояджер" О его радиопередатчиками от приемных антенн на Земле. Результаты "радиопросвечивания" на длинах ВОЛЯ 36 мм и 13 см показали, что частицы колец рассеивают радиоволны так же, как предметы размерами около метра.

Мнения специалистов о природе колец и причинах их удивительных свойств разделились. Один из важнейших дискуссионных вопросов состоит в следующем, каким путем можно согласовать с законами небесной механики чрезвычайно малую ширину всех колец Урана и весьма многочисленных концентрических колец такого же типа в системе Сатурна? Например, ширина седьмого кольца по данным "Вояджера" составляет 0,6 км, что в 80 тысяч раз меньшее радиуса того же кольца.

Для объяснения весьма малой наблюдаемой ширины колец Урана было предложено несколько различных гипотез. Согласно одной из них (которуючасто упоминают, но нигде не поясняют, хотя она малоубедительна по самой - сущности заложенной в нее идеи) каждое кольцо может сохранять свою узость благодаря гравитационному возмущению от одной пары спутников -- "пастухов", т. е. спутников, орбиты которых лежат по обе стороны от кольца очень близко от его и в той же самой плоскости. "Пастухи должны иметь значительные размеры (не менее десятков километров), чтобы их гравитационное влияние было заметным. Спутники, которым можно приписать сомнительную роль "пастухов", были обнаружены только возле одного из всех колец Урана (два последних в таблице на с. 177). Между прочим, следовало бы обратить внимание на то, что "пастухи" не могут, долго сохранять свое положение, потому что прецессия разведет и плоскости орбит "пастухов", и линии их апсид за срок много меньший, чем тот, за который она сделает это с орбитами частиц в узком кольце. Заметим, что этот аргумент совершенно не вставляет места для ожидаемого действия "пастухов" в кольцах Урана.

Между тем проблема малой ширины колец имеет другое решение -- физически ясное, применимое для любой системы колец и давно опубликованное. Вникая в логическую схему "парадокса", мы убеждаемся, что все противоречия были порождены только одним предположением о весьма длительном пребывании каждой частицы в узком кольце. Отказавшись от такого предположения, мы устраняем противоречие между чрезвычайно малой шириной колец Урана и ненулевыми значениями их эксцентриситета и наклонения к плоскости экватора планеты. Удовлетворяющий этому требованию вариант объяснения узких околопланетных колец возле Сатурна и Урана был предложен в статье автора этих строк, которая была опубликована в 1981 г. в журнале "Космические исследования" (Т. 19, вып. 3. -- С. 436). Там дано подробное и ясное (и пока единственное)' истолкование нескольких наблюдаемых "загадок" в тонкой структуре кольца F в системе Сатурна и сделана попытка Применить такое же объяснение к другим кольцам.

Опорным предположением в основе предложенной Гипотезы является наличие в системе колец обломков бывшего спутника, которые обладают кометоподобным химическим составом и физическими характеристиками кометных ядер. Тела с такими характеристиками обладают способностью выделять ледяную и другую (типично метеоритную по составу) пыль под "действием солнечного облучения даже на расстояниях до 20 а. е. от Солнца.

Можно показать, что внешние проявления кометой активности должны иметь специфическую форму 1при расширении пылевой комы не в свободном пространстве, а на орбите спутника планеты-гиганта, поэтому что там величина светового давления ничтожно мала в сравнении с притяжением центрального тела, выделяющийся газ рассеивается, а поток пылевых частиц, непрерывно стекая с каждого кометоподобного обломка, может распространяться только вдоль его орбиты, вытягиваясь в обе стороны от него в виде 'узкой непрерывной струи. Так, главная нить каждого узкого кольца непрерывно возобновляется; заметная отражательная способность этого образования не соответствует его ничтожной массе (так же, как и яркость кометных хвостов, в том числе и пылевых). Побыв некоторое время в таком кольцевом облаке, одни частицы испаряются, другие слипаются в хлопья; суммарная масса последних постепенно возрастает, тогда, как мелкая пыль довольно быстро расходуется. К сожалению, увидеть "дымящие тела" еще труднее, чем найти там "пастухов", так как кометоподобные ядра меньше их по размерам и расположены они не на темном фоне, а в самом светлом участке потока пыли. По-видимому, специалистам потребуются годы, чтобы прийти к правильному пониманию многих особенностей системы Урана.

Названия десяти вновь открытых спутников, с, 1985 U1 по 1986 U9, приняты в апреле 1987 г. Рабакш группой по номенклатуре тел Солнечной системы Международного астрономического союза и подлежат утверждению на его очередной Генеральной ассамблее, которая состоится в 1988 г.

НОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ УРАНА - Солнечная активность в 1984 году и новые исследования системы Урана

Похожие статьи