Когда ж Земля великими иссякла,
Прорезал Крон Уранов небосклон.
И Солнцу путь закрыла тень Геракла,
И Зевс воздвиг на небе льдистый трон.
МАКСИМИЛИАН ВОЛОШИН
Молодой профессор математики Падуанского университета Галилео Галилей, который по совместительству преподавал также космографию (древнее название ас-трономии), последние месяцы был чрезвычайно озабочен. С тех пор как он построил свою перспективу (маленький телескоп), его главным занятием стало наблюдение за небом. Два обстоятельства занимали его мысли. Во-первых, он понимал, что является первым человеком на Земле, которому небо ночь за ночью открывает свои тайны. Во-вторых, всего 10 лет назад был сожжен Джордано Бруно только за идею бесконечности мира, а он, Галилей, каждый раз направляя трубу в новую точку неба, находил что-то новое и неожиданное, воочию убеждаясь, что мир не имеет границ, а человечество даже не подозревает об этом. Он ведет дневник, но информацию на всякий случай зашифровывает. Еще не остыл пепел от костра Бруно - и он должен быть очень осторожен!
Несколько дней назад он открыл четыре звездочки, которые кружатся вокруг Юпитера. Его ум ученого подсказывает: у планеты-бога есть спутники. Он называет их Медичейскими звездами, посвятив свое открытие одному из наиболее влиятельных семейств в Италии, приближенному к папскому престолу.
28 декабря 1612 года он наблюдает за их движением. У него нет звездного каталога, поэтому в дневнике он записывает: "Он (спутник Юпитера. - Лет) прошел между двух звезд". Через месяц, когда ситуация со спутником повторяется, он обнаруживает, что одна из этих "звезд" ушла со своего места. В дневнике за 28 января 1613 года записано: "Из двух звезд, через которые проходит спутник, одна сдвинулась по прямой, но тогда они наблюдались дальше друг от друга". Профессиональный наблюдатель пришел бы в волнение от такого открытия. Еще бы, - оказывается, есть движущиеся звезды! Но Галилея это наблюдение не заинтересовало. А ведь это была еще одна планета Солнечной системы, которую нашли гораздо позже и назвали Нептун! Спустя 366 лет астрономы, решив выяснить, какую звезду видел Галилей, составили с помощью компьютера эпигноз положения планеты на 28 января 1613 года и убедились, что он первым в мире наблюдал Нептун.
В 1670 году Королевский астроном Джон Флемстид нанес Нептун на звездную карту, также не обратив внимания на изменение положения звезды. Спустя 200 лет, ученые обнаружили-таки эту блуждающую звезду, оказавшуюся новой планетой.
Со своего расстояния Нептун кажется очень слабой звездочкой, поэтому даже с помощью крупных телескопов период его обращения вокруг оси определялся спектральными методами - по смещению характерных линий в его спектре. Оценки были близки к тем, которые позже получил "Вояджер": от 15 до 19,5 часов.
Орбита Нептуна близка к круговой, но ее плоскость всего на 2° отклонена от плоскости эклиптики. Год на Нептуне почти вдвое больше урановского и составляет 165 земных лет. Масса планеты в 17 раз больше земной, но, учитывая его гигантские размеры, не приходится удивляться плотности вещества, составляющего планету. Она равна 1 640 кг/м1. Ускорение свободного падения тоже не намного превышает земное - 11,4 м/с2. На Юпитере оно больше в 2,3 раза.
До эры космических исследований бытовало мнение, что Уран и Нептун - ледяные планеты: они видятся с Земли как зеленовато-голубые диски. Сто лет назад считалось, что обе планеты состоят в основном из смеси воды и водяного льда с фрагментами силикатов - нечто вроде крупно сбитых снежков космического масштаба. Возможно, это дало повод русскому поэту Максимилиану Волошину совместить планету с троном великого Зевса, как вы прочли в эпиграфе к этому топику.
Лучшими изображениями планеты Нептун были снимки, полученные в 80-х годах прошлого века на телескопах с помощью ПЗС-матриц. На них были видны светлые пятна в разных частях диска планеты. Это были высоко расположенные в его атмосфере облака, состоящие из аэрозольных частиц неизвестной природы. Газовый состав атмосферы Нептуна во многом похож на урановский: 75-80% приходится на водород, 15-25% на гелий. Высота атмосферы, правда, меньше почти вдвое: 3-5 тысяч километров. Ну и понятно, что давление у основания атмосферы у нашего героя тоже ниже. Для перехода водорода в жидкое состояние, как на Юпитере, его явно недостаточно. Отсюда у астрофизиков возникает реальное предположение, что нептуновская атмосфера находится над океаном. Если бы это было так, Нептун считался бы самой обширной акваторией Солнечной системы! Радиозондирование показало, что в верхней атмосфере находится слой облаков из замерзшего сероводорода или аммиачных льдинок, которые хорошо поглощают радиоволны.
Характерная аквамариновая окраска поверхности планеты более синего оттенка, чем у Урана, - свидетельство обилия метана в его атмосфере - около 1% и, конечно, аммиака, как у всех газовых планет. Предполагается, что метана много и в мантии, температура которой оценивается в несколько тысяч градусов. В лабораторных условиях при давлении в 1 мегабар и температуре около 4 000 К с помощью ударной волны можно вызвать диссоциацию метана с последующей кристаллизацией углерода в алмазы. Это и породило сказки о существовании мощного алмазного слоя в недрах Нептуна. Но если он и будет найден, промышленная добыча алмазов в условиях планеты не представляется возможной даже в далеком будущем.
Около 25% массы планеты приходится на ее ядро. Как у всех газовых планет, скорее всего, оно каменное, то есть состоит из окислов кремния, магния и железа, а также хондритных материалов, сохранившихся с момента образования планеты.
Нептун находится еще дальше от Солнца, чем Уран, и получает его света в 800 раз меньше, чем Земля, и в 2,5 раза меньше, чем ближайший сосед. Тем не менее, как мы уже говорили, температуры поверхностей планет-близнецов почти одинаковы. Вывод очевиден: тепло из недр Нептуна постоянно пополняет его энергетичесий запас. Результатом этого является разительное отличие метеорологии двух планет. На Нептуне скорости перемещения воздушных масс в атмосфере во много раз превышают оценки, сделанные для атмосферы Урана. В средних широтах скорости ветров доходят до 2 500 км в час, а в некоторых областях они несутся со скоростью звука.
Похоже, что Уран быстрее выработал свой природный энергетический ресурс, а Нептун вел более спокойный образ жизни. Но не исключено, что в его недрах происходят физические процессы, в ходе которых еще вырабатывается тепло, посредством конвекции передаваемое наружу. Так что несмотря на некоторое сходство с Ураном, планеты все-таки живут разной жизнью.
Эффективных фотографий Нептуна и его спутников ожидали от несущегося к нему "Вояджера-2", свидание с которым было назначено на август 1989 года. Кос-мический зонд стремительно приближался к почти незнакомой планете, преодолевая 70 тысяч километров в час. На минимальном расстоянии от планеты, которое, согласно расчетам, равнялось 5 000 километров от видимой поверхности внешних облаков, зонд должен был оказаться 25 августа. Накануне в Космический центр Технологического института в Пассадене (пригород Лос-Анджелеса) прибыли многочисленные гости: ученые из разных стран, журналисты и телерепортеры. Телевизионные фургоны заполнили всю институтскую площадь. Ждали сенсаций!
Надо сказать, что любые данные с борта "Вояджера" в течение всех 12 лет его странствий по пространству Солнечной системы были сенсационными: впервые люди на Земле могли увидеть знакомые им по популярным книжкам небесные тела вблизи! Нам очень повезло, что мы оказались современниками этих блистательных достижений интеллектуальной мысли и технической реализации идей земной цивилизации! Представьте себе, за время полета аппарата в околосолнечном пространстве он прислал 115 тысяч уникальных снимков встреченных по дороге планет и их спутников, из которых 9 тысяч были получены им при подлете к Нептуну! Конечно, сверхудивительного зрелища ожидать не приходилось: многое ли вы увидели бы на фотоснимке, сделанном ночью в деревне, где нет электричества. И тем не менее, снимки планеты и ее спутников сами по себе уже были сенсацией: космический зонд после стольких лет сверхскоростного полета сохранил свою работоспособность и безукоризненную связь с Землей. Это был триумф земной науки!
Что нового узнали или увидели ученые? Лучшие снимки Нептуна, присланные с "Вояджера", перед тобой, мой читатель. Прежде всего, бросается в глаза деталь на его поверхности, которой дали название Большое Темное Пятно по аналогии с похожей деталью красного цвета на поверхности Юпитера. Его размеры оказались сравнимы с размерами земного шара, хотя оно слегка меняло их за время наблюдений. Находится оно в южном полушарии планеты на широте 20°, то есть в том же месте, где и Красное Пятно на Юпитере. Космические метеорологи склонны считать, что это - обширный ан-тициклон, вытянутый по долготе. Пятно вращается против часовой стрелки, совершая полный оборот за 16 земных суток. Как всякий антициклон, это - зона повышенных значений температуры и давления. В отличие от своего юпитерианского аналога, оно почти не выбивается из общего теплового фона планеты, не имеет локальных внутренних вихрей и несется по поверхности планеты со скоростью 1 200 километров в час, тогда как "заморская" диковинка с Юпитера остается почти неподвижной в течение трех сотен лет ее наблюдений.
Вторая деталь, хорошо различимая на снимке, Темное Пятно-2, которое всего за неделю сместилось на 2 000 километров к северу и стало вращаться быстрее. Наконец, третья деталь, названная Скуттер, вполне оправдывала свое название: пятно двигалось очень быстро и постоянно меняло форму.
Снимки подтвердили ранее предложенные оценки скорости передвижения атмосферных масс; средние оценки дали значение 2 200 километров в час. При этом их перемещение происходит против направления вращения планеты: Нептун вращается с запада на восток, а ветер дует в западном направлении. Диск перерезают темные полосы, расположенные несимметрично и соответствующие глобальным перемещениям газовых массивов, возможно, в более замедленном темпе. Планета наблюдалась со стороны южного полюса - на северном полушарии была ночь. Вокруг южного полюса заметна темная шапка. Самые высокие температуры были отмечены на планете не в под-солнечной точке, а в районе экватора и на полюсе. Это явилось убедительным под-тверждением предположения о собственном источнике нагрева поверхности.
Накануне сближения "Вояджера" с Нептуном шло широкое обсуждение проблем, связанных с его магнитным полем. "Магнитный штопор" Урана не принимался во внимание в силу своей экзотичности. Однако магнитное поле Нептуна оказалось еще более неординарным.
Достаточно сказать, что, ко всеобщему удивлению, за время прохождения магнитосферы планеты знак поля менялся пять раз.
Самое простое представление о форме поля дает диполь, о котором мы уже рассказывали. Напомним, что его называют еще ротатором. Теоретики считают, что такое поле должно возбуждаться в жидкой проводящей среде, в слое на расстоянии 0,55 радиуса от центра планеты. Модель требует, чтобы ниже находилось твердое ядро, которое не оказывает влияния на характер поля. Жидкопроводящая среда, например океан, вызывает токи, имеющие разные полюса, при этом усредненный характер поля сохраняется (диполь), хотя и происходит непрерывная смена знаков полярности.
В случае Нептуна, как и у Урана, ротатор оказался наклоненным относительно плоскости экватора планеты. Угол между осью вращения планеты и осью магнитного диполя составляет почти 47° (у Урана 50°). Так что за планетой, то есть в направлении от Солнца, силовые линии поля оказываются тоже перекрученными двойным жгутом, но напряженность поля почти вдвое ниже.
Радиозондирование позволило уточнить период вращения Нептуна. Так как у планеты нет твердого слоя поверхности, в течение длительного времени, за 22 дня до сближения с планетой и в течение 22 дней после облета, изучалась периодичность радиовсплесков от различных участков поверхности диска планеты. По уточненным оценкам сутки на Нептуне равны 16 часам 18 минутам.
Так как в окрестностях Нептуна света от Солнца почти в миллион раз меньше, чем на Земле, проводить съемки и планеты, и ее спутников было чрезвычайно проблема-тично. Но наблюдатели с Земли, применив ряд технических ухищрений на съемочной аппаратуре "Вояджера", смогли заснять абсолютно неизвестные объекты, составляющие семейство этого "бога морей".
Два известных спутника Нептуна с момента своего открытия носили имена Три-тон (1846 год) и Нереида (1949 год), главных персонажей из свиты бога морей. Попытки найти еще какие-нибудь объекты в его окрестностях не давали результатов. Астрономы несколько раз наблюдали покрытие звезд планетой - в 1968,1981, 1983 и 1985 годах, когда было отмечено некоторое ослабление их блеска вблизи диска, но уверенных данных не было. Правда, впервые в 1985 году из двух обсерваторий в Чили, удаленных на расстояние 100 километров друг от друга, две группы ученых наблюдали двухсекундное покрытие звезды неизвестным протяженным объектом из окрестностей планеты. Было сделано смелое предположение - вокруг Нептуна, как у всех дальних планет, есть кольцо.
Кольца Нептуна на самом деле оказались столь слабыми и темными, что непосредственно "Вояджер" их не зафиксировал. Они были обнаружены его телевизионной аппаратурой на снимках с экспозицией в 10 минут. Тщательное изучение снимков показало, что самое внешнее кольцо состоит как бы из дуг. Какие-то части кольца или слишком тонки, или плохо отражают свет и остаются невидимыми. Средний диаметр кольца равен 69 200 километров, а ширина видимых дуг, которые были названы арками, не превышает 50 километров. Арки построены из крупных твердых агрегатов, наибольший размер которых составляет десятки метров.
При повторном просмотре снимков были найдены еще четыре кольца. Они находятся гораздо ближе к планете, замкнуты и темны из-за того, что создающие их камни покрыты толстым слоем сажи. Общая масса колец очень мала и, согласно оценкам, в 100 раз меньше массы колец Урана.
"Вояджер" нашел также шесть новых спутников у планеты. Один из них, получивший имя Протеус, по массе оказался больше Нереиды. Другие спутники малы по размерам и часто имеют неправильную форму. На поверхности Протеуса обнаружен гигантский ударный кратер диаметром 180 км.
Остальные спутники (см. таблицу) ничем не примечательны. Возможно, что в семействе Нептуна спутников еще больше, но, так как они имеют темные поверхности и небольшие размеры, открыть их будет достаточно проблематично. Ученые считают, что главным управителем системы колец и спутников является самый крупный из них Тритон, носящий имя сына Нептуна и несущий часть его полномочий в гравитационных полях центральной планеты.
Космический зонд принес еще одну новость: планета окружена поясом кометных ядер, примерная оценка численности которых дает 1 миллион. Этот факт объяснил довольно интенсивную бомбардировку зонда, которую он испытывал в течение нескольких дней при подлете к планете. Напомним, что космические зонды, прохо-дившие через Главный Пояс астероидов, не подвергались ощутимым ударам. Возможно, что короткопериодические кометы с малым периодом приходят к Земле именно из этого Пояса, когда они выбрасываются за пределы влияния Нептуна гравитационной пращей Тритона.
Формирование Нептуна происходило медленно и спокойно, так как его планете-зималь находилась практически на периферии протопланетного облака. Однако, похоже, на каком-то историческом этапе Нептун захватил стороннее крупное небесное тело. Затем произошла локальная катастрофа: чужестранец столкнулся с собственным спутником Нептуна. Сценарий этого апокалипсиса мог быть таким. Собственный спутник Нептуна частично был разрушен, а его орбита сильно изменена. Если это был нынешний Тритон, то его первоначальная орбита была более вытянутой. За последующие миллионы лет под влиянием гравитации центральной планеты орбита постепенно преобразовалась почти в круговую. К тому же Тритон стал медленно приближаться к планете. На пути к Нептуну Тритон, возможно, поглотил множество мелких тел и слегка расчистил пространство вокруг планеты. В рамках этой гипотезы легко объяснить синхронность его периода вращения вокруг оси с периодом обращения вокруг патрона, кстати, равном 5,9 суток. Иными словами, как и в случае Луны, Тритон повернут к Нептуну всегда одной стороной.
Второй участник этой трагедии - несчастный чужестранец - подвергся столь мощному действию, что оказался выброшенным из гравитационного поля Нептуна. И, возможно, это был нынешний Плутон, который стал девятой планетой Солнечной системы.
Однако вернемся к описанию странствий "Вояджера" вблизи Нептуна. Тритон стал звездой нептуновского шоу. Его исследование оказалось под стать работе детектива из сыскного бюро Скотленд-Ярда.
После облета Нептуна "Вояджер" сбавил скорость и был отправлен в сторону Тритона. Через несколько часов он оказался на минимально близком от него расстоянии 39 800 километров. Лучшие снимки поверхности сателлита были сделаны с разрешением 900 метров. К сожалению, Нереида оказалась в этот момент в дальней точке своей орбиты на расстоянии 4,7 млн. километров и осталась без внимания со стороны телевизионной техники зонда.
Тритон очень интересовал ученых, как всякий крупный спутник большой планеты. По своему химическому составу он относится к силикатно-ледяным спутникам, что характерно для подавляющего числа сателлитов далеких газовых планет. Диаметр Тритона более чем в полтора раза превышает диаметр Плутона и равен 4 480 км. Масса сателлита равна примерно 2 х 1022 кг, значит, средняя плотность, как нетрудно сосчитать, составляет примерно 2 000 кг/м'. Его гравитации хватает на то, чтобы удержать атмосферу, правда, в десятки раз менее плотную, чем земная. До сближения с зондом считалось, что атмосфера Тритона состоит главным образом из азота с примесью метана, а на поверхности блестят моря жидкого азота, возможно частично кристаллизованного, потому что царящая там температура оценивалась в 43 К
В свете данных с борта,"Вояджера" картина оказалась менее оптимистичной. Температура была оценена в 38 К Треть видимой поверхности спутника более светлая, чем остальная часть. Спутник был обращен к Солнцу южным полюсом, поэтому полученные изображения представляли южное полушарие. К удивлению ученых, коэффициент отражения выстилающих пород оказался очень высоким - от 62 до 95%.
Рассмотрим лучший снимок, переданный наземным лабораториям. Восточную область диска (правая сторона) занимает темная широкая достаточно плоская равнина, по форме напоминающая мексиканскую дыню канталупу. Ее и назвали Долина Канталупа. Поражает практически полное отсутствие древних ударных кратеров, что является свидетельством ее сравнительной молодости. Похоже, что ударные кратеры многократно заполнялись ледяными лавами при местных извержениях. В процессе тектонических явлений ледяная кора трескалась, а из разломов выливались грязные ледяные потоки, которые также замерзали. Только в одном из плоских морей виден допотопный, в полном смысле слова, кратер от старой метеоритной бомбардировки, имеющий примерно 13 км в диаметре.
Считается, что Тритон обладает каменным ядром диаметром до 1 000 км и по этому показателю превосходит другие спутники газовых планет. Легкие породы образовали мантию и глобальный океан. Давным-давно, когда кора была еще разогрета от многочисленных бомбардировок и приливного действия Нептуна, на поверхности сателлита была жидкая вода. Однако, по мере его остывания, вода стала замерзать, и в настоящее время слой водяного льда должен составлять около 200 км. Ниже лежит водяной океан, насыщенный аммиаком и метаном.
Ледяная кора, однако, постоянно испытывает механическое напряжение, связанное с потоками внутреннего тепла и вращением Тритона. Вследствие этого на его поверхности так же, как на поверхности Ио, постоянно возникают трещины огромной протяженности - грабены, имеющие ширину в десятки километров. Чаще всего они видны в экваториальных областях. В этих же местах встречаются любопытные округлые образования небольшого диаметра, окруженные высокими валами, происхождение которых пока не понятно.
Азотных морей на Тритоне не нашли, хотя азот является основной составляющей атмосферы. Добавка метана ничтожно мала - 0,01%. Водород, который возникает при фотолизе метана, постоянно улетучивается в космос, а ионы азота переходят в плазмосферу Нептуна.
Полной неожиданностью явилось открытие фантастических явлений на полюсе Тритона: в разных местах полярной области засняты гейзеры. Они выбрасывают вверх гигантские струи темного вещества, которые затем изгибаются, образуя шлейфы. Последние, рассеиваясь, создают облака, тянущиеся на запад. Характерная высота гейзеров примерно 8 км, так что, скорее всего, там находится тропопауза тритоновской атмосферы, выше которой господствующие сильные ветры сдувают газы извержений по долготе. На снимки попали около 50 гейзеров, но их химический состав не удалось определить. Они найдены на освещенной поверхности спутника, и, скорее всего, возникают из-за локального парникового эффекта, вызываемого солнечными лучами или же это сезонные явления вроде майских гроз на Земле.
Наконец, высокое суммарное альбедо поверхности Тритона, делающее его поверхность светлой, объясняется тем, что она покрыта азотным инеем. За 10 лет спектроскопических наблюдений Тритона с Земли цвет его поверхности менялся от красного к более светлым оттенкам, возможно, это соответствует смене сезонов.
Второй по величине спутник Нептуна Нереида, (диаметр всего 240 км), движется по очень вытянутой орбите, скорее, характерной для комет. Возможно, это и была комета, но, как и Тритон, оказалась в гравитационном плену у Нептуна. Про остальные спутники можно сказать примерно то же самое: они мелкие и, скорее всего, попали на орбиту планеты из близлежащей зоны Эджворта-Койпера.
Наблюдениями Тритона завершилась исследовательская миссия "Вояджеров", которые во время полета дублировали действия друг друга. Из известных в Солнечной системе 60 спутников планет - 56 оказались во власти четырех планет-гигантов. Газовые исполины содержат свиты, состоящие из каменно-ледяных сателлитов, каждый из которых, тем не менее, имеет свои особенности. Их изучению и было посвящено больше половины исследовательских программ зондов. Каждая программа должна была учитывать все небесно-механические параметры и гравитационное взаимодействие отдельно взятой планеты, с одной стороны, с Солнцем, с другой, и со своими спутниками, с третьей. После встречи с Нептуном траектория "Вояджера-2" была изменена. "Вояджеры" были переориентированы на полет к границам Солнечной системы с дальнейшим транзитом уже по межзвездному пространству.
С. И. Дубкова. Чудесное семейство планет
| << Предыдущая глава | Далее >> |
