Магнитный костяк желеобразной планеты

Американский космический зонд «Кассини» вышел на орбиту Сатурна 30 июня 2004 года и оставался там до августа 2005-го. Помимо всего прочего он измерял все три компоненты магнитного поля, создаваемого этой планетой. Оказалось, что собранные данные позволяют многое поправить в энциклопедических статьях о ней

Измерения магнитного поля Сатурна позволят узнать продолжительность сатурнианских суток

Космический зонд «Кассини», приблизившись к Сатурну, передал на Землю уникальные снимки этого газового гиганта. Фото: NASA

В конце прошлого года международная группа ученых, объединявшую исследователей из таких авторитетных исследовательских организаций, как Калтех (California Institute of Technology), Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и лондонский Империал Колледж (Imperial College London), объявила о необходимости изменить одну весьма важную астрономическую константу. Речь шла о периоде суточного вращения Сатурна, то есть величине, с довольно большой точностью указанной почти в любом астрономическом справочнике как 10 часов 39 минут 24 секундам.

 

 

Инициаторы пересмотра дали свою оценку – 10 часов 47 минут 6 секунд, – но отметили при этом, что не считают задачу решенной до конца. Возможно, будущие исследования заставят изменить и эту оценку.

Проблема вызывает некоторое недоумение. Как же так? Сатурн – это одно из самых крупных тел солнечной системы: по размеру он уступает только Солнцу и Юпитеру. А точные методы современной астрономии позволяют определять с точностью до долей секунды периоды вращения самых мелких спутников тех же Юпитера и Сатурна (у каждого из них открывают по несколько спутников ежегодно, и к настоящему времени у каждой из этих планет их известно по полсотни). С не меньшей точностью определяются периоды суточного вращения объектов, находящихся в миллионах световых лет от Земли. Но период суточного вращения Сатурна, как выяснилось, неизвестен и, видимо, его не удастся измерить в ближайшее время.

Так Франсиско Гойя представил себе Сатурна, пожирающего своих детей. По мнению астрологов, детям Сатурна не грозит опасность быть пожранным отцом, но жизнь их полна превратностей и мук творчества

Дети Сатурна

Своего наивысшего расцвета предсказательная астрология достигла к XVI веку. Несмотря на неоднократные осуждения ее в различных церковных документах, включая папские буллы, она оставалась привлекательной для многих людей самого разного социального положения, но в особенности для монархов и понтификов, уверенных в том, что небосвод вращается ради них. Примечательно, что один и тот же папа римский – например, Лев Х – мог издать буллу, в которой осуждал бы предсказательную астрологию как противоречащую духу и смыслу христианства, и содержать у себя при дворе целый штат астрологов. В то же время, на протяжении XV века, сложилась новая категория людей, которые, не имея ни знатного происхождения, ни военных заслуг, были убеждены в своем небесном происхождении и в непрестанном внимании небес к их судьбе. Таких людей почему-то стали называть «детьми Сатурна».

Считалось, что Сатурн покровительствует художественным натурам, людям с артистическими наклонностями, переменчивым характером и повышенной ранимостью. Они были склонны к меланхолии, отличались неустойчивым нравом и склонностью к мизантропии. Называли их детьми Сатурна по той простой причине, что такие качества, как считалось, люди получают от присутствия планеты Сатурн в своем гороскопе – восходящем в момент рождения знаке зодиака.

В течение суток восходят все двенадцать знаков зодиака. Каждый восходит по два часа. В течение суток обязательно восходит и Сатурн. Следовательно, чтобы быть «дитем Сатурна», надо попасть с моментом рождения именно в те два часа, пока восходит именно тот знак, где в тот день находился Сатурн. Непонятно, когда именно сложилось такое поверье, но оно оказалось на удивление точно. Не в том, разумеется, что касается характера людей, но в том, что касается характера самого светила. В солнечной системе нет более капризного и неопределенного объекта.

Планета без поверхности

Сатурн – вторая по размеру планета солнечной системы. Причем, он совсем немного уступает Юпитеру – самой большой планете. По размеру. А по массе Сатурн уступает Юпитеру почти втрое, хотя Юпитер далеко не самая плотная из планет. Например, если сравнивать с Землей, то Сатурн тяжелее ее менее чем в сто раз, а по объему больше почти в восемьсот. Иначе говоря, он в восемь раз меньшей плотности. Это означает, по всей вероятности, что в отличие от Земли на Сатурне вообще нет ничего, что можно было бы назвать поверхностью планеты. Она вся либо жидкая, либо газообразная, и плотность ее нигде не претерпевает скачка. Из-за очень высокой первой космической скорости – она равна 36 км/с – газ практически не может покинуть планету. Границу между собственно планетой и ее атмосферой проводят по договоренности в том месте, где давление оказывается равным одному бару (одной атмосфере). И эта условная поверхности сильно отличается от сферической – Сатурн самая сплющенная из всех планет солнечной системы.

Находящемуся на земле наблюдателю и даже путешествующей в пространстве космической обсерватории видны только облака, и с уверенностью сказать, что это за облака – то ли они в атмосфере планеты, то ли это верхние слои ее самой, – вряд ли возможно. Однако, по счастью, облака обнаруживают завидное постоянство в своем вращении: они совершают полный оборот примерно за 10 часов 10 минут на экваторе и 10 часов 40 минут выше сороковой параллели. Постоянство этих двух периодов дают возможность сделать определенные предположения и о периоде вращения самой планеты, но лишь с точностью до получаса. Для того чтобы достичь большую определенность, надо постараться как-то определиться и с тем, что именно мы считаем периодом вращения планеты. Ведь смогли же астрономы договориться, что считать ее поверхностью!

Скрытое динамо

К счастью, у Сатурна есть магнитное поле. Именно колебания магнитного поля Юпитера позволяют точно измерить период его суточного вращения. Непосредственные наблюдения тут тоже мало помогли бы, поскольку увидеть его поверхность так же сложно, как и поверхность Сатурна – слишком большая облачность мешает ее увидеть, даже если она там есть. Но, в отличие от Юпитера, у которого магнитные полюса сильно смещены по отношению к географическим, на Сатурне первые и вторые совпадают, магнитное поле почти симметрично относительно оси вращения, и непосредственные наблюдения мало что дают. Самый надежный способ установить в таких условиях «настоящий» период вращения планеты – по радиосигналам. Вращающееся магнитное поле, в соответствии с теорией Максвелла, создает переменное электрическое – оно, в свою очередь, снова магнитное. Это и есть электромагнитная волна, и ее может обнаружить находящийся поблизости космический зонд. Интенсивность этой волны создает пульсации, из которых можно выделить компоненту, соответствующую примерно десяти с половиной часам.

Но тут скрывается одна сложность. Магнитное поле планеты, согласно современным представлениям, создается в ее жидком ядре из-за того, что эта электрически заряженная жидкость находится в постоянном вихревом движении. Этот механизм называется гидромагнитным динамо. Получается, что внутри планеты жидкость, снаружи – тоже то ли жидкость, то ли газ, различные слои имеют различные угловые скорости, и пока еще остается не известным, есть ли внутри этой планеты что-нибудь твердое. Можно ли в таких условиях говорить о периоде суточного вращения вообще?

Оказывается, можно. Из-за большой первой космической скорости суммарная масса всех этих слоев – то есть именно то, что мы называем массой планеты – сохраняется неизменной. Но это не единственная сохраняющаяся величина. Есть и другие. Например, так называемый момент количества движения. У разных слоев он не просто разный, но и меняющийся со временем – слои могут передавать момент друг другу. Однако если теоретически представить себе планету абсолютно твердым телом постоянной плотности, то, зная момент количества движения, можно вычислить угловую скорость.

Можно использовать и другие теоретические модели. Например, считать, что магнитное поле, создаваемое планетой, практически неизменно, и искать время необходимое для того, чтобы оно совершило полный оборот. В любом случае, один сутки на Сатурне совсем не похожи на сутки на земле. И если бы даже какой-нибудь гипотетический астронавт смог «припланетиться» на его поверхность, он и тогда не смог бы понять, сколько здесь длиться день. Продолжительность суток здесь – величина, скорее, теоретическая. Ее надо измерять и вычислять, опираясь на результаты различных измерений. А гарантий, что все они проведены, – нет.

Радиосутки короткие и длинные

Первый раз измерения радиоизлучения Сатурна провели американские зонды «Пионер-11», повстречавшийся с ним в сентябре 1979-го, и два «Вояджера» – «Вояджер-1» и «Вояджер-2», прошедшие поблизости от него в ноябре 1980 и августе 1981 года. Тогда проблема казалось успешно решенной – все три спутника дали одну и ту же величину, вошедшую во все справочники. Но вот прошло без малого двадцать лет, и спутник «Одиссей» в 1999-м дал иное значение, большее почти на десять минут, и при этом показал нестабильность периода в один процент. Вообще говоря, можно представить себе вращение небесного тела с переменной угловой скоростью – например, если оно сильно заряжено и попадает в сильное электрическое или магнитное поле. Но в случае Сатурна ничего подобного происходить не могло: слишком большая масса и слишком быстрые изменения. Вероятнее всего, проявился дефект метода. Пульсации радиоизлучения подвержены различным флуктуациям. В частности, картину могут искажать радиоволны, возникающие в магнитосфере планеты под действием частиц солнечного ветра.

Вращение магнитного поля Сатурна создает пульсирующий радиосигнал. Измеряя частоту пульсации, спутник может определить и период вращения самой планеты. Иллюстрация: университет штата Айова

Оставалось признать: измерение «радиосуток» – хороший метод, но и его применимость ограничена. Чтобы уточнить результаты, полученные с его помощью, надо было наблюдать именно за тем, что, как мы полагаем, нас интересует больше всего – к магнитному полю. Как раз и момент для этого наступил подходящий: в июле 2004 года американский космический зонд «Кассини» вышел на орбиту вокруг Сатурна, а уже в феврале 2005 года журнал «Science» (Vol. 307. No. 5713. P. 1266–1270) опубликовал обзор магнитометрических измерений при выходе на орбиту и на самой орбите. За этими первыми измерениями последовали и следующие, выполненные летом 2005 года, когда зонд «Кассини» подходил к условной поверхности Сатурна на расстояние, всего на треть превосходящее его условный радиус.

Конечно, спутник мог измерять магнитное поле только вблизи себя самого. Сам он непрерывно двигался, то приближаясь к поверхности планеты, то удаляясь от нее. Планета при этом вращалась, а ее магнитное поле испытывало на себе разнообразные «сторонние» возмущения, например из-за солнечного ветра. Для того, чтобы связать пики на графиках магнитометрических измерений с реальными движениями планеты и спутника, профессор Империал Колледжа Дугхерти и исследователь NASA доктор Джампьери создали теоретическую модель магнитного поля внутри и вокруг Сатурна. Эта модель и позволила им вывести из результатов измерений новое значение продолжительности суток на этой планете. Но не только. С ее помощью, они также определили точность своей оценки (40 секунд) и показали, как возникают периодические отклонения от этой величины, из-за которых «ошиблись» «Вояджеры».

Успех? Успех. Но он не в том, что мы теперь лучше знаем, сколько длится день на Сатурне. Этого мы, может быть, пока еще и не знаем – модель Дугхерти и Джампьери может оказаться неверной. Мы лучше понимаем, как устроены гигантские планеты Солнечной системы и что нового мы можем узнать при помощи зондов, отправленных в космос почти десятилетие назад.