Бросающиеся в глаза и таинственные кольца Сатурна – один из самых узнаваемых образов в Солнечной системе. Даже если вы посмотрите на них через маленький телескоп с Земли, вид колец Сатурна заставит вас затаить дыхание от восторга. Кольца вовсе не являются массивным и цельным объектом, напротив, они состоят из миллионов частиц различных форм и размеров. Длительная работа «Кассини» в системе позволила вблизи проследить происходящие в динамичной системе колец Сатурна изменения, и кольца теперь стали лабораторией, в которой можно получить представление о процессах формирования планет.

– «Кассини» поменял нашу парадигму понимания планетарных колец, – говорит Спилкер. – Мы перешли от простого представления о том, что отдельные частицы могут лишь время от времени мягко сталкиваться друг с другом, к пониманию, что в большей части главных колец Сатурна, особенно в кольцах A и B, имеются элементы, которые слипаются вместе, образуя некие структуры и оставляя за собой гравитационные завихрения. Наблюдения за их поведением позволяют установить, как именно материал колец взаимодействует сам с собой и как каменные обломки и пыль в ранней Солнечной системе могли соединяться, образуя планеты.

Спилкер говорит, что внутрикольцевые структуры иногда бывают эфемерными. Они собираются, а затем расходятся прочь, но часто имеют тенденцию к повторным попыткам формирования.

Кольца Сатурна начинаются в 7000 км над поверхностью планеты и простираются на 280 000 км от края до края; это означает, что Сатурн и его кольца полностью и точно поместились бы в пространстве, которое отделяет Луну от Земли. Состоят кольца из кусочков водяного льда с примесью скального материала, которые варьируются в размерах от многоквартирного дома до крупинки порошка талька. Они обращаются вокруг Сатурна на скоростях от 32 000 до 39 000 км/ч.

Но при этом кольца тонки, как осенняя летучая паутинка, их толщина не больше 10 м.

– Если бы вы собрали всю массу колец в одной точке, то получили бы тело не больше Энцелада по размеру, – говорит Спилкер. – Так что это невероятное зрелище создается из относительно небольшой массы!

Несмотря на маленькую массу, система колец демонстрирует огромное разнообразие структур в ней. «Кассини» обнаружил мини-спутники, которые создают причудливые фигуры в толще колец, наблюдал предполагаемое рождение новой луны и изучал, возможно, самое активное и хаотично вздыбленное планетное кольцо во всей Солнечной системе – кольцо F.

Кольца называли буквами латинского алфавита по мере их открытия, поэтому порядок следования главных колец по направлению от Сатурна может поставить в тупик: D, C, B, A, F, G и потом – E. «Это пример того, как у астрономов начисто не хватает воображения, когда нужно чему-нибудь дать имя», – с улыбкой говорит Спилкер.

О существовании колец мы знаем с 1610 года, когда Галилео Галилей повернул один из первых изготовленных им телескопов к Сатурну и увидел то, что он описал как «ручки», приделанные к планете, – Галилей полагал, что, возможно, это два больших спутника. Христиан Гюйгенс впоследствии догадался, что «ручки» были на самом деле кольцами. Позже, в 1670-х годах, итальянский астроном Джованни Кассини сумел различить в кольцах более мелкие детали и даже разглядел промежутки между ними. Один из таких промежутков был в честь него назван щелью Кассини – как и проект автоматической межпланетной станции для изучения Сатурна.

Как ученый с основным интересом в области планетарных колец, Спилкер изучала состав частиц материала колец. Она и коллеги знают, что эти частицы состоят в основном из водяного льда, но есть и очень слабые следы присутствия других, пока непонятных им веществ.

– Ближе к концу нашей программы мы будем пролетать вблизи внутреннего края колец и сможем напрямую проанализировать состав материала кольца. Таким способом мы надеемся понять его.

Спилкер просит меня представить, что она держит в руке кусочек кольца Сатурна. На что он может быть похож?

– У нас есть свидетельства, что такие частицы имеют ледяное ядро, которое покрыто хлопьевидным реголитным материалом, обладающим очень высокой пористостью, – говорит она. – Это означает, что такое тело может нагреваться и остывать очень быстро по сравнению с кубиком сплошного льда.

Очень интересно то, что по мере смены времен года на Сатурне, как зарегистрировал «Кассини», частицы материала колец демонстрировали смену фаз наподобие лунных.

– Когда направление лучей Солнца меняется, можно увидеть какую-то из сторон такой частицы полностью освещенной, а по мере движения самой частицы и Солнца мы наблюдаем своеобразный эффект «фаз Луны», если эти частицы достаточно крупны, – объясняет Спилкер. – Из этого мы получаем информацию об их вращении и можем измерить температуру.

Изменение угла падения солнечных лучей помогло обнаружить башнеобразные вертикальные образования в кольцах, которые в остальном являются довольно ровными. Эти образования формируются под воздействием гравитационного влияния небольших спутников, находящихся неподалеку, и ученым удалось проследить, как эти структуры взаимодействуют друг с другом и как в кольцах зарождаются струи, вихри и щели-промежутки.

После того как ученые из команды «Кассини» заметили какие-то загадочные щели, похожие по форме на двухлопастные пропеллеры самолета, во внешнем крае сатурнианского кольца A, их изучение вблизи показало, что причина формирования таких структур – десятки движущихся в этих местах лунных «малышей». Эти мини-спутники разнятся от одного до нескольких километров в диаметре, и они слишком малы, чтобы камеры «Кассини» смогли бы прямо сфотографировать их, но заметны благодаря двум «лопастям» пропеллеровидных структур, которые они создают. Это открытие дало понять: кольца Сатурна постоянно меняются.

Откуда же взялись сами кольца? Это вопрос, над которым бьются многие ученые.

– Кольца Сатурна могли образоваться после распада большого объекта, такого как спутник или комета, а может быть, они сформировались и одновременно с самим Сатурном, – размышляет Спилкер. – Однако какой бы ни была гипотеза о происхождении колец Сатурна, она же должна объяснять причину, почему в них содержится то значительное количество водяного льда, которое следует из наблюдений «Кассини».

Линда Спилкер рассказала, что, согласно недавно созданной модели, большое тело размером с Титан постепенно приблизилось к молодому Сатурну и, перед тем как его скальное ядро обрушилось внутрь газового гиганта, потеряло по пути свои верхние ледяные слои. Из этих фрагментов и сложилось массивное кольцо из водяного льда. За прошедшие эпохи некоторые его части сгущались вдоль внешнего края кольца и затем отрывались, формируя такие ледяные луны, как Энцелад, Тефия и Диона.

Возраст колец – тоже давнишняя загадка.

– Чем массивнее кольцо, тем дольше оно существует, – говорит Спилкер. – Для менее массивных возможен такой сценарий, когда они образовались благодаря распаду спутника, кометы или астероида в пределах до нескольких сотен миллионов лет назад. Для того чтобы понять возраст и эволюционный путь колец, ключевой фактор – это знание массы кольца как единого целого.

Сейчас можно говорить лишь об оценках массы кольца, но Спилкер полагает, что на завершающих орбитах «Кассини» ее группе удастся получить подтверждение этих оценок, когда космический аппарат пройдет мимо внутренней стороны кольца.

– У нас тогда получится определить массу самого Сатурна (без колец), и эту величину мы вычтем из уже известной нам массы Сатурна с кольцами, чтобы получить точную величину массы самих колец.