Наука и техника: прошлое и настоящее

Новая теория российских учёных о происхождении колец Сатурна

В 2007 г. Россия отметила пятидесятилетие исследования космического пространства с помощью спутников, а в 2008 г. NASA отметило свой пятидесятилетний юбилей. Проводятся дорогостоящие научные эксперименты, в космос запускаются тонны металла и приборы, тратятся миллиарды долларов. Ради чего? Чтобы понять окружающий мир, научиться использовать его во благо человека. Многое из того, о чём мечтали Г.Галилей, Н.Коперник, Дж.Максвелл, К.Э.Циолковский, А.Л.Чижевский, С.П.Королёв, сегодня сбывается. Но загадок и нерешённых проблем ещё очень много. Одной из них являются кольца Сатурна.

Кольца Сатурна, несомненно, одно из прекраснейших творений природы. С момента их обнаружения в середине VII в. Г.Галилеем и Дж.-Д.Кассини они притягивают внимание. Логотипы колец широко используются в бизнесе и рекламе. О них написаны тысячи статей, на их исследования израсходованы десятки миллиардов долларов. Однако проблема происхождения колец Сатурна до сих пор не решена^*.

Миссия «Кассини–Гюйгенс» (Cassini–Huygens) – это самый амбициозный беспилотный научный космический проект NASA, в котором принимают участие Европейское и Итальянское космические агентства. Его общая стоимость – примерно 4,5 млрд долл. Запущенный в сторону Сатурна в 1997 г. зонд с 2004 г. исследует систему Сатурна, помогая решить главную задачу: понять, как же образовались эти загадочные, завораживающие кольца Сатурна. А может, удастся понять и происхождение колец у других планет за поясом астероидов – Юпитера, Урана и Нептуна? Не исключено, что природа происхождения колец у всех планет общая.

В 1859 г. английский физик, основатель электромагнетизма Дж.-К.Максвелл доказал, что кольца состоят из бесконечного числа разделённых частиц, иначе они были бы разрушены. Правда, он считал, что кольца должны были бы с течением времени упасть на планету, но они (удивительно!) существуют до сих пор.

Сейчас считается, что кольца образовались из обломков астероида, приблизившегося к Сатурну и разрушенного гравитационными и центробежными силами. На наш взгляд, эта теория содержит некий мистический аргумент, хотя математически удалось описать и такой подход. Согласно другому мнению, кольца могли образоваться непосредственно из ледяных частиц протопланетного облака, изначально окружавшего планету. При этом облако могло пополняться и остатками от разрушения приближавшихся к Сатурну космических тел. Учёные внимательно изучали гравитационные, магнитогидродинамические и плазменные эффекты, наблюдавшиеся вблизи Сатурна, но пока объяснение долгого стабильного существования колец и фундаментальных свойств их частиц не найдено. Как из протопланетного облака на экваторе планеты могло сформироваться дисковое «сомбреро» Сатурна, состоящее из колец и щелей, до сих пор не ясно.

Группа учёных из ИОФАН (автор статьи, А.Ю.Поспелов, Е.В.Ченский, С.В.Капранов и др.) обратили внимание на то, что, как указывали в своих работах К.Циолковский, Л.Чижевский, Х.Альвен и др., электромагнитные взаимодействия являются весьма важными в Солнечной системе, в частности, это касается и Сатурна. Поскольку кольца наблюдаются только у планет, обладающих магнитным полем и к тому же находящихся за поясом астероидов, где достаточно низкая температура, а частицы колец не слипаются, мы выдвинули гипотезу о возможной сверхпроводимости ледяных частиц колец. Это в принципе возможно, поскольку кольца слабо нагреваются Солнцем, их температура составляет 70–100 К. Гипотеза подкрепляется тем, что в земных лабораториях уже получен широкий спектр многокомпонентных веществ, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью. Явление высокотемпературной сверхпроводимости было открыто в 1986 г. австрийскими физиками, а в том же году уральские физики под руководством декана физического факультета Уральского госуниверситета д.ф.-м.н. А.Н.Бабушкина экспериментально показали, что при низких температурах лёд под высоким давлением может стать сверхпроводником. Разумеется, лёд – сложное образование. На Земле существует огромное число его модификаций. Знания же о свойствах космического льда весьма ограничены.

Физически сверхпроводимость частиц кольца означает, что внутреннее магнитное поле выталкивается из частиц, и в результате взаимодействия полей соседних частиц эти частицы расталкиваются и не слипаются. Эффект выталкивания магнитного поля из сверхпроводника был открыт Мейсснером и Оксенфельдом в 1933 г.

Предложенная теория не отвергает полученные ранее знания, а дополняет их вновь открытыми физическими эффектами, объединяет их, позволяет получить физически реальную картину и ответить на вопрос, как кольца образовались. Сценарий происхождения дисковой системы колец Сатурна выглядит так. До появления у планеты магнитного поля частицы движутся в протопланетном облаке вокруг планеты на разных орбитах, согласно законам Кеплера. При этом сила гравитации уравновешена центробежной силой. С появлением у планеты магнитного поля начинает «работать» сверхпроводимость частиц. Как показывает анализ, орбиты сверхпроводящих частиц протопланетного облака проявляют идеальный диамагнетизм и, приобретая дополнительное азимутально-орбитальное движение, дрейфуют в плоскость магнитного экватора, образуя дисковое «сомбреро». Происходит это потому, что в плоскости магнитного экватора, который у Сатурна практически совпадает с географическим экватором, частицы обладают наименьшей магнитной энергией. Основную роль здесь играет огромный магнитный момент Сатурна, в 500 раз превышающий земной. Отсюда следует, что через какое-то, может, даже очень длительное, время после включения магнитного поля планеты сверхпроводящим частицам протопланетного облака энергетически выгодно собраться в плоскости магнитного экватора планеты.

Формирование кольцевой структуры диска, напоминающей грампластинку, происходит подобно тому, как металлические частицы образуют в неоднородном поле магнита области сгущений и разрежений (вспомним эксперимент с железными опилками: насыпанные вокруг магнита, они собираются в отдельные полоски, визуализируя силовые линии). Магнитное поле Сатурна в плоскости кольцевого диска неоднородно, т.к. каждая сверхпроводящая частица вытесняет магнитное поле из своего объёма, согласно эффекту Мейсснера–Оксенфельда. Силовые линии магнитного поля стремятся замкнуться через области с наибольшим магнитным потоком. Уплотнения магнитного потока расчищают щели в кольцевом диске, расталкивают сверхпроводящие частицы и формируют отдельные структуры, которые выглядят, как кольца. Плотность магнитного потока в кольце ниже, чем в окружающем его пространстве щелей, что способствует формированию устойчивой структуры кольцевых образований. Разность плотностей магнитного потока на границах колец вызывает направленное внутрь кольца магнитное давление, поэтому края колец выглядят резкими.

На формирование специфической картины системы колец и щелей оказывают влияние гравитационные эффекты – орбитальные резонансы, – вызванные присутствием спутников Сатурна, а также больших обломков в кольцах, которые образовались в результате столкновений и слипания ещё до появления у планеты магнитного поля.

Предложенная нами электромагнитная модель возможной роли сверхпроводимости частиц колец в формировании системы колец, на удивление, может объяснить многие экспериментальные данные наземных экспериментов и космических зондов. При этом становится ясно:

– почему кольца существуют только у планет за поясом астероидов: там температура позволяет проявиться сверхпроводящим свойствам вещества;

– почему отражение микроволн круговой поляризации от колец происходит, как от сверхпроводника: ведь сверхпроводник является магнитным зеркалом;

– почему существует широкополосное дискретное неполяризованное радиоизлучение в диапазоне 20,4 кГц–40,2МГц: его можно объяснить нестационарным эффектом Джозефсона для сверхпроводников;

– почему наблюдается аномальное поведение зависимости теплового излучения колец в диапазоне от 10 мкм до 1 см: такая зависимость характерна для сверхпроводников;

– почему около колец существует атмосфера «неизвестного» происхождения: её можно объяснить диамагнитным выталкиванием газовых молекул за счёт молекулярных магнитных моментов, наведённых в сверхпроводящих частицах;

– почему в кольцах наблюдаются волны плотности и изгибные волны: их можно объяснить возбуждением параметрических колебаний пондеромоторными силами, возникающими при касательном направлении внешнего магнитного поля к свободной поверхности коллектива сверхпроводящих частиц кольца и поперечно к линиям постоянной фазы.

Ясно также, что у планет, находящихся между Солнцем и поясом астероидов, колец быть не может, т.к. это пространство хорошо прогревается. Кольца могут быть только у планет с магнитным полем, находящихся за поясом астероидов, а их внешний вид зависит от особенностей вещества протопланетного облака, от физических и особенно электромагнитных параметров планеты.

Складывается единая картина электромагнитных взаимодействий в Солнечной системе, позволяющая подтвердить мнение Х. ван Альвена, что в самом процессе происхождения и образования колец у Сатурна может быть заложена история происхождения Солнечной системы на раннем (холодном) этапе её развития. Очевидно также, что выявление роли сверхпроводимости в образовании колец даёт стимул новым исследованиям её роли в космическом пространстве.

Подтвердится ли данная теория, покажут дальнейшие исследования. Но сама идея сверхпроводимости частиц колец выглядит интересно, и, что несомненно, российские учёные внесли достойный научный вклад в исследования происхождения колец Сатурна. Это ещё раз говорит о необходимости стратегического партнёрства учёных России и США в дорогостоящих исследованиях космического пространства.

Перепечатка (в сокращении) по инициативе автора, с сайта http://www.epochtimes.ru/content/view/18860/5/

---

^* До этого NASA посылало к Сатурну зонды «Пионер» (1979), «Вояджер-1» и «Вояджер-2» (1980, 1981).