Происхождение колец Сатурна: новая теория

Происхождение колец Сатурна: история исследований

До сих пор нет однозначного ответа на вопрос о происхождении колец Сатурна. Джеймс К. Максвелл в работе “On the stability of the motion of Saturn’s rings” (1859) показал, что кольца не могут быть сплошным диском, для стабильности они должны состоять из бесконечного числа отдельных частиц, в противном случае гравитационные силы их разрушат.

Наземные эксперименты и данные космических зондов Pioneer (1979), Voyager-1,-2 (1980, 1981) также подтвердили выводы Максвелла. Одна из задач космического зонда Cassini-Huygens - определить природу происхождения колец.

Со времен Галилея было много попыток понять происхождение колец. Внимание уделялось гравитационным эффектам и движению по законам небесной механики. Системы колец имеют морфологические различия, но имеют и общие черты. Существует перенос углового момента количества движения частицами, а также гравитационные взаимодействия спутников и материала колец.

Орбитальные резонансы между спутниками и частицами колец играют существенную роль в формировании системы колец и щелей. Некоторые ученые предполагают, что своим происхождением кольца и пояса астероидов обязаны замагниченной плазме. Исследовались электромагнитные явления в кольцах, была описана магнитная гидродинамика кольца из замагниченной плазмы, вращающегося в гравитационно-магнитном поле, проанализирована его устойчивость.

Однако до сих пор многое не удалось выяснить: к примеру, не слипаются частицы колец; сильная плоскостность кольцевого диска и резкие очертания края колец; тонкая периодическая структура колец; деформация магнитного потока около кольца F; образование «спиц» в кольце B; сильное отражение радиоволн и низкая яркость колец; аномальное отражение микроволн с круговой поляризацией; электромагнитное излучение в диапазоне 20,4 кГц - 40,2 МГц; спектральные аномалии теплового излучения колец; материя колец не перемешивается, сохраняет мелкомасштабное цветовое разделение; существование атмосферы неизвестного происхождения около колец; существование волн плотности и изгибных волн в кольцах; кольца в солнечной системе появляются у планет только после пояса астероидов; нет колец у Земли и т.д.

Тот факт, что частицы не слипаются, физически может означать, что они обладают сверхпроводящими свойствами, тогда магнитное поле выталкивается из частиц в соответствии с эффектом Мейснера, а магнитное поле между частицами расталкивает их.

Из экспериментальных данных следует, что сложное движение частиц протопланетного облака, формирующих кольца Сатурна, зависит не только от механических сил, которые учитывались и прежде, но и от электромагнитных сил. Поскольку в окрестности колец Сатурна температура порядка 70-100К, сделано предположение, что частицы протопланетного облака Сатурна обладают сверхпроводимостью.

Существует широкий спектр «замороженных» соединений, для которых наблюдается высокотемпературная сверхпроводимость. Сверхпроводимость льда экспериментально продемонстрирована в 1986 г. Наличие колец только у планет, расположенных за поясом астероидов, может быть объяснено тем, что естественная сверхпроводимость в окрестности этих планет, в принципе, возможна из-за слабого радиационного нагрева Солнцем.

После включения магнитного поля Сатурна сверхпроводящие частицы протопланетного облака приводятся в дополнительное движение электромагнитными силами и дрейфуют в плоскость магнитного экватора, формируя кольцевой диск.

Предлагаемая идея сверхпроводящего состояния вещества частиц в кольцах позволяет дополнить классические теории планетных колец непротиворечивой сверхпроводящей моделью с помощью привлечения физических эффектов из электромагнетизма, свойственных сверхпроводникам при взаимодействии с магнитным полем.

Гравитационные взаимодействия, плазменные и гидродинамические эффекты, законы движения небесной механики не подвергаются декомпозиции. К ним лишь добавляются электромагнитные взаимодействия, свойственные поведению сверхпроводников в магнитном поле.

Краткое описание модели и анализ экспериментальных данных

До появления у Сатурна магнитного поля центробежная сила и сила гравитации, действующие на частицу в протопланетном облаке, уравновешиваются и частицы движутся по законам Кеплера. С включением магнитного поля сверхпроводящие частицы протопланетного облака начинают проявлять идеальный диамагнетизм и, взаимодействуя с магнитным полем планеты, вовлекается в дополнительное движение.

Как показывают математические расчеты, через некоторое время после включения магнитного поля планеты сверхпроводящим частицам протопланетного облака энергетически выгодно собраться в плоскости магнитного экватора.

Сильная плоскостность кольцевых систем и их резкие границы можно объяснить выталкиванием сверхпроводящего вещества частиц из областей с более высокой плотностью магнитного потока. Часть протопланетного облака, содержащая сверхпроводящие частицы, будет коллапсировать в протокольцевой диск.

В результате частицы будут вытесняться в плоскость магнитного экватора с силой пропорциональной магнитному моменту частицы и градиенту магнитного поля вдоль оси. Резкие кромки колец будут формироваться с силой, действующей на частицы со стороны щели между кольцами, а случайные разрывы в кольцах будут стабилизироваться со стороны разрыва.

Градиенты магнитного поля по осям препятствуют проникновению частиц в щели и удерживают частицы в кольцах. Данные измерений магнитного поля вблизи кольца F Сатурна, полученные американской станцией Pioneer, позволяют обнаружить, что поле магнитосферного диполя около кольца F Сатурна искажено таким же образом, как на картинке-вставке для сверхпроводящего диска в лабораторном эксперименте.

Формирование тонкой структуры диска, похожей на кольца, происходит подобно тому, как металлические частицы образуют в неоднородном поле магнита области сгущений и разрежений. Планетное магнитное поле в плоскости протокольцевого диска неоднородно, т.к. каждая сверхпроводящая частица вытесняет магнитное поле из своего объема.

Силовые линии магнитного поля стремятся замкнуться через области с наибольшим магнитным потоком. Уплотнения магнитного потока расчищают щели в протокольцевом диске, расталкивая сверхпроводящие частицы и формируя отдельные структуры, которые выглядят как кольца. Плотность магнитного потока в кольце будет ниже, чем в окружающем его пространстве щелей.

Разность плотностей магнитного потока вызывает направленное внутрь кольца магнитное давление. При этом орбитальные резонансы между спутниками и частицами колец играют существенную роль в формировании специфических особенностей системы колец и щелей.

Диамагнетизм сверхпроводников обусловлен не внутриатомными, а микроскопическими поверхностными токами. Для сверхпроводящих частиц существует лондоновская глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник. Обычно ее величина порядка 10^-5- 10^-6 см.

К образованию планетоцентрического потока пыли субмикронных частиц приводит исчезновение диамагнитных свойств у сверхпроводящих частиц колец, когда размеры частиц становятся равными или меньшими лондоновской глубины проникновения магнитного поля. Этому способствуют столкновения частиц и флуктуации магнитного поля.

Для объяснения переменной азимутальной яркости колец Сатурна был выдвинут ряд гипотез, основанных на предположении синхронного вращения частиц. Либо это связывают с несимметричной формой частиц в виде вытянутых эллипсоидов, ориентированных под небольшим углом к своей орбите, либо с несимметричным альбедо их поверхности.

В сверхпроводнике в магнитное поле возникает дополнительный магнитный момент, направленный противоположно полю. Тело намагничивается не по полю, а против поля. Известно, что при температурах ниже -22^oС растущие снежинки приобретают форму призм. Стерженек диамагнитного вещества устанавливается перпендикулярно силовым линиям магнитного поля.

Призма сверхпроводящей частицы кольца ориентируется в сторону планеты, перпендикулярно силовым линиям полоидальной и торроидальной составляющих магнитного поля планеты. Отсюда следует, что переменная азимутальная яркость кольца “А” Сатурна может быть объяснена ориентацией удлиненных диамагнетиков сверхпроводящих частиц колец в магнитном поле планеты.

Существование спиц в кольце B Сатурна может быть связано с изменением фазового состояния вещества сверхпроводящих частиц колец, либо с выталкиванием сверхпроводящих частиц из плоскости колец или их переориентацией аномалией магнитного поля. Характерные размеры спиц - примерно 10⁴ км вдоль радиуса и около 10³ км вдоль орбиты кольца. Состоят спицы из микронных и субмикронных частиц.

Существование радиальных структур-спиц в кольце бросает вызов традиционным представлениям. Согласно законам Кеплера, удаленные от планеты области широкого кольца B вращаются медленнее, чем ближние. Поэтому любое радиальное образование должно искривляться и размываться за несколько десятков минут. Время жизни отдельной спицы составляет 10³ - 10⁴ с и кеплеровское размытие в них все же обнаруживается.

Обнаружение спиц привело к предположению об их связи с электромагнитными взаимодействиями, поскольку спицы вращаются почти синхронно с магнитосферой Сатурна. Анализ спектральной мощности излучения спиц дает характерную периодичность 640,6 +- 3,5 мин, согласующуюся с периодом вращения магнитного поля Сатурна 639,4 мин.

Существует сильная корреляция максимумов и минимумов активности спиц с особыми магнитными долготами, связанными с наличием или отсутствием сатурнианского километрового излучения (СКИ). Это подтверждает предположение о связи спиц с магнитным полем Сатурна и свидетельствует о наличии крупномасштабных аномалий в магнитном поле.

Скорее всего, имеет место чисто полевой эффект, сущность которого состоит в следующем. Сверхпроводящие частицы колец вращаются по законам Кеплера, а магнитное поле планеты, имеющее аномалии, вращается вместе с планетой. При попадании в определенные положения магнитного поля планеты, имеющего анамалии, оптические свойства сверхпроводящих частиц изменяются, что и фиксируется наблюдателем.

В 1973 г. было обнаружено сильное радиолокационное отражение от колец Сатурна. Оказалось, что кольца Сатурна фактически имеют наибольшее радиолокационное сечение рассеяния среди всех тел Солнечной системы. Первоначально высокое отражение и малая яркость частиц кольца на радиоволнах связывались с наличием металлических частиц в кольцах. Но интерпретация данных Voyager исключила эту возможность. Это явление может быть объяснено существованием для сверхпроводящих частиц критической частоты порядка 100 ГГц, ниже которой излучение отражается, а выше которой - поглощается.

Во время встреч Voyager-1,-2 с Сатурном планетарный радиоастрономический эксперимент зафиксировал широкополосное дискретное неполяризованное радиоизлучение в диапазоне 20,4 кГц - 40,2 МГц, названное Сатурнианскими электростатическими разрядами. Их период 10 час 10 (+-5) мин и 10 час 11 (+- 5) мин.

Это явление можно объяснить возможной генерацией электромагнитного излучения из точечного контакта сверхпроводящих частиц в кольцах - нестационарный эффект Джозефсона, возникающего в результате взаимодействия заряженных частиц с частицами, либо - в результате разрушения и трения частиц при соударениях. При возникновении разности фаз между сверхпроводящими частицами, слабая связь генерирует электромагнитное излучение. Согласно расчетам, область источника локализована на расстоянии 107990 - 109200км от планеты.

Наблюдения указывают на электродинамическое сцепление между планетарной кольцевой системой и магнитосферой планеты, где сатурнианское километровое излучение, СЭР и активность спиц подчинены долготному регулированию.

Эксперименты по измерению теплового излучения колец Сатурна в диапазоне от 10 мкм до 1 см обнаружили аномалии. На коротких волнах измеренные температуры оказались ниже, не соответствующими истинной температуре колец.

На более длинных волнах кольца выглядят значительно холоднее, чем их физическая температура, причем на длинах волн больше 1 см кольца ведут себя практически как диффузный экран, отражающий планетное и холодное космическое излучение. Подобные частотные аномалии можно объяснить существованием в энергетическом спектре электронов щели порядка10^-4 эВ, характерной для сверхпроводников. В сверхпроводящем состоянии электроны не взаимодействуют с кристаллической решеткой и тепло не переносится.

В цветовую дифференциацию колец Сатурна в малых масштабах может давать вклад и зависимость электромагнитной силы, действующей на примесный сверхпроводник в магнитном поле, от объема сверхпроводящей фазы. Рассмотрим три частицы (a, b, c) с равными массами на близких орбитах. Пусть частица а - целиком сверхпроводящая; b - имеет примесь клатрат-гидратов аммиака или метана (NH3, CH4, H2O); с - имеет примесь серо- или железосодержащих силикатов (H2S).

Каждая примесь даст свой вклад в уменьшение объема сверхпроводящей фазы и определяет цвет частицы. Сила взаимодействия с магнитным полем зависит от объема сверхпроводящей фазы, поэтому для каждой из рассматриваемых частиц баланс сил будет выполняться на орбитах с разными радиусами.

Исследование отражения от колец радиоволн на длинах волн 3см и 12,6см показали, что геометрическое альбедо приблизительно равняется 0,34 и не сильно зависит от длины волны или угла наклона колец. Кольца являются сильным деполяризатором.

Для большинства планет Солнечной системы коэффициент отражения ненаблюдаемой поляризации (ортогональной к наблюдаемой) достаточно мал. А для колец эта величина колеблется в зависимости от длины волны и угла наклона от 0,4 до 1,0.

Отражение микроволн с круговой поляризацией показало, что если падающая электромагнитная волна имела определенное направление круговой поляризации, то в отраженной волне это направление круговой поляризации сохраняется. Объяснить такую ситуацию аномального отражения можно тем, что частицы колец обладают сверхпроводящими свойствами и ведут себя как идеальное магнитное зеркало.

Экспериментально обнаруженное существование около колец атмосферы “неизвестного” происхождения можно объяснить левитацией газовых молекул за счет сил диамагнитного выталкивания, наведенных в сверхпроводящих частицах молекулярными магнитными моментами.

Атмосфера у колец Сатурна может существовать в результате тонкого баланса сил гравитационного притяжения и диамагнитного выталкивания газовых молекул. Подобную ситуацию можно наблюдать в лабораторных условиях, когда атмосферный водяной пар осаждается на вещество в виде инея в момент перехода вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное.

Существование волн плотности и изгибных волн в кольцах можно объяснить как возбуждение параметрических колебаний пондеромоторными силами, возникающими при касательном направлении внешнего магнитного поля к свободной поверхности коллектива сверхпроводящих частиц кольца и поперечно к линиям постоянной фазы.

В случае возникновения периодической деформации свободной поверхности коллектива сверхпроводящих частиц, линии постоянной фазы которой поперечны полю, напряженность поля под впадиной уменьшится, а под возвышением - увеличится. Изменение жесткости свободной поверхности во внешнем магнитном поле дает возможность возбуждения ее параметрических колебаний.

Новая теория и области ее применения

Описанная сверхпроводящая модель происхождения колец Сатурна не противоречит представлениям существующих теорий, а лишь дополняет их, не подвергая декомпозиции, и согласуется с экспериментальными данными, полученными наземными экспериментами и космическими экспедициями Pioneer, Voyager-1,-2 и Cassini-Huygens.

Из представленной модели следует, что существует возможность “магнитного сцепления” между протосолнцем и сверхпроводящим веществом в его окрестностях, что в процессе эволюции Солнечной системы приводит к переносу момента количества движения от Солнца к планетам, в том числе и электромагнитным путем за счет сверхпроводимости космического вещества. Система Сатурна может напоминать Солнечную систему на раннем этапе ее развития.

Предложенная сверхпроводящая модель, по мнению автора, может быть полезна при анализе данных миссии Cassini-Huygens, исследовании колец планет Солнечной системы, галактических дисков, дисков около звезд и черных дыр, а также при исследовании распространения органических молекул в кольцах и межзвездной среде.

Владимир В. Черный