Кольца Сатурна подвластны математическим законам
Физики МГУ создали теоретическую модель, объясняющую строение колец Сатурна.
Самая известная планета, у которой есть кольца, это, конечно же, Сатурн. Его систему плоских колец впервые наблюдал Христиан Гюйгенс более 300 лет назад. Уже в конце XX века к Сатурну заглянули космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», отправившиеся потом к границам Солнечной системы, а в 2004 на орбиту планеты прилетел зонд миссии «Кассини».
Впоследствии оказалось, что кольца есть не только у Сатурна, но и других планет: Юпитера, Урана и Нептуна. Даже у астероидов – в прошлом году телескоп Spitzer обнаружил сразу два кольца у астероида Харикло (10199 Chariklo) размером всего 260 км. Долгое время не было однозначных ответов на два главных вопроса: как небесные тела обзаводятся кольцами и почему эти кольца именно такие, какими мы их наблюдаем. На первый вопрос окончательный ответ пока не получен, а вот на второй, по-видимому, удалось ответить сотрудникам Физического факультета МГУ.
Кольца Сатурна состоят из кусочков льда с незначительным содержанием других веществ, например, космической пыли. Как и когда они сформировались – до сих пор открытый вопрос. Существует по крайней мере три теории происхождения колец.
Согласно одной из гипотез, у Сатурна было несколько крупных спутников, которые потом были разрушены гравитационными приливными волнами планеты. По другой теории они возникли в результате столкновения планеты с другим крупным небесным телом, в результате чего на орбиту была выброшена масса осколков. И последняя, самая мирная теория, согласно которой кольца образовались из вещества протопланетного диска еще на ранних этапах формирования солнечной системы. Но хоть эти гипотезы и могут сказать, откуда появились кольца у планет, они не в состоянии объяснить их структуру.
Кольца состоят из огромного количества частиц самых разных размеров: от долей миллиметра до нескольких метров. Но, несмотря на такое разнообразие, число частиц каждого размера подчиняется строгому математическому соотношению – закону «обратных кубов». Концентрация частиц зависит от их размера в -3 степени. Это значит, что частиц с диаметром, к примеру, 2 метра в 8 раз меньше, чем частиц с диаметром 1 метр. Откуда кусочки льда из колец Сатурна знают про возведение в отрицательную степень, было непонятно.
Международная группа, в которую входят четверо россиян: научные сотрудники кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Анна Бодрова и Владимир Стадничук, а также выпускники МГУ имени М.В. Ломоносова Николай Бриллиантов (профессор Лестерского Университета, Великобритания) и Павел Крапивский (профессор Бостонского Университета, США) внесли, наконец, ясность в этот вопрос.
Частицы, из которых сформированы кольца, как автомобили по кольцевой трассе, двигаются по орбите вокруг планеты, но делают они это с огромной скоростью – порядка 70 000 километров в час. Эта средняя скорость потока называется общей орбитальной скоростью. Но индивидуальные частицы могут двигаться чуть медленнее или чуть быстрее – всего лишь на несколько метров в час. Однако и этого отличия достаточно для того, чтобы частицы сталкивались друг с другом.
Столкнувшись, две частички могут прилипнуть друг к другу и продолжить дальше движение по орбите уже как одно целое. Такие столкновения происходят постоянно, и, казалось бы, рано или поздно все частицы должны были бы объединиться в крупные тела и стать уже настоящими спутниками. Но по каким-то причинам этого не происходит – достигнув определенного размера, порядка 10 метров, частицы прекращают свой рост. Дело в том, что столкновения могут приводить не только к объединению частиц, но и к разрушению. Между этими двумя разнонаправленными процессами – объединения и разделения может установиться равновесие, которое и определит распределение числа частиц по их размеру.
Для того, чтобы проверить эту гипотезу, исследователи построили математическую модель, описывающую коллективное движение большого числа частиц. В ней столкновение двух частиц может привести к трем событиям: их объединению, разрушению или же обе они могут сохранить свою целостность. Исход столкновения зависит от массы и скорости обеих частиц.
Определившись с исходными данными, физики рассчитали эволюцию модели на суперкомпьютере МГУ «Чебышев». Результатом расчета стал закон распределения, описывающий сколько и какого размера частиц будет в такой системе планетарных колец. Оказалось, что полученные данные с поразительной точностью описывают экспериментальные наблюдения: тот самый «закон обратных кубов» и резкое прекращение роста частиц при достижении ими определенного размера.
По материалам МГУ и PNAS
