Загадки астрономии

Глава VIII Сколько «лун» в солнечной системе?

В настоящее время при помощи телескопов открыто свыше тридцати спутников, обращающихся вокруг восьми планет солнечной системы, не считая Земли. Когда большие телескопы будут установлены на космических станциях, созданных человеком, то благодаря идеальной видимости в космическом пространстве, возможно, у планет будет обнаружено значительно больше спутников. Если же телескопы не помогут и в этом случае, то новые спутники поручат искать дальним космическим зондам, которые будут посланы к планетам с программой облета, выхода на орбиту или мягкой посадки. Придет время, когда человек увидит наконец своими глазами неизвестные ему ранее спутники и, вооружившись телескопом, совершит полет через всю солнечную систему либо будет путешествовать в окрестностях планет и наносить визиты неизвестным «лунам».

Рано или поздно мы, вероятно, узнаем, что вокруг планет обращается вдвое больше спутников, чем известно нам сейчас. Учитывая возможности современных телескопов, нетрудно подсчитать, что большинство «новых» тел очень невелико; вблизи Юпитера — меньше 40 км в диаметре, вблизи Плутона — меньше 160 км. Если же окажется, что все или большинство планет, включая Землю, имеют крошечные спутники диаметром порядка 1 км, то общее число спутников превысит сто, а то и пятьсот. Изучение уже известных сейчас спутников поставило перед астрономией огромное количество проблем; насколько же увеличится объем работы и без того загруженных астрономических Шерлоков Холмсов, когда список спутников значительно расширится!

Мы уже познакомились с нашей Луной и двумя спутниками Марса. Меркурий и Венера совершают свое движение по орбите в одиночестве. Займемся теперь Юпитером — планетой-захватчиком, тяготение которого, как длинная цепкая рука, простирается через всю солнечную систему.

Кроме четырех захваченных спутников-астероидов, Юпитер «пленил» 14 других необычных маленьких планетообразных тел, которые ставят перед нами задачу чрезвычайной важности…

Астероиды-троянцы собраны в две группы, которые постоянно находятся в 60° впереди и 60° позади Юпитера в его движении вокруг Солнца. Как раз в этих точках орбиты силы притяжения со стороны Солнца и Юпитера уравновешиваются, и образуются две нейтральные зоны, где тела могут оставаться в равновесии бесконечно долго. Строго говоря, троянцев нельзя назвать спутниками Юпитера, так как они не обращаются вокруг него; в то же время это и не планеты в полном смысле слова, хотя они движутся по орбите Юпитера.

Теория столь необычного явления была разработана Лагранжем в XIX столетии — еще до открытия астероидов. Он показал, что нейтральные зоны находятся в 60° впереди и позади планеты и образуют с ней и Солнцем равносторонний треугольник.

Из теории Лагранжа следует интересный вывод: такие спутники могут существовать и у любой другой планеты, хотя до настоящего времени они и не обнаружены. Однако совсем маленькие тела, невидимые даже в телескоп, могут сопровождать Венеру, Марс, Сатурн и даже Землю в их движении по орбитам. По плану астрономических наблюдений в космосе равносторонние точки земной орбиты будут наблюдаться в телескопы для обнаружения «троянцев» Земли^[21].

У Юпитера — девять спутников-троянцев в головной группе и пять в задней. Их диаметры от 15 до 80 км, что дает нам некоторый ключ к разгадке их происхождения: скорее всего это захваченные планетой астероиды. Но как Юпитер мог пленить их, не нарушив законов небесной механики?

Одна из гипотез дает такое объяснение. Перемещаясь вдоль пояса астероидов, Юпитер время от времени захватывал блуждающие астероиды, которые отважились проникнуть в сферу его гравитационного влияния. Четыре астероида стали настоящими спутниками (см. гл. VI), а другие все же остались наполовину во власти Солнца. После напряженной гравитационой борьбы между двумя гигантами крупнейшие из подвергшихся возмущениям астероидов приобрели эксцентрические орбиты (Эрос, Гермес и т. д.), а другим посчастливилось ускользнуть в две зоны, где обе силы гравитации уравновесили друг друга. Там они остаются и по сей день.

По мнению сторонников другой гипотезы, каждый троянец — это смесь метеорных тел и космических осколков, захваченных из-за пределов солнечной системы действием солнечного тяготения. На пути к Солнцу некоторые из мелких осколков, пересекавших орбиту Юпитера, были собраны вместе его мощным притяжением. Бóльшая часть вещества затем упала на поверхность планеты, а остатки удерживались Солнцем, до тех пор пока не нашли покой в нейтральных точках. Непосредственное посещение космонавтами этой области позволит установить, из чего состоят троянцы, и разрешит спор.

Спутники Юпитера, особенно четыре самых крупных, ставят перед нами другой вопрос, ответ на который ревниво охраняется Вселеной.

Эти спутники называются «галилеевскими», в честь открывшего их в 1610 г. Галилея. Из четырех спутников три по размерам больше Луны, а два — больше Меркурия. Ио и Европа, диаметры которых соответственно равны 3720 и 3140 км, ничем не выделяются. Что касается Ганимеда и Каллисто, то, несмотря на значительные размеры диаметров — соответственно 5230 и 5150 км^[22], — масса каждого из них в два раза меньше, чем у Меркурия. Оба спутника характеризуются высокими значениями альбедо, которые не могут быть обусловлены сияющими облачными атмосферами, так как атмосферы у них полностью или почти полностью отсутствуют.

Теория объясняет малые массы и высокие альбедо Ганимеда и Каллисто тем, что их недра и поверхностные слои состоят из белого вещества низкой плотности — такой, как у снега или льда. Поэтому эти два спутника больших размеров, но малой массы, вероятно, не что иное, как снежные гиганты с очень маленькими каменными ядрами.

Спутникам Юпитера и других внешних планет присуща другая особенность, не наблюдающаяся у спутников четырех внутренних планет до Марса включительно.

Почти все тела в солнечной системе — планеты, спутники, кометы, астероиды, метеорные тела — обращаются вокруг Солнца против часовой стрелки, если смотреть из северного полюса эклиптики. То же самое можно сказать и о направлении вращения этих тел вокруг своих осей.

Иначе обстоит дело с четырьмя внешними спутниками Юпитера, не имеющими собственных имен и обозначенными римскими цифрами: VIII, IX, XI и XII. Эти необычные спутники имеют обратное обращение вокруг Юпитера — по часовой стрелке. Теория, согласно которой они являются «плененными» астероидами, дает простое объяснение этому факту. Если они были захвачены из пояса астероидов притяжением Юпитера, то направление их орбитального движения определялось бы моментами количества движения этих тел относительно планеты.

Рис. 10. Четыре внешних спутника Юпитера (отмечены буквой О) имеют обратное движение (по часовой стрелке). Предполагается, что это захваченные гигантом астероиды.

Но обратное вращение самого внешнего спутника Сатурна — Фебы — не удается объяснить таким же образом. Вряд ли Феба — астероид, удалившийся от основной массы малых планет на невероятно большое расстояние — 800 млн. км. Скорее всего тяготение Сатурна изменило направление движения кометы, летевшей к Солнцу, и превратило ее гиперболическую траекторию в замкнутую орбиту. Вместе с головой будущая Феба потеряла и хвост, так как он образуется только при достаточном приближении к Солнцу (внутри орбиты Марса). Тепло и коротковолновое солнечное излучение превращают замерзшие газы головы кометы в светящиеся пары´, тянущиеся в виде хвоста далеко позади нее. Эта теория будет окончательнo доказана, если будущие космонавты, опустившись на Фебу, обнаружат смесь пыли, камней, кристаллов льда и замерзших газов. Если же, напротив, Феба окажется твердой, как обычные спутники, и непохожей на голову кометы, то загадка останется неразрешенной.

Пять спутников Урана, как, впрочем, и сам Уран, имеют обратное вращение. Вероятно, они образовались обычным образом. Тайна обратного движения этих спутников связана с еще более трудной загадкой — обратным вращением самого Урана (см. гл. VII).

Замыкают наш список два спутника Нептуна, Тритон и Нереида, причины обратного движения которых совершенно неизвестны.

Нереиде присуща и другая особенность, доставляющая астрономам танталовы муки.

Нереида имеет несравненно более эксцентрическую орбиту, чем любой спутник в солнечной системе. Она приближается к Нептуну на 1 600 000 км и удаляется в «апонептуний» на 9 600 000 км. Но некоторые характеристики Нереиды заставляют усомниться в том, что это захваченная голова кометы, подобная Фебе. До сих пор никто не нашел объяснения происхождению не похожего на комету спутника Нептуна с его очень вытянутой орбитой. Другой спутник Нептуна — Тритон — отличается тем, что плоскость его орбиты очень сильно наклонена к плоскости, в которой обращаются вокруг Солнца планеты солнечной системы. Почему один спутник из 31 нарушает общие правила?

Проблемы такого рода типичны для тех загадок солнечной системы, для решения которых слишком мало фактов, так мало, что трудно построить правильную теорию. Эти головоломки — пробелы в наших знаниях о планетах. Их разрешат будущие космонавты. В течение по меньшей мере столетия они будут деловито курсировать между девятью планетами и решать множество загадок, которые покажутся легкими, но затем придет черед трудных…

Одна невероятно трудная загадка, которая никогда не покорится будущим космонавтам, загадана спутниками Марса.

«Кроме того, они (астрономы летающего острова Лапуты. — Ред.) открыли две маленькие звезды или спутника, обращающихся около Марса, из которых ближайший к Марсу удален от центра планеты на расстояние, равное трем ее диаметрам, а более отдаленный находится от нее на расстоянии пяти таких диаметров. Первый совершает свое обращение в течение десяти часов, а второй — в течение двадцати одного с половиной часа…»

Приведенные Свифтом значения высот спутников — 19 200 и 33 600 км соответственно — не слишком расходятся с истинными расстояниями Фобоса и Деймоса от центра Марса, равными 9300 и 23 500 км. И все же точнее всего он назвал величину периода обращения ближайшего спутника — 10 часов вместо 7,5 часов в действительности. Но самое удивительное, что предсказано существование спутника, вращающегося быстрее своей планеты, — явление, не наблюдаемое у других спутников и не объяснимое в рамках общепризнанных теорий.

Исследование показало, что в 1726 г. Свифт не пользовался телескопом, да к тому же телескопы того времени были настолько несовершенны, что с их помощью не удалось бы заметить марсианские «луны». Когда в 1877 г. Холл впервые обнаружил спутники красной планеты, он был поражен гениальным предвидением Свифта, который за полтора столетия до его открытия дал параметры спутников, оказавшиеся близкими к действительности.

Были ли спутники чистейшей выдумкой автора и только благодаря счастливой случайности оказались существующими в действительности? Или Свифт открыл спутники каким-то неизвестным способом, о котором он никогда не упоминал?

Можно попытаться так объяснить эту историческую головоломку. В 1726 г. было сформулировано правило Боде, которое давало верные расстояния от Солнца для всех известных в то время планет. Открытие Урана, казалось, еще больше укрепило его правильность (хотя позднее, когда были открыты Нептун и Плутон, авторитет правила Боде был подорван).

В XVIII в. появилось еще одно правило типа правила Боде, которое давало число известных в то время спутников у каждой планеты. Был предложен следующий эмпирический закон:

Венера — 0

Земля — 1

Марс — 2?

Юпитер — 4

Сатурн — 5 (плюс 3?)

Уран — 16 (предстояло открыть)

Поскольку в XVIII веке — «веке просвещения» — все во Вселенной казалось подчиненным простым и точным законам, то нетрудно было вообразить, что число спутников у каждой планеты по мере удаления от Солнца удваивается. Тот факт, что уже было открыто пять спутников Сатурна и ровно четыре спутника Юпитера (в то время ни один из восьми других, гораздо более мелких не был, да и не мог быть открыт), подтверждал правило. И, хотя тогда не было найдено ни одного спутника Урана, это никого не смущало: так как Уран был открыт лишь в 1781 г., все считали, что обнаружение его 16 спутников всего лишь дело времени.

Марс по этой схеме должен был иметь два спутника. Чтобы объяснить, почему их не удавалось обнаружить, допускали, что они имеют небольшие размеры и находятся близко к поверхности Марса. Свифт мог знать это правило, казавшееся тогда незыблемым, и использовал его в своем фантастическом произведении, показав, что его герои знакомы с последними достижениями астрономии.

В 1726 г. любой образованный человек хорошо знал закон тяготения Ньютона и законы движения планет, поэтому Свифт мог легко подсчитать расстояние и период обращения придуманных им спутников Марса.

Есть и такое объяснение: Землю посетили существа из другой части Вселенной. Предварительно они побывали на Марсе и рассказали Свифту о двух марсианских «лунах». Что и говорить, весьма смелая гипотеза!

Однако из-за отсутствия показаний самого автора — давно умершего Свифта — следует считать, что точный ответ на этот вопрос навсегда останется неизвестным.

Оставим теперь крошечные спутники и обратимся к самым большим; здесь мы столкнемся с очень странной особенностью одного из «детищ» Сатурна.

Титан — единственный спутник, о котором известно, что он имеет собственную атмосферу. Спектроскопические данные показывают, что его атмосферная оболочка состоит из метана с примесью аммиака, подобно атмосферам газовых гигантов. Почему в таком случае красновато-оранжевая окраска диска Титана, которую отмечают астрономы, совершенно отличается от любых цветовых оттенков, присущих другим метано-аммиачным атмосферам?

По одной из теорий, это явление объясняется следующим образом. В результате химической реакции между веществом поверхности Титана и его первичной атмосферой появились соединения красновато-оранжевого цвета, подобно тому как взаимодействие кислорода марсианской атмосферы с железом в почве Марса могло окрасить Марс в «ржавый» цвет. Но большая часть кислорода первичной атмосферы Титана сначала прореагировала бы с активным водородом, образуя воду, которая превратилась бы в лед при господствующих там температурах. По-видимому, на Титане не осталось достаточного количества кислорода, чтобы покрыть его «ржавчиной», подобно Марсу. Ни свободный метан, ни аммиак не могут придать такую окраску, так как они не взаимодействуют с железом или другими существующими на Титане химическими веществами.

Итак, Титан, подобно Марсу, продолжает посылать дразнящие ученых красноватые лучи, приберегая свои секреты для космонавтов будущего.

Свифт предсказал и другое явление, когда писал:

Рис. 11. Вокруг спутников внешних планет могут обращаться крошечные спутники, не видимые в земные телескопы. На рисунке изображена «луна луны» Титании — самого большого спутника Урана.

Законы небесной механики не исключают такой возможности. Подобно тому как любая планета — член большой семьи Солнца — может иметь спутники, любой из них может обладать своей собственной независимой свитой. Недалеко то время, когда первый космический корабль станет временным спутником нашей Луны^[23].

Естественные «спутники спутников» пока не открыты. Однако астрономы объясняют это тем, что крошечные спутники диаметром до километра, находящиеся на расстоянии всего 150 000 км от Земли, нельзя увидеть даже в лучшие телескопы. Точно гак же и более крупные спутники, обращающиеся вокруг Луны, оставались бы невидимыми для всех, кроме космонавтов, которые «прилунятся» и будут наблюдать их в телескопы.

Очевидно, тела с поперечником до 10–15 км на расстоянии орбиты Юпитера или дальше также легко ускользали бы от глаз земных наблюдателей. Если первый облет Луны ракетой с человеком на борту выявит у нее семью спутников, то это будет указывать на существование таких же «сублун» у многих членов семьи Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.

«Спутники спутников» оказались бы не только крошечными, но и жались бы поближе к поверхности тела, вокруг которого они обращаются, иначе мощное притяжение планеты оторвало бы их, блуждающих на расстоянии нескольких тысяч километров, от центрального слабо притягивающего тела.

Космонавты, которые будут исследовать солнечную систему, вероятно, обнаружат не только «спутники спутников», но и другие спутники, принадлежащие девяти планетам. Общее число спутников и «спутников спутников» может достигнуть нескольких сот и ежегодно увеличиваться. В этом случае «перепись» спутников станет нелегким делом, подобно регистрации ежегодного пополнения списка астероидов (около пятидесяти астероидов в год).