Новая теория российских ученых о механизме происхождении колец у Сатурна подтверждается данными миссии НАСА “Cassini” (2004-2017)

Загадка происхождения колец Сатурна уже четыреста лет остается нерешенной и волнует не только ученых-астрономов, - все любуются этим красивейшим явлением Солнечной системы. Как образовались кольца, как Сатурн стал их властелином, - хотят знать все жители планеты Земля.

Существующая очень привлекательная теория образования колец из обломков астероида приблизившегося к планете, считавшаяся очень точной и общепризнанной до полета Кассини, трещит по швам благодаря многим, вновь обнаруженным сегодня явлениям в кольцах. Кассини уже обнаружил миллионы крупных ледовых образований в кольцах (их назвали лунами) и новые кольца, - но как все это объяснить. Оказывается можно, если принять новую теорию образования колец, предложенную российскими физиками, исследовавшими проблему происхождения колец в течение 20 лет.

Мы все помним эксперимент из школьной физики, когда железные опилки, насыпанные вокруг магнита, находясь в его неоднородном магнитном поле, собирались в отдельные полоски, в которых опилки либо группировались вместе, либо образовывали щели, где их не было. Надо отметить, что это явление наблюдается в присутствии сильного гравитационного поля Земли. Оказывается, между этим простым экспериментом и происхождением колец у Сатурна есть прямая связь. Как выяснилось, ледяные частицы, первоначально окружавшие Сатурн как облако, и, вращающиеся вокруг него по законам Кеплера, после включения магнитного поля планеты начинают взаимодействовать с ним, и их орбиты начинают приближаться к магнитному экватору Сатурна, а затем распределяются в экваториальной плоскости планеты в виде сомбреро состоящего из полосок, как в известном школьном эксперименте. В формировании самой структуры колец существенную роль играют также гравитационные, гидродинамические и плазменные эффекты, но определяющая роль принадлежит электромагнитным эффектам, как и в лабораторном эксперименте с железными опилками вокруг магнита, который также осуществляется в присутствии гравитационного поля Земли.

Кольца Сатурна, несомненно, являются одним из прекраснейших творений природы. С момента их обнаружения в 1610 году итальянцем Г. Галилеем, они притягивают внимание ученых и весьма популярны. 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. Об этом говорится, например, в статьях Science, 2005, том 307, № 5713, где анализируются данные сегодняшней миссии НАСА к Сатурну - Кассини (2004-2010 гг.).

1859 году английский физик, основатель электромагнетизма Дж. К. Максвелл доказал, что кольца состоят из бесконечного числа разделенных 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. За свое исследование Максвелл получил престижную премию Адамса.

Считается, что кольца образовались из обломков астероида, приблизившегося к Сатурну и разрушенного гравитационными и центробежными силами. Чувствуется, что эта теория содержит некий мистический аргумент, хотя, используя богатый аппарат математики, реконструирует разрушившийся астероид, отталкиваясь от физических свойств уже существующих колец. Но, как заметил Ландау, «мы сегодня можем объяснить в астрофизике даже то, чего не существует». Согласно другому мнению, кольца могли образоваться непосредственно из ледяных частиц протопланетного облака, изначально окружавшего планету. Кстати, облако при этом также могло наполняться и остатками от разрушения приближавшихся к Сатурну космических тел. Учеными внимательно изучались гравитационные, магнитогидродинамические и плазменные эффекты у Сатурна, но пока объяснение долгого стабильного существования колец и фундаментальных свойств их частиц не было получено. Все теории носили разрозненный характер. Как из протопланетного облака на экваторе планеты могло сформироваться дисковое сомбреро Сатурна, состоящее из колец и щелей, до сих пор оставалось не ясным.

В тоже время, известно, что электромагнитные взаимодействия являются весьма важными в Солнечной системе и, в частности, для Сатурна. Ими на только нельзя пренебрегать, но они, зачастую, могут играть и решающую роль. На это указывали в своих работах К. Циолковский, Л. Чижевский, Х. Альвен, и другие ученые. Поскольку кольца наблюдаются только у планет с магнитным полем за поясом астероидов, где достаточно низкая температура, а частицы колец не слипаются, Черный В.В. и Поспелов А.Ю. в 1994 г., выступая на международной конференции, выдвинули гипотезу возможной сверхпроводимости ледяных частиц колец. Поскольку именно сверхпроводимость наблюдается при низких температурах в присутствии магнитного поля, и для нее характерно расталкивание двух сверхпроводников. Это, в принципе, возможно, поскольку кольца слабо нагреваются Солнцем и их температура порядка 65-110К все время их существования. Подобное предположение основано и на том факте, что в лабораториях уже получен широкий спектр замороженных многокомпонентных веществ, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью, открытой еще в 1986 г. В том же 1986 г. уральские физики под руководством нынешнего декана физического факультета Уральского госуниверситета доктора физико-математических наук А.Н. Бабушкина экспериментально в лаборатории показали, что лед, в принципе, может обладать сверхпроводимостью. Правда в земной лаборатории, им удалось получить сверхпроводимость льда при более низких температурах и высоких давлениях, чем у Сатурна. Но, разумеется, лед это сложное образование, только на Земле существует огромное число его модификаций, а знания о свойствах космического льда - весьма ограничены.

Физически, сверхпроводимость частиц кольца означает, что частицы выталкивают внутреннее магнитное поле, возникающая при этом сила создает давление, направленное на частицу. Для расположенных рядом частиц это приводит к тому, что вытолкнутое из частиц магнитное поле создает давление – силы, которые расталкивают эти частицы, и они не слипаются. Но более детальное электродинамическое рассмотрение показывает, что сверхпроводящие частицы колец все-таки могут сталкиваться, слипаться и образовывать более крупные ледяные объекты, некоторые из которых впоследствии могут разрушаться под действием гравитационных и центробежных сил, что и было зарегистрировано аппаратом Кассини.

Особенность предложенной теории происхождения колец Сатурна за счет наличия у частиц колец сверхпроводящих свойств состоит в том, что она 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. При этом гравитационные, гидродинамические и плазменные взаимодействия не подвергаются декомпозиции, а лишь дополняются свойствами поведения сверхпроводящих частиц в неоднородном магнитном поле Сатурна.

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, они взаимодействуют с магнитным полем. 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, у частиц наименьшая магнитная энергия. Основную роль здесь играет огромный магнитный момент Сатурна, который 500 раз больше земного. 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. Магнитное поле Сатурна в плоскости кольцевого 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 кольцевом диске, расталкивают сверхпроводящие частицы и формируют отдельные структуры, которые выглядят как кольца. Плотность магнитного потока в кольце будет 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 и поэтому края колец выглядят резкими.

На формирование специфической картины системы колец и щелей оказывают влияние гравитационные эффекты, которые называют орбитальными резонансами, вызванные присутствием спутников Сатурна, а также из-за больших обломков и лун в кольцах, которые образовались в результате столкновений и слипания еще до появления у планеты магнитного поля.

Предложенная авторами электромагнитная модель возможной роли сверхпроводимости частиц колец в формировании системы колец, на удивление, может объяснить многие экспериментальные данные наземных экспериментов и космических зондов NASA Пионер, Вояджер-1, -2 и Кассини. При этом становится ясно, почему частицы колец не слипаются; почему кольца существуют только у планет после пояса астероидов, где температура способствует появлению у вещества сверхпроводящих свойств; почему отражение микроволн круговой поляризации от колец происходит как от сверхпроводника, являющегося магнитным зеркалом; почему существует широкополосное дискретного неполяризованного радиоизлучения в диапазоне 20,4 кГц - 40,2 МГц, которое можно объяснить нестационарным эффектом Джозефсона для сверхпроводников; почему наблюдается аномальное поведение зависимости теплового излучения колец в диапазоне от 10 мкм до 1 см, что также характерно для сверхпроводников; почему существует около колец атмосфера “неизвестного” происхождения, что можно объяснить диамагнитным выталкиванием газовых молекул за счет молекулярных магнитных моментов наведенных в сверхпроводящих частицах; почему существуют волны плотности и изгибные волны в кольцах, что 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. Ясно также, что у планет, находящихся между Солнцем и поясом астероидов колец быть не может, т.к. это пространство хорошо прогревается Солнцем, а температура разрушает сверхпроводимость. Кольца могут быть только у планет с магнитным полем, находящихся за поясом астероидов, а их внешний вид зависит от особенностей вещества протопланетного облака, а также от физических и особенно электромагнитных параметров планеты.

Следствием предложенной теории происхождения и образования колец у Сатурна является тот факт, что складывается некая единая картина электромагнитных взаимодействий в Солнечной системе, позволяющая подтвердить мнение Х Альвена, что в самом процессе происхождения и образования колец у Сатурна может быть заложена история происхождения Солнечной системы на раннем (холодном) этапе ее развития. Очевидно также, что выявление роли сверхпроводимости в образовании колец дает стимул новым исследованиям ее роли в комическом пространстве.

Является ли данная теория лишь моделью, или реальностью, это покажут дальнейшие исследования. Важно, что сама идея сверхпроводимости частиц колец выглядит по-новому, интересно. Вполне возможно, что она открывает новое направление в космических исследованиях – необходимость исследования естественной сверхпроводимости в Солнечной системе за поясом астероидов и других объектов. Хорошо и то, что новая теория происхождения колец Сатурна не вынуждает отказываться от проведенных исследований других авторов, а дополняет, и даже объединяет их, вскрывая возможную природу происхождения планетных колец.

В итоге, несмотря на то, что официально Российское космическое агентство не участвует в эксперименте Кассини, российские ученые внесли достойный научный вклад в исследования происхождения колец Сатурна. Хотя исследования российских ученых, как и их участие в международных конференциях, никогда не финансировалось. Это еще раз говорит о необходимости стратегического партнерства ученых России, США и Европы, особенно когда речь идет о дорогостоящих исследованиях космического пространства.

Общественно политическая газета ПРЕЗИДЕНТ.