Как открывали тонкую структуру колец Сатурна?Галактики и Планеты
XVII ВЕК: "Ясно вижу кольцо"
Необычный вид планеты Сатурн впервые подметил Галилео Галилей летом 1610 года. Он "с великим удивлением наблюдал Сатурн не в виде одной звезды, а состоящим из трех неподвижных почти касающихся звезд, при этом центральная крупнее боковых и все три расположены на прямой линии... В трубу с меньшим увеличением они не видны как три отдельные звезды: Сатурн представляется удлиненной звездой в форме оливы". Галилей сравнивал боковые звезды с покорными служителями, которые помогают престарелому Сатурну совершать свой путь и всегда держатся по обе стороны от него. Вскоре, однако, природа подшутила над исследователем. В 1612 году кольцо Сатурна оказалось повернутым к Земле ребром и "покорные служители" исчезли из поля зрения галилеевой трубы. "Что можно сказать об этом необычном превращении? - задавался вопросом Галилей.-Что две эти меньшие звезды исчезли, как это бывает с пятнами на Солнце? Сатурн съел своих детей? Или это действительно линзы моего телескопа так долго меня обманывали? И не только меня, но и многих других, наблюдавших со мной... Я полагаю, что после зимнего солнцестояния 1614 года они будут наблюдаться вновь".
И действительно, в 1614 году "боковые звезды" Сатурна видел в свою трубу иезуит Кристофер Шайнер, в 1616 году - сам Галилей, а в 30- 50-е годы XVII века их замечали такие известные наблюдатели, как Пьер Гассенди, Франческо Фонтана, Джованни-Батиста Риччиоли, Ян Гевелий. Но хотя отдельные зарисовки планеты определенно показывали кольцевые очертания, разгадать тайну не-_ земного дива никак не удавалось. Даже Гевелий, обнаруживший периодичность смены фаз видимости Сатурна, так и не сумел разобраться, что же являют собой сатурновы украшения, Правильное объяснение "диковинки" планеты и периодических изменений ее вида дал в 1659 году Христиан Гюйгенс, наблюдавший с 1655 года Сатурн сначала в 12-футовый, а затем в новый 23-футовый телескоп; "Опоясан кольцом, тонким, плоским, нигде не прилегающим, к эклиптике наклоненным". Предвидя "недоверие тех, кто считает необычным и неправильным", что он "приписывает небесному телу форму доселе не встречавшуюся, тогда как считается непреложным законом природы, что им подобает сферический вид", Гюйгенс подчеркнул: "я не измыслил это предположение благодаря своей фантазии и воображению.., а ясно вижу кольцо собственными глазами".
1 - Г. Галилей, 1610 год;2 - К. Шайнер, 1614 год;3 - П. Гассенди, 1633 год;4 - Дж. Риччиоли, 1640 год;5, 6, 7, 8 - Я. Гевелий, 1640-1650 годы;9, 10 - П. Гассенди, 1645 год;11 - Е. Дивини, 1647 год;12 - Ф. Фонтана, 1648 год;13, 14, 15 - Дж. Риччиоли, 1648-1650 годы; 16, 17- X. Гюйгенс, 1656, 1659 год;18 - Дж. Кампани, 1664 год;19 - В. Болл, 1665 год;20 - Я. Гевелий, 1675 год;21 - Ж. Кассини, 1676 год
В 1664 году Джузеппе Кампани, один из признанных мастеров телескопостроения, проверяя качество своего 35-футового инструмента, "расщепил" кольцо Сатурна на два - внешнее, более темное, и внутреннее, светлое (кольца А и В по современному обозначению, введенному в XIX веке О. В. Струве). А в 1675 году Христиан Гюйгенс и Жан-Доминик Кассини обнаружили между этими двумя кольцами темную полосу. Ее впоследствии назвали делением Кассини. Таким образом, "классические" (то есть отраженные в школьном учебнике астрономии) особенности кольца Сатурна были установлены в XVII столетии.
XVIII ВЕК: разброд и шатания
С правильными представлениями об устройстве кольца Сатурна мы впервые встречаемся в одном из трудов Жака Кассини (1715 г.), возглавившего после смерти отца Парижскую обсерваторию. По его мнению, кольцо могло быть "скоплением спутников, которые находились в одной плоскости и обращались вокруг планеты; ...величина их столь мала, что они не могут быть заметны по отдельности, но в то же время они столь близки друг к другу, что невозможно различить промежутки между ними, поэтому кажется, будто они образуют единое сплошное тело". Эту версию Кассини аргументировал ссылкой на третий закон Кеплера, согласно которому твердое кольцо должно быть разрушено притяжением планеты. Правда, есть веские основания считать, что подобное объяснение природы сатурнова кольца принадлежит другому французскому ученому-Персонье Робервалю, одному из создателей Парижской академии в 1666 году. Однако эта гипотеза была чисто умозрительной, а потому далеко не единственной. В 30-х годах XVIII века французский ученый и инженер П.-Л. Мопертюи предположил, что кольцо Сатурна обязано своим происхождением кометам, которые планета захватывала при близком прохождении. Головы комет становились спутниками Сатурна, а хвосты образовали кольца. Ж.-Ж. Мэран и Ж.-Л. Бюффон, коллеги Мопертюи по Парижской академии, считали кольцо остатком экваториального вещества планеты. По Мэрану, Сатурн первоначально имел большие размеры, но, сжимаясь в результате охлаждения, сбросил внешние слои; согласно Бюффону, кольцо отделилось от планеты вследствие избытка центробежной силы. Впервые темное внутреннее кольцо Сатурна (кольцо С) наблюдал английский астроном Томас Райт. Кольцо Сатурна представилось ему "образованным из многих колец, из которых два видны очень хорошо и заметно третье. Я наблюдал их в рефлектор с 5-футовым фокусом в марте 1739 года, причем внешнее относилось к внутреннему (кольцо А к кольцу В.- И. П.), как 1 к 3, а остальная часть (кольцо С.-И. П.) казалась очень темной. В это время кольцо было максимально развернутым", Интересную гипотезу строения кольца Сатурна развил в 1755 году Иммануил Кант в своем труде "Всеобщая естественная история и теория неба". Ему уже было известно о наблюдении "многих концентрических колец, отделенных Друг от друга некоторым пространством". Считая кольцо "газом частиц". Кант доказывал, что так как равновесие кольца обусловлено равенством тяготения и центробежной силы, то в соответствии с законом сохранения углового момента разреженный, но все же "столкновительный" диск будет дробиться на узкие концентрические полосы и именно это предотвратит кольцо от полного разрушения. Кант рассуждал так; "Каким бы ничтожным ни казалось препятствие, чинимое друг другу частицами, если принять во внимание их большое рассеяние в плоскости кольца, то представляется вероятным, что отставание более удаленных частиц при каждом их обороте должно постепенно замедлять и задерживать быстрее движущиеся, ближайшие к планете частицы; и наоборот, эти последние должны сообщить более удаленным часть своего движения для более быстрого обращения; если бы это взаимодействие не было прервано, то указанный процесс продолжался бы до тех пор, пока все частицы кольца, и ближние, и дальние, не стали бы обращаться за одинаковое время. Но при таком движении кольцо совершенно разрушилось бы. Однако такого беспорядка опасаться не приходится. Механизм созидающего движения кольца по тем же причинам, которые должны были бы его разрушить, приводит его в устойчивое состояние; это достигается тем, что кольцо дробится на несколько концентрических круговых: полос, которые из-за разделяющих их промежутков теряют связь друг с другом... Я питаю надежду - и это дает мне немалое удовлетворение - что действительные наблюдения когда-нибудь подтвердят мое предположение". Рассуждения Канта о динамике разреженного кольца вполне состоятельны, а вывод о дроблении кольца на концентрические зоны предвосхитил ошеломляющие открытия XIX и XX веков. Примерно в 1760 году кольцо Сатурна изучал в 12-футовый телескоп английский оптик Джеймс Шорт. "Шорт сказал мне,- сообщил Ж. Лаланд в своем капитальном руководстве по астрономии,- что видел внешнюю часть кольца, поделенную многочисленными линиями, которые казались концентричными окружности кольца". Лаланд привел также рисунок, выполненный по наблюдениям Шорта. Как полагал П.-С. Лаплас, результаты Шорта "не позволяют усомниться, что кольцо Сатурна сложено из многих колец, лежащих примерно в одной плоскости более скептично оценивал эти результаты Вильям Гершель, отметивший, что "многие телескопы дают двойные и тройные изображения, особенно те, которые имеют большую апертуру и подвержены дрожаниям. Сам Гершель изучал систему Сатурна в течение 20 лет, начиная с 1774 года. И видел лишь "одну темную, весьма широкую полосу, неизменно обнаруживавшуюся на одном месте",- основное деление кольца, которое "не изменялось ни по ширине, ни по цвету"; это "позволяло говорить о нем со всей определенностью". Просмотрев все свои наблюдения Сатурна, Гершель "смог найти лишь четыре, когда было отмечено какое-либо другое черное деление... Эти наблюдения следующие... 19 июня 1780 года, в новый 7-футовый телескоп с апертурой 6,4 дюйма я вижу вторую черную кромку на кольце Сатурна, у внутреннего края на восточном рукаве кольца. 20 июня, вижу ту же... кромку... 21 июня, малый 20-футовый ньютоновский рефлектор, увеличение 200, вижу вторую черную кромку. Она ближе к внутренней стороне кольца, чем основное деление к внешней стороне. 26 июня, вторая черная кромка заметна на восточной стороне кольца Сатурна". Гершель признавал, что эти наблюдения проводились при благоприятной ориентации кольца "и, следовательно, могут считаться убедительным фактом в пользу существования другого деления". Но он отказался признать это деление, поскольку оно требовало дальнейшего подтверждения, главным образом потому, что Гершель никогда больше не мог его увидеть, даже в лучшие свои инструменты. Итак, классические результаты XVII века обросли пестрыми сообщениями о наблюдении различных полос на кольцах А и В. В XVIII веке наблюдения колец Сатурна проводились с "разнокалиберными" телескопами, имевшими свой индивидуальный почерк. Недоверие к этим наблюдениям порождало, главным образом, не то, что новые детали кольца казались "тонковаты" для тогдашних инструментов,-такие наблюдения были единичными, их не удавалось повторить, проверить.
XIX ВЕК: А все-таки оно дробится!
Любопытнейшие детали строения кольца Сатурна открылись английскому капитану Генри Кейтеру-оптику, геодезисту, метрологу. 17 декабря 1825 года "вечер был изумительный: ни малейшего ветерка и легчайшая дымка, что всегда благоприятствует отличной видимости". Наблюдая в ньютоновский телескоп (фокус 40 дюймов, апертура 6,25 дюйма), Кейтер предположил, что видит "внешнее кольцо разделенным многочисленными темными полосами, чрезвычайно близкими, причем одна сильнее остальных и делит кольцо примерно пополам". "После многочасового тщательного исследования я мало сомневаюсь в том, что внешнее кольцо Сатурна состоит из отдельных колец". В этот же вечер явление было засвидетельствовано двумя другими людьми, которым Кейтер показывал кольцо Сатурна. Один увидел несколько делений на кольце А, тогда как второй разглядел здесь только основную полосу. "Этот человек,- пояснил Кейтер,- был крайне близорук, а телескоп оставался отрегулированным по моим глазам, и это может объяснить, почему тонкие деления не были видны, а более крупное оставалось заметным". 16 и 17 января 1826 года полосы представились Кейтеру менее отчетливыми. 26 февраля он не смог различить "делений, видимо, по причине лондонского смога". Наконец, 22 января 1828 года, когда основное деление прослеживалось превосходно, "не ощущалось никаких следов делений внешнего кольца. Поэтому я убежден, что они не являются неизменными". О своих наблюдениях Кейтер сообщил в начале 1826 года Джону Гершелю, который вскоре исследовал кольцо Сатурна в 20-футовый телескоп и ничего особенного не обнаружил. Летом 1826 года Василий Яковлевич Струве, основываясь на своих наблюдениях, заявил: "Что касается деления кольца на многочисленные части, я не заметил никаких следов". Однако в 1838 году римский священник Франческо де Вико в 6-дюймовый ахроматический телескоп вновь отчетливо видел и показал своим ученикам и друзьям три темные полосы - одну почти посередине кольца А и две другие на кольце В. Видимость полос немного менялась в зависимости от атмосферных условий, а при прохождении Сатурна через меридиан иногда были видны сразу шесть колец. В том же году вышла обстоятельная статья немецкого астронома Иоганна-Франца Энке. Он писал, что 25 апреля 1837 года, когда литература о делениях кольца Сатурна была ему почти неизвестна, он испытывал новый ахроматический окуляр и увидел, что "ушки" внешнего кольца разделены штрихами на две равные части. Деление систематически исследовалось в мае-июле, был выполнен ряд микрометрических измерений его положения и толщины. Появление этой низкоконтрастной полосы, которую Энке и другие одновременно наблюдали либо посередине кольца А, либо чуть ближе к его наружному краю, обусловлено, как выяснилось в наши дни, наложением нескольких близких темных полос. Вместе с тем современные наблюдения подтвердили наличие крайне узкой высококонтрастной щели вблизи наружного-края кольца А, которую отчетливо видел в 36-дюймовый рефрактор Ликской обсерватории (США) и зарисовал Джеймс Килер 7 января" 1888 года. Но именно эту полосу сейчас называют делением Энке. В своей статье Энке привел также данные наблюдений Иоганна-Готфри де Галле (обнаружившего Нептун). Тот видел, что 8 мая 1838 года" "внутренний край внутреннего кольца расплывался", а 25 мая "темное пространство между Сатурном и его кольцом было образовано, вплоть до середины, плавным протяжением внутреннего края кольца в темноту". Это робкое описание кольца С дано" через 100 лет после наблюдений Райта. Результаты Райта так и не стал достоянием широкой астрономической общественности; напротив, наблюдения Галле, опубликованные в "Записках Берлинской академии наук", получили известность "всего" 13 лет спустя, вскоре после того, как в конце 1850 года кольцо С было окончательно открыто в Америке и Европе. Один из "открывателей" кольца С английский астроном Вильям Доуз, разыскавший "Записки..." в библиотеке Королевского общества, не без удивления отметил: "Обратившись к этому тому, ... я обнаружил, что он даже не был разрезан". Осенью 1851 года независимо, на разных материках, вновь были зарегистрированы деления на кольце В. 26 октября Доуз вел наблюдения в 8,5-футовый рефрактор. По его словам, "ночь была замечательна для отчетливости и резкости изображения" и "небо было в легкой дымке, гак что звезды светились слабым сиянием". Он "ясно видел ряд узких концентрических полос, каждая из <оторых была несколько ярче соседней наружной. Отчетливо различались 4етыре полосы. Они выглядели по-цобно ступенькам, ведущим вниз к черному провалу между кольцом и планетой". Тогда же в США, в Гарвардской обсерватории, наблюдения Сатурна 1роводил Вильям Бонд (директор обсерватории) и его сын Джон Бонд - американские "открыватели" кольца С. 20 октября "Сатурн выглядел отменно; устойчив и отчетлив. Внутреннее яркое кольцо мельчайше поделено на большое число меньших колечек"; деления начинались у эго внутреннего края и захватывали 1римерно 2/3 ширины кольца. "При 800-кратном увеличении линии были совершенно явственны, но слабели в направлении внешней стороны. Вид был сравним с последовательностью волн. Верхушки соответствовали узким кольцам, проемы - делениям". В 1859 году будущий создатель классической электродинамики Джеймс Максвелл доказал, что кольцо Сатурна не может быть единой системой, твердой или жидкой, и подтвердил - на более высоком математическом уровне-вывод Канта о дроблении кольца. Чтобы система колец могла существовать, она, утверждал Максвелл, "должна состоять из бесконечного числа независимых частиц, обращающихся вокруг планеты с различными скоростями. Эти частицы могут собираться в серии узких колец или же могут двигаться внутри своего ансамбля хаотически. В первом случае разрушение будет чрезвычайно медленным, во втором - более быстрым, но при этом может появиться тенденция к скучиванию в узкие кольца, что замедлит разрушительное действие". Таким образом, данные наблюдений структуры кольца Сатурна получили в XIX столетии недостававшие ранее атрибуты надежных результатов: независимость от места наблюдений и конкретных инструментов, повторяемость, возможность проверки. Но почему все-таки, начиная с середины XIX века, никто больше не наблюдал многочисленных делений на кольцах А и В? Возможно, это отчасти объясняется ухудшением астроклимата-астрономы первыми ощутили последствия мирового промышленного бума. История визуальных наблюдений кольца Сатурна, его тонкой структуры за последние лет сто почти уже забылась, но в наши дни - благодаря "указаниям" "Вояджеров"-была спешно реставрирована, и интерес к ней возродился вновь, И тогда мы узнали, что для астрономов XIX века отнюдь не в диковинку оказалось бы открытие большого числа делений на кольце Сатурна. Поразительно, насколько совпадает предполагаемое дробление кольца на рисунках английского астронома Р. Проктора, с изображением, переданным на Землю "Вояджером-1". Признавав заслуги астрономов прошлого в изучении "сатурнова украшения", Международный астрономический союз. недавно присвоил отдельным делениям кольца имена Гюйгенса, Максвелла и Килера.