Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную

Поскольку все в космосе движется кругами, общая схема обладает вращательной симметрией — и, соответственно, скорость частицы зависит только от расстояния до центра. Если считать массу вещества в кольце пренебрежимо малой по сравнению с массой Сатурна (а сегодня точно известно, что это соответствует действительности), то третий закон Кеплера приводит нас к простой формуле. Скорость частицы кольца в километрах в секунду составляет 29,4, деленные на корень квадратный из ее орбитального радиуса, выраженного в радиусах Сатурна.

В качестве альтернативного варианта кольца могли бы быть жидкими. Но в 1874 году Софья Ковалевская — одна из величайших женщин-математиков — показала, что жидкое кольцо тоже было бы нестабильным.

К 1895 году к математическим рассуждениям добавился вердикт астрономов-наблюдателей, который гласил: кольца Сатурна составлены из громадного количества небольших объектов. Дальнейшие наблюдения позволили различить в составе колец несколько новых, еще более слабых подколец, которые астрономы с большой изобретательностью назвали D, E, F и G. И поскольку называли их в порядке обнаружения, то в пространстве они располагаются, если считать от планеты наружу, в порядке DCBAFGE. Не настолько запутанно, как в анаграмме Галилея, но уже близко.

* * *

Ни одна военная диспозиция не сохраняется при столкновении с противником. Ни одна астрономическая теория не выдерживает столкновения с более качественными наблюдениями.

В 1977 году NASA отправило два космических зонда Voyager 1 и Voyager 2 в Большой тур к планетам. Планеты Солнечной системы тогда удачно выстроились в линию, так что можно было заглянуть к внешним планетам по очереди. Voyager 1 побывал у Юпитера и Сатурна; Voyager 2 пролетел также мимо Урана и Нептуна. После этого «Вояджеры» продолжили полет, направляясь прочь из системы, в межзвездное пространство, определяемое как область за гелиопаузой, где стихает солнечный ветер. Термин «межзвездное» здесь означает, что Солнце больше не оказывает сколько-нибудь существенного влияния, за исключением довольно слабого гравитационного притяжения. Voyager 1 добрался до этой переходной зоны в 2012 году, а Voyager 2, как ожидается, сделает это в 2016 году[38]. Оба аппарата продолжают слать на Землю научные данные. Безусловно, это самые успешные космические экспедиции в истории.

В конце 1980 года представления человечества о Сатурне изменились навсегда — за шесть недель до максимального сближения с планетой Voyager 1 начал присылать фотографии ее колец. Снимки невиданной до той поры подробности позволили разглядеть сотни, если не тысячи, отдельных колец, расположенных очень близко друг к другу, как бороздки на старой граммофонной пластинке. Само по себе это было не особенно удивительно (в точности такими кольца представлял себе Лаплас!), но на снимках обнаружились и другие черты, неожиданные и поначалу поставившие ученых в тупик. Многие теоретики ожидали, что основные детали системы колец будут состоять в резонансе с самыми внутренними (известными) спутниками планеты, но оказалось, что в среднем никаких резонансов нет. Деление Кассини также оказалось не пустым; внутри его имеется по крайней мере четыре тонких кольца.

Ричард Террайл — один из ученых, работавших с полученными изображениями, — заметил кое-что совершенно неожиданное: темные тени, похожие на размытые спицы колеса, которые к тому же вращались. Никто до него не видел в кольцах ничего, что нарушало бы кольцевую симметрию. А тщательный анализ радиусов колец выявил еще одну загадку: одно из колец оказалось не совсем круглым.

Voyager 2, запущенный раньше Voyager 1, но двигавшийся медленнее, чтобы получить возможность проследовать дальше, к Урану и Нептуну, подтвердил эти находки, когда прошел мимо Сатурна девять месяцев спустя. Но с притоком новой информации появились и новые загадки. Некоторые кольца выглядели так, будто заплетены в косичку; у некоторых были видны странные петли; нашлись также неполные кольца, которые состояли из нескольких дуг, разделенных промежутками. Кроме того, внутри колец были замечены неизвестные ранее спутники Сатурна. До пролетов «вояджеров» земные астрономы знали девять лун Сатурна[39], но вскоре после пролетов их число выросло до тридцати с лишним. Сегодня их насчитывается 62 плюс сотня или даже больше крохотных спутничков, обитающих в кольцах. Из всего этого множества 53 спутника на сегодняшний день имеют официальные названия. Зонд Cassini, находящийся на орбите вокруг Сатурна, обеспечивает земным астрономам непрерывный приток данных о планете, ее кольцах и лунах[40].