Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную

Подобные регулярные перестановки категорически не похожи на аккуратные эллипсы, которые рисовал Кеплер. Дело в том, что эллипсы — естественные орбиты в динамике системы двух тел. Когда на сцене появляется третье тело, орбиты меняют форму. В данном случае большую часть времени воздействие третьего тела достаточно невелико, чтобы его можно было игнорировать, так что каждая луна движется довольно точно по эллипсу, как если бы другой луны на той же орбите не было. Но когда луны сближаются, такая аппроксимация перестает отражать реальную картину. Спутники взаимодействуют и — в данном случае — меняются местами, так что каждый из них попадает на орбиту, где раньше находился второй. В определенном смысле истинная орбита каждого спутника может быть описана как два эллипса, сменяющие один другой, с короткой переходной траекторией между ними. Оба спутника обращаются по таким орбитам, основанным на одних и тех же двух эллипсах. А переход они совершают одновременно в противоположных направлениях.

* * *

Кольца Сатурна известны со времен Галилея, несмотря на то, что сам он не знал в точности, что они собой представляют. Кольца Урана попали в поле зрения астрономов в 1979 году. Мы сегодня знаем, что Юпитер и Нептун также обладают очень тусклыми системами колец. И даже спутник Сатурна Рея, возможно, имеет собственную очень разреженную систему колец.

Более того, в 2009 году Дуглас Хэмилтон и Майкл Скрутски обнаружили, что у Сатурна есть поистине гигантское, но очень тусклое кольцо намного больше тех, что видели Галилей и «Вояджеры». Предшественники не заметили это кольцо отчасти потому, что видимым оно является только в инфракрасном свете. Его внутренний край отстоит примерно на шесть миллионов километров от планеты, а внешний удален от нее на 18 миллионов километров. В пределах кольца обращается спутник Сатурна Феба, и очень может быть, что именно этому спутнику кольцо обязано своим существованием. Это очень разреженное кольцо состоит из льда и пыли; не исключено, что оно может помочь исследователям разобраться в давней загадке — темной стороне Япета. Известно, что одна половина спутника Япет заметно ярче другой — этот факт ставил астрономов в тупик примерно с 1700 года, когда Кассини первым обратил на него внимание. Теперь кажется вероятным, что Япет собирает на себя темное вещество гигантского кольца.

В 2015 году Мэтью Кенворти и Эрик Мамаек объявили, что у далекой экзопланеты, обращающейся вокруг звезды J1407, имеется система колец, по сравнению с которой система Сатурна кажется бледной и совершенно незначительной, даже принимая во внимание обнаруженное недавно внешнее кольцо. Эти кольца, подобно кольцам Урана, открыты в результате анализа флуктуаций на кривой блеска (кстати говоря, это основной метод обнаружения экзопланет, см. главу 13). Когда планета проходит по диску звезды (транзит), свет звезды несколько тускнеет. В данном случае ослабление блеска звезды повторялось на протяжении двух месяцев, но каждое событие (затемнение) было довольно коротким. Из этого был сделан вывод, что линию зрения от этой звезды к Земле, должно быть, пересекла какая-то экзопланета с многочисленными кольцами. В наилучшей модели получилась система из 37 колец, радиус которой составляет 0,6 а.е. (90 миллионов километров). Сама экзопланета пока не обнаружена, но считается, что она примерно в 10–40 раз массивнее Юпитера. Чистый промежуток в системе колец проще всего объяснить присутствием экзолуны, размер которой также можно оценить.

В 2014 году еще одна система колец была обнаружена в Солнечной системе в совершенно невероятном месте: вокруг астероида (10199) Харикло — малого тела, принадлежащего к типу так называемых кентавров[43]. Это тело обращается между Сатурном и Ураном и является крупнейшим известным кентавром. Его кольца проявили себя двумя легкими снижениями яркости в серии наблюдений, в которых Харикло заслонял собой (на астрономическом жаргоне — покрывал) различные звезды. Относительное положение этих впадинок на графике близко все к тому же эллипсу с Харикло возле центра; предполагается присутствие двух близких колец на почти круговых орбитах, плоскость которых видна нам под углом. Одно из колец имеет радиус 391 километр и ширину около семи километров; затем идет девятикилометровый промежуток до второго кольца радиусом 405 километров.

Поскольку уже понятно, что системы колец в космосе встречаются, их существование не может быть простой случайностью. Но как же формируются кольца? Существует три основные теории. Они могли сформироваться из первоначального газового диска одновременно с планетой; они могут оказаться остатками луны, разбитой при столкновении; они могут быть остатками луны, подошедшей к планете ближе предела Роша, на котором приливные силы превышают прочность камня, и разрушенной ими.