«Земля и Вселенная» 1991 г №2 (март - апрель)



Зарубежная
космонавтика

Нептун, его кольца и спутники

Л. В. КСАНФОМАЛИТИ,
доктор физико-математических наук
Институт космических исследований АН СССР
В № 3, 1990 г. нашего журнала известный советский исследователь планет Леонид Васильевич Ксанфомалити опубликовал статью «Дальше — только звезды», посвященную истории проекта Вояджер, самим аппаратам и их полету. Автор статьи обещал читателям «Земли и Вселенной» познакомить и с научными результатами исследований Нептуна, сближением с которым завершилась планетная часть миссии Вояджер, и, как видим, выполнил свое обещание. Предлагаемая статья — это сокращенный вариант одной из глав книги «Парад планет», выходящей в издательстве «Наука» в этом году.

В августе 1989 г. принимавшиеся с Вояджера-2 изображения Нептуна на телевизионных экранах стали
быстро увеличиваться — до цели оставались последние десятки миллионов километров. Каждую секунду аппарат приближался к планете на 19 км. Все его системы работали хорошо, и среди ученых-планетчиков царило приподнятое ожидание. Сильнее всего оно ощущалось в расположенном в пригороде Лос-Анджелеса огромном космическом исследовательском центре США, известном под названием JPL (Лаборатория реактивного движения). Сюда собрались многочисленные гости из разных стран, журналисты, работники телевидения со своими ярко раскрашенными фургонами, параболическими антеннами и разбросанными под ногами толстыми кабелями. Все места на окрестных автостоянках были заняты. А неподалеку, в Пасадене, собралось Американское Планетное Общество, которое через внутренние телевизионные линии получало все новые и новые изображения Нептуна и его спутников. Ученые Калифорнийского технологического института, Лос-Анджелесского и других университетов, казалось, одновременно присутствовали всюду: на пресс-конференциях, выступлениях, научных собраниях.

С Вояджера-2 поступали все новые данные. Его сближение с Нептуном отмечалось как национальное торжество, которое, надо сказать, Вояджер-2 заслужил. По существу, полное обновление сведений обо всем семействе планет-гигантов — результат всего одной планетной миссии. За время полета аппарат передал 115 тыс. телевизионных изображений, в том числе 9 тыс.— при сближении с Нептуном. Среди них есть снимки буквально «захватывающие дух».

Задолго до сближения журналисты стали требовать от ученых исчерпывающие предсказания — что ждет Вояджер-2 у Нептуна. Но ученые предпочитали заниматься проверкой и уточнением программ намеченных экспериментов. Ошибиться в них сейчас было бы особенно досадно — следующая возможность задать вопрос природе появится нескоро. Как показало сближение, некоторые из небогатых сведений о физике Нептуна, добытые в трудных наземных исследованиях, оказались довольно близкими к истине. Пожалуй, это не удивительно — все они были получены с помощью самых новых технических средств. Впрочем, и у нас теперь есть возможность сопоставить новые данные с прежними представлениями о Нептуне.



Схема сближения Вояджера-2
с Нептуном. Спутник Нереида
находится за пределами черте-
жа. Внизу — часть орбиты Не-
реиды. Показаны зоны затмений
аппарата Нептуном и Тритоном

ВОДА ВМЕСТО АЛМАЗОВ

Увидеть облака на Нептуне обычными телескопическими методами практически невозможно. Поэтому еще совсем недавно определить период вращения далеких гигантов (Урана и Нептуна) можно было только по доплеровскому смещению полос. И хотя их в спектрах планет-гигантов сколько угодно, найти период вращения трудно. Последние довояджеровские оценки продолжительности суток Нептуна составляли от 15 до 19,5 ч. Вояджер-2 позволил из наблюдений радиовсплесков найти более точный период вращения глубоких слоев планеты — 16,11 ч.

Масса Нептуна в 17 раз больше земной (1,0243·1029 г). Велик и диаметр планеты: 49 528 км экваториальный и 48 680 км полярный — в 3,9 раз больше диаметра земного шара, но немного меньше Урана. Средняя плотность Нептуна 1,64 г/см3. Сравнительно высокая средняя плотность указывает на большую долю тяжелых соединений и элементов в глубоких слоях планеты. Ускорение свободного падения на уровне видимой поверхности облаков на Нептуне на 16 % больше земного (но в 2,3 раза меньше, чем на Юпитере). Особенность орбиты Нептуна — очень малый эксцентриситет, 0,009,— почти такой же, как у Венеры. Угол наклона экватора к плоскости орбиты составляет 29°,— в точности, как у Сатурна. Орбита наклонена к эклиптике на 1,8°. Год Нептуна длится 164,8 лет.

Характерная аквамариновая окраска Нептуна, еще более глубокого тона, чем у Урана, объясняется присутствием сильных метановых полос поглощения в красной части спектра. Метан в атмосфере Нептуна (как и у других планет-гигантов) составляет лишь небольшую примесь, около 1 %. Атмосфера состоит, главным образом, из водорода и гелия, причем доля гелия, согласно предварительным данным, 15 % или чуть больше (но заведомо меньше 25 %). Почти все остальное — водород. Гелия больше, чем в атмосфере Урана. Высота атмосферы может достигать 3—5 тыс. км, а давление на ее дне 200 кбар. Для перехода водорода в жидко-молекулярное состояние (как у Юпитера) этого недостаточно.

По-видимому, на дне нептунианской атмосферы находится океан из воды, насыщенной различными ионами. Интересно, что предложенная для Урана и, похоже, не подтвердившаяся для него гипотеза «о горячем перемешивающемся водяном океане» оказывается справедливой для Нептуна! Если предварительные выводы правильны, Нептун окажется планетой с самым большим океаном в Солнечной системе. Один из сильных аргументов в пользу океана — это поразительное магнитное поле Нептуна, о котором речь будет ниже.
Вид Нептуна за два дня до сближения Вояджера-2. Основная деталь — Большое Темное Пятно (левее центра); период его обращения 18,3 ч. На правой части снимка видны также Темное Пятно-2 (внизу) и «скуттер» между ними
 

Метан в атмосфере — это, конечно, далеко не весь метан. Предполагается, что значительное его количество входит в ледяную мантию планеты. При давлении около1 Мбар смесь воды, метана и аммиака может образовать твердые или газожидкие льды даже при очень высоких температурах — от 2000 до 5000 К. На долю ледяной мантии приходится до 70 % всей массы планеты, причем основная ее часть — вода! В качестве курьеза стоит упомянуть недавнюю работу, авторы которой указывали, что в недрах планеты может существовать слой алмазов. Экспериментальное воздействие ударных волн на метан, находящийся под давлением 1 Мбар при температуре 2000—4000 К, вызывало диссоциацию метана с последующей кристаллизацией углерода в алмазы. Толщина слоя алмазов, по оценке авторов гипотезы, может достигать тысячи километров. Гипотеза, естественно, привлекла внимание людей, весьма от астрономии далеких. Но даже если это предположение окажется в чем-то справедливым, разработка недр планеты вряд ли станет когда-нибудь возможной...

Около 25 % массы Нептуна приходится на расположенное внутри мантии ядро. Оно состоит из окислов кремния, магния, железа и его сульфидов. Сейчас специалисты считают, что ядро должно включать также много хондритных материалов, которые в обилии присутствовали в протопланетном облаке на стадии формирования планет.

Теоретические модели далеких гигантов позволяют предложить несколько различающихся моделей внутреннего строения, выбирать между которыми можно только на основе экспериментальных данных. Теоретики обычно исходят из того, что состав планеты должен быть близким к составу протопланетного облака (в его периферийной части, где образовался Нептун). На этой основе и строится та или иная модель. Но особенности состава протопланетного облака тоже известны плохо. Типичная модель строения Нептуна сегодня имеет давление в центре планеты 6—8 Мбар и постоянную температуру в ядре около 7 тыс. К. Критический для моделей параметр — безразмерный момент инерции планеты — до Вояджера-2 принимался равным 0,29. Теперь его удалось уточнить в эксперименте, поэтому набор возможных моделей значительно сократился.

С особенностями строения недр Нептуна связана загадка его теплового излучения. Поток солнечной радиации на его орбите в 2,46 раза меньше, чем на Уране, а отражательные свойства обеих планет близки. В видимой части спектра они отражают около 85% падающего солнечного света. Так что энергетический «бюджет» Нептуна очень невелик (0,5 % земного). Уран, как показал Вояджер-2, имеет весьма «спокойную» метеорологию. Можно было ожидать, что на Нептуне атмосферные течения будут еще слабее. На самом деле, как это ни странно, нет. Уже наземные измерения показали, что Нептун выделяет и излучает значительный поток энергии. Вояджер-2 показал, что этот поток в 2,7 раза больше того, что планета получает от Солнца. Температура теплового излучения Нептуна составляет 59,3 К, т. е. выше, чем у Урана (56 К). Гипотезы, которые успешно объясняют большое тепловыделение у Юпитера и Сатурна, здесь не годятся.

На фотографиях, переданных с Вояджера-2, планета выглядит не слишком богатой деталями,— их мало, ровный голубой фон с довольно слабо выраженными поясами, несколько темных пятен и несколько групп очень светлых облаков. Похоже, что Вояджер-2 застал не самый эффектный наряд Нептуна. Планета бывает и покрасивее. Лучшие наземные снимки, полученные ПЗС-камерой в начале 80-х годов и сделанные в спектральной полосе поглощения метана 890 нм, позволили различить большие, в четверть диска, светлые пятна. Это были расположенные высоко в атмосфере облака из твердых аэрозольных частиц неизвестного состава. Сделать такие снимки стоило большого труда, применялись новейшие приборы и сложная обработка изображений на компьютере. 2,5" — это наибольший угол, под которым с Земли бывает виден диск Нептуна. А в хороших астрономических условиях, с телескопом средних размеров астроном может получить изображение с разрешением около 1,5— 1"'. Иными словами, Нептун останется точкой. Но с использованием упоминавшихся новых методов в одной из работ удалось получить разрешение раз в десять лучше (0,2"). На снимках был отчетливо виден темный экваториальный пояс планеты и две широких полосы облаков в интервалах широт 30—70° в северном и южном полушариях. Удалось даже проследить, как на последовательных снимках смещались крупные массивы облаков и найти по ним период вращения облачной атмосферы на этих широтах, в среднем 17 ч 50 мин. Это почти на 2 ч больше периода вращения глубоких слоев планеты.

Снимки Нептуна указывают на значительную метеорологическую активность планеты (в отличие от Урана!), причем характер атмосферной циркуляции несомненно доказывает, что энергия приходит «снизу», из недр планеты, как на Юпитере и Сатурне. Сколь ни мал приток солнечной радиации, для Урана это практически единственный источник энергии (напомним, что его собственное тепло в суммарном тепловом потоке— не более 13%), Согласно расчетам, этой энергии слишком мало, чтобы возникли такие мощные явления, как циклоны. И действительно, скорости ветра на Уране невелики. На Нептуне ветры несравнимо сильнее. Одно из возможных объяснений: Уран уже отдал все запасенное тепло, а Нептун — еще нет. Словом, эти «близнецы» не слишком похожи. Давно известно, что Нептун обнаруживает какую-то активность (например, быстрые изменения яркости в узких полосах инфракрасного диапазона на целых 3 звездных величины).

ДО НЕПТУНА 4900 КМ

В задачи сближения входило изучение Нептуна и окружающего его пространства (кольца, спутники, пылевые частицы, магнитосфера, электромагнитные излучения). Сближение произошло в 3 ч 56 мин 25 августа 1989 г., когда Вояджер-2 отделяло от центра планеты 29 240 км, а до поверхности облачного слоя оставалось лишь 4900 км. Аппарат приближался к Нептуну со стороны освещенного Солнцем южного полушария планеты. После отклонения его полем тяготения планеты,— это был последний гравитационный маневр Вояджера-2,— аппарат был направлен к Тритону. Сближение с Тритоном произошло в 9 ч 10 мин в тот же день, с минимальным расстоянием 39 800 км. Разумеется, большой объем исследований выполнен также до и после непосредственного сближения с планетой.

Большое Темное Пятно с рас-
стояния 2,8 млн км. По разме-
рам оно близко к земному шару

Одно из первых открытий Вояджера-2 — странное образование на диске Нептуна, которое по аналогии с Большим Красным Пятном (БКП) на Юпитере получило название «Большое Темное Пятно» (БТП). Несмотря на небольшие внешние отличия, сходство БТП и БКП несомненно. Пятно на Нептуне меньше юпитерианского, оно близко к размерам земного шара. Его форма и размеры не вполне постоянны. Угловая протяженность БТП практически та же, что и пятна на Юпитере — по долготе 38°, а по широте 15° (для сравнения: у БКП соответственно 30° и 20°). Более того, БТП и находится на том же месте: 20° южной широты, на широкой светлой полосе, охватывающей широты от 5°N до 40°S, несимметрично относительно экватора.

По своей природе БТП — это гигантский антициклон, вытянутый в долготном направлении. Расположенный в южном полушарии, он вращается против часовой стрелки и завершает один оборот за 16 земных суток (значительно дольше, чем на Юпитере). БТП — зона повышенных давлений и температур. Интересно, что при наблюдении поля теплового излучения планеты БТП ничем не выделяется, в то время, как Красное Пятно Юпитера хорошо видно на тепловых картах.

Над центром Большого Темного Пятна порой появляются яркие белые облака, которые висят высоко в прозрачной надоблачной атмосфере. По положению теней аналогичных объектов на основном облачном слое удалось найти высоту белых облаков — от 50 до 100 км.

В отличие от Красного Пятна Юпитера, сопровождающегося как бы бурлящими потоками, пятно на Нептуне имеет спокойные, однородные очертания. Над южным краем БТП постоянно наблюдался массив белых облаков, подобный облакам над горными вершинами Земли. Плотность облаков меняется изо дня в день. По аналогии с горными облаками можно утверждать, что здесь должны быть мощные восходящие потоки газа. 21 августа 1989 г. над БТП появилась широкая облачная полоса. Она как бы разрезала Пятно пополам и кажется даже немного сместила нижнюю его половину относительно верхней. Почему? Во всем этом пока очень много непонятного. Физика планет-гигантов, по существу, подвергается ревизии.

Изучение метеорологических явлений на Нептуне оказалось непростым делом. И не только из-за того, что там в 900 раз более низкая освещенность, чем на Земле. Тяжело пришлось ученым, которые разрабатывали подробную программу наблюдений с поворотами телевизионной камеры. Эта программа предусматривала повторные наблюдения некоторых метеорологических объектов на следующий нептунианский день и через несколько оборотов планеты. Программу разворотов надо было послать на борт Вояджера-2 заблаговременно. Но предсказанные положения изучаемых объектов сплошь и рядом не оправдывались. Зачастую через сутки Нептуна они оказывались на другой широте, а то и вовсе исчезали с голубого диска.

Скорости движения метеорологических объектов в атмосфере Нептуна огромны. По отношению к самой вращающейся планете некоторые из них смещаются на 2200 км за 1 ч. По скорости ветров Нептун обогнал даже Сатурн. Уникальная особенность Нептуна — движение атмосферы направлено к западу, разумеется, относительно вращающейся к востоку планеты. Но экваториальная скорость, вызванная вращением, настолько высока (2,7 км/с), что как быстро ни мчались бы облака, результирующая скорость всегда остается направленной к востоку. Иными словами, поскольку сверхураганные ветры дуют в сторону, обратную направлению вращения планеты, период вращения, найденный по движению облаков, получается длительнее истинного периода планеты. Все наоборот по сравнению с суперротацией Венеры!

БТП движется к западу со скоростью 325 м/с, причем уже за одну неделю уплывает относительно предсказанных долгот и широт. По сравнению с ним Красное Пятно Юпитера может считаться эталоном стабильности: его дрейф составляет всего 3 м/с. Антициклоническое движение БТП примерно соответствует разности скоростей зональных течений с его северной и южной сторон, которые обтекая, вращают его.

Пятно находится на самой яркой полосе («зоне», по аналогии с Юпитером). Темные пояса, тоже расположенные несимметрично относительно экватора, выражены нечетко и охватывают широты от 6° до 25° и от 45°S до 70°S. Вокруг южного полюса Нептуна расположена облачная «полярная шапка», по яркости соответствующая полосе на широте 40°S. Структура вблизи северного полюса неизвестна — там сейчас полярная ночь.

ПРИЗРАКИ МЕТЕОРОЛОГИИ

Структура полос, концентричных относительно полярной оси планеты (а не подсолнечной точки), показывает, что динамика атмосферы в значительной мере определяется притоком тепла из недр. В самом деле, представим себе невращающуюся планету без внутренних источников тепла. «Особой точкой» в динамике ее атмосферы будет, конечно, пятно, обращенное к Солнцу. Сложнее выглядит вращающаяся планета. В игру вступают могучие силы Кориолиса, которые знакомы нам по погодным явлениям на Земле, где внутреннее тепло несопоставимо с притоком солнечной радиации. По существу, динамика атмосферы отражает баланс между двумя источниками энергии.

Самыми низкими температурами на диске Нептуна, всего 52 К, отличаются именно подсолнечные широты, а самыми «теплыми», до 61 К, оказались районы полюсов и экватор. Простейшее объяснение заключается в том, что слегка нагретый газ поднимается, охлаждаясь, в подсолнечных широтах и растекается к экватору и к полюсу. Там он снова опускается и нагревается, сжимаясь. Положение осложняется тем, что приборы аппарата измеряют не температуру газа, а, главным образом, температуру аэрозольной среды, положение которой в этих районах не одинаково.

Роль солнечной радиации сказывается и в несимметричной относительно экватора диаграмме распределения скоростей зональных ветров. Диаграмму было нелегко построить — многие из деталей, по движению которых она строилась, оказались «метеорологическими миражами» — через несколько часов они бесследно исчезали. Но трудности возникали и в предсказании положения сравнительно крупных деталей, которые наблюдались постоянно. Второе по размерам пятно «ТП2» (широта 55°S) всего за одну неделю сместилось на 4° (2 тыс. км) к северу. При этом его период возрос на 30 мин. Светлое образование «скуттер» (по середине между БТП и ТП2 на том же рисунке) на широте 42°S отличалось особенно быстрым движением и за короткое время несколько раз изменяло свою форму. Один из специалистов по динамике атмосферы возмущенно заметил, что детали на диске Нептуна меняют полосы, нарушая все правила дорожного движения...

В некоторых районах скорость ветра достигала скорости звука. Распределение ветров по широтам в среднем такое: на 60°S и 30°N скорости минимальные (±100 м/с) и возрастают до 400—700 м/с в полосе широт от 0—20°S.

О природе «метеорологических миражей» пока еще нет единого мнения. Многие считают, что они связаны с локальными восходящими потоками (аналогично явлению апвеллинга в океанах) (Земля и Вселенная, 1971, №1, с. 30). Малые составляющие подоблачной атмосферы выносятся вверх и быстро кристаллизуются в холодном газе, образуя яркие белые облака. Кристаллы затем постепенно оседают и попадают снова в область высоких температур. Кругооборот вещества замыкается. Некоторые специалисты полагают, что природа миражей связана с волнами в атмосфере, на гребнях которых температура падает до температуры замерзания метана, образующего яркие облака.

Видимый облачный слой соответствует давлению 1,2—1,3 бар и среднему диаметру 49 100 км. Заметим, что вывод о конденсированном метане больше опирается на теоретические, чем на экспериментальные данные. На 50—100 км выше видимого облачного слоя иногда наблюдались группы вытянутых облачных полос шириной по 50—200 км с четкими тенями от них на основном облачном слое. На снимках можно увидеть уходящую в ночь облачную гряду (типа земных циррусов) вблизи терминатора, расположенную на широте 27° N примерно на широте БТП, но в северном полушарии. Такие облака появлялись ближе к заходу Солнца.

Облака, похожие на земные циррусы, на высоте около 100 км над плотным слоем облаков Нептуна. 29°N, вблизи терминатора

Природа надоблачной дымки другая. Расположенная выше основного облачного слоя, она наблюдалась над лимбом Нептуна в виде дуг над краем планеты. Согласно расчетам, дымка состоит из углеводородов, возникающих при фотолизе метана: этана С2Н6 и ацетилена С2Н2, образующих слои на высоте 45—60 км, а также этилена С2H4 на высоте около 120 км.

Во время длившегося 49 минут радиозахода аппарата за Нептун было проведено радиозондирование подоблачной атмосферы. Для этого ориентация аппарата изменялась так, чтобы радиолуч Вояджера-2 попал на Землю после преломления в атмосфере Нептуна. Луч неожиданно исчез, когда пересек уровень 3 бар. Это на 25 км ниже верхней границы облаков. По расчетам, здесь должен находиться слой облаков из льда сероводорода H2S. Но сероводород не мог вызвать такое поглощение. Более вероятно, что радио-непрозрачный слой состоит из аммиака (для этого достаточно небольшого его количества).

В общем, чтобы любоваться игрой облаков, лучше всего оставаться на Земле или отправиться на Юпитер!





НАКЛОННЫЙ РОТАТОР

Работы о магнитном поле Нептуна публиковались и до 1989 г. Удобно сравнить, например, работу 1988 г. с теми сведениями, которые ровно через год собрал Вояджер-2. Читатель, вероятно, помнит как искали синхротронное излучение радиационных поясов Юпитера. За прошедшее с тех пор время радиофизики и в прямом, и в переносном смысле шагнули настолько далеко, что была сделана попытка принять на Земле радиошумы из магнитосферы Нептуна, вызываемые движением быстрых электронов в магнитном поле планеты. Авторы сочли попытку успешной и сделали вывод о том, что магнитное поле Нептуна в 2—3 раза сильнее, чем у Земли и Урана. Еще задолго до 1988 г. был предсказан необычный механизм возбуждения магнитного поля Нептуна — вне ядра (что отчасти справедливо и для других гигантов). Большая масса Нептуна и возможное выделение из его недр мощных тепловых потоков стали основой для предположения об интенсивной конвекции в водяной мантии планеты. Напряженность магнитного поля в разных работах оценивалась в пределах от 30 тыс. нТ до 1,7 млн нТ.

Дипольная схема магнитного по-
ля Нептуна (а) и конфигурация
магнитосферы в момент входа в
нее аппарата (в) и его выхода (с).
Точки указывают положение
аппарата, соответствующее ука-
занной конфигурации


«Магнитный штопор» Урана, который так поразил ученых в 1986 г., привлекает именно своей экстравагантностью. Нептун с его «нормальным» положением полярной оси, казалось бы, должен и магнитное поле иметь «нормальное» (по образцу Земли или Сатурна). Но поле оказалось очень похожим на то, что мы уже видели у Урана, только примерно вдвое слабее. И не менее экстравагантным. Для такого поля предложено название «наклонный ротатор». Если представить его, как обычно, дипольным эквивалентом, то угол между осью магнитного диполя и осью вращения Нептуна составит 46,8° (для Урана 59°). В свою очередь, ось вращения на 29° отклонена от нормали к плоскости орбиты. В результате ось диполя описывает в пространстве конус. В настоящее время минимальный угол между образующей конуса и направлением на Солнце близок к 20°, причем к нему обращен южный магнитный полюс. Заметим, что «дипольное» приближение оказывается более или менее удовлетворительным на расстояниях более четырех радиусов планеты. Ближе — сильно сказываются недипольные составляющие.

Ось диполя сдвинута на 14 тыс. км в сторону от центра планеты, а центр диполя смещен на 6 тыс. км в южное полушарие. Поэтому напряженность магнитного поля у южного магнитного полюса в 10 раз выше, чем у северного, и близка к 10 тыс. нТ (в 3 раза меньше земной).

Вояджер-2 провел внутри магнитосферы Нептуна 38 часов. Как и при наблюдении Урана, во время сближения радиовсплески от заряженных частиц долго неудавалось обнаружить. Их нашли за 8 дней до сближения, на расстоянии 864 тыс. км, в тот же день, когда аппарат достиг ударной волны (у границы магнитосферы и невозмущенного сверхзвукового солнечного ветра). Прохождение ударной волны было настолько растянутым, что заняло больше часа (на Земле на это ушло бы 2 с). Причина — наклонный ротатор: в этот момент южный полюс диполя был обращен к Солнцу. Поэтому аппарат двигался практически вдоль линий поля со стороны южного каспа (воронки у магнитного полюса). Такое везение впервые позволило получить сведения о структуре полярных каспов. За время пересечения магнитосферы магнитное поле пять раз изменяло свое направление.

Из периодичности радиовсплесков удалось, наконец, найти период вращения Нептуна (16,11 ч). Радиовсплески принимались еще за месяц до сближения (но их вначале не удавалось выделить из шума) и в течение 22 дней после него. Дюжину раз удалось принять какие-то другие сигналы («спокойного» характера), которые приходили от самой планеты, а не из магнитосферы. Эти сигналы имели направленный характер. Они напоминают известный радиолуч с Сатурна.

Особенности поля Нептуна привели ученых к следующим выводам. Поле возбуждается в жидкой проводящей среде, в слое, который находится на расстоянии 0,55 радиуса планеты от центра, т. е. почти в том слое, что и на Уране. Авторы эксперимента считают, что внутри жидкого слоя находится заведомо твердое ядро, в котором магнитное поле возбуждаться не может. Этим и объясняется своеобразный «флюс» поля Нептуна. Радиальная протяженность проводящего слоя неизвестна, но все экспериментаторы сходятся в одном: над твердым ядром Нептуна расположен глобальный океан, токи в котором возбуждают сложное по структуре магнитное поле с множеством полюсов. Каждый из компонентов высших порядков дает все меньшую напряженность, что и позволяет представить поле издали дипольным приближением.

Представления об океане, надо заметить, противоречат выводам об устройстве Урана, потому что найденные для Нептуна коэффициенты J2=0,003411 и α=0,0174 еще ближе к двуслойной модели. Возможно, выводы, касающиеся Урана, требуют пересмотра.

«Наклонный ротатор» Урана был в свое время воспринят учеными как причуда природы. Но Нептун представил практически такой же самый наклонный ротатор! Что же касается старой идеи о возбуждении магнитного поля вне ядра, с которой мы начали этот раздел, то она подтвердилась!

Магнитосфера Нептуна с ее вытянутым хвостом обладает наименьшей плотностью заряженных частиц,— всего 1,4 протона или тяжелых иона в 1 см3. Это в 3 раза меньше, чем у Урана и в 3 тыс. раз меньше по сравнению с Юпитером. Все тела системы — кольца и спутники Нептуна — находятся внутри его знако-переменной магнитосферы. Исключение — Нереида; она посещает магнитосферу один раз в год.


Призрачные кольца Нептуна с
тремя арками. Изображение
Нептуна было сильно «передер-
жано» и заменено взятым с дру-
гого снимка

КОЛЬЦА БЫВАЮТ И НЕЗАМКНУТЫМИ

В до-вояджеровские годы появлялись сообщения, что кроме Тритона и Нереиды вблизи Нептуна есть еще какие-то тела. Поиски их с Земли трудны, так как свет от небесного тела на орбите Нептуна почти в миллион раз слабее, чем от такого же тела на расстоянии в 1 а. е. (Кстати, свет и радиоволны проходят среднее расстояние от Нептуна до Земли за 4 ч 10 мин 10 с). Более удобно искать с Земли неизвестные объекты, когда Нептун покрывает звезды. В 1968, 1981, 1983 и 1985 гг. при покрытиях отмечались подозрительные явления. Так, 22 июля 1985 г. Нептун прошел близко от звезды SAO 186001. На расстоянии примерно двух радиусов планеты свет от звезды в течение двух секунд был ослаблен на 30 %. Что это, неизвестный спутник или кольца планеты?

Похожие явления наблюдались и раньше, например, в мае 1981 г., когда на протяжении 8 с отмечалось уменьшение блеска звезды. Его зарегистрировали только с одной стороны от планеты, из чего сделали вывод, что это спутник размерами около 180 км, а радиус его орбиты примерно 50 тыс. км. Для такого открытия нужно необычайное везение. Вероятность его была меньше 1 %. Но сближение Вояджера-2 подтвердило существование этого спутника. Им оказалась Ларисса — небесное тело с диаметром около 190 км.

В других случаях дело оказалось сложнее. Покрытие в 1985 г. наблюдалось из двух точек в Южной Америке, разнесенных на 100 км. Покрытие видели обе группы ученых, из чего следует, что небесное тело должно было обладать большими размерами. Но это противоречит кратковременности явления (2 с). Было высказано смелое предположение: звезду покрыло особое, незамкнутое кольцо. Таких колец тогда еще никто не видел. На эту мысль ученых навело кольцо е Урана, тоже имеющее значительный эксцентриситет, но замкнутое. Впрочем, многие оппоненты к этой идее отнеслись скептически. И совершенно напрасно, как показало сближение.

Чрезвычайно слабые кольца Нептуна человек не смог бы увидеть даже с Вояджера-2. Телевизионной камере аппарата понадобилась 10-минутная экспозиция, чтобы накопить достаточно света. Кольца наблюдались в прямом рассеянии света, когда аппарат находился за Нептуном. На некоторых снимках видно, что между кольцами и внутриних есть еще два очень слабых, едва различимых кольца. Незамкнутые образования назвали арками, но ими обладает только самое внешнее кольцо 1989 N1R, причем на снимке хорошо видно, что арки расположены на сплошном кольце малой плотности. Его диаметр 69,2 тыс. км, а ширина арок всего 50 км. Другие арки найдены не были. По основным признакам кольцо F 1989 N1R похоже на кольцо Сатурна или на кольца σ и η Урана. Наиболее крупные глыбы сосредоточены как раз в том кольце, которое едва заметно (1989 N4R).

Арки — это новый вызов небесной механике. Как они возникают и почему они не распадаются? Теория пока не может дать ответа на эти вопросы. Вот если бы в кольцо были «вмонтированы» небольшие спутники, по паре на каждую арку (если бы в непосредственной близости от кольца находились шесть «сторожевых собак»), то теория легко объяснила бы устойчивость системы. Но все поиски никаких результатов не дали. Вероятно лишь, что крупного глыбового материала в одной из арок больше, чем в других. Интересно, что из шести вновь открытых спутников два расположены внутри колец. Но и они не решают задачу. Зато два новых спутника, Деспина и Галатея могут определять резкие границы близкого к ним кольца, хотя, как тела внешние по отношению к кольцам, они скорее способны расталкивать кольца и спутники и удалять их друг от друга.
КОЛЬЦА НЕПТУНА
КольцоРасстояние от планеты, кмШирина кольца, кмСодержание пыли, %Оптическая толщина
1989 N3R
1989 N2R
1989 N4R
1989 N1R
41 900
53 200
53 200—59 000
62900
(1700)
15
5800
50
40—70%
40—70%
небольшое
Три пылевых арки
0,0001
0,01
0,0001
0,01—0,1

Что же касается разорванных плотных частей кольца, то предложена еще одна идея: арки могут стабилизироваться гравитационным воздействием неизвестного сравнительно большого спутника на сильно наклоненной к экватору орбите. Орбита Тритона наклонена на 157°, Нереиды на 29°. Поэтому ничего невероятного в таком спутнике нет. Но несмотря на все усилия, его не обнаружили. Проблема арок пока остается открытой.

Все другие кольца замкнутые. Они находятся на расстоянии 41,9—62,9 тыс. км от планеты. В целом система колец Нептуна чрезвычайно похожа на систему Урана. Вместе с тем, специалисты обращают внимание на то, что суммарная площадь всего материала в кольцах и вновь открытых спутниках Нептуна составляет 1015 см2, или всего 1 % от колец Урана. Возможно, что кольца Нептуна гораздо старше. На это же указывают их очень низкие отражательные свойства (сферическое альбедо около 6 %). Вероятно, здесь также действует механизм потемнения поверхности за счет освобождения углерода под действием бомбардировки заряженными частицами.

Продолжение следует