РОССИЙСКИЕ УЧЕНЫЕ ПОМОГАЮТ УЧЕНЫМ МИССИИ Cassini NASA РАСКРЫТЬ ТАЙНУ ПРОИСХОЖДЕНИЯ КОЛЕЦ САТУРНА

Кольца Сатурна являются одним из прекраснейших творений природы. Они были открыты в 1610 году итальянцем Г. Галилеем и в 1655 г. нидерландцем Х. Гюйгенсом. 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 (Science, 2005, том 307, № 5713). Как Сатурн стал властелином завораживающих весь мир колец, хотят знать все жители нашей планеты Земля. Сегодня систему Сатурна исследует миссия НАСА – Cassini (Кассини) – это научный космический проект НАСА, с участием Европейского и Итальянского космических агентств. Общая стоимость проекта равна почти половине стоимости коллайдера в ЦЕРНе, Швейцарии. Зонд Cassini весит около двух тонн, плюс вес аппарата «Гюйгенс». На старте корабль с топливом весил 5600 килограмм.

После распада СССР в министерстве обороны США решили не тратить деньги на вооружение и предложили НАСА профинансировать миссию Cassini для исследования системы Сатурна. Ранее уже было три экспедиции к системе Сатурна: «Пионер» (1979 г.), «Вояджер-1» (1980 г.), «Вояджер-2» (1981 г.). Зонд Cassini был запущен в сторону Сатурна в 1997 г., а с 2004 г. он исследует систему Сатурна. Одна из главных задач миссии – понять, какой физический механизм привел к образованию колец у Сатурна. А может быть это поможет понять происхождение колец у других планет за поясом астероидов – Юпитера, Урана и Нептуна. Не исключено, что природа происхождения колец у всех планет общая.

Существует огромная база данных о свойствах колец Сатурна, о поведении их ледяного вещества. Ширина их огромна – порядка четырех земных экваторов. Кольца сохраняют очень резкие очертания и имеют щели. Состоят они из частиц. Впервые эту версию выдвинул основатель теории электромагнетизма Дж. Максвелл в 1859 г. Он доказал, что для стабильного существования колец необходимо, чтобы они состояли из разделенных частиц.

До запуска Cassini все верили в гравитационную теорию образования колец из обломков астероида, приблизившегося к планете Сатурн и разрушенного под действие гравитационных и центробежных сил. Ее авторы – советские ученые М. Горькавый и А. Фридман, 1990 г. Они ввели понятие так называемых гравитационных резонансов. И все-таки было ощущение, что эта теория содержит некий мистический аргумент, хотя, используя богатый аппарат математики, она реконструировала разрушившийся астероид в систему колец, отталкиваясь от физических свойств уже существующих колец. Тут уместно вспомнить, что еще Л. Ландау и Я. Зельдович отмечали, что «мы сегодня можем объяснить в астрофизике даже то, чего не существует». Но считалось, что теория с высокой точностью описывает образование колец, поскольку учитывает гравитационное влияние от нескольких спутнков в системе Сатурна. Но миссия Cassini обнаружила во много раз больше спутников в системе Сатурна. И оказалось, что кольца на 93% состоят из замороженной воды (практически прозрачного льда) и на 7% – из углерода. Они не содержат железа, которое есть в астероидах. Поэтому говорить о правильности существовавшей гравитационной теории не приходится. Участники миссии Cassini отвергли эту теорию. А R. Canup в 2010 г. показал, что кольца все-таки могли образоваться от разрушения гравитацией большого ледяного спутника размером с Титан, сдвинувшегося с орбиты в сторону к Сатурну.

Американский ученый Д. Мендис и советский ученый Б. Рабинович (1990) считали, что кольца образовались в виде кристаллов из пылевой плазмы при взаимодействии с магнитосферой планеты. Аналогичное мнение высказывал и академик РАН В. Фортов в 2005 г. Ученые МГУ, А. Бодрова, и университета Лестера в Англии, Н. Бриллиантов, в 2013 г., вроде бы математически определили, что есть некое универсальное распределение ледяных частиц в кольцах. Однако M. Hedman и P. Nickholson в 2016 г. опровергли эту теорию. Они обнаружили, что масса самого яркого кольца В составляет от одной седьмой до половины от первоначальной оценки. И это из-за того, что огромное число мелких ледяных частиц создают оптический эффект болшей плотности, как если бы сравнивать туман и воду. То есть плотность частиц в кольцах и их размеры все-таки не подчиняются вроде бы найденным законам. В это же время H. Hsu, S. Kempf и др. в 2011 г. обнаружили, что на кольца попадает слишком малое количество космической пыли, и она фактически не участвует в образовании колец. То есть получается, что кольца образовались практически в одно время с планетой Сатурн. Очевидно так же, что гравитационные и гидродинамические модели для описания вещества в кольцах не в состоянии объяснить наблюдаемые электромагнитные явления в кольцах. Но мы помним, что еще нобелевский лауреат H. Alfven (1952) считал, что электромагнитные явления в системе Сатурна являются важными для происхождения колец, а в самой системе Сатурна со спутниками и кольцами находится разгадка зарождения Солнечной системы. Имеются так же сведения, что на ранней стадии формирования Солнечной системы важную роль играло магнитное поле. Зонд Cassini обнаружил множество крупных ледовых образований в кольцах, их называют лунами, и новые кольца. Но как все это объяснить?

Оказывается можно, если принять теорию образования колец, предложенную российскими физиками А. Поспеловым и В. Черным (1995), исследовавших проблему происхождения колец с 1987 г. 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. Надо отметить, что это наблюдается в присутствии гравитационного поля Земли. Оказывается, между этим простым экспериментом и происхождением колец у Сатурна есть прямая связь. Первоначально ледяные частицы, вращались по законам Кеплера в протопланетном облаке, окружавшем планету, а после включения магнитного поля планеты начинали взаимодействовать с ним. В результате их орбиты стали приближаться к магнитному экватору Сатурна, совпадающему с географическим экватором. Затем частицы распределялись в экваториальной плоскости планеты в виде сомбреро состоящего из полосок, как на картинке в упомянутом школьном эксперименте. В формировании самой структуры колец важную роль играют также гравитационные, гидродинамические и плазменные эффекты. Но главная роль принадлежит электромагнитным эффектам, как и в лабораторном эксперименте с железными опилками вокруг магнита, который также осуществляется в присутствии гравитационного поля Земли.

Поскольку кольца наблюдаются только у планет с магнитным полем за поясом астероидов, где достаточно низкая температура, а частицы колец не слипаются, А. Поспелов и В. Черный выдвинули гипотезу о возможной сверхпроводимости ледяных частиц колец. Поскольку именно сверхпроводимость наблюдается при низких температурах в присутствии магнитного поля, и для нее характерно расталкивание двух сверхпроводников. В принципе, это возможно, поскольку кольца находятся далеко от Солнца, слабо им нагреваются. Их температура порядка 65-110К все время их существования. Предположение основано на том факте, что в лабораториях уже получен широкий спектр замороженных многокомпонентных веществ со свойствами высокотемпературной сверхпроводимости, открытой еще в 1986 г. И в том же 1986 г. уральские физики под руководством А. Бабушкина в лаборатории экспериментально показали, что лед может обладать сверхпроводимостью. Правда в земной лаборатории, им удалось получить сверхпроводимость льда при более низких температурах и высоких давлениях, чем у Сатурна. Но это результат имеет исключительную важность для науки. Разумеется, лед это сложное образование. Только на Земле существует огромное число его модификаций, а знаний о свойствах космического льда очень мало.

Наиболее интересная демонстрация свойств сверхпроводимости в технолгии предложена физиками Израиля на конференции в Чикаго, 2012:
http://www.ted.com/talks/boaz_almog_levitates_a_superconductor . Там показана квантовая левитация и квантовый захват сверхпроводника в магнитном поле.

Из физики сверхпроводимости для частиц кольца следует, что частицы выталкивают внутреннее магнитное поле, возникающая при этом сила левитации согласно эффекту Мейсснера создает давление, направленное извне на частицу. Для расположенных рядом частиц это приводит к тому, что выталкиваемое 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. Поэтому у Земли и других планет внутри пояса астероидов колец быть не может. Кольца могут быть только у планет с магнитным полем за поясом астероидов, которые далеко от Солнца.

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 роли сверхпроводимости в комическом пространстве.

Важно, что сама идея сверхпроводимости частиц колец выглядит по-новому, интересно. Кроме того, что новая теория объясняет происхождение колец Сатурна, она еще открывает новое направление в космических исследованиях – необходимость исследования естественной сверхпроводимости в Солнечной системе за поясом астероидов. Хорошо, что новая теория происхождения колец Сатурна не вынуждает отказываться от проведенных исследований других авторов, а дополняет, и даже объединяет их, указывая на реальную природу происхождения колец. Получается, что новая теория А. Поспелова и В. Черного одинаково объясняет происхождение колец у Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, то есть она является единой теорией происхождения планетных колец.

Директор Института Космических исследований РАН в Москве академик Л. Зеленый пожелал авторам, чтобы теория подтвердилась данными Кассини и ее признали при жизни ее авторов. Звучит оптимистично. Ради этого стоит продолжать исследования.

На конференции COSPAR, 2014 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова известный специалист по кольцам Сатурна профессор университета Колорадо в Болдере Larry Esposito сказал В. Черному, что ему нравится предложенная теория и ее аналогия со школьным экспериментом с железными опилками на лабораторном столе вокруг магнита. Мол, в этом проявляется известный закон общей физирки, а в физике планет законы физики должны подтверждаться.

С описанной выше новой теорией происхождения колец из сверхпроводящих ледяных частиц протопланетного облака Сатурна А. Поспелова и В. Черного знакомы все известные специалисты по кольцам, включая участников миссии Кассини – Carolyn Porco, Larry Esposito, Essam Marouf, Jeff Cuzzi, Mark Showalter, Linda Spilker, Tobias C. Owen, Stamatios T. Krimigis и другие.

Особую благодарность за полезные обсуждения и поддержку наших исследований авторы выражают профессору MIT, основателю Электромагнитной Академии и международных симпозимов PIERS Jin Au Kong, (http://emacademy.org/jakong/) , профессорам Калифорнийскому университета в Беркли John Roy Whinnery (с которым В. Черный работал в UC Berkeley) и Ture K. Gustafson, президенту международного научного общества SPIE , со-директору NATO Advanced Study Institute on Astrobiology, научному сотруднику NASA Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama Richard B. Hoover, участникам семинара NASA Marshall Space Flight Center and the Huntsville Space Physics Colloquium James F. Spann, Robert B. Sheldon and Konstanty Mazuruk, профессору Caltech at Pasadena Peter Goldreich , профессору Martha Pardavi-Horvath at John Washington University and the National Bureau of Standards in Washington DC, профессору Pablo M. Cincotta at IAFE National University at La Plata, Argentina, участникам семинара в Institute for Astronomy at the University of Hawaii, Honolulu.

В заключение хотелось бы заметить, что, несмотря на то, что официально Российское космическое агентство не участвует в эксперименте Cassini (Кассини), российские ученые внесли достойный научный вклад в исследования происхождения колец Сатурна. Это еще раз говорит о необходимости стратегического партнерства ученых России, США и Европы, особенно когда речь идет о дорогостоящих исследованиях космического пространства.

Работа докладывалась на конфернции Американского астрономического общества и многочисленным международных конференциях в США и других странах. Результаты исследований опубликованы в статьях и книгах (см. список ниже). Надо отметить, что авторы были приглашены для докладов в НАСА, Национальное бюро стандартов США, Астрономический институт Гавайского университета в Гонолулу, Калифорнийскиу университет в Дэвисе, Беркли и Сан-Диего и университет Дж. Вашингтона в Вашингтоне. За это хотелось бы еще раз отдельно поблагодарить наших американских коллег.

Работа так же докладывалась в Астрономическом институте университета в Буэнос-Айресе, Университете Александрии в Египте, в ЮАР и на многочисленных международных конференциях в США и других странах. Опубликованы статьи в международных научных журналах и главы в книгах в США (см. список ниже).

Тридцатилетние усилия российских ученых А. Поспелова и В. Черного, с 1987 года по сегодняшний день, еще раз подтверждают правильность высказывания лауреата Нобелевской премии по физике П.Л. Капицы: «Самое страшное в науке – тривиальность. Самое важное в работе – это вовсе не тривиальность, а то, что в ней заключена новая идея. Нельзя никогда упускать публикацию новых идей» (Успехи физических наук, 1994, Том 194, Стр. 1326).

---

Андрей ПОСПЕЛОВ, Владимир ЧЕРНЫЙ.
Москва, Россия.
Для “RA NY”
Институт Современной Науки при SAIBR, www.msi-saibr.ru

---

Фото предоставлены авторами статьи.

Отдельные публикации для читателей, интересующихся подробностями:

1. Tchernyi V.V., Pospelov A.Yu. Possible electromagnetic nature of the Saturn’s rings: superconductivity and magnetic levitation. Progress in electromagnetic research (PIER). Cambridge, MA: MIT. 2005. V. 52. P. 277-299. (Doi: 10.2528/PIER04082801)
2. Tchernyi V.V., Chensky E.V. Movements of the protoplanetary superconding particles in the magnetic field of Saturn lead to the origin of rings. IEEE Geoscience and remote sensing letters. 2005. V. 2. No. 4. P. 445-446. Corrections in: 2006. V. 3. No. 2. (Doi:10.1109/LGRS.2006.872347)
3. Tchernyi V.V., Kapranov S.V. Possible role of superconductivity for simplest life propagation within interstellar space by electromagnetic force of magnetic levitation // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. Cambridge, MA: Massachusetts Institute of Technology. 2005. V. 19. № 15. P. 1997-2006. (Doi:10.1163/156939305775570440)
4. Tchernyi V.V., Pospelov A.Yu. About hypothesis of the superconducting origin of the Saturn’s rings // Astrophysics and space science. 2007. V. 307. No. 4. P. 347-356. (Doi:10.1007/s10509-006-9054-7)
5. Tchernyi V.V. Origin of the Saturn rings: electromagnetic model of the sombrero rings formation. Book: Space Exploration Research. John H. Denis and Paul D. Aldridge (Eds.). Chapter 11. Pp.261-275. Hauppauge, NY, USA, Nova Science Publishers, 2009. (ISBN: 978-1-60692- 264-4)
6. Tchernyi V.V. About role of electromagnetism to the Saturn rings origin – to the unified theory of the planetary rings origin. International Journal of Astronomy and Astrophysics, 2013. V. 3. No. 4. Pp. 412-420. Doi:10.4236/ijaa.2013.34049
7. Tchernyi (Cherny) V.V. New Electromagnetic Theory of the Origin of Saturn Rings From Superconducting Iced Particles of the Protoplanetary Cloud (The Unified Theory of the Planetary Rings Origin). Applied Physics Research. 2014. Vol. 6, No. 2, P. 56-62. (doi:10.5539/apr.v6n2p56)
8. Tchernyi V.V., Pospelov A.Yu. Modern Physics Solution of the Saturn Rings Origin Problem – Electromagnetism and Superconductivity (The Possibility of the Unified Theory of the Planetary Rings Origin). International Journal of Modern Physics and Application. 2015, Vol.2, № 5, P. 65-72 (http://www.aascit.org/journal/ijmpa)