МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО УЧЕНЫХ РОССИИ И США В КОСМИЧЕСКОМ ПРОЕКТЕ КАССИНИ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ САТУРНА ПРИНЕСЛО НОВУЮ ТЕОРИЮ ПРОИСХОЖДЕНИЯ КОЛЕЦ САТУРНА

https://www.bing.com/

https://www.bing.com/

Здесь мы поделимся плодотворным опытом сотрудничества российских и американских ученых в космическом проекте Кассини, зонд которого сделал 293 оборота вокруг Сатурна за 13 лет, с 2004 по 2017 год. Впервые за 400 лет ученые предложили новую теорию, которая объяснила происхождение колец Сатурна участием в процессе магнитного поля Сатурна. Это помогает понять многие явления, наблюдаемые в кольцах Сатурна.

Кольца Сатурна впервые наблюдал Г. Галилей в 1610 году. Прошло 410 лет, но природа их происхождения до сих пор остается загадкой, даже после трех известных миссий НАСА к Сатурну – Пионер-11 (1979), Вояджер-1 (1980), Вояджер-2 (1981), и четвертого феноменального, технологически совершенного зонда Кассини НАСА, Европейского и Итальянского космических агентств. В миссии Кассини участвовало более 300 ученых разных стран. Зонд работал в автоматическом режиме, поскольку радиосигнал от Земли до Сатурна идет 79,34 мин. Его электрические аккумуляторы работали 13 лет. Зонд 20 раз пролетал в щель между Сатурном и кольцами. Приборы обнаружили, что куски льда колец имеют размеры от пыли и сантиметров – до десятка метров, содержат примерно 93% льда и 7% углерода, а температура колец от -163°С до -203°С. Однако по признанию ученых, природа происхождения колец так и осталась не раскрытой. Ученые не нашли объяснения, каким же образом кольца образовались, почему сомбреро колец стабильно существует долгие годы на экваторе Сатурна, почему куски льда колец расталкиваются и не слипаются, почему кольца разделены щелями и т.д.

Чтобы понять загадочность проблемы происхождения колец Сатурна, достаточно представить себе систему колец, заключенную в огромную баранку толщиной от 10 до 100 метров и радиусом более 200 тысяч км. И вся эта система висит в открытом космосе, окружая Сатурн, у которого диаметр 120 тысяч км. (см. Рис. 1). Из рис. 1 видно, что кольца прозрачны, это подтверждает тот факт, что они в основном состоят из прозрачного водяного льда. Если сравнить отношение толщины к длине листа А4, то отношение толщины колец к диаметру будет в 10 тысяч раз меньше, но диск колец стабильно удерживается какими-то силами.

Рис. 1. Диск колец Сатурна радиусом более 200 тыс. км. виден очень хорошо. Прозрачность колец подтверждает, что кольца состоят из водяного льда. Credit: NASA/JPL/Space Science Institute

Существующие объяснения происхождения колец Сатурна были основаны на действии гравитационных сил Сатурна. Но такая модель не обеспечивает устойчивости существования колец. Российские и американские ученые предложили учесть действие магнитного поля Сатурна. На основе исследований свойств льда и данных измерений зонда Кассини было показано, что льдинки в кольцах обладают магнитными свойствами – они диамагнитные или даже обладают сверхпроводимостью. Такая гипотеза была выдвинута впервые за 400 лет с 1610 года, когда Г. Галилей первым увидел кольца Сатурна. Был также учтен тот факт, что в известном физическом эксперименте железные опилки образуют полоски и щели вокруг магнита на лабораторном столе, а вся такая система также одновременно находится в гравитационном и магнитном полях Земли (см. Рис. 2). Очевидно, что это проявление магнетизма, то есть это – магнитный эффект, потому что если убрать магнит, то такой картинки не будет.

Рис. 2. Железные опилки вокруг магнита на лабораторном столе образуют полоски и щели за счет воздействия магнитного поля

Согласно объяснению ученых процесс образования колец начинается после включения магнитного поля Сатурна. На кусочки льда протопланетного облака начинает действовать дополнительная сила диамагнитного выталкивания кусочков льда, и возникает процесс магнитной анизотропной аккреции. В результате орбиты частиц начинают дрейфовать в плоскость магнитного экватора Сатурна, где магнитная энергия частиц имеет наименьшее значение. После многих столкновений частиц все их орбиты оказываются в плоскости магнитного экватора планеты. Магнитное поле выталкивается из каждой льдинки и расталкивает сами куски льда, а также делает края колец резкими. Гравитационное поле Сатурна сферически симметричное, а магнитное поле осесимметричное, и оно имеет магнитный экватор там, где наименьшая плотность магнитного потока (наибольшее расстояние между силовыми линями магнитного поля планеты). Как показали измерения зонда Кассини, для Сатурна его магнитный экватор совпадает с географическим экватором.

В итоге орбиты льдинок образуют жесткую систему колец из льдинок в плоскости магнитного экватора Сатурна, и они вращаются с магнитосферой планеты. По вертикали кусочки льда удерживаются на экваторе, так как их энергия минимальная на экваторе. И для перемещения их вверх или вниз по меридиану кусочкам льда нужна дополнительная энергия.

Результаты совместных научных исследований ученых опубликованы более, чем в 20 статьях в престижных научных журналах, доложены на международных конференциях в США, России, Китае и Европе, и прочитаны лекции в НАСА, многих университетах США, Европы и других стран. И хотя работа этой группы ученых не финансировалась, они внесли достойный вклад в мировую астрофизику, и объяснили происхождение колец Сатурна с использованием данных измерений, полученных приборами зонда Кассини. Обработка данных измерений зонда Кассини продолжается, но пионерские результаты российско-американской группы ученых наверняка способствуют пониманию природы происхождения колец Сатурна.

На фото (слева направо) Российский ученый В. Черный и Американский ученный А. Поспелов с Essam Marouf, известным специалистом по исследованию колец Сатурна, участником миссии Кассини, профессором университета Сан-Хосе в Калифорнии на фоне изображения зонда Кассини.

На фото нобелевский лауреат по астрофизике 2006 года John Mather и В. Черный (справа) на 235 конференции Американского Астрономического Общества в Гонолулу, январь 2020, где было 3600 участников. В. Черный выступал с докладом о пионерской теории происхождения колец Сатурна. Он объяснил, как Сатурн создал кольца при помощи своего магнитного поля. Это было показано впервые с 1610 года, когда Г. Галилей первым увидел кольца Сатурна 400 лет назад.

В. Черный (слева) с известным Американским ученым Richard Hoover, сотрудником NASA MSFC (бывший ракетный центр Вернера фон. Брауна), который в 2021 г. избран почетным доктором наук Российской Академии Наук (РАН). Фото сделано на конференции в Институте Космических Исследований РАН после доклада В. Черного о кольцах Сатурна, 14.10.2021.

В. Черный с участниками миссии Аполлон-Союз на праздновании 50-летия знаменательного Советско-Американского космического полета 7 июля 2015.

В. Черный в Музее Аэронавтики и Космонавтики в Вашингтоне на фоне символической картины с изображением Н. Армстронга на Луне и Сатурна с кольцами.

На Конференции по Космосу (крайний слево Цапенко А.Д., крайний справа профессор Черный В.В.)

Черный В.В., Поспелов А.Ю., Цапенко А.Д.
Россия. Москва.
Для «РА NY»

Ссылки на некоторые научные работы коллектива ученых

V. V. Tchernyi (Черный), A. Yu. Pospelov (Поспелов). About Hypothesis of the Superconducting Origin of the Saturn’s Rings, Astrophysics and Space Science, 307, 4, 2007, 347–356. DOI: 10.1007/s10509-006-9054-7

V.V. Tchernyi, S.V. Kapranov (Капранов). Contribution of Magnetism to the Origin of Saturn’s Rings. The Astrophysical Journal, 2020, May 6, 894, 1, 62. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab8475/meta

V. V. Tchernyi, S. V. Kapranov, and A. Yu. Pospelov, Contribution of Magnetism to the Origin and Stability of the Rings of Saturn due to Superconductivity of Protoplanetary Iced Particles. https://arxiv.org/abs/2004.13212 28 April 2020.

В. В. Черный. Выступление перед Американским Астрономическим Обществом 18.09.2020. AAS Journal Author Series: Vladimir Tchernyi on 2020ApJ…894…62T, https://youtu.be/La7RmcWGUTQ

4-х мин. научно-популярный фильм о роли магнетизма в происхождении колец. The Mystery of Saturn’s Rings Solved By Magnetism? https://www.youtube.com/watch?v=AI6AaMJoR4A