ЭФФЕКТ ЧЕРНОГО-КАПРАНОВА В ПРОИСХОЖДЕНИИ КОЛЕЦ САТУРНА

РОССИЙСКИЕ УЧЕНЫЕ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ ЗОНДА КАССИНИ ВПЕРВЫЕ ОПРЕДЕЛИЛИ СИЛУ, РАЗДЕЛЯЮЩУЮ КУСКИ ЛЬДА В КОЛЬЦАХ, СУЩЕСТВОВАНИЕ КОТОРОЙ ПРЕДСКАЗЫВАЛ ДЖ. МАКСВЕЛЛ В 1856 ГОДУ.

В этом году исполнилось 460 лет великому ученому астроному Галилео Галилею (15 февраля 1564 года). Он первый человек, который увидел кольца Сатурна, он прародитель колец Сатурна для человечества. И может итальянцы могли бы даже объявить кольца Сатурна своей собственностью? У Галилея был первый телескоп, сделанный голландскими мастерами. Сейчас Сатурн исследуют уникальными приборами с его орбиты, и таинственность уходит. Эта статья об очередном раскрытии тайн колец Сатурна с помощью зонда Кассини, 2004-2017.

В 1610 году великий итальянский ученый Г. Галилей впервые увидел плотные кольца Сатурна, космическое чудо солнечной системы, поражающее всех своей уникальностью и красотой. Однако за 400 лет после этого открытия ученые так и не смогли найти ответ на вопрос о происхождении этих видимых плотных колец Сатурна, которые наблюдал Галилей, У Сатурна есть плотные и диффузные кольца. Диффузные кольца состоят из частиц и достаточно хорошо исследованы. А происхождение плотных колец остается загадкой уже 400 лет.

Чтобы понять важность проблемы происхождения видимых плотных колец Сатурна, достаточно представить себе систему колец, состоящую из разделенных частиц и кусков материи, заключенную в огромное виртуальное сомбреро толщиной от 10 до 100 метров с шириной вдоль радиуса более 200 тысяч км, которая вращается вокруг планеты со скоростью порядка 20 км/сек. Может показаться, что вся эта гигантская система удерживается какими-то неведомыми волшебными силами, потому что сомбреро из колец как бы висит в открытом космосе вокруг Сатурна. А ведь у самого Сатурна диаметр 120 тысяч километров, в него может поместиться десять планет Земля. Плотные кольца отражают свет и это подтверждает тот факт, что они в основном состоят из прозрачного водяного льда. Спектроскопические исследования показали, что отношение изотопов D/H для льда колец Сатурна такое же как для льда на Земле. Согласно инфракрасным измерениям температура колец Сатурна колеблется от 70К до 110К. Если сравнить отношение толщины колец к их диаметру с отношением толщины к длине стандартного листа А4, то кольца окажутся в тысячу раз тоньше.

Известные гравитационные теории происхождения колец Сатурна сводятся к тому, что ледяное тело размером со спутник Титан подлетело к Сатурну, или у Сатурна был еще дополнительный большой спутник, и когда силы самогравитации тела не смогли его удерживать, то тело разлетелось на осколки под действием приливных сил гравитации планеты. Это происходит на определенном расстоянии от планеты, называемом пределом Роша. А затем из осколков гравитация каким-то загадочным образом формирует кольца. Предлагались также различные варианты столкновения двух тел, из осколков которых таким же образом могли сформироваться кольца. Но все эти модели фактически лишь описывают, как лед мог попасть в кольца Сатурна, но не объясняют сам процесс образования диска колец на экваторе Сатурна в протопланетном облаке с радиусом предела Роша.

Другая теория говорит, что кольца являются остатками ранней туманности, протопланетного облака, окружавшего Сатурн со времени его образования. В ее основе лежат идеи эволюции Земли и планет советского физика В.С. Сафронова, получившие высокую оценку международных научных премий. Измерения НАСА с помощью орбитального телескопа Уэбб в 2023 году обнаружили воду в протопланетном облаке, что говорит в поддержку этой теории.

Общая теория говорит, что формирование около звезды гигантской планеты типа Сатурн, проходит таким образом. Сначала образуется протозвезда с протопланетным диском вокруг нее. В местах скоплений массы в диске формируются ядра будущих планет из минералов и металлов. Ядра начинают стягивать окружающую материю. Достигнув критической массы, будущие планеты начинают удерживать летучие соединения и элементы, из них получаются планеты, в том числе и газовые гиганты со своими протопланетными дисками материи, в которых формируются спутники и малые тела, включая кольца. Спутники и малые тела переходят в газообразную, жидкую или твердую форму, в зависимости от расстояния до звезды и температуры спутников.

По мнению ученых НАСА и других стран, участвовавших в миссии Кассини, различные гравитационные модели происхождения и существования колец Сатурна не в состоянии объяснить происхождение колец Сатурна, их стабильное существование и многие наблюдаемые явления в них. Более того, они не могут продемонстрировать, как образовался диск из колец на экваторе планеты, почему существует тонкая структура, когда кольца разделены внутри собранных вместе групп колец, и почему куски льда в кольцах находятся на определенном равновесном расстоянии друг от друга, удерживаются и не слипаются. Хотя между близкими кусками льда все-таки наблюдаются редкие столкновения, но они не носят массового характера. То есть, если бы все куски льда сталкивались постоянно, то они могли бы слипаться и образовать вместо колец еще один или несколько спутников вокруг Сатурна. Но этого не происходит.

Зонд Кассини обнаружил в кольцах 146 спутников. Естественно, они влияют на формирование колец. Большую роль играют так называемые орбитальные резонансы. Но вряд ли возможно решить эту задачу для такого большого числа спутников разного размера, которые еще не все лежат в плоскости колец, а ось вращения некоторых из них имеет прецессию. Кассини зарегистрировал, что действительно, при движении спутников в щели между группами колец, возникают эпициклические изменения, деформации края групп колец из-за гравитационного взаимодействия между спутниками и кусками льда в кольцах. Но удивительно, что и при зарегистрированном наличии гравитационного взаимодействия в системе колец, куски льда в кольцах остаются неизменно в разделенном состоянии.

Это означает, что существует некая сила между кусками льда, которая препятствует слипанию кусков льда в системе колец. Об этой силе в 1856 году писал Дж. Максвелл, основатель теории электромагнетизма. В своей знаменитой статье, за которую он получил престижную премию Адамса, он доказал, что для стабильности кольца Сатурна должны состоять из отдельных кусков материи. Однако природу этой силы, разделяющей куски льда в кольцах, он не смог определить в его время. По двум объективным причинам. В то время не было известно, что материя колец состоит изо льда, и этот лед обладает диамагнетизмом.

Диамагнетизм, как физическое явление, был открыт М. Фарадеем в 1948 году во время исследований Максвелла. Но лишь спустя 150 лет зонд Кассини измерил, что материя колец на 90-95% состоит изо льда замороженной воды, подобный которому есть на Земле, и он обладает диамагнетизмом. Расталкивания колец в диске и кусков льда в кольцах происходит под действием силы диамагнитного отталкивания.

Диамагнетизм (от греч. «dia…» — расхождение и «магнетизм») — один из видов магнетизма, проявляющийся в намагничивании вещества в на¬прав¬ле-нии, про¬ти¬во¬по¬лож¬ном дей¬ст¬вую¬ще¬му на не¬го внеш¬не¬му магнитному полю.

Были получены формулы, позволяющие оценить равновесное расстояние между кусками льда, которые соответствуют наблюдениям зондом Кассини. Статья опубликована в журнале Space Research Today в апреле 2024, в колонке R. Harrison, главного редактора журнала, директора лаборатории Резерфорда в Оксфорде.

Тридцатилетние исследования, под руководством В. Черного, влияния магнитного поля Сатурна на происхождение колец привели к открытию нового явления в астрофизике – Магнитная Анизотропная Аккреция.

“Аккрекция” – Приращение, увеличение» от accrēscere «прирастать» — процесс приращения массы небесного тела путём гравитационного притяжения. “Магнитная анизотропия” – зависимость магнитных свойств вещества от направления намагниченности по отношению к структурным осям образующего его кристалла. Её причиной являются слабые релятивистские взаимодействия между атомами, такие как спин-орбитальное и спин-спиновое.

Показано, как Сатурн мог создать кольца с помощью действия своего гравитационного и магнитного полей на намагниченные куски льда в протопланетном облаке с радиусом предела Роша. В итоге получается, что все кольца локализуются в диске на экваторе планеты, кольца оказываются разделенными, так же как и куски льда в них – эффект Черного-Капранова (Tchernyi-Kapranov effect).

Для исследования Сатурна и его феноменальных колец НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) организовало уникальные космические миссии – Пионер-11 (1979), Вояджер-1 (1980), Вояджер-2 (1981). Затем был создан технологически совершенный зонд-робот Кассини с участием НАСА, Европейского и Итальянского космических агентств, который в течение 13 лет, с 2004 по 2017 годы бороздил просторы космоса вокруг Сатурна, исследуя его систему и кольца, собирая уникальную информацию. Однако, более 300 ученых из 20 стран, участвовавших в этих экспериментах зонда Кассини с 2004 по 2017, не получили ответ на вопрос о происхождении видимых плотных колец Сатурна. Дискуссии продолжаются и сегодня.

Заслуга В. Черного и С. Капранова в том, что они впервые решили фундаментальную математическую задачу образования видимых плотных колец Сатурна, и доказали, что Сатурн создал свои кольца не только с помощью гравитационного поля, но и, что особенно важно, также и с помощью своего магнитного поля, которое имеет магнитный экватор, совпадающий с географическим экватором. Именно благодаря сделанному впервые дополнительному учету действия магнитного поля доказывается, что кольца оказываются на экваторе планеты, в трехмерной магнитной яме, где куски льда имеют минимальную энергию, а вся система колец обладает устойчивостью и стабильностью.

Идеи и гипотезы о влиянии магнитного поля Сатурна на происхождение колец высказывались и ранее российскими учеными в публикациях А. Поспелова, С. Гирича, Е. Ченского, С. Капранова, работавших под руководством В. Черного. В них предпринимались попытки качественного моделирования физического процесса образования колец. Но окончательное фундаментальное математическое доказательство важной роли магнитного поля Сатурна в происхождении колец, которое объединяет все предыдущие модели, получено В. Черным и С. Капрановым и опубликовано в журнале The Astrophysical Journal, 2020.

На Западе был создан увлекательный научно-популярный фильм об этой теории, который подробно объясняет происхождение колец с учетом магнетизма Сатурна.

Эффект Черного-Капранова состоит в том, что куски льда в протопланетном облаке с радиусом предела Роша, окружавшего Сатурн, намагничиваются под действием магнитного поля. На кусочки льда протопланетного облака начинает действовать дополнительная сила диамагнитного выталкивания, и возникает процесс магнитной анизотропной аккреции. В результате орбиты частиц начинают сдвигаться в плоскость магнитного экватора Сатурна, где магнитная энергия частиц имеет наименьшее значение. В результате образуется стабильная кольцевая система на экваторе планеты. Этот процесс магнитной анизотропной аккреции ледяных частиц – новый астрофизический эффект был открыт впервые при исследовании колец Сатурна.

Впервые за 400 лет была решена задача движения диамагнитного куска льда в гравитационном и магнитном полях Сатурна.

Образованию колец способствует тот факт, что гравитационное поле планеты обладает сферической симметрией, а магнитное поле является осесимметричным и оно имеет магнитный экватор.

Достижение новой теории состоит в том, что она является единственной, которая объясняет и математически доказывает образование диска колец на экваторе планеты, разделение колец в диске и кусков льда в них.

Явление магнитной анизотропной аккреции (эффект Черного-Капранова) впервые было озвучено и признано как новое явление в астрофизике во время интервью В. Черного 18 сентября 2020 года, предложенного Американским Астрономическим Обществом после публикации статьи авторов с математическим решением проблемы в The Astrophysical Journal.

Результаты данных исследований, связанных с решением проблемы происхождения колец Сатурна, были доложены на многих международных конференциях в 2018 – 2024 годах в России, США, Китае, Австралии и Европе. В 2021 году В. Черный выступил с приглашенной трехчасовой лекцией на Генеральной Ассамблее Международного Радиосоюза URSIGASS 2021 в Риме.

---

Владимир ЧЕРНЫЙ,
доктор физико-математических наук, директор института современной науки, член Союза журналистов РФ.
Москва. Россия

Артур ЦАПЕНКО,
Член Союза журналистов г. Москвы.
Для “RA NY”