Александр Викторович Волков - 100 великих загадок астрономии
Ио, вероятно, единственная, помимо Земли, планета Солнечной системы, где есть действующие вулканы
Наиболее примечательная особенность рельефа Ио – сотни вулканических кальдер, диаметр которых достигает 400 километров, а глубина – нескольких километров. Есть здесь и многочисленные озера из расплавленной серы. Поверхность планеты переливается самыми разными цветами. Эту окраску ей придают отложения серы и различных сернистых соединений. Обширные участки покрыты потоками лавы, растянувшимися подчас на несколько сотен километров. Обнаружены здесь и «горячие точки». Их температура достигает почти 2000 кельвинов. Возможно, это – потоки расплавленных силикатов. Недавние наблюдения, проделанные Космическим телескопом имени Хаббла, показали, что этот материал насыщен натрием.
Происходящее на Ио напоминает процессы, наблюдавшиеся на Земле свыше трех миллиардов лет назад. До первой экспедиции межпланетного зонда к Юпитеру большинство астрономов было уверено в том, что поверхность его спутников, в том числе Ио, усеяна метеоритными кратерами, как и поверхность Луны. Ожидания не оправдались. Возраст поверхности Ио – всего несколько миллионов лет. Здесь почти нет кратеров – растекающаяся лава быстро сглаживает их.
По мнению астрономов, вулканические извержения продолжаются на Ио уже миллиарды лет. Они начались вскоре после того, как Юпитер и его крупнейшие луны образовались из протопланетного облака. Этим буйством огненной стихии спутник обязан своей близостью к Юпитеру. Он расположен от него на расстоянии всего 420 тысяч километров. Орбита Ио пролегает там, где пересекаются гравитационные поля Юпитера и соседних спутников, Европы и Ганимеда. Они буквально растягивают эту луну в разные стороны. Это ведет к возникновению мощных приливных сил, которые сминают недра Ио, словно тесто. На Ио действие этих сил ощущается в 6000 раз сильнее, чем на Луне. За счет внутреннего трения планета разогревается – вот так можно накалить проволоку, перегибая ее из стороны в сторону. Именно этот перегрев и стал причиной бурного вулканизма на Ио.
Поначалу химический состав всех четырех крупных лун Юпитера был схож, однако за миллиарды лет Ио совершенно преобразилась. За одно столетие здешние вулканы выбрасывают такое количество лавы, что ее хватило бы на то, чтобы покрыть всю планету слоем толщиной в один сантиметр. Из-за постоянного разогрева все содержавшиеся на этой планете легкоплавкие, летучие вещества испарились. Давно исчезла вода, и теперь поверхность Ио усеяна серой, в то время как остальные три луны покрыты в основном водяным льдом. Впрочем, когда-нибудь с поверхности Ио улетучится и сера, но там станет только жарче. Лишь через два-три миллиарда лет, по оценке астрономов, Ио вырвется из своей «приливной ловушки» и начнет остывать.
Пока же на Ио зафиксирован рекордный для планет Солнечной системы перепад температур. Поистине здесь сошлись лед и пламень. В районе вулканов Ио температура достигает 1700 °C, там же, где их нет она равна 190 градусам ниже нуля. Это заставляет переосмыслить природу вулканизма на Ио. Если бы все сводилось лишь к выбросам серы, то температура в районе вулканов не превышала бы 1000 °C. Здесь же, вероятно, имеет место еще и выброс раскаленных базальтовых лав. Фонтаны, взметнувшиеся на полтысячи километров ввысь, образуются, когда диоксид серы проникает в базальтовый расплав.
В феврале 2001 года на Ио произошло крупнейшее извержение вулкана, которое когда-либо наблюдалось в нашей планетной системе. Площадь, охваченная им, составила около 1900 квадратных километров. Как показали измерения, проведенные зондом «Галилео», во время этого события вулкан Сурт выделил такое же количество тепла, как вся остальная поверхность Ио, включая все другие вулканы, действующие на этой луне.
Зонд «Галилео» обнаружил на Ио и горы высотой до 9 километров. Они не вулканического происхождения; они образовались в результате каких-то тектонических процессов. Очевидно, Ио обладает прочной корой – иначе бы планета не выдержала подобной «тяжести».
Под корой же Ио простирается мощный слой частично расплавленной магмы, который начинается уже на глубине 30 километров. К такому выводу пришли в 2011 году исследователи, проанализировав сведения, собранные почти десять лет назад зондом «Галилео».
«Поразительная вулканическая активность и очень высокая температура лавы свидетельствуют, что на Ио имеется глобальный резервуар магмы, однако доказать это долго не удавалось», – сообщает со страниц журнала «Science» Кришан Хурана из Калифорнийского университета. Тогда ученые заглянули внутрь Ио с помощью… Юпитера..
Эта планета обладает мощным магнитным полем, сквозь которое движется Ио. Поэтому в атмосфере спутника возбуждаются электрические токи. Потенциал создаваемого напряжения достигает 400 тысяч вольт. В таких условиях атомы ионизуются и улетучиваются в космическое пространство. Каждую секунду Ио теряет несколько тонн вещества, которое в виде плазмы перетекает к Юпитеру, образуя вокруг него кольцо. Пересекая это месиво плазмы, Ио вызывает возмущения в магнитосфере Юпитера. В его сторону устремляются волны заряженных частиц, заставляя его воздушную оболочку светиться. Наблюдаются вспышки – такие же яркие, как сполохи полярного сияния. Но, по оценке ученых, Ио может оказывать такое влияние на магнитосферу Юпитера только в том случае, если располагает слоем магмы толщиной не менее полусотни километров, причем более 20 % магмы должно пребывать в жидком состоянии.
Наблюдения за Ио в телескопы также дали любопытные результаты. Так, Джон Спенсер из обсерватории Ловелла в Аризоне определил, что там наблюдаются резкие перепады плотности атмосферы: этот показатель разнится примерно в десять раз. Аномалии обусловлены активностью здешних вулканов. На полюсах же Ио воздушная оболочка и вовсе по непонятной причине отсутствует.
А что еще любопытного приберегла для исследователей эта огненная луна?
Тайна происхождения колец Сатурна
В 1655 году нидерландский ученый Христиан Гюйгенс первым распознал кольцо в загадочных выступах, сопровождавших Сатурн. Но лишь четыре года спустя, убедившись в своей правоте, он объявил со страниц книги «Система Сатурна», что Сатурн «кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным».
В 1675 году директор Парижской обсерватории Джованни Доменико Кассини обнаружил внутри кольца черную полосу (позднее ее назвали «делением Кассини»). Она рассекала его на две части – их стали именовать кольцами А и В. Он же первым предположил, что кольца состоят из отдельных частиц.
Отныне гипотезы следовали одна за другой. На протяжении нескольких столетий таинственные кольца Сатурна неизменно привлекали внимание астрономов. Чем совершеннее становились телескопы, тем сложнее казалась структура колец. Сегодня – благодаря межпланетным зондам, побывавшим близ Сатурна, – мы знаем о них очень много. Астрономы насчитывают уже более 100 тысяч отдельных колец, окружающих планету. Они различаются по своему химическому составу и окраске. История их возникновения по-прежнему вызывает немало вопросов. Ученые продолжают выдвигать все новые гипотезы, объясняющие природу колец.
На протяжении нескольких столетий таинственные кольца Сатурна неизменно привлекали внимание астрономов
В XIX веке французский астроном Эдуард Альбер Рош предположил, что один из спутников Сатурна настолько сблизился с планетой, что был разорван приливными силами, и из его обломков возникли кольца, окружающие теперь Сатурн. Ни один спутник, преодолевший так называемый «предел Роша», не может уцелеть; рано или поздно он распадется, образуя очередное кольцо, которое со времени осядет на планету. В любом случае, кольца, считают сторонники этой гипотезы, явление временное. Нам повезло жить в ту эпоху, когда сразу несколько крупных планет окружены ими.
По другой гипотезе, кольца образовались после столкновения одного из спутников Сатурна с крупным метеоритом. Многочисленные осколки, усеявшие окрестности планеты после коллизии, и послужили материалом, из которого формировались кольца. Расчеты показывают, что их возраст не превышает 100 миллионов лет.
Теперь известно, что кольца Сатурна на 90–95 % состоят из водяного льда. А вот небесные тела, которые могли бы послужить материалом для них, хотя бы наполовину состоят из различных силикатов и металлов. Поэтому кольца Сатурна тоже должны были бы содержать хотя бы несколько десятков процентов этих материалов. Разрешить это противоречие могут только новые гипотезы.
А что если кольца Сатурна, как и ближайшие к нему спутники, образовались вследствие одной и той же катастрофы? Такую догадку выдвинула в 2010 году американский астрофизик Робин Кануп. По ее предположению, в далеком прошлом вокруг Сатурна обращался еще один такой же крупный спутник, как Титан. Его ядро состояло из силикатов и железа, и он был покрыт мощным ледяным панцирем. Приблизившись к планете на расстояние, равное пределу Роша, он под действием приливных сил сбросил с себя эту ледяную оболочку, и та, постепенно распадаясь на все более мелкие части, стала кружить возле Сатурна, образовав многочисленные кольца. Что же касается железокаменного ядра спутника, оно рухнуло на Сатурн.
