Александр Волков - 100 великих загадок астрономии

«Белые пятна» Нептуна

В 1781 году английский астроном Уильям Гершель открыл планету Уран. Однако через некоторое время была замечена странная вещь. Новая планета не подчинялась закону Ньютона. Сколько ни наблюдали за ней, предсказать ее точное положение не удавалось. Что-то влияло на движение Урана, возмущало его. Лишь в середине XIX века английский астроном Джон Адамс и его французский коллега Урбен Леверье независимо друг от друга вычислили орбиту гипотетической планеты, притягивавшей к себе Уран, открыв ее «на кончике пера». Это был Нептун.

По-настоящему исследование Нептуна началось лишь в последнюю четверть века. 25 августа 1989 года американский зонд «Вояджер-2» пролетел менее чем в пяти тысячах километров от него, а с апреля 1995 года за ним наблюдает телескоп «Хаббл». Поэтому время открытий на Нептуне еще не прошло.

Так, лишь в 2011 году астрономам удалось точно определить скорость вращения внешних слоев этой газовой планеты. Оказалось, что она совершает оборот вокруг своей оси за 15 часов 57 минут и 59 секунд. К такому результату пришел Эрих Каркошка из Аризонского университета, обобщив результаты наблюдений за Нептуном.

Скорость обращения вокруг своей собственной оси – это фундаментальное свойство планеты. Однако в случае с газовой планетой-гигантом определить этот показатель гораздо труднее, чем скорость планеты земного типа. Ведь она вращается не как твердое тело, а, пожалуй, как громадная капля жидкости. Все планеты-гиганты, как полагают астрономы, обладают твердым ядром, которое обволакивает очень мощная и плотная газовая оболочка. В ней возникают многочисленные завихрения, которые накладываются на собственное вращение планеты.

Происхождение такой гигантской планеты, как Нептун, на окраине Солнечной системы вызывает удивление у астрономов

«Если смотреть на Землю из космоса, то можно заметить горы, которые вращаются с определенной скоростью, – поясняет Каркошка. – Если же наблюдать только за облаками, то невозможно определить скорость вращения планеты, поскольку расположение облаков со временем меняется, их разносит ветер. На Нептуне не видно ничего, кроме облаков и различных атмосферных образований. Одни движутся быстрее, другие – медленнее, некоторые ускоряются, так что совершенно нельзя понять, какова может быть истинная скорость вращения твердого ядра планеты, если оно есть».

Поэтому Каркошка попытался определить скорость вращения Нептуна другим путем. Он проанализировал несколько сотен фотографий планеты, выполненных телескопом «Хаббл» на протяжении двух десятилетий, и выявил в ее атмосфере два образования, которые вращаются с поразительной периодичностью. Погрешность составляет всего несколько секунд.

Пока не очень понятно, как возникли эти структуры. Возможно, ответ на этот вопрос позволит нам лучше узнать внутреннее строение Нептуна. «Нам известна общая масса Нептуна, но мы ничего не знаем о том, как она распределена, – отмечает Каркошка. – Если планета вращается быстрее, чем мы полагали, то, возможно, в ее центральной части сосредоточено больше вещества, чем считалось прежде».

Нептун представляет собой огромный газовый шар. Его внешняя оболочка состоит из водорода, метана и гелия. Метан конденсируется в атмосфере планеты и образует облака. Поскольку метан рассеивает голубую составляющую солнечного света, Нептун окрашен в голубые тона.

Под его плотной атмосферой (она одна весит в три раза больше, чем Земля) скрывается слой воды, занимающий объем примерно в 10 раз больший, чем объем нашей планеты. Из-за высокого атмосферного давления эта вода пребывает в особом состоянии – почти твердом (ничего подобного в земных условиях не наблюдается). Очевидно, под этой водяной толщей располагается слой горных пород, окружающих металлическое ядро, которое, как предполагают, похоже по своему строению на ядро Земли. Расчеты показывают, что температура в центре планеты составляет около 7000 °C, а давление – несколько миллионов бар.

Нептун, как Юпитер и Сатурн, обладает внутренним источником тепла. Он излучает в 2,7 раза больше энергии, чем получает ее от Солнца. Этим источником могут быть радиоактивные процессы, разогревающие ядро планеты. Возможно также, что тепло выделяется за счет того, что внутренняя часть планеты продолжает сжиматься.

Подобно всем остальным газовым планетам, Нептун окружен кольцами, которые, впрочем, невозможно заметить в телескоп с поверхности нашей планеты. Вероятно, они состоят изо льда, а их темноватую окраску астрономы объясняют слоем пыли, покрывающим их. Очевидно, эта пыль выбрасывается с поверхности спутников Нептуна после падения на них метеоритов.

Как и в случае с Ураном, происхождение такой гигантской планеты, как Нептун, на окраине Солнечной системы вызывает удивление у астрономов. Компьютерные модели показывают, что плотность вещества там была недостаточна для формирования этих планет по традиционной схеме, предполагающей аккрецию – постепенное накопление вещества вокруг твердого ядра. Возможно, они образовались в другой части протопланетного облака – гораздо ближе к Солнцу, а потом постепенно переместились на свои нынешние орбиты. Во время этой миграции они, вероятно, вытеснили оттуда ближе к центру Солнечной системы часть малых планет, располагавшихся в поясе Койпера. Эти согнанные со своих мест планетки могли вызвать «великую космическую бомбардировку», начавшуюся через полмиллиарда лет после возникновения Солнечной системы. Тогда на поверхность планет земного типа, в том числе на Землю, обрушился целый град метеоритов.

Среди спутников Нептуна особое внимание привлекает Тритон. Почти все, что мы знаем о нем, известно лишь благодаря зонду «Вояджер-2», побывавшему в окрестности этого спутника в 1989 году. Его диаметр – 2700 километров – соизмерим с размерами Плутона. Ведет он себя очень своевольно, разительно отличаясь от других спутников Нептуна, а также от лун Урана и Юпитера.

Есть разные гипотезы, объясняющие появление в окрестности Нептуна этого спутника. Наиболее популярна сейчас теория, гласящая, что первоначально Тритон вместе с еще одной небольшой планетой составлял систему, состоявшую из двух планет. Когда эта система сблизилась с Нептуном, она распалась, и одна из этих планет была притянута Нептуном. Следует отметить, что среди транснептуновых объектов – планет, расположенных на окраине Солнечной системы, по ту сторону орбиты Нептуна, – широко распространены двойные планетные системы. Их там примерно 10 %. Самый известный пример такой системы – Плутон и Харон.

Как предполагают астрономы, после того как Тритон был захвачен Нептуном, он первоначально двигался по очень вытянутой орбите, снова и снова внося возмущения в размеренный ход других спутников планеты. Они сталкивались друг с другом, распадаясь на отдельные части. Лишь когда Тритон занял наконец круговую орбиту, эти обломки опять стали соединяться, образуя новые луны.

Со временем приключения Тритона продолжатся. Он находится всего в 354 тысячах километрах от Нептуна, а это меньше, чем расстояние от Луны до Земли. Двигаясь по спирали, он постепенно сблизится с Нептуном. Пройдет несколько миллионов лет, и приливные силы разорвут его на части. Быть может, обломки этой луны пополнят кольца Нептуна или рухнут на планету.

Как зародилась Солнечная система?

На протяжении многих столетий люди были уверены в том, что планеты сотворены Богом. Лишь в XVIII веке появились первые научные теории, объясняющие далекое прошлое Солнечной системы. Современная теория ее происхождения основана на гипотезе немецкого философа «века Просвещения» Иммануила Канта, который первым предположил, что на месте Солнечной системы вращалась обширная туманность из газа и пыли.

По нынешним представлениям, эта туманность состояла в основном из водорода и гелия, которые образовались во время Большого взрыва. Менее 1 % приходилось на примеси в виде пылинок, содержавших более тяжелые элементы и соединения, например, воду, аммиак, оксид углерода, углекислый газ. Отдельные части этой туманности сжимались и уплотнялись. Причиной этого могли быть взрывы сверхновых звезд в непосредственной близости от нее. Порожденные этими взрывами ударные волны пронизывали туманность, вызывая появление в ней сгустков. Те стали зародышами предположительно нескольких сотен, а то и тысяч звезд – звездного скопления, которое по прошествии сотен миллионов лет распалось на множество одиночных и двойных звезд. Одной из этих звезд и было Солнце, окруженное своим газопылевым облаком.

Газопылевое Солнечное облако

Прошли миллионы лет, пока возле Солнца не появились планеты. Протопланетный диск, из которого они возникли, простирался на многие миллиарды километров. Его масса могла составлять от 1 до 10 % массы звезды. Существуют две основные гипотезы, объясняющие появление планет внутри этого диска.

Первую из них можно было бы назвать «Коагуляция и аккреция». Пылинки и небольшие крупицы, содержащиеся в протопланетном диске, сталкивались и слипались, что вело к образованию твердых сгустков – планетезималей. В свою очередь, те тоже сталкивались друг с другом, образуя все более крупные глыбы. Чем больше была планетезималь, тем больше вещества она собирала вокруг себя. Поэтому более крупные тела росли быстрее, чем маленькие. Постепенно планетезимали превращались в протопланеты, которые могли достигать размера Луны. У них имелось жидкое металлическое ядро, окруженное каменной мантией. Они были достаточно массивны, чтобы за счет гидростатического равновесия принять форму шара. Возможно, подобные мини-планеты, обладавшие магнитным полем, были широко распространены в ту пору, когда Солнечная система только формировалась. Газовые планеты возникали в этой модели за счет поглощения газообразных веществ наиболее крупными планетезималями.