На чтение: ≈ 12 мин.Человечество давно изучает планеты Солнечной системы и космическое пространство. Проводятся дорогостоящие эксперименты, в космос запускаются тонны металла и приборы, тратятся миллиарды долларов. Ради чего? Чтобы понять окружающий мир, научиться использовать его во благо человека. Многое из того, о чем мечтали Галилей, Коперник, Максвелл, Циолковский, Чижевский, Королев, сегодня сбывается. Но загадок и нерешенных проблем еще очень много. Одна из них – кольца Сатурна.
Кольца Сатурна, несомненно, прекраснейшее творение природы. Они притягивают внимание ученых с момента их обнаружения в 1610 году Галилео Галилеем. Логотипы колец широко используются в бизнесе и рекламе. О них написаны тысячи статей. Однако проблема происхождения колец Сатурна до сих пор не решена.
В 1859 году английский физик, основатель электромагнетизма Джеймс Клерк Максвелл доказал, что кольца состоят из бесконечного числа разделенных частиц, иначе они были бы разрушены. Правда, он считал, что кольца должны были бы с течением времени упасть на планету, но они, на удивление, существуют до сих пор.
Считается, что кольца образовались из обломков астероида, приблизившегося к Сатурну и разрушенного гравитационными и центробежными силами. Очевидно, что эта теория содержит некий мистический аргумент, хотя при использовании богатого аппарата математики удалось описать и такую возможность. Согласно другому мнению кольца могли образоваться из частиц протопланетного облака, изначально окружавшего планету. Кстати, облако при этом также могло наполняться и остатками от разрушения приближавшихся к Сатурну космических тел. Внимательно изучались гравитационные, магнитогидродинамические и плазменные эффекты у Сатурна, но объяснение долгого стабильного существования колец и фундаментальных свойств их частиц не было получено. Все теории носили разрозненный характер. Как из протопланетного облака на экваторе планеты могло сформироваться дисковое сомбреро Сатурна, состоящее из колец и щелей, до сих пор оставалось неясным.
В то же время известно, что электромагнитные взаимодействия весьма важны в Солнечной системе и, в частности, для Сатурна. На это указывали в своих работах Константин Циолковский, Леонид Чижевский, Ханнес Альвен и другие ученые. Поскольку частицы колец не слипаются, мы с ученым Андреем Поспеловым в 1994 году выдвинули на международной конференции гипотезу о возможной сверхпроводимости ледяных частиц колец. Это в принципе не исключено, поскольку они слабо нагреваются Солнцем и их температура порядка 70-100 К уже долгое время. Подобное предположение основано и на том факте, что в лабораториях уже получен широкий спектр замороженных многокомпонентных веществ, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью, открытой в 1986 году. В том же 1986 году уральские физики экспериментально показали в лаборатории, что при более низких температурах и высоких давлениях лед может обладать сверхпроводимостью. Разумеется, лед – это сложное образование. На Земле существует огромное число его модификаций. Знания же о свойствах космического льда весьма ограничены.
Физически сверхпроводимость частиц кольца означает, что они выталкивают внутреннее магнитное поле, а магнитное поле между частицами расталкивает их, и они не слипаются. Эффект выталкивания магнитного поля из сверхпроводника был открыт Мейснером и Оксенфельдом в 1933 году.
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 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 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 электродинамический анализ, сверхпроводящие частицы 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 в 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.
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, так как каждая сверхпроводящая частица вытесняет магнитное поле из своего объема согласно эффекту Мейснера – Оксенфельда. 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 – Гюйгенс. 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 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 и многое другое. Ясно также, что у планет, находящихся между Солнцем и поясом астероидов, колец быть не может, поскольку это пространство хорошо прогревается Солнцем, а температура разрушает сверхпроводимость. Кольца могут быть только у планет с магнитным полем, находящихся за поясом астероидов, а их внешний вид зависит от особенностей вещества протопланетного облака, а также от физических и особенно электромагнитных параметров планеты.
Следствием предложенной теории происхождения и образования колец у Сатурна стало то, что начала складываться единая картина электромагнитных взаимодействий в Солнечной системе, позволяющая подтвердить мнение Ханнеса 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 возникло новое направление исследований сверхпроводимости материи за поясом астероидов и в космосе.
Конечно, дальнейшие исследования необходимы. Но важно, что сама идея сверхпроводимости частиц колец выглядит по-новому, интересно. Хорошо и то, что она не вынуждает отказываться от исследований других авторов, уже проведенных, а дополняет и даже объединяет их.
Владимир ЧЕРНЫЙ, доктор физико-математических наук
Выбор читателей
Комментарии