С 4 мая сайт Центра малых планет Международного астрономического союза начал активно публиковать подтверждения открытий спутников Сатурна. К настоящему моменту число новых объектов превысило 28 — в результате Сатурн обошёл Юпитер и завоевал звание планеты с самым большим числом спутников в Солнечной системе.

Источник изображения: wikipedia.org

Череда открытий связана с деятельностью поисковой программы Университета Британской Колумбии (Канада) в 2019–2021 годах. В качестве основного инструмента использовался наземный телескоп CFHT. Перед открытиями учёные предсказали, что в окрестностях планеты может находиться крупная популяция нерегулярных спутников — тех, чьё движение отличается от общих правил.

Считается, что нерегулярные спутники формируются не из той же части протопланетного диска, что сама протопланета, а захватываются извне её гравитационным полем. Из-за этого орбиты нерегулярных спутников имеют более вытянутую форму и больший наклон по отношению к Сатурну. Исходя из характеристик орбит, новые спутники были причислены к инуитской и скандинавской группам, а диаметры их невелики — от 2 до 5 км. При этом учёные отметили, что вокруг планеты также могут вращаться несколько тысяч более мелких объектов с диаметром менее 1 км. Для сравнения, самым крупным её спутником является Титан с диаметром 5149 км.

Новым спутникам Сатурна присвоены следующие имена: S/2019 S 13, S/2020 S 6, S/2019 S 12, S/2006 S 14, S/2019 S 11, S/2004 S 47, S/2019 S 10, S/2004 S 46, S/2019 S 9, S/2019 S 8, S/2019 S 7, S/2006 S 13, S/2019 S 6, S/2006 S 12, S/2006 S 11, S/2004 S 45, S/2004 S 44, S/2004 S 43, S/2019 S 5, S/2006 S 10, S/2004 S 42, S/2007 S 6, S/2020 S 5, S/2020 S 4, S/2004 S 41, S/2019 S 4, S/2020 S 3, S/2007 S 5.

По итогам пополнения Сатурн стал планетой с самым большим числом спутников в Солнечной системе — теперь у него их 118. А Юпитер, прежний лидер, спустился на второе место со своими 92 спутниками.

Поверхности спутников, вращающихся вокруг газовых гигантов Юпитера и Сатурна, могли сгладиться из-за лунотрясений, считает группа американских учёных. А на Энцеладе глыбы льда при тектонической активности могут выбрасываться прямо в космос.

Горные хребты Ганимеда могли сформировать лунотрясения. Источник изображения: nasa.gov

Астрономам уже давно известно, что некоторые спутники, вращающиеся вокруг Юпитера и Сатурна, соответственно самой большой и второй по величине планет Солнечной системы, являются геологически активными. Это результат колоссального гравитационного влияния планет — оно вызывает лунотрясения, из-за которых ледяные поверхности спутников и их кора растрескиваются. Лунотрясения могут также вызывать оползни, утверждают американские учёные, в результате чего поверхность спутников выравнивается.

Примечательной особенностью ландшафтов спутников Юпитера Европы и Ганимеда, а также спутника Сатурна Энцелада являются крутые горные хребты, окружённые относительно гладкими участками. Традиционно предполагалось, что такая картина является результатом воздействия жидкости, выбрасываемой ледяными вулканами, хотя механизмы их действия на этих холодных лунах во многом продолжают оставаться загадкой. Новая гипотеза американских учёных объясняет эти особенности ландшафта без присутствия жидкостей.

К неожиданным выводам учёные пришли, попытавшись оценить размеры этих хребтов: предполагается, что с одной стороны у них крутые склоны, а с другой — так называемые уступы тектонических разломов. Исследователи сопоставили свои измерения с сейсмическими моделями, чтобы оценить силу лунотрясений на этих спутниках. Как оказалось, их достаточно, чтобы подбрасывать обломки, которые затем скатываются по склону, постепенно выравнивая ландшафт спутников.

Предположения учёных может подтвердить миссия Europa Clipper — аппарат отправится к спутнику Юпитера в 2024 году. Межпланетная станция выйдет на орбиту Юпитера и совершит примерно 50 облётов Европы, делая снимки и собирая прочие данные при помощи набора из девяти инструментов. Она поможет учёным определить, есть ли под ледяной оболочкой луны жидкой океан и условия, необходимые для поддержания материи в жидком состоянии.

Авторы исследования отметили, что наиболее удивительно было обнаружить признаки тектонической активности на Энцеладе — поверхность этого спутника Сатурна составляет всего 3 % от поверхности Европы и 1/650 от земной. Но лунотрясения здесь могут оказаться достаточно мощными, чтобы выбрасывать ледяные обломки с поверхности прямо в космос — прямо как мокрая собака, которая пытается отряхнуться.

Используя архивные данные и наблюдения телескопа «Хаббл» астроном-ветеран сделал интересное открытие, которое 40 лет было на виду и не привлекло к себе внимания. В своей работе он показал, что кольца Сатурна заставляют атмосферу планеты нагреваться. Такое явление никогда ранее не наблюдалось в Солнечной системе, и оно даёт в руки учёных инструмент для поиска колец у экзопланет в иных звёздных системах.

Источник изображения: NASA, ESA, Lotfi Ben-Jaffel (IAP & LPL)

О влиянии частиц колец на верхние слои атмосферы Сатурна в своё время сообщили данные с зонда «Кассини». В конце свей миссии в 2017 году зонд погрузился в атмосферу Сатурна и измерил её составляющие. Данные подтвердили, что многие частицы падают внутрь планеты из колец, но их влияние оставалось неизвестным. Забавно, но воздействие частиц колец на атмосферу Сатурна зафиксировала ещё пара зондов «Вояджер» 40 лет назад, когда пролетала мимо этой планеты. Но тогда учёные сочли сигналы на детекторах помехой и не придали им значение.

Разобраться в вопросе помогли свежие наблюдения за Сатурном с помощью спектрографа телескопа «Хаббл». Целью наблюдений были спектральные линии горячего атомарного водорода в атмосфере планеты. По яркости этих линий можно судить об интенсивности нагрева атмосферы и она явно превышала уровень нагрева от Солнца. Что-то ещё разогревало атмосферу и с явным избытком энергии.

Данные с «Хаббла» помогли откалибровать «шум» в измерениях «Вояджеров», информацию с «Кассини» и данные со старого орбитального телескопа International Ultraviolet Explorer, запущенного ещё в 1978 году и давно выведенного из эксплуатации. Обнаружилось, что избыток ультрафиолета в излучении атмосферы Сатурна присутствовал во всех данных независимо от времени года, орбитального положения Сатурна и активности Солнца. Логичным объяснением этому может быть только одно — частички колец падают в атмосферу и нагревают её, уверен сделавший открытие астрофизик Лотфи Бен-Джаффель (Lotfi Ben-Jaffel) из Института астрофизики в Париже и Лунной и планетарной лаборатории Аризонского университета, автор статьи, опубликованной 30 марта в журнале Planetary Science.

«Мы находимся только в самом начале изучения этого влияния характеристик колец на верхнюю атмосферу планеты. В конечном итоге мы хотим получить глобальный подход, который позволит получить реальные данные об атмосферах далеких миров, — говорит автор. — Одна из целей этого исследования — посмотреть, как мы можем применить его к планетам, вращающимся вокруг других звезд. Назовем это поиском "экзо-колец"».

Группа учёных из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создала модель, которая показывает возможные пути распространения геологических и биологических образцов из недр и океана ледяного спутника Сатурна Энцелада. Модель объясняет образование кольца E вокруг Сатурна и обещает более простые поиски биологической жизни под многокилометровым ледяным панцирем Энцелада.

Энцелад в кольце E Сатурна. Источник изображения: NASA/JPL/Space Science Institute)

Посетившая систему Сатурна межпланетная автоматическая станция «Кассини-Гюйгенс» среди прочих исследований сделала физико-химический анализ кольца E вокруг Сатурна, которое, как считается, в основном состоит из вещества, выброшенного из недр спутника Сатурна Энцелада. Об этом говорят размеры зёрен и химический состав вещества — кремнезём. Но как оно туда попадает, исходя из недр Энцелада, проходя 10-км толщу воды подлёдного океана и преодолевая 20-км ледяной щит подповерхностного океана, доподлинно неизвестно.

Предложенная учёными модель объясняет физику процесса, во-первых, гравитационным влиянием Сатурна на Энцелад, во-вторых, геологическими процессами на Энцеладе и, в-третьих, физическими процессами в его океане.

Поскольку орбита Энцелада не круговая, а эллиптическая, приливные силы деформируют ядро луны, порождая трещины и выход тепла ядра через них в океан. Тем самым происходит выброс частиц кремнезёма в толщу воды, где они вместе с возможным биологическим материалом подхватываются конвекционными потоками и возносятся к поверхности. Подчеркнём, всё это описано не словами, а математической моделью, имитирующей настоящие физические процессы с высокой точностью.

Через трещины во льдах минеральные образцы со дна Энцелада и возможные образцы биологической жизни выбрасываются гейзерами на поверхность и в космическое пространство луны. Аналогичные процессы наблюдаются в земных условиях и хорошо изучены на примере геотермальных источников, где, кстати, полно жизни даже в отсутствии солнечного света. Всё это по аналогии позволяет надеяться найти биологическую жизнь также и на Энцеладе или на другой из лун Сатурна или Юпитера с похожими условиями.

Проект посадочного зонда NASA для изучения спутника Сатурна Титана. Источник изображения: Johns Hopkins/APL

Самое замечательное во всей этой истории, что для поиска признаков жизни на ледяных лунах не нужно готовить невообразимую по сложности экспедицию с бурением десятков километров льда и погружением в океан и на его дно. Признаки жизни на Энцеладе будут везде на её поверхности, для нахождения которых будет достаточно сравнительно простого спускаемого аппарата. И такие аппараты уже проектируются, но это уже другая история.

Впервые загадочные радиальные образования на кольцах Сатурна чётко зафиксировали космические аппараты «Вояджер», посетившие систему Сатурна в 80-х годах прошлого века. С тех пор учёные пытаются разгадать загадку образования «спиц» и не могут положить конец научному спору об этом явлении. Мешает внести ясность сезонность явления, которое длится 7 лет из 30 во время полного оборота Сатурна вокруг Солнца.

Слева на кольцах видны тёмные пятна — это те самые спицы. Источник изображения: NASA, ESA и Amy Simon (NASA-GSFC);

В северном полушарии Сатурна весеннее равноденствие наступит 6 мая 2025 года. Возникновение спиц на кольцах планеты-гиганта ранее наступало за несколько лет до дня равноденствия и длилось несколько лет после него. Тем самым учёным можно приступать к наблюдению этого редкого явления, для чего в программе «Хаббла» предусмотрены соответствующие окна. И первые снимки спиц в новом цикле этот космический телескоп уже получил, о чём сообщили в NASA.

Новые наблюдения будут объединены с предыдущими наблюдениями зонда «Кассини». Эта межпланетная станция с относительно близкого расстояния наблюдала кольца Сатурна по 2017 год включительно. Последнее равноденствие Сатурна произошло в 2009 году, что позволило зонду собрать ценную информацию по спицам — светлым или тёмным (в зависимости от угла обзора) радиальным образованиям в области колец, отдалённо напоминающим спицы в колесе.

По мере приближения весеннего равноденствия в северном полушарии Сатурна его кольца всё сильнее наклоняются к Солнцу. К моменту летнего или зимнего солнцестояния, когда Солнце находится на максимально высокой или низкой широте спицы исчезают. Предполагаемая причина возникновения спиц — это переменное магнитное поле планеты. Поле взаимодействует с солнечным ветром, что создаёт электрически заряженную среду. На Земле, например, это ведёт к возникновению северного сияния.

Заряженная среда в области колец Сатурна может заставлять мельчайшие частицы колец взлетать над кольцами, временно и материально обозначая силовые линии магнитного поля планеты. Это делает их видимыми на фоне колец из более крупных глыб. Свет и тень сильнее подчёркивают эффект отделения, что позволит «Хабблу» лучше рассмотреть это явление и, быть может, поставить точку в вопросе о его происхождении и механизмах.

Спутник Сатурна под именем Мимас, возможно, генерирует достаточное количество тепла для поддержания существования водяного океана под его ледяной поверхностью. Недавнее моделирование ударного кратера Гершель — самого заметного объекта на поверхности спутника, а также отсутствие на объекте тектонической активности поддерживает теорию о существовании геологически молодого внутреннего океана, окружённого относительно тонкой ледяной «скорлупой».

Источник изображения: NASA

К соответствующим выводам пришли исследователи Юго-Западного исследовательского института (SwRI) в Сан-Антонио (Техас, США). Учёные сообщили, что в последние дни миссии Кассини у Сатурна космический аппарат зафиксировал любопытную либрацию — колебание характеристик вращения Мимаса, что часто свидетельствует о наличии геологической активности, способной поддерживать существование внутреннего океана.

Впрочем, несмотря на эти колебания, испещрённая кратерами поверхность Мимаса сначала заставила учёных рассматривать луну только как кусок льда, поскольку прочие океанические миры вроде Энцелада с его гейзерами или другие луны Сатурна, обычно демонстрируют разные признаки геологической активности. У Мимаса они отсутствуют.

Мимас казался маловероятным кандидатом на наличие океана, поскольку его замёрзшая поверхность с одним огромным ударным кратером не позволяла предполагать о наличии такой активности. Другими словами, если на Мимасе всё-таки есть жидкая вода, речь идёт о новом классе — «стелс-океане», никак не проявляющем себя.

Но, когда учёные моделировали формирование ударного кратера Гершель, они установили, что ледяная оболочка на момент удара должна была бы быть как минимум 55 км толщиной. Тем временем наблюдения и моделирование свидетельствуют, что сейчас её толщина составляет менее 30 км. Другими словами, внутренний океан потеплел и расширился с тех пор, как произошёл удар. Более того, форма кратера соответствовала моделям только при учёте возможного существования внутреннего океана. По мнению учёных, новые модели ставят под сомнение современное понимание термоорбитальной эволюции.

Как заявляют исследователи, если Мимас получит статус луны с внутренним океаном, это позволит оценить модели его формирования и эволюции, что поможет лучше понять природу колец Сатурна и лун среднего размера, а также оценить распространённость океанических лун, в частности, у Урана. Мимас является привлекательной целью для дальнейшего изучения.

Результаты исследований опубликованы в журнале Geophysical Research Letters 26 декабря.