В 1671 году итальянский астроном Джованни Кассини, наблюдая за Сатурном, открыл его новый спутник – Япет. Это был не единственный спутник открытый великим исследователем, но он точно был одним из самых необычных. Кассини обнаружил Япет на западной стороне Сатурна, но когда он начал искать луну на той же орбите на восточной стороне, еë там не оказалось. Япет отсутствовал в течение десятилетий, пока с помощью значительно усовершенствованного телескопа Кассини наконец вновь не обнаружил его в 1705 году, заметно потускневшего. И это было удивительным началом на пути к пониманию Япета: самой странной луны Солнечной системы.

Он любил смотреть на Сатурн. Сатурн был самым странным объектом, который можно увидеть в небе. Какое-то кольцо, какой-то странный спутник… Он открыл четыре новых, дал каждому имя (Япет, Рея, Тефия, Диона), а все вместе назвал «звёздами Людовика». Астрономы, конечно, витают среди звёзд, но этот был хитрый и понимал, что, пусть даже ты глава Парижской обсерватории, королю иногда надо польстить. Он так часто смотрел на Сатурн, что однажды в сплошном диске кольца смог разглядеть чёрную полосу, обнимающую любимую планету, а потом объяснить, что, собственно, он увидел. Эту щель позднее назовут его именем. Пройдёт много (с человеческой точки зрения) лет, он умрёт в Париже, уважаемый, успешный и уже совершенно слепой. Джованни Доменико Кассини было 87. Для XVIII века, мягко говоря, почтенный возраст. Пройдёт совсем немного (с точки зрения вечности) лет, и к Сатурну подойдёт несуразный, как и все космические научные лаборатории, объект. Он летел сюда, к кольцам, почти семь лет, с 1997-го. Одна из задач – понять, из чего кольца состоят, другая – разглядеть, что находится в щели Кассини.

Звезды и кольца Людовика XIV

Сегодня в нашем распоряжении целая россыпь различных инструментов – результат развития технологий и научного прогресса, о которых Кассини мог только мечтать: современные телескопы, работающие в различных диапазонах, космические обсерватории, межпланетные аппараты такие как «Вояджеры» и «Кассини» –  удивительные миссии так близко подобравшиеся к далёким мирам.

Сатурн, как и все планеты-гиганты Солнечной системы, имеет свою собственную уникальную и богатую систему спутников. А его кольца, населённые небольшими и молодыми спутниками, безусловно, являются наиболее заметной особенностью планеты. За пределами колец вокруг Сатурна обращаются ещё восемь достаточно крупных спутников:

• Мимас
• Энцелад
• Тетис
• Диона
• Рея
• Титан
• Гиперион
• Япет

Из этих восьми лун Япет не только самая внешняя, но и обладает тремя специфическими особенностями, которые и делают его уникальным.

Япет вращается не в той же плоскости, что и остальная часть системы Сатурна. Сатурн совершает полный оборот вокруг своей оси всего за 10,7 часа. Его кольца, практически полностью состоящие из водяного льда, вращаются в плоскости, совпадающей с экватором планеты. А из восьми вышеупомянутых спутников, семь вращаются в пределах 1,6° к той же плоскости. И исключением, конечно же, является Япет. Вращаясь вокруг Сатурна на расстоянии более чем вдвое превышающем расстояние до Титана или Гипериона, Япет наклонён на 15,5° по отношению к экваториальной плоскости Сатурна: и это явление трудно объяснить.

Как правило, у планет есть три основных способа «создать» себе спутник: формирование из околопланетного диска, в результате столкновения или гравитационного захвата. Учитывая, что Япет является третьим по величине спутником Сатурна, и то что он, по-видимому, имеет схожий состав с другими крупными спутниками планеты, а также принимая во внимание его практически круговую орбиту, даже самые изощрённые гравитационные манёвры не могли бы выкинуть Япет из плоскости системы Сатурна. Если, конечно же, он так сформировался.

Удивительная формация на экваторе Япета. Подобно Земле, Луне или Солнцу, Япет не является идеальной сферой: Земля и Солнце слегка выпирают на экваторе и кажутся сжатыми у полюсов – явление вызванное одновременным воздействием как гравитации, так и центробежных сил. Но наше понимание причин подобных явлений оказалось не применимо для объяснения полученных данных: диаметр на экваторе спутника составляет 1492 километра, а на полюсах всего 1424. Компьютерное моделирование показало, что подобную форму спутник мог бы приобрести, имея период вращения вокруг оси 16 часов. Но на данный момент всё совершенно иначе: Япет захвачен приливными силами планеты-гиганта. Его сутки равны периоду обращения вокруг Сатурна и составляют 79 дней.

Кроме того, визит аппарата «Кассини» на Япет выявил нечто совершенно новое и неожиданное: огромный экваториальный хребет протяжённостью 1300 километров, опоясывающий практически весь экватор. Хребет шириной около 20 и высотой 13 километров состоит из множества несвязанных сегментов и изолированных вершин и участков, где единый хребет как бы распадается на три параллельных. Это единственный мир в Солнечной системе с такой особенностью; множество теорий пытаются объяснить, откуда на Япете возникло такое формирование.

3) Двухцветный Япет. Хотите верьте, хотите нет, но проявлением именно этого явления, Кассини в своё время и объяснял загадочное поведение спутника. Понимая, что тот же телескоп, который обнаружил Япет с одной стороны Сатурна, должен был быть способен обнаружить его и на другой, Кассини предположил, что:

• одно полушарие Япета должно быть существенно темнее , чем другое;
• Япет должен быть связан с Сатурном, чтобы одно и то же полушарие смотрело на нас в одной и той же точке своей орбиты;
• это различие должно быть обнаружено, когда появятся более крупные телескопы.

Кассини не только сделал точные прогнозы в процессе своих наблюдений, но и, как мы помним, повторно обнаружил Япет, получив превосходное оборудование в 1705 году. Однако, в отличие от двух других загадочных явлений, эта головоломка, была решена — что было бы практически невозможно сделать во времена Кассини. Как вы можете заметить на карте Япета, “ведущее” полушарие темнее асфальтированной автостоянки, в то время как “ведомое” полушарие белоснежное – его поверхность, предположительно, покрыта льдом.

Представьте что ведущее полушарие этого спутника — это лобовое стекло вашей машины, которая несётся по шоссе сквозь небольшой рой мелких насекомых. Конечно, в космосе нет никаких насекомых. Но за главными кольцами Сатурна есть нечто, что представляет собой огромное пылевое облако. Его не заметить в оптическом диапазоне, а открыто оно было только благодаря нашим инфракрасным космическим телескопам, которые смогли обнаружить излучение, испускаемое пылью, нагретой солнцем.

В 2009 году астрономы узнали, что кроме 25 ближних колец, у Сатурна имеется ещё одно, едва различимое кольцо, расположенное гораздо дальше остальных. Его назвали кольцо Фебы, по названию спутника Феба. Предположительно, кольцо состоит из частиц с этого спутника.

Астрономы изучили самое дальнее кольцо Сатурна

Причина появления этого внешнего пылевого кольца проста, понятна, хотя и полностью противоречит здравому смыслу. Это небольшая луна Сатурна – Феба, орбита которой полностью противоположна направлению вращения планеты. Это захваченное ледяное тело испускает летучие вещества под воздействием солнечных лучей, что и является возможной причиной двухцветности Япета. Хотя эта история немного сложнее, чем можно представить.

Просто, но неверно: Феба испускает частицы, они оседают с одной стороны Япета, делая поверхность спутника более тёмной.

Более сложно, но правильно: Феба испускает поток частиц, а Япет попадает в их поток. При воздействии прямых солнечных лучей сторона Япета, не подвергшаяся воздействию частиц, сохраняет меньшее количество тепла, чем сторона подвергшаяся. Поэтому лёд на «более горячей» стороне сублимируются, и переносится на более прохладную. И этот цикл не остановить – со временем всё больше льда оседает на одной стороне, выкипая на другой. После этого процесса остаются лишь нелетучие частицы, которые лучше поглощают тепло.

Это и есть объяснение этой специфической особенности Япета. Глядя на остальную часть спутника, можно отметить ещё несколько примечательных особенностей, хотя и не совсем необычных для Солнечной системы. Поверхность Япета сильно изрыта кратерами. Дно кратеров в переходной зоне (между тёмной и светлой сторонами) также богато более тёмным материалом, а лёд занимает в основном склоны. Кроме того, обращённая к Сатурну сторона имеет непрерывный экваториальный хребет, в то время как на противоположной стороне хребет не столь ярко выражен.

Когда мы соберём все эти факты вместе, а также узнаем об остальных свойствах Япета, таких как его плотность и состав, мы можем предположить сценарий его появления, который не обязательно на 100% верен (и, конечно, не является общепринятым).

Это был период формирования нашей системы — время когда будущее Солнце только начинает разогреваться, а в окружающем его протопланетном диске формируются планеты. Самые большие и ранние протопланеты вырастут в поистине гигантские миры – Юпитер и Сатурн, вокруг которых также возникнут свои пылевые диски. Со временем в этих дисках начнётся формирование спутников, расположенных в одной плоскости. Одним из них и был Япет, который, возможно, сформировался в результате раннего массового столкновения в молодой системе Сатурна, или был выведен из плоскости системы в результате гравитационных взаимодействий. Таким образом Япет становится единственным из восьми главных спутников Сатурна, с которого видна кольцевая система планеты.

В первые дни существования этой системы Япет быстро вращается, что приводит к изменению формы спутника. Итак, новая луна Сатурна сформировалась, а в результате столкновения с другими телами образуются пять самых больших кратеров. В ходе столкновения часть материала поднимается, возможно, с образованием кольца или спутника, которое в конечном итоге падает на Япет, образуя экваториальный хребет. В это же время Сатурн захватывает Фебу, которая начинает «разбрасываться» собственными частицами, запуская удивительный цикл разноцветных полушарий Япета

И всë же, несмотря на то, насколько многообещающим и правдоподобным оказался этот сценарий, в настоящее время в нашем распоряжении недостаточно информации, чтобы либо подтвердить его или опровергнуть. Экваториальный хребет мог образоваться в результате поднятия ледяного материала сквозь отвердевшую кору на раннем этапе формирования спутника.

Главный вывод моделирования заключается в том, что Япет представляет собой удивительный случай «заморозки во времени». Этот объект мы видим таким же, каким он был три миллиарда лет назад, говорят Джули и её коллеги из JPL. Причём форма луны (даже если не принимать во внимание стену) соответствует форме гидростатически равновесного тела, вращающегося с периодом 16 часов. Именно при такой скорости с Япетом приключилась быстрая «заморозка». А сейчас этот спутник вращается намного медленнее. Но для того чтобы приливные силы замедлили Япет до нынешнего темпа (он составляет 80 дней на один оборот, против считанных часов в пору его юности), его интерьер должен быть гораздо теплее, чем мы наблюдаем, ближе к температуре плавления водяного льда, утверждают авторы исследования. Так что основная трудность в разработке модели того, как Япет оказался «застывшим во времени», это наличие источника тепла вначале (первые несколько сотен миллионов лет) его жизни, который, однако, быстро «выключился» чуть позднее. Перебрав в своей модели кучу вариантов, учёные нашли, что этим кратковременным (по космическим меркам) прогревом Япет обязан радиоактивным изотопам алюминий-26 и железо-60, которые водились на ранней стадии развития Солнечной системы, однако у которых сравнительно короткий период полураспада, о чём исследователи и рассказали в своей статье в журнале Icarus. Косвенным подтверждением этой гипотезы может служить наличие данных изотопов в метеоритах, являющихся реликтами Солнечной системы. Кстати, по изотопу алюминия в самом спутнике учёные из JPL смогли найти возраст Япета: он оказался равен 4,564 миллиарда лет. Данную работу планетологи считают первым исследованием ранней истории объекта во внешней Солнечной системе, в плане изменения его вращения и связи этой эволюции с развитием самого тела.

Сатурн и его загадочные спутники

В науке важно поддерживать два противоречивых мыслительных процесса одновременно. С одной стороны, вам необходимо рассмотреть полный набор наблюдаемых явлений и свойств всей системы, которую вы исследуете, и занять позицию, которая наиболее полно объясняет полученные данные без проявления каких-либо противоречий. С другой стороны, вы должны рассмотреть все возможные объяснения, которые нельзя исключить, оставляя возможность пересмотра каждого аспекта. Вот и мы в 2021 году, спустя целых 350 лет после открытия Япета, всё ещё не можем окончательно объяснить специфические особенности спутника Сатурна. Такова природа — и таковы ограничения — научного процесса.

Источник