08.09.2015 | 11:09

Международная группа учёных объяснила строение колец Сатурна

Кольца Сатурна были загадкой с тех самых пор, как Галилео Галилей разглядел их в свой телескоп в начале XVII века. В восьмидесятые годы прошлого столетия к Сатурну полетели космические аппараты, но многие вопросы так и остались без ответов. И вот недавно международная группа учёных, в числе которых было четверо исследователей из России, объяснила строение колец Сатурна и смоделировала их на суперкомпьютере.

72 тысячи километров в час – с такой скоростью вокруг шестой планеты Солнечной системы летят кольца Сатурна. Они состоят из ледяных частиц с небольшой долей минеральных веществ. Причем, размеры «ледышек» подчиняются красивому математическому «Закону обратных кубов». Количество частиц пропорционально их размеру. Так, двухметровых частиц в 8 раз меньше, чем метровых, а трехметровых еще меньше. Это подтвердили исследования космического аппарата «Вояджер», который достиг Сатурна еще в 1980 году. Оставалось загадкой: почему крупных частиц не может быть больше маленьких? В 2007 году группа исследователей из шести стран решила объяснить это с помощью очень простых физических механизмов: фрагментации, то есть дробления, и агрегации – соединения.

«Оказалось, что все очень просто: частицы, которые представляют из себя ледяные блоки самых разных размеров, могут либо слипаться в одно общее тело, либо разбиваться на мелкие крошки. Если они сталкиваются с маленькими скоростями, они просто слипаются друг с другом, как слипаются два снежка, а если одна глыба налетает на другую с большой скоростью, они разламываются в самую мелкую снежную пудру», - объясняет профессор Лестерского университета Николай Бриллиантов, (Великобритания).

Движение частиц в кольцах Сатурна легко объяснить на примере шоссе. Для стороннего наблюдателя все машины летят с одной скоростью, сливаясь в единый поток. Однако скорости машин в потоке все-таки различаются: одна движется чуть быстрее, другая – медленнее. Частицы в кольцах Сатурна тоже движутся с разной скоростью: на них влияет гравитация многочисленных спутников планеты. Но если водитель автомобиля может предотвратить столкновение, то ледяные глыбы затормозить не в силах. Снежки либо слипаются, либо дробятся. В итоге получается некое равновесие, которое позволяет кольцам Сатурна существовать, практически не меняясь сотни тысяч лет.

«Одно из открытий нашей теории – мы показали, что в кольцах не может быть частиц примерно больше, чем 10 метров в диаметре. Дело в том, что такие частицы, глыбы, оказываются неустойчивыми. Рано или поздно происходят катастрофические события, когда глыбы сталкиваются и рассыпаются в мелкий порошок», - добавляет Николай Бриллиантов.

Сотрудник лаборатории нелинейных, неравновесных и сложных систем МГУ Анна Бодрова обосновала другую границу: в кольцах Сатурна не может быть частиц - меньше одного сантиметра. Они не существуют в свободном состоянии и мгновенно прилипают к более крупным телам. Кстати, именно Анна проверяла математическую модель этих процессов на суперкомпьютере МГУ «Чебышёв». Один из самых мощных суперкомпьютеров Европы считал дифференциальные уравнения несколько дней. Теперь Анна видит не только визуальную, но и математическую красоту колец Сатурна.

«В природе все как раз гармонично. И наше стремление как теоретиков - понять эту гармонию и выразить ее в виде красивых формул», - отмечает научный сотрудник кафедры физики полимеров и кристаллов МГУ им. М. В. Ломоносова Анна Бодрова.

Ученые утверждают, их модель универсальна. Она объясняет не только строение колец Сатурна, но и подобные системы на других планетах. Кроме того, этот математический аппарат можно применить к другим системам частиц: пылевые облака в иных галактиках, образование капель дождя, снежинок или града.

Новости культуры