Необычные явления в системах спутников планет

КАК ИЗУЧАЮТ ДВИЖЕНИЕ ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Мысль о том, что во все стороны от Земли простирается необъятная Вселенная, всегда волновала человека. Эта мысль вызывает двоякое желание: хочется понять наше место в необозримом пространстве и бесконечном разнообразии мира и одновременно рождается желание извлечь из Космоса выгоду для удовлетворения своих постоянно возрастающих потребностей. У образованного и материально обеспеченного человека нередко возникает некий дискомфорт от отсутствия ответа на подобные вопросы. Еще большее беспокойство испытывает человек, обнаружив угрозу своей жизни со стороны сил природы. Вот почему мы благодарны тем немногим подвижникам науки, которые работают, чтобы избавить нас от мучительных вопросов о Космосе и судьбе.

Когда-то человек плохо представлял себе, что творится на громадных расстояниях от него. Но теперь мы уже знаем достаточно много о телах Солнечной системы. Открыты законы, которым подчиняется движение планет и спутников, комет и астероидов, космической пыли и межпланетных космических аппаратов. Мы также умеем вычислять и определять видимое расположение светил на небе с весьма высокой точностью. Разработаны аналитические методы небесной механики, а также численные методы решения уравнений движения небесных тел. Все это отображено на приведенной здесь схеме блоком "Модель движения".

Изучая планеты и спутники, мы смело предполагаем, что все время остаются постоянными некоторые параме тры, характеризующие небесные тела. К ним относятся массы, размеры и формы тел, параметры орбит и многие другие величины, которые известны с некоторой точностью (блок "Параметры"). Будучи подставленными в формулы теории с помощью методов, составляющих тело теории, они позволяют нам предвычислить расположение всех небесных тел на любой момент време ни в прошлом или в будущем. Лишь тогда есть толк в теории, когда она представляет собой не только абстрактные конструкции в воображении зачарованного теоретика, а хорошо отлаженные процедуры, исправно служащие целям практического познания природы. Источник наших знаний о небесных телах - наблюдения. Известно, что астрономы наблюдают небесные тела с помощью телескопов. Но не все знают, что последние 80 лет астрономам приходится часто рассматривать в микроскоп изображения планет и спутников, измеряя координаты небесных тел на фотопластинках. Современные средства наблюдений небесных тел весьма разнообразны. Информативность наблюдений тем выше, чем выше точность измерений.

Теперь надо сравнить предвычисленные положения небесных тел с тем, что получено из наблюдений ("0-С"-Сравне-ние теории с наблюдениями). Чаще всего оказывается, что данные теории не совпадают с результатами наблюдений. Тогда небесные механики уточняют параметры на основе получившихся разностей. Обычно это удается, и рассогласование уменьшается до величин ошибок теории и наблюдений ("Уточнение параметров теории"), Иногда случается, что рассогласование теории с наблюдениями не удается уменьшить до величин погрешностей измерений. Тогда в процесс включаются теоретики и вычислители. Они выводят новые, более точные и, как правило, более громоздкие формулы. Математики совершенствуют методы вычислений. Небесные механики моделируют новые эффекты в движении небесных тел. Так строится новая, уточненная модель движения небесных тел ("Уточнение формул, методов вычислений"). Наблюдателям нужно знать, когда следует наблюдать интересующую их планету или ее спутник, куда наводить телескопы. Необходимо заранее выяснить условия видимости небесных тел, иметь хорошо разработанный план наблюдений. Эти проблемы решает эфемеридная астрономия ("Эфемериды"). Рассмотренные объекты и научные процессы уже дают нам общее представление о том, как изучают планеты, спутники и другие тела Солнечной системы методами небесной механики. Многие научные сотрудники вполне довольны, работая в рамках какого-нибудь одного из блоков нашей схемы. Одни создают красивые теории. Другие мастерски выполняют многочисленные наблюдения. Но реальный смысл всей этой интеллектуальной деятельности появляется лишь в том случае, если она рано или поздно становится частью всего процесса изучения динамики тел Солнечной системы.

Но пока у нас еще нет ответа на вопрос о том, зачем все это нужно. Поэтому дополним нашу схему выходами на цели, введя блоки "Обеспечение космических миссий", "Открытие новых явлений природы" и "Прогноз опасности". Под открытием новых явлений мы подразумеваем, конечно, открытие новых небесных тел и обнаружение ранее неизвестных их свойств. Сейчас справедливо говорят о реальной опасности, которую представляют собой астероиды и кометы, способные столкнуться с планетами, в том числе и с Землей. Известно, что для изучения траекторий астероидов и комет, сближающихся с Землей, даже создан Международный институт проблем астероидной опасности в С.-Петербурге. Приведенная нами схема, как любая схема вообще, суха и ограничена, она лишь в самом общем виде отражает разнообразные научные изыскания и накопление фактов, фантазии и ошибки. Чтобы принятый здесь подход к изучению динамики небесных тел не оказался односторонним, рассмотрим пример современных исследований другого характера. Французские ученые, сотрудники Парижского института "Бюро долгот" Ж. Ласкар и его коллеги провели численное моделирование орбитального движения и вращения Земли с учетом возмущения Луны и других планет на интервале времени 18 миллионов лет. Оказалось, что наклон оси вращения Земли к плоскости ее орбиты сохраняет свое среднее значение 23,3° на всем указанном огромном интервале времени, отклоняясь от него не более, чем на 1,3°. В той же работе проделан такой эксперимент: моделирование повторили без Луны. Здесь наклон оси вращения Земли колеблется хаотически в пределах от нуля до 85°. Выходит, что если бы на самом деле не было Луны, хаотические колебания оси вращения Земли могли бы вызвать драматические изменения климата. Выводы работы нельзя считать окончательными. В ней не учтены некоторые такие тонкие эффекты, как упругость и вязкость тела Земли. Более адекватный подход к данной задаче принят российскими исследователями (Ю.Г. Марковым и другими). Приближенно учтены вязко-упругие свойства тела Земли. Аналитические методы, применяемые в работе, приводят к более сложной картине эволюции направления оси вращения Земли. Даже без Луны направление оси существенно не изменяется. Однако результат зависит от модели внутреннего строения нашей планеты, которое нам пока почти неизвестно.

Таким образом, для открытия новых законов природы или новых небесных тел нужно обнажить реальные разности между теорией и наблюдениями, очистить их от ошибок измерений. Уменьшить ошибки удается благодаря совершенствованию техники астрономических наблюдений, что, в свою очередь, зависит от общего прогресса оптической и электронной технологии. До недавнего времени координаты спутников планет определяли по фотопластинкам, делая это с одинаковой точностью в течение последних пятидесяти лет. Сейчас изобретены новые приемники излучения, например, ПЗС-матрицы, точность измерения изображений на которых в 5-10 раз лучше, чем на фотопластинках. Применяется также специальный способ построения изображений, называемый спеклинтерферометрией, который еще в 3-5 раз повышает точность измерения координат небесных светил на небе. Однако спеклинтерферометрию можно применять только для пары тесно расположенных точечных объектов достаточно высокой и примерно одинаковой яркости. В принципе, есть еще один замечательный способ повышения точности измерения расположения небесных тел в пространстве: нужно подлететь к ним поближе. Но этот способ чрезвычайно дорог.

РЕДКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ДВИЖЕНИИ СПУТНИКОВ ПЛАНЕТ

После общих рассуждений перейдем к рассмотрению особых и редких явлений в движении небесных тел, их изучение дает весьма ценную информацию. Порой что-то не так происходит на небе. Еще древние знали о солнечных и лунных затмениях. Закономерная повторяемость этих явлений позволила построить хорошую модель движения системы Солнце-Земля-Луна. Другой пример - явления в затменных переменных звездах, дающие возможность не только определить форму и размеры компонентов, но и исследовать их природу. Однако вернемся к Солнечной системе. Перечислим только некоторые из наблюдаемых в ней явлений:

• покрытия звезд и планет Луной,
• прохождение планет по диску Солнца,
• попадание спутников в тень своей планеты,
• прохождение спутников по диску планеты,
• пробегание тени от спутников по диску планеты,
• взаимные покрытия и затмения спутников планет,
• взаимные покрытия и затмения двойных астероидов.

Очевидно, что этот список нетрудно продолжить. Даже специалиста удивляет высокая информативность наблюдения перечисленных редких явлений. Например, были открыты двойные астероиды, определены относительные размеры Плутона и его спутника Харона. А ведь ни парные астероиды, ни двойную планету Плутон-Харон ни в какие наземные телескопы разделить на компоненты невозможно. Кроме открытий, которые иногда удается сделать сразу после наблюдения редких небесных явлений, ценность таких наблюдений определяется чрезвычайно высокой точностью измерений координат планет и спутников. В англоязычной научной литературе взаимные покрытия и затмения в системах спутников планет называют "событиями". Они действительно оказываются событиями и в научной жизни. При таких явлениях происходит следующее. Представим, что орбиты нескольких спутников расположены в пространстве примерно в одной и той же плоскости, которая слегка наклонена к плоскости орбиты планеты, но сохраняет ориентацию в пространстве в процессе орбитального движения планеты вокруг Солнца. Поэтому два раза за период обращения планеты плоскость орбит спутников пересекает планетоцентрические направления на Солнце и на Землю. В определенные моменты времени два спутника оказываются на одной линии, проходящей также и через наземного наблюдателя, тогда и происходят взаимные покрытия. Когда такая линия проходит через Солнце, тень от одного спутника падает на другой, и с Земли видно уменьшение блеска или исчезновение на некоторое время этого затмеваемого спутника.

Во время взаимного покрытия или затмения измеряют с максимально высокой точностью яркость спутников. Данный процесс называется фотометрированием. Спад яркости зависит от многих причин. В первую очередь, он зависит от взаимного расположения и размеров спутников. Если спутники окажутся сжатыми телами, это тоже отразится на изменении яркости спутника во время взаимного явления. График изменения яркости спутника называют кривой блеска. Конечно, яркость самого спутника зависит от свойств его поверхности. Если эти свойства неодинаковы на всей поверхности, то яркость будет зависеть от ориентации спутника по отношению к наблюдателю. При современной точности фотометрии по кривой блеска можно определить разности координат спутников с точностью, превышающей точность обычных ас-трометрических измерений в 50-100 раз. Именно это и нужно для уточнения параметров и модели движения спутников, чтобы обнаруживались неизвестные до сих пор небесные объекты или, что еще интереснее, новые явления природы. Обычно из фотометрических наблюдений спутников во время взаимных покрытий и затмений уточняют, в первую очередь, параметры их орбит. При этом, конечно, используют весь имеющийся наблюдательный материал. Каждая новая эпоха таких событий порождает новый набор значений параметров движения спутников. Делают это всегда в надежде... совершить наконец настоящее открытие!

Как наблюдать взаимные покрытия и затмения в системе галилеевых спутников Юпитера?

Любители астрономии, наверное, знают, что эти небесные тела видны в хороший бинокль. Но диски спутников нельзя различить даже с помощью хорошего телескопа. Их видимые радиусы не превышают 0,9". Поэтому единственное, что можно наблюдать, это быстрое уменьшение яркости спутника. Если наблюдается покрытие спутника спутником, то видны они в виде единой точки на небе, но яркость ее во время покрытия может уменьшиться на 0,7m. Опытные любители астрономии способны заметить такое уменьшение яркости.

Другое дело - взаимные затмения. Оба спутника могут быть видны на некотором расстоянии друг от друга. Во время затмения яркость одного из них уменьшается, возможно даже его полное исчезновение в поле зрения. Все это событие может произойти за несколько минут. В отличие от входа спутника в тень планеты (что бывает значительно чаще) взаимные затмения могут происходить на большом угловом расстоянии от диска Юпитера (до 6'), и яркий Юпитер не будет мешать наблюдениям. Ценность наблюдений взаимных затмений спутников по сравнению с наблюдениями затмений спутников Юпитером заключается в большей точности и хорошем распределении наблюдаемых точек по орбитам спутников. Каков же ожидаемый результат этих уникальных фотометрических наблюдений? Нужна кривая блеска, т.е. оценки яркости спутников на ряд известных моментов времени, отнесенных к шкале всемирного времени с точностью около 0,1 с. Такие измерения можно сделать только с помощью хороших телескопов с применением электрофотометров или ПЗС-матриц для регистрации яркости спутников. Любители астрономии, не имеющие необходимых приборов для фотометрических наблюдений, могут все же внести важный вклад в банк наблюдений. Достаточно просто фиксировать по точным часам моменты начала и конца явления. Точность таких наблюдений, наверное, не вполне достаточна для уточнения теории движения спутников, но они, вероятно, будут весьма полезны для контроля профессиональных наблюдений. В некоторых случаях любительские наблюдения могут оказаться уникальными. Для планирования наблюдений можно воспользоваться эфемеридами и описанием обстоятельств явлений в системе галилеевых спутников Юпитера в 1997 г. Имеющие в своем распоряжении компьютер могут получить у автора статьи программу, которая наглядно покажет на экране взаимное расположение спутников и их движение вокруг Юпитера. Краткое описание возможностей этой программы содержится в статье автора, опубликованной в "Письмах в Астрономический журнал" (1996, т. 2, №5). Многие обсерватории и астрономические институты во всем мире готовятся к предстоящим событиям в системе спутников Юпитера. Парижский институт "Бюро долгот" взял на себя неформальную миссию организовывать международные кампании по наблюдениям взаимных покрытий и затмений в системах спутников планет. Сотрудники Бюро долгот публикуют эфемериды явлений, собирают и анализируют результаты наблюдений, сами мастерски выполняют фотометрические наблюдения спутников на национальных и международных обсерваториях.

КАК И ДЛЯ ЧЕГО ИСПОЛЬЗУЮТСЯ РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

Как уже было сказано, результаты каждой кампании наблюдений после обработки всех данных, накопленных с момента открытия спутников, приводят к новому набору постоянных теорий движения спутников. Используются наблюдения всех типов, включая визуальные астрометрические наблюдения, и большой набор классических фотографических наблюдений галилеевых спутников Юпитера. Обычно такую работу выполняет автор самой точной в настоящее время теории движения этих спутников Д. Лиске (США). Пример важного научного результата - обнаружение ранее неизвестного явления: ускорения орбитального движения спутника Юпитера Ио. Пока нет достоверного объяснения этого эффекта. Но и сам эффект нуждается в уточнении в ходе дальнейших наблюдений и исследований. Другой пример - изучение интересных космических объектов непосредственно по измеренной кривой блеска спутников во время их взаимного покрытия. Речь идет о нескольких, скорее всего, действующих вулканах на Ио. На обсерватории Е80 (Европейская Южная обсерватория) 20 февраля 1991 г. были проведены фотометрические наблюдения покрытия спутника Ио спутником Европа. Измерения яркости пары спутников одновременно выполнялись в видимом и инфракрасном диапазонах. Кривая блеска в видимом диапазоне выглядит так, как будто на спутнике нет никаких световых деталей. Но в инфракрасном диапазоне излучения кривая имеет весьма замысловатый вид. За 7 минут, в те чение которых происходило покрытие, на видимой с Земли части поверхности Ио располагались несколько вулканов, в том числе наиболее крупные из них - Пеле и Локи. Видимые с Земли покрытия спутником Европы этих горячих вулканов вызвали резкие изменения общей яркости спутников в инфракрасном диапазоне излучения. Этот факт можно использовать двояко. Зная расположение вулканов и ориентацию тела спутника по отношению к наблюдателю, удается точнее определить видимое расположение покрывающего спутника по отношению к спутнику Ио. С другой стороны, если мы хорошо знаем движение спутников, то по кривой блеска можно уточнить расположение вулканов Ио. Точность таких определений весьма высока, поскольку размеры вулканов невелики.

ВЫВОДЫ ДЛЯ ЛЮБИТЕЛЕЙ И ПРОФЕССИОНАЛОВ

Любой исследователь, профессионал или любитель, занимаясь астрономией и небесной механикой должен смиренно следовать истине: несмотря на привлекательность построения научных гипотез и эффектность создания различных теорий реальный прогресс в изучении природы движения тел Солнечной системы достигается благодаря постоянному уточнению модели их движения на основе большего числа все более точных наблюдений. Занимающиеся этой наиболее трудоемкой частью научного процесса заслуживают наибольшего признания. Благодаря происходящему в Солнечной системе множеству особых редких явлений существует резерв повышения эффективности исследований динамики спутников на основе наземных наблюдений. Начинающие исследователи могут прославиться своей изобретательностью в разработке новых методов исследований и отыскании новых редких явлений в Солнечной системе. Наблюдения и интерпретация явлений взаимных покрытий и затмений спутников планет относительно новое дело для российских ученых. Поддержка этих исследований может привести к быстрой отдаче.