Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

Мы сегодня знаем, почему во временах транзита наблюдается нерегулярность. Тяготение Юпитера вызывает прецессию приближенно эллиптических орбит его спутников (аналогично прецессии орбиты Меркурия вокруг Солнца), так что положение периовия — ближайшей к Юпитеру точки орбиты — изменяется довольно быстро. В формуле резонанса Лапласа прецессии компенсируют друг друга, но на индивидуальные транзиты влияют сильно.

Резонансом Лапласа называется любое подобное соотношение углов. Так, звезда Gliese 876 имеет систему экзопланет, первая из которых была обнаружена в 1998 году. В настоящее время известны четыре планеты, и три из них — Глизе 876c, Глизе 876b и Глизе 876e — имеют орбитальные периоды, равные 30,008; 61,116 и 124,26 суток, что подозрительно близко к соотношению 1:2:4. В 2010 году Эухенио Ривера с коллегами показали, что в данном случае наблюдается соотношение:

угол для 876c — 3 × угол для 876b + 2 × угол для 876e = 0°,

но сумма при колебаниях вокруг 0° отклоняется на целых 40°, то есть либрация здесь гораздо сильнее. В данном случае тройное соединение возможно, а почти соединение, близкое к тройному, происходит на каждом обороте внешней планеты. Моделирование показывает, что колебания вокруг 0° должны быть хаотичны, а период их составляет приблизительно 10 лет.

Три луны Плутона — Никта, Стикс и Гидра — тоже демонстрируют лапласоподобный резонанс, но здесь среднее соотношение периодов составляет 18:22:33, а среднее отношение орбит — 11:9:6. Уравнение здесь выглядит так:

3 × угол для Стикса — 5 × угол для Никты + 2 × угол для Гидры = 180°.

Тройное соединение здесь невозможно по тем же соображениям, по каким оно невозможно для юпитерианских лун. На каждые два соединения Стикс/Никта приходится пять соединений Стикс/Гидра и три соединения Никта/Гидра.

И Европа, и Ганимед, и Каллисто имеют ледяную поверхность. Есть несколько независимых доказательств того, что на всех трех спутниках подо льдом имеется жидкий водяной океан. Первой луной, на которой ученые заподозрили существование такого океана, стала Европа. Конечно, для того чтобы расплавить лед, нужен какой-то источник тепла. Приливные силы Юпитера то и дело стискивают Европу, а резонансные отношения с Ио и Ганимедом не дают ей ускользнуть от этого давления, сменив орбиту. Сжатие разогревает ядро спутника, и расчеты показывают, что выделяющегося при этом тепла достаточно, чтобы растопить большое количество льда. Поскольку поверхность спутника состоит из твердого льда, жидкая вода должна находиться глубже; вероятно, она образует толстую сферическую прослойку.

Дополнительным подтверждением этой гипотезы можно считать тот факт, что поверхность спутника испещрена трещинами, а вот кратеров на ней очень мало. Наиболее вероятное объяснение — лед образует толстый слой, плавающий поверх океана. Сильное магнитное поле Юпитера индуцирует магнитное поле и на Европе, но более слабое, и математический анализ характеристик магнитного поля Европы, измеренных орбитальным аппаратом Galileo, позволяет предположить, что подо льдом Европы должна располагаться значительная масса проводящего вещества. Самый правдоподобный вариант в данном случае, с учетом всех данных, — соленая вода.

На поверхности Европы наблюдается несколько областей «хаотического рельефа», где лед имеет очень беспорядочную и нерегулярную структуру. Одна из таких областей — Хаос Конамара (Коннемара), состоящий, кажется, из одних только бесконечных ледяных торосов, которые неоднократно ломались и двигались. Еще есть хаосы Арран, Муриас, Нарбет и Ратмор. Аналогичные формации возникают на Земле в многолетних плавучих льдах, когда устанавливается оттепель. В 2011 году группа под руководством Бритни Шмидт объяснила, что хаотичный ландшафт образуется, когда слой льда, лежащий над линзой жидкой воды, обрушивается вниз. Эти подледные озера, очевидно, находятся ближе к поверхности, чем сам океан, возможно, на глубине всего трех километров. Подобная впадина на Европе, получившая название Пятно Тера, имеет под собой озеро, воды в котором не меньше, чем в Великих Североамериканских озерах.

Линзовидные озера Европы располагаются ближе к поверхности, чем основной океан. По лучшим современным оценкам, внешний слой льда на Европе, если оставить в стороне такие озера, составляет в толщину около 10–30 километров, а глубина океана равна примерно 100 километров. Если это так, то по объему океан Европы вдвое превосходит все земные океаны, вместе взятые.

На основании аналогичных данных можно предположить, что на Ганимеде и Каллисто тоже есть подповерхностные океаны. На Ганимеде внешний слой льда толще, около 150 километров, а глубина океана под ним такая же — около 100 километров. На Каллисто океан, вероятно, лежит на той же глубине подо льдом, а глубина океана составляет 50–200 километров. Все эти оценки предположительны, и различия в химическом составе — к примеру, присутствие аммиака — изменили бы их весьма значительно.

Спутник Сатурна Энцелад — очень холодный мир, средняя температура на его поверхности составляет 75 K (примерно минус 200 °C). Казалось бы, не стоит ожидать от такого спутника особой активности; астрономы и не ожидали, пока Кассини не открыл, что Энцелад испускает громадные гейзеры ледяных частиц, водяного пара и хлорида натрия (поваренной соли) высотой сотни километров. Часть вещества при этом просто улетает в пространство; считается, что это и есть основной источник вещества кольца E вокруг Сатурна, содержащего 6 % хлорида натрия. Остальное падает обратно на поверхность Энцелада. Самое правдоподобное объяснение этого явления — соленый подземный океан — было подтверждено в 2015 году путем математического анализа собранных за семь лет данных о крохотных колебаниях в ориентации этой луны (специальный термин: либрация), измеренных при отслеживании точного положения ее кратеров. Энцелад покачивается из стороны в сторону на угол 0,12°. Это слишком много, чтобы соответствовать модели с жесткой связью между ядром Энцелада и его ледяной поверхностью, и указывает на существование скорее глобального океана, чем локального полярного моря. Лед над ним, вероятно, имеет толщину 30–40 километров, а сам океан — глубину 10 километров, то есть больше, чем в среднем у океанов Земли.

Среди всех спутников Сатурна семь лун обращаются вокруг своей планеты сразу же за краем внешнего из ее основных колец, кольца A. Это очень маленькие спутники, и плотность у них тоже чрезвычайно низкая, что позволяет предположить наличие внутренних полостей. Некоторые из них по форме напоминают летающие тарелки, а некоторые отличаются гладкой лоскутной поверхностью. Это Пан, Дафнис, Атлас, Прометей, Пандора, Янус и Эпиметий.