Кольца Сатурна в суперкомпьютере

Как устроены кольца Сатурна и откуда они взялись

Международная группа ученых с участием сотрудников МГУ имени М.В. Ломоносова объяснила строение колец Сатурна и смоделировала их на суперкомпьютере. Этот результат может быть применен к самым разным системам как в природе, так и в индустрии.

Интересный вопрос: почему вокруг одних планет, как, например, у Сатурна, появляются кольца, а у других, у тех же, скажем, Земли или Марса, этих колец нет? Как оказалось, размер планеты роли здесь не играет. Кольца обнаружены и у гигантов, и даже у астероидов. Пример последних — астероид Харикло с диаметром примерно в 260 км, у которого в прошлом году космический телескоп Spitzer обнаружил сразу два кольца.

На этот вопрос ответ, хотя бы приблизительный, имеется: около одних планет исторически оказалось мало пыли, а около других — много. Пылинки собирались вместе, образовывали частицы, которые продолжали расти, и становились все больше и больше, что, конечно, понятно. Но почему же рост частиц внезапно останавливался, когда они достигали размера с дом? Вот это оставалось загадкой.

Более того, само распределение частиц по размерам следовало красивому математическому закону «обратных кубов», что означает, например, что частиц размером 2 м в восемь раз меньше, чем последних размером 1 м, размером 3 м — меньше в 27 раз и т.д. Природа такого закона также представлялась загадочной.

Международная группа исследователей, в которую входят четверо россиян — выпускник МГУ имени М.В. Ломоносова Николай Бриллиантов (профессор Лестерского Университета, Великобритания), Павел Крапивский (профессор Бостонского Университета, США), а также научные сотрудники кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Анна Бодрова и Владимир Стадничук, внесли наконец ясность в этот вопрос, изучив распределение частиц по размерам в кольцах Сатурна. В ходе работы исследователи показали, что наблюдаемое распределение имеет универсальный характер, то есть свойственно всем кольцам, возникающим у небесных тел, частицы которых имеют схожую природу. Более того, ученым удалось разгадать загадку магического закона «обратных кубов». Соответствующая статья коллектива авторов, в который входят профессора Франк Шпан (Университет Потсдама, Германия), Юрген Шмидт (Университет Оулу, Финляндия) и Хисао Хаякава (Университет Киото, Япония), опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Кольца Сатурна представляют собой величественное зрелище. Они состоят в основном из ледяных крошек, с небольшим вкраплением минеральных веществ и простираются на сотни тысяч километров.

При этом «толщина колец», то есть их размер в другом, перпендикулярном, направлении, — всего лишь 10–100 м! В этом смысле кольца Сатурна — в миллионы раз «тоньше» самой острой бритвы. Кроме того, вся эта ледяная масса несется вокруг Сатурна с колоссальной скоростью, 72 тыс. км в час. Это так называемая орбитальная скорость, с которой частицы движутся как единое целое. Тем не менее скорости индивидуальных частиц все-таки немного отличаются от этой средней скорости, но в среднем эти отклонения ничтожны — порядка нескольких метров в час!

Когда частицы подлетают друг другу на таких маленьких скоростях, они соединяются и уже не могут снова разлететься из-за поверхностных сил — эффект, подобный тому, как слипаются два снежка, если их с силой соединить вместе. Такой процесс слипания частиц происходит постоянно. Однако существует и противоположный процесс разрушения частиц при столкновениях. Дело в том, что у очень небольшой доли частиц отклонения от средней скорости весьма значительны.

Если такая «быстрая» частица врезается в свою «соседку», то обе рассыпаются на мелкие кусочки. Это происходит очень редко, но в конечном счете устанавливается баланс между объединением частиц и их распадом.

Ученые построили математическую модель этих процессов, которую исследовали различными методами, в том числе проводя численное решение огромного числа дифференциальных уравнений. Это можно было сделать только на суперкомпьютере. В результате был задействован один из мощнейших суперкомпьютеров Европы — суперкомпьютер МГУ «Чебышев». Данная часть работы была выполнена московскими коллегами научной группы. Ученые объяснили как отсутствие в кольцах Сатурна частиц больше определенного размера, так и загадочный закон «обратных кубов». Более того, из полученной модели следовал и такой важный вывод, что указанные закономерности должны наблюдаться для всех колец, будь это кольцо планеты или астероида.

По словам исследователей, как, в частности, пояснила Анна Бодрова из МГУ, эта универсальность представляет собой лишь хорошо обоснованное предположение. Для того чтобы его подтвердить или опровергнуть, требуются дальнейшие исследования других колец.

Указанная работа позволяет сделать целый ряд других научных выводов — например, о механизме формирования колец и их эволюции. В частности, результаты ученых говорят о том, что кольца Сатурна пребывают в стационарном состоянии. Это означает, что динозавры наблюдали (если бы могли наблюдать) те же кольца, что и сейчас. Те же кольца будут наблюдать наши потомки. Более того, так как характерное время изменения колец под влиянием каких-либо внешних воздействий не превышает 10 тыс. лет (это тоже следует из модели), ничего катастрофического не происходило с кольцами со времен бронзового века.

В свое время лауреат Нобелевской премии академик Петр Капица заметил, что «нет ничего практичнее хорошей теории».

Это в полной мере относится и к данной работе. Исследователи разработали весьма универсальный математический аппарат, который может быть без труда приложен к самым разным системам как в природе, так и в индустрии.

Везде, где имеется система частиц, которые могут слипаться при соударениях с малыми скоростями и разрушаться на мелкие осколки при больших скоростях, будет наблюдаться распределение частиц по размерам, следующее магическому закону «обратных кубов».