Крымская модель предсказала половину лун Сатурна — и они вращаются не туда

В 1995 году ученые с постсоветского пространства построили модель «Сатурн-2». Та смогла предсказать новые небесные тела, целую обширную зону, где вращаются спутники Сатурна, созданные из материала, захваченного из космоса. К октябрю 2019 года таких спутников открыли уже 41 штуку, а всего на данный момент лун у Сатурна обнаружено 82. Пожалуй, речь идет о самом точном предсказании в истории астрономии.

Над математическим моделированием в астрономии принято подтрунивать. Мол, у них бывает сомнительная точность, и часто их результаты несовместимы с наблюдаемой реальностью.

Чего стоит одна только теория образования Луны из-за столкновения с другой планетой: еще никто не смог объяснить, почему при этом земная вода осталась на планете (судя по соотношению дейтерия и водорода, она не кометно-астероидная, а местная), хотя должна была выкипеть сразу после мегаимпакта. Но в октябре 2019 года настало время признать: иногда модели срабатывают куда лучше, чем мы ожидаем.

Как рассчитать невидимое

В октябре 2019 года группа Скотта Шеппарда из Института Карнеги (США) объявила об открытии 20 новых спутников Сатурна только за этот год. В прошлом, кстати, они нашли еще 12. Все эти открытия были сделаны на 8,2-метровом японском телескопе «Субару». В итоге у Сатурна стало 82 спутника — больше всех в Солнечной системе и на три штуки больше, чем у Юпитера.

Однако есть вещи и поудивительнее открытия 32 новых спутников у одной планеты за два года. Почти все вновь обнаруженные тела соответствуют давным-давно сделанному предсказанию. В 1995 году исследователи из Симеизской обсерватории (Крым), Николай Горькавый и Татьяна Тайдакова опубликовали статью в Astronomy Letters, («Письма в астрономический журнал») где сделали неожиданное открытие. Оказалось, часть пролетающих мимо Сатурна тел должна сталкиваться с частицами околопланетного диска, терять скорость и захватываться гравитацией огромной планеты. Причем после захвата эти тела будут вращаться «против шерсти»: в астрономии это называют ретроградным или обратным вращением.

Как им удалось показать, причина формирования множества «противошерстных спутников» — чистая небесная механика. Если пролетающее мимо планеты тело попало в околопланетный диск, который вращается туда же, куда летит это тело, то скорости этого тела и частиц газа и пыли из околопланетного диска различаются не очень сильно. Если же тело летит против направления вращения газа и пыли околопланетного диска, то скорость будет весьма различаться. Простая аналогия: столкновение машин, едущих по одной полосе, имеет малую энергию, а вот если они соударяются на встречке — энергия этого события намного выше. Теряя много энергии на встречных столкновениях, пролетающее мимо небесное тело быстро теряет и скорость. Та падает так сильно, что гравитация планеты может удержать «залетного гостя».

Зачастую его при этом разносит на множество обломков. Но и такие обломки эффективно захватываются гравитацией планеты, а затем постепенно сливаются друг с другом, образуя очередные «спутники, вращающиеся против шерсти».

В 1995 году, когда вышла эта статья, астрономы знали о 17 «прямых» и только одном «обратном» спутнике Сатурна — Фебе. Ее считали странным исключением, лишь по странной случайности захваченной гравитацией газового гиганта из окружающего космоса. Ведь про торможение в околопланетном диске еще никто не знал. Но уже тогда было ясно, что «на месте» спутник с противоположным планете направлением вращения возникнуть не может.

Поясним почему — с помощью простой аналогии. Если вы возьмете в руки шар не веревочке и начнете кружиться на одном месте, то направление вращения у вас и у шарика будет одинаковым. У нормальных спутников планеты направление вращения тоже совпадает с направлением вращения их планет. Все потому, что спутники и планеты образуются из одного и того же материала общего происхождения — из протопланетного диска, а в этом диске возникает и сама планета, и носящиеся вокруг нее обломки, почему они и крутятся в одну сторону.

«Сатурн-2» и зона IV

Попробовав рассчитать, в каких зонах близ Сатурна могут накапливаться тела с обратным вращением, Горькавый и Тайдукова обнаружили, что там существует так называемая зона IV — простирающаяся сильно за орбитой Фебы, на удалении от 18 до 31 миллиона километров от Сатурна. Плотность спутников с нормальной, «прямой» орбитой, вращающихся в том же направлении, что и Сатурн, в зоне IV получалась отрицательной. Это означало не только то, что там, согласно модели, маловероятно появление «прямых» спутников, но и то, что там накапливаются «обратные» спутники.

Последний абзац их работы 1995 года оканчивался так: «Основываясь на нашей модели «Сатурн-2», мы предполагаем, что близ Сатурна может существовать самая далекая от планеты группа еще не открытых спутников обратного вращения…» Как мы видим, это очень редкое и амбициозное утверждение: до сих пор расчетами на кончике пера в Солнечной системе удалось открыть ровно одно тело — и это был Нептун. Открытие было настолько значимым, что вызвало бурную дискуссию с попыткой кражи научного приоритета в открытии, и отзвуки этого скандала все еще бушуют в 2019 году, спустя полтора с лишним века после открытия.

Сам собой возникает вопрос: насколько оправдалось предсказание о зоне IV, где должны доминировать спутники с обратным вращением? Удалось ли впервые с XIX века предсказать небесные тела в Солнечной системе?

В октябре 2019 года Николай Горькавый отреагировал на объявление об открытии 20 новых спутников Сатурна, указав на графике из работы 1995 года, где именно лежат орбиты тех из них, что открыты на 2019 год. Оказалось, в несколько сжатой («Сатурн-2» рассчитывалась в первой половине 90-х, при другом уровне вычислительной техники) зоне IV лежит сразу 41 спутник с обратным вращением и всего два — с прямым. В 1995 году не был открыт еще ни один спутник из зоны IV. В 2019-м «самая далекая от планеты группа еще не открытых спутников обратного вращения» открыта — и в ней находится половина спутников Сатурна: 41 из 82.

Модель «Сатурн-2» из 1995 года смогла предсказать не одно, а сразу десятки небесных тел в Солнечной системе «на кончике пера», и на сегодня это пока единственное достижение такого рода, известное для XX-XXI веков.

Что это значит для будущего астрономии

Следует понимать: по такому механизму «встречных столкновений» астероиды тормозятся и захватываются планетами, становясь обратными спутниками, не только у Сатурна. Похожая группа лун есть у Юпитера (ее открыли раньше, потому что Юпитер ближе). Более того, в системе спутников Нептуна самый массивный — Тритон, как раз спутник обратного вращения, по облику похожий не на обычный спутник, а на тело из Пояса Койпера, крупного обломочного кольца на окраине Солнечной системы, откуда и взялся материал Тритона.

Все это означает, что модели, подобные «Сатурну-2», но на новом техническом уровне,  могут предсказывать местонахождение еще не открытых спутников и у других далеких планет Солнечной системы, а также в далекой перспективе и спутников экзопланет. Значимость такого инструмента трудно переоценить. Кто знает, возможно, аналогичные механизмы могут отвечать за формирование более крупных тел — быть может, целых планет?