Астрофизики работают с математической моделью, описывающей процессы агрегации и фрагментации частиц в кольцах Сатурна. Полученные результаты помогут пролить свет на загадочное явление периодических сгустков во внешнем кольце Сатурна.
Сатурн / ©galspace.spb.ru
В международную группу исследователей вошли также ученые из Сколтеха.
В экваториальной плоскости Сатурна расположено несколько образований из пыли и льда, которые назвали кольцами Сатурна. Впервые их смог увидеть Галилео Галилей еще в 1610 году, однако посчитал их частью самой планеты. По-настоящему рассмотреть, изучить и понять природу этих колец получилось лишь в XX веке, в эру исследования космоса. Однако многие аспекты образования колец планеты и процессов, происходящих внутри них, до сих пор являются загадкой для ученых.
Большинство наблюдаемых человеком объектов Солнечной системы остается неизменным на протяжении миллионов лет, но кольца Сатурна демонстрируют крайнюю нестабильность, особенно одно из внешних, названное F-кольцом. Если изменения в других кольцах удается зафиксировать раз в десятилетия, то F-кольцо может меняться в течение нескольких часов.
Время от времени летательные аппараты фиксируют в нем сгустки материи, которые потом исчезают. Хотя точные причины такого неуравновешенного поведения частиц, входящих в состав колец, пока не изучены, уже известно, что в этом участвуют процессы агрегации и фрагментации.
Процессы агрегации (слияния) и фрагментации (распада) частиц лежат в основе многих явлений, встречающихся в микро- и макромире. В планетарных кольцах, таких как кольца Сатурна, эти процессы происходят в особо крупных масштабах, и баланс между фрагментацией и агрегацией должен постоянно поддерживаться.
Ученые из Сколтеха, МГУ, Института вычислительной математики РАН, университетов Лестера (Великобритания) и Бостона (США) объединили свои усилия в изучении особенностей F-кольца при помощи математической модели, которая ранее применялась для анализа структуры стабильных участков колец Сатурна. Команда ученых продемонстрировала возможность существования периодических колебательных режимов для замкнутой математической модели процессов слияния и дробления частиц в кольцах Сатурна.
Выводы исследователей соответствуют закону сохранения массы, из которого следует, что масса вещества, вступившего в реакцию, равна массе вещества, полученного в конце реакции. Данные результаты позволяют по-новому взглянуть на механизмы формирования колец и продемонстрировать, что к образованию сгустков приводят колебательные процессы.
Результаты данной работы опубликованы в авторитетном международной журнале Physical Review Letters.
«Мы работали три долгих года, прежде чем решились представить полученные результаты в редакцию журнала, нам потребовалось много времени для преодоления собственных же сомнений и последовательной проверки результатов. Мы наблюдаем неугасающие колебательные решения уравнений моделей агрегации и фрагментации, разработанной для описания распределения частиц по размерам в кольцах Сатурна.
Более того, мы видим, что данные решения ведут к устойчивым строго периодическим колебаниям вместо стабильных равновесных распределений, что само по себе уже является интересным фактом для математической модели, удовлетворяющей закону сохранения массы Так как основные представленные результаты базируются на результатах численных экспериментов, мы надеемся привлечь внимание “чистых математиков” для более строгого теоретического анализа наблюдаемого нами факта», — рассказывает первый автор исследования, научный сотрудник Сколтеха Сергей Матвеев.
