Этот вызов, вместе с ошеломляющей новостью об открытии Титана, возродил интерес к задаче, которую не смог решить даже Галилей.
До сих пор Сатурн водит астрономов за нос, или, лучше сказать, насмехается над ними из ненависти или хитрости.
Иоганн Георг Лохер, студент Иезуитской академии Ингольштадта
Несмотря на весь энтузиазм, никто из астрономов так и не дошел до правильного ответа. Как в старых детективных романах, после того как были высказаны неверные объяснения, слово должен был взять Гюйгенс. Но поскольку ученый был занят созданием первых часов с маятником, он заставил себя упрашивать до лета 1659 года, когда наконец опубликовал свою Systema Satumium. В этой работе он излагал решение анаграммы: Annulo cingitur, tenui, piano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinato («Кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклоненным»). Эклиптика — это полезная координата для астрономов, определяющая положение земной орбиты.
Уже в ходе первых наблюдений в марте 1655 года Гюйгенс обнаружил важнейшую улику. Хотя «ручки» были едва видны, они не становились более короткими, хотя и утончались. Это навело ученого на мысль, что разница между тремя телами или ручками не объяснялась движением вокруг Сатурна какой-либо массы. Большая часть его аргументов основывалась на параллелизме между системами Луна — Земля и Титан — Сатурн. Земля вращается вокруг своей оси за один день, а Луна вокруг Земли — за 29 дней. Гюйгенс обратил внимание на эту разницу во времени и решил, что период обращения Сатурна вокруг своей оси тоже должен быть гораздо короче периода его спутника. Если Титан обращался вокруг планеты за 16 дней, то сама она должна была вращаться вокруг своей оси всего за 13 часов.
ОТВЕТЫ НА ВЫЗОВ
Первым принял вызов, брошенный Гюйгенсом в *Новых наблюдениях спутника Сатурна»(De Saturni luna observatio nova), знаменитый польский астроном Ян Гевелий. Он предположил, что Сатурн имеет яйцевидную форму, которая по бокам расширяется в виде растущей и убывающей луны. В совокупности вся эта конструкция, если смотреть на нее сбоку, имеет округлый контур. Когда она вращалась, как показано на рисунке, то облик отдельной сферы легко сменялся телом с «ручками»». Но как же быть с тремя отдельными телами, которые наблюдал Галилей? По мнению Гевелия, их можно отбросить как простой оптический обман: «Следовательно, мы заключаем, что, хотя сферы, прилегающие к Сатурну, кажутся нам круглыми, они таковыми не являются». Это заявление звучало неубедительно для того, кто проводил ночные часы, пристально рассматривая планету и, как ни тер себе глаза, по-прежнему видел древних служителей Сатурна, имеющих такую же форму, как и их господин.
Так далеко, так близко
Другие теории, например выдвинутая немецким иезуитом Кристофом Шейнером, хоть и объясняли появление трех сфер или одной-единственной, предлагали очень натянутую аргументацию о том, что касалось «ручек». Одна из самых изобретательных версий принадлежит французскому математику Жилю де Робервалю. Он объяснял необыкновенную изменчивость Сатурна его более легкой материей, чем та, из которой обычно состоят планеты и их спутники. По его мнению, от экватора Сатурна поднимались клубы пара, которые постепенно становились все более плотными и, следовательно, более заметными. Когда такое плотное облако формировалось вокруг экватора, издалека планета напоминала эллипс. Когда облако рассеивалось, то оно как бы рисовало контур «ручек». Но ближе всех к истине оказался английский архитектор Кристофер Рен. Он предположил, что планету на экваторе окружал очень тонкий эллипсообразный венец.
Любая материя, расположенная между Сатурном и Титаном, должна вращаться по орбите за некое промежуточное время. Масса, сопровождающая Сатурн, независимо от своей формы должна была двигаться вокруг планеты с периодичностью, меньшей 16 дней. Однако у планеты уходило гораздо больше времени, чтобы завершить цикл известных на тот момент трансформаций, — около 14 лет. Гюйгенс решил, что если каждую ночь Сатурн вертелся, как юла, у него на глазах, но при этом с «ручками» не происходило никаких изменений, то их масса должна вращаться симметрично вокруг оси. Поворот ассиметричного тела, такого как человеческая рука, выявить легко. А вот по контурам сферы или цилиндра с абсолютно ровной поверхностью нельзя понять, вращаются ли они.
Из всех фигур, вращающихся симметрично, больше всего размытому изображению «ручек» соответствовало кольцо. Но нужно было решить еще один вопрос. Если у кольца уходило всего несколько часов на то, чтобы обернуться вокруг оси, двигаясь симметрично, и при помощи телескопов с Земли нельзя было заметить это вращение, от чего же тогда зависели преобразования, происходившие каждые 14 лет? Ответ таился в градусе наклона кольца.
Плоскость кольца Сатурна образует угол 26,73° с плоскостью его орбиты (см. рисунок 1) — почти такой же, как угол между экватором Земли и ее орбитой (23,44°). Учитывая, что линзы в телескопах были разного качества и имели разное разрешение, большинство фигур, которые видели астрономы, объяснялось простым наклоном кольца.
РИС. 1
Оставалось объяснить, в каком порядке сменялись эти фигуры вплоть до исчезновения кольца. Удобнее всего это было сделать, находясь на Солнце — с него открывается лучшая перспектива. С него мы увидели бы, что орбитальное вращение Сатурна похоже на вращение Земли. Хотя Сатурн и описывает более широкую дугу, оси вращения обеих планет наклонены под постоянным углом на всей их траектории.
РИС. 2
Из-за этого гипотетический житель Солнца увидит, что иногда Северный полюс при движении планеты выходит вперед, иногда заходит назад, а иногда вообще оказывается сбоку (см. рисунок 2). По этой же причине на Земле меняются времена года. Благодаря наклону оси и на Сатурне бывает зима, весна, лето и осень. В зависимости от наклонов оси жители Солнца увидели бы кольцо снизу в позиции С и сверху в позиции А. В позициях В и D кольцо, будучи очень тонким, становилось бы невидимым. Учитывая огромное расстояние, отделяющее Сатурн от Солнца и Земли, с этих планет кольцо и Сатурн видны практически как единое целое. В общем, можно считать, что картина, видная с Солнца, видна и с Земли, хотя и с некоторыми оговорками. Во-первых, как мы уже знаем, ось вращения Земли также наклонена. Поскольку она почти параллельна Сатурну, его наклон будет казаться гораздо меньшим. Во-вторых, плоскость орбиты Земли не совпадает с плоскостью орбиты Сатурна: иногда она оказывается сверху, иногда располагается ниже (см. рисунок 3).
Все эти явления, к которым надо