Лаплас в 1787 году указал, что у широкого твердого кольца непременно возникла бы серьезная динамическая проблема. Третий закон Кеплера гласит, что, чем дальше располагается тело от центра планеты, тем медленнее оно обращается вокруг нее. Но внутренний и внешний края твердого кольца вращаются с одинаковой угловой скоростью. Значит, либо внешний край кольца вращается слишком быстро, либо внутренний — слишком медленно, либо то и другое одновременно. Такое несоответствие порождает напряжения в материале кольца, и оно непременно развалится на части под их действием, если только не состоит из необычайно прочного вещества. Лаплас предложил элегантное решение этой проблемы: он предположил, что кольца составлены из большого количества очень узких колечек, вложенных одно в другое. Каждое колечко твердое, но скорости вращения у них снижаются по мере увеличения радиуса. Это позволяло аккуратно обойти проблему внутренних напряжений в материале, поскольку внутренний и внешний края узкого кольца должны вращаться почти с одинаковой скоростью.
Решение элегантное, но ошибочное. В 1859 году специалист по математической физике Джеймс Клерк Максвелл доказал, что вращающееся твердое колечко нестабильно. Лаплас своей гипотезой решил проблему краев, вращающихся с разными скоростями; соответствующие напряжения описывались как силы сдвига, подобные тем, которые возникают между картами в колоде, когда вы, не разбирая, сдвигаете ее часть. Но в игру могли вступить и другие напряжения — к примеру, аналогичные сгибанию колоды карт. Максвелл доказал, что у твердого колечка любые, даже крохотные, возмущения вызванные внешними причинами, разрастаются, заставляя кольцо изгибаться и идти рябью, и что кольцо при этом ломается, как сухая макаронина ломается при любой попытке ее согнуть.
Максвелл сделал вывод, что кольца Сатурна должны состоять из бесчисленных крохотных объектов, каждый из которых независимо от остальных движется по окружности с той скоростью, которая математически соответствует действующей на него силе притяжения. (Не так давно выявились некоторые проблемы, связанные с подобной упрощенной моделью: см. главу 18. Как это скажется на моделях строения колец, пока неясно. Я отложу пока дальнейшее обсуждение этого вопроса и изложу традиционную точку зрения.)
Поскольку все в космосе движется кругами, общая схема обладает вращательной симметрией — и, соответственно, скорость частицы зависит только от расстояния до центра. Если считать массу вещества в кольце пренебрежимо малой по сравнению с массой Сатурна (а сегодня точно известно, что это соответствует действительности), то третий закон Кеплера приводит нас к простой формуле. Скорость частицы кольца в километрах в секунду составляет 29,4, деленные на корень квадратный из ее орбитального радиуса, выраженного в радиусах Сатурна.
В качестве альтернативного варианта кольца могли бы быть жидкими. Но в 1874 году Софья Ковалевская — одна из величайших женщин-математиков — показала, что жидкое кольцо тоже было бы нестабильным.
К 1895 году к математическим рассуждениям добавился вердикт астрономов-наблюдателей, который гласил: кольца Сатурна составлены из громадного количества небольших объектов. Дальнейшие наблюдения позволили различить в составе колец несколько новых, еще более слабых подколец, которые астрономы с большой изобретательностью назвали D, E, F и G. И поскольку называли их в порядке обнаружения, то в пространстве они располагаются, если считать от планеты наружу, в порядке DCBAFGE. Не настолько запутанно, как в анаграмме Галилея, но уже близко.
Ни одна военная диспозиция не сохраняется при столкновении с противником. Ни одна астрономическая теория не выдерживает столкновения с более качественными наблюдениями.
В 1977 году NASA отправило два космических зонда Voyager 1 и Voyager 2 в Большой тур к планетам. Планеты Солнечной системы тогда удачно выстроились в линию, так что можно было заглянуть к внешним планетам по очереди. Voyager 1 побывал у Юпитера и Сатурна; Voyager 2 пролетел также мимо Урана и Нептуна. После этого «Вояджеры» продолжили полет, направляясь прочь из системы, в межзвездное пространство, определяемое как область за гелиопаузой, где стихает солнечный ветер. Термин «межзвездное» здесь означает, что Солнце больше не оказывает сколько-нибудь существенного влияния, за исключением довольно слабого гравитационного притяжения. Voyager 1 добрался до этой переходной зоны в 2012 году, а Voyager 2, как ожидается, сделает это в 2016 году[38]. Оба аппарата продолжают слать на Землю научные данные. Безусловно, это самые успешные космические экспедиции в истории.
В конце 1980 года представления человечества о Сатурне изменились навсегда — за шесть недель до максимального сближения с планетой Voyager 1 начал присылать фотографии ее колец. Снимки невиданной до той поры подробности позволили разглядеть сотни, если не тысячи, отдельных колец, расположенных очень близко друг к другу, как бороздки на старой граммофонной пластинке. Само по себе это было не особенно удивительно (в точности такими кольца представлял себе Лаплас!), но на снимках обнаружились и другие черты, неожиданные и поначалу поставившие ученых в тупик. Многие теоретики ожидали, что основные детали системы колец будут состоять в резонансе с самыми внутренними (известными) спутниками планеты, но оказалось, что в среднем никаких резонансов нет. Деление Кассини также оказалось не пустым; внутри его имеется по крайней мере четыре тонких кольца.
Ричард Террайл — один из ученых, работавших с полученными изображениями, — заметил кое-что совершенно неожиданное: темные тени, похожие на размытые спицы колеса, которые к тому же вращались. Никто до него не видел в кольцах ничего, что нарушало бы кольцевую симметрию. А тщательный анализ радиусов колец выявил еще одну загадку: одно из колец оказалось не совсем круглым.
Voyager 2, запущенный раньше Voyager 1, но двигавшийся медленнее, чтобы получить возможность проследовать дальше, к Урану и Нептуну, подтвердил эти находки, когда прошел мимо Сатурна девять месяцев спустя. Но с притоком новой информации появились и новые загадки. Некоторые кольца выглядели так, будто заплетены в косичку; у некоторых были видны странные петли; нашлись также неполные кольца, которые состояли из нескольких дуг, разделенных промежутками. Кроме того, внутри колец были замечены неизвестные ранее спутники Сатурна. До пролетов «вояджеров» земные астрономы знали девять лун Сатурна[39], но вскоре после пролетов их число выросло до тридцати с лишним. Сегодня их насчитывается 62 плюс сотня или даже больше крохотных спутничков, обитающих в кольцах. Из всего этого множества 53 спутника на сегодняшний день имеют официальные названия. Зонд Cassini, находящийся на орбите вокруг Сатурна, обеспечивает земным астрономам непрерывный приток данных о планете,
