Открытие Януса — десятого спутника Сатурна

ОДУЭН ДОДЬФЮС

астроном Мещанской обсерватории (Франция)

Планета Сатурн окружена, кроме составивших ее славу колец, системой спутников, девять из которых были известны давно. Теперь же мы знаем, что у этой планеты их по меньшей мере десять. Десятый спутник Сатурна обращается вокруг планеты за 18 часов по круговой орбите, расположенной в непосредственной близости к внешнему краю колец; он так слаб и так близок к кольцам, что до последнего времени ускользал от исследователей.

НЕНОРМАЛЬНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ В КОЛЬЦАХ САТУРНА

На Медонской обсерватории мы смогли предвидеть существование близкого к планете спутника на основе возмущений, которые он должен был вызывать в системе колец.

С 1949 г. я занимался детальным изучением колец Сатурна на телескопах, дающих очень большие увеличения, как, например, инструмент обсерватории Пик-дю-Миди во Франции или американской обсерватории Мак-Дональд. Эти наблюдения очень долгие, поскольку требуют исключительных атмосферных условий, которые приходится постоянно караулить; а последние случаются лишь несколько раз в году. Наблюдения подтвердили существование в кольцах легких минимумов света, соответствующих слабым темным полосам. Основные щели были уже известны, в частности, щель Кассини; их пытались объяснить возмущениями, которые производят главные спутники в системе маленьких тел, составляющих кольца. Однако наши наблюдения позволили выявить новые щели.

В 1954—1962 гг. на обсерватории Пик-дю-Миди были выполнены микрометрические измерения колец Сатурна. Мои коллеги Камишель и Фокас участвовали в этих тонких измерениях, точность которых благодаря использованию нового микрометра с двойным изображением, задуманного и созданного специально для исследования Колец Сатурна, значительно превзошла точность всех ранее опубликованных измерений. В течение нескольких лет данные Камишеля и Фокаса различались между собой на 0,4%, что составляет 550 км. Фотометрический профиль колец Сатурна, их размеры, положение минимумов света в них, выведенные из микрометрических измерений.

Эти исследования показали, что классическая теория возмущений спутников, впервые примененная Кирквудом и Ловеллом, не позволяет объяснить присутствие наблюдаемых щелей. Например, резонанс для периода, равного половине периода первого спутника Мимаса, не совпадает с центром деления Кассини, как утверждалось ранее, а попадает лишь на внутренний край. Резонансами от каждого из спутников не удавалось объяснить минимумы света; казалось, необходимы еще какие-то дополнительные воздействия, которые можно было бы приписать неоткрытому спутнику, близкому к кольцам.

Такой спутник, слабый и весьма близкий к яркому шару Сатурна, мог остаться не-замеченным во всех предыдущих исследованиях даже с сильнейшими телескопами из-за света, испускаемого Сатурном и его кольцами.

Я решил поискать этот спутник, как только обстоятельства окажутся благоприятными.

ПОИСКИ НОВОГО СПУТНИКА САТУРНА

Фотометрический разрез колец Сатурна. Угловые расстояния соответствуют расстоянию до Сатурна 10 а. е.

В 1966 г. в конфигурации колец Сатурна наблюдалось редкое явление: Земля дважды проходила в точности через плоскость колец. Видимые сбоку, они почти полностью исчезали, не давая больше света, и потому условия исключительно благоприятствовали открытию новых спутников.

Первое прохождение Земли через плоскость колец было 29 октября 1966 г. В это время я по приглашению Академии наук СССР находился в Советском Союзе, что позволило мне использовать для поисков спутника крупные советские телескопы, предназначенные для исследования планет. Я смог наблюдать семь раз — с 26 октября по 16 ноября — на инструментах Крымской, Киевской (УССР), Абастуманской (ГрузССР), Ташкентской (УзССР) и Алма-Атинской (КазССР) обсерваторий. Поиски я вынужден был вести визуально, так как при моих постоянных переездах, а также в условиях кратковременного пребывания на каждой из этих обсерваторий было невозможно пользоваться фотографией. На 70-сантиметровых телескопах, которые чаще всего оказывались в моем распоряжении, визуальному наблюдению в свете, испускаемом планетой, доступны лишь спутники ярче 13-й величины. В этих пределах мне не удалось найти спутник, который не был бы отождествлен ранее, и я убедился, что гипотетический спутник слабее 13^m. Для его открытия следовало применить фотопластинку, более чувствительную, чем визуальные наблюдения.

Одна из первых фотографий спутника Янус, полученная Дольфюсом на 107-сантиметровом телескопе обсерватории Пик-дю-Миди

Второе прохождение Земли через плоскость колец, последнее до 1981 г., происходило 17 декабря 1966 г. В это время я смог воспользоваться 107-сантиметровым телескопом обсерватории Пик-дю-Миди, расположенной на юге Франции на высоте 2870 м над уровнем моря.

Мне были нужны фотопластинки очень контрастные, а следовательно, малочувствительные и требующие по меньшей мере 15-минутной экспозиции при очень точном гидировании в 15-метровом фокусе инструмента. Кроме того, нужно было защититься от светового излучения планеты, которое могло замаскировать спутник. Для этого я расположил в фокальной плоскости маленькую поглощающую полоску целлулоида, в точности закрывающую шар планеты и в 100 раз уменьшающую ее блеск; слабо светящийся след колец оставался виден с обеих сторон поглощающей полоски.

На трех снимках, полученных 15 декабря 1966 г., в самой плоскости колец и очень близко к их восточному краю заметна слабая не отождествленная светящаяся точка. Маленькая светящаяся точка могла быть дефектом или звездой; однако, на последующих снимках видна та же светящаяся точка, смещенная к кольцам и постепенно приближающаяся к планете. Допустив, что это новый спутник, я мог сделать первое предположение относительно радиуса его орбиты и из третьего закона Кеплера определить период обращения. Он получился равным 18ч00м Можно было соста-вить предварительные эфемериды. На следующий день, 16 декабря, светило ожидалось на западе; оно действительно оказалось на пластинке очень близко к двум известным спутникам Мимасу и Титану. Титан двигался к светилу и на снимках этой ночи, полученных позднее, закрыл его. 17 декабря новый спутник был вновь сфотографирован на западе в точности на предвычисленном месте. 18 декабря легкие облака помешали наблюдениям. 19 декабря новое небесное тело проектировалось на планетный диск и не было видно. После этого мне пришлось освободить инструмент для других работ.

Возвратившись на Медонскую обсерваторию, я начал изучать 28 привезенных пластинок. Измерения и вычисления продолжались до 31 декабря 1966 г., и лишь в ночь с 31 декабря на 1 января 1967 г. элементы орбиты были определены окончательно. 1 января 1967 г. я отправил телеграммы различным обсерваториям, которые могли бы подтвердить открытие, в частности, центрам быстрой информации MAC.

3 января объект был в первый раз обнаружен в США на снимках, сделанных 18 декабря Уокером на более крупном инструменте Морской обсерватории в Флагстаффе (Аризона). Затем я сам нашел этот спутник на четырех пластинках, полученных 29 октября 1966 г. французским астрономом Ж. Тексеро на большом 208-сантиметровом телескопе обсерватории Мак-Дональд в Техасе. Оставалось лишь окрестить это новое небесное тело — привилегия, по традиции предоставляемая первооткрывателю. Девять уже известных спутников носят имена божеств, связанных в греческой или латинской мифологии с историей бога Сатурна, поэтому новому спутнику и было дано имя Янус.

ХАРАКТЕРИСТИКА СПУТНИКА ЯНУС

Фотография спутника Янус, сделанная на 208-сантиметровом инструменте обсерватории Мак-Дональд Ж. Тексеро

Орбита Януса практически круговая и расположена точно в плоскости колец; спутник пробегает ее за 17ч,975, диаметр орбиты около 315 000 км.

Средняя яркость Януса соответствует 14^m. В предположении, что отражательная способность его поверхности около 0,6, можно вычислить диаметр Януса, равный примерно 350 км. Это величина значительная, поскольку ни один из спутников, открытых с середины прошлого века, не достигает таких размеров.

Янус обращается очень близко к главной планете; поэтому его равновесие было бы нарушено, если бы он не обладал плотностью, достаточной для уравновешивания центробежной силы. Равновесие спутников вычислялось французским математиком Рошем, который показал, что спутник, обращающийся за внешней границей колец Сатурна, распался бы; этим, вероятно, и объясняется происхождение колец. Янус распался бы только при плотности, меньшей 0,7. По Койперу, спутники, подобные Янусу, могут состоять в основном из конгломерата ледяных глыб, плотность которых близка к 1. Тогда Янус находится довольно близко к границе распада.

Происхождение Януса, его история в течение эволюции солнечной системы, причина его существования столь близко к внешнему краю кольца - вот проблемы, подлежащие теперь обсуждению.

Земля и Вселенная, 1968, 1

С расстояния 357000 км

С расстояния 911000 км