Два спутника Сатурна делят одну орбиту и меняются местами каждые 4 года

Фото из открытых источников

Четыре главных спутника Юпитера известны своими уникальными особенностями, но когда дело доходит до истинной уникальности, именно система Сатурна действительно выделяется. Атмосфера и озёра Титана, а также гейзеры Энцелада привлекают к себе большую часть внимания, затмевая множество других странностей, среди которых наиболее примечательными могут быть Янус и Эпиметей, делящие одну орбиту.

Сами по себе Янус и Эпиметей — очень обычные объекты. Их длина в самом большом размере составляет 203 и 130 километров, в среднем — 178 и 117 км. Это делает их 10-м и 11-м по величине спутниками Сатурна, но они не входят в топ-20 спутников Солнечной системы в целом. Они находятся ближе к планете, чем большинство спутников, но есть несколько и более близких. Их плотность и яркость указывают на то, что они состоят в основном из льда, но также довольно пористые, вероятно, как астероиды, представляющие собой груды обломков, которые мы постоянно находим.

Уникальность этой пары заключается в том, что орбита Януса в настоящее время находится на 50 километров дальше от центра Сатурна, чем орбита Эпиметея, разница составляет всего 0,03 процента. Это, как вы, возможно, заметили, меньше радиуса любого из них, не говоря уже о радиусе обоих вместе взятых. Это, по-видимому, предполагает, что когда Эпиметей обгонит Янус, они должны столкнуться. Учитывая ничтожную разницу в орбитальных скоростях, такое столкновение могло бы привести к тому, что они слипнутся, а не разлетятся на части, но мы также ожидали бы, что это произошло бы давным-давно.

Вместо этого орбитальная динамика пары гораздо сложнее. Масса каждого спутника настолько мала, что их гравитация ничтожно мала — космонавту не стоило бы прыгать слишком резко, иначе он бы улетел и никогда не вернулся. Однако их орбиты настолько близки, что гравитационные силы между ними заставляют пару меняться местами. То есть, та луна, которая ранее занимала внутреннюю орбиту, теперь немного смещается в сторону, в то время как внешняя луна приближается. В этот момент новая внутренняя луна медленно отдаляется от своей противоположной. В конце концов, после более чем 2000 оборотов и примерно четырех земных лет, она догоняет своего партнера, и они снова меняются местами.

Неудивительно, что их называют «Танцующими лунами». Один из таких обменов произошел в начале этого года, когда Эпиметей вернул себе внутреннюю орбиту после того, как с 2022 года находился на внешней.

Заманчиво представить, как эти два спутника пролетают так близко друг к другу, что почти соприкасаются – возможно, позволяя воображаемому космонавту перепрыгнуть с одного на другой или хотя бы помахать коллеге на другом свете. Однако это работает не совсем так; они никогда не приближаются друг к другу ближе чем на 10 000 км, и в этот момент без телескопа они выглядели бы не более чем яркой точкой.

Какой бы спутник ни находился на более короткой орбите в данный момент, он будет вращаться вокруг Сатурна быстрее другого, хотя и всего на несколько секунд. Постепенно он догоняет внешний спутник и в конце концов приближается достаточно близко, чтобы гравитационное воздействие между ними стало существенным.

Внешний спутник притягивает внутренний вперед, а внутренний – назад. Дополнительная энергия, которую получает внутренний спутник в этом процессе, выводит его на более высокую орбиту, как если бы кто-то запустил прикрепленные к нему ракеты. Эта энергия должна откуда-то браться, и это – орбита ранее внешнего спутника. Потеряв часть своей энергии, внешний спутник должен немного приблизиться к Сатурну, став новым внутренним спутником.

Хотя по размеру они относительно близки, Янус всё же имеет примерно в четыре раза большую массу, чем его партнёр по «танцу», поэтому он меньше подвержен влиянию этого «танца». Радиус его орбиты меняется всего на 20 км между внутренним и внешним циклами. Эпиметей же, напротив, имеет среднее расстояние от Сатурна на целых 75 км больше, когда находится на внешней орбите, чем на внутренней.

Янус и Эпиметей — единственные известные нам спутники в Солнечной системе, которые ведут себя подобным образом. Однако ситуация не является совершенно беспрецедентной. Нечто подобное «подковообразным орбитам», которые совершает эта пара, наблюдается у квазиспутников Земли и Венеры, таких как Камооалева и Зоозве. Разница в том, что Земля имеет в триллионы раз большую массу, чем её квазиспутники, поэтому, когда они приближаются к нам, почти всё гравитационное воздействие приходится на квазиспутник. Орбита Земли практически не меняется.

Такое редкое сочетание требует объяснения, но никто точно не знает, как это началось. Предпочтительная гипотеза заключается в том, что пара когда-то была единым объектом, который был разорван на части в результате столкновения. Можно предположить, что это произошло сравнительно недавно – неужели все эти «танцы» могут оставаться стабильными долгое время?

Однако, если они образовались именно так, то Янус и Эпиметей занимаются этим уже очень давно. Безусловно, оба достаточно стары, чтобы накопить впечатляющее количество ударных кратеров, и, скорее всего, они танцуют миллиарды лет.

Компоненты кольца А, хотя и крошечные по сравнению с двумя спутниками, также находятся в гравитационном взаимодействии с парой «пастухов». Это постепенно выталкивает спутники наружу, вызывая небольшое сжатие кольца А в ответ. Предполагается, что это взаимодействие в конечном итоге изменит танец. Эпиметей в конечном итоге сформирует стабильную орбиту на 60 градусов впереди или позади Януса, став троянцем более крупного спутника, хотя время этого неизвестно.

Общая орбита помещает Янус и Эпиметей между кольцами F и G Сатурна. Эти кольца гораздо тусклее знаменитых колец A и B и были обнаружены только с помощью аппаратов Pioneer 11 и Voyager 1 соответственно. Тем не менее, они находятся так близко к внешнему краю кольца A, что их довольно трудно увидеть с Земли.

Наилучшая видимость достигается, когда кольца видны с ребра, как это было в конце прошлого года. Одно из таких событий произошло в 1966 году, позволив Андуэну Дольфу открыть Януса. Это был десятый открытый спутник Сатурна, и первоначально он не казался особенно интересным. Три дня спустя Ричард Уокер сообщил о спутнике на том же расстоянии от Сатурна. Первоначально предполагалось, что это тот же самый спутник.

Однако сравнение наблюдений показало, что спутник находится в противоречивых местах, что привело к тому, что его назвали Янусом в честь двуликого римского бога дверных проемов и различных других предметов. Расхождения продолжались. После 12 лет путаницы Стивен Ларсон и Джон Фонтейн выдвинули изначально едва правдоподобное предположение о существовании двух спутников, разделяющих одну орбиту. Два года спустя «Вояджер-1» подтвердил эту смелую гипотезу. Космический аппарат «Кассини» не только приблизился к каждому из спутников достаточно близко, чтобы детально сфотографировать их поверхности, но и подтвердил смену орбит в 2006, 2010 и 2014 годах.

Как будто этого было недостаточно, орбиту также делит исключительно слабое кольцо, которое, как считается, состоит из пыли, отслаивающейся от пары спутников под воздействием микрометеоритов.