Материалы портала «Научная Россия»

Кольца Сатурна в суперкомпьютере

Ученые МГУ имени М.В.Ломоносова объяснили строение колец Сатурна и смоделировали их на суперкомпьютере. Этот результат может быть применен к самым разным системам как в природе, так и в индустрии.

Ученые МГУ имени М.В.Ломоносова объяснили строение колец Сатурна и смоделировали их на суперкомпьютере. Этот результат может быть применен к самым разным системам как в природе, так и в индустрии.

Интересный вопрос – почему вокруг одних планет, как, например, у Сатурна, появляются кольца, а у других, у тех же, скажем, Земли или Марса, этих колец нет? Как оказалось, размер планеты роли здесь не играет. Кольца обнаружены и у гигантов, и даже у астероидов. Пример последних -- астероид Харикло, с диаметром примерно в 260 км, у которого в прошлом году космический телескоп Spitzer обнаружил сразу два кольца.

Но если на этот вопрос ответ, хотя бы приблизительный, имеется -- около одних планет исторически оказалось мало пыли, а около других – много. Пылинки собирались вместе, образовывали частицы, которые продолжали расти, и становились все больше и больше, что, конечно, понятно. Но, почему же, рост частиц внезапно останавливался, когда они достигали размера с дом? Это оставалось загадкой. Более того, само распределение частиц по размерам следовало красивому математическому закону «обратных кубов», что означает, например, что частиц размером 2 метра  в 8 раз меньше, чем последних  размером 1 метр, размером в 3 метра – меньше в 27 раз и т.д.  Природа такого закона также представлялась загадочной.

 Международная группа исследователей, в которую входят четверо россиян: научные сотрудники кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Анна Бодрова и Владимир Стадничук, а также выпускники МГУ имени М.В.Ломоносова Николай Бриллиантов (профессор Лестерского Университета, Великобритания) и  Павел Крапивский (профессор Бостонского Университета, США) внесли, наконец, ясность в этот вопрос, изучив распределение частиц по размерам в кольцах Сатурна. В ходе работы исследователи показали, что наблюдаемое распределение имеет универсальный характер, то есть, свойственно всем кольцам, возникающим у небесных тел, частицы которых имеют схожую природу. Более того, ученым удалось разгадать загадку «магического» закона «обратных кубов».  Соответствующая статья коллектива авторов опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .

 Кольца Сатурна представляют собой величественное зрелище. Они состоят, в основном, из ледяных крошек, с небольшим вкраплением минеральных веществ и простираются на сотни тысяч километров. При этом, «толщина колец», то есть, их размер в другом, перпендикулярном направлении, всего лишь 10-100 метров! В этом смысле кольца Сатурна – в миллионы раз «тоньше» самой острой бритвы. Кроме того, вся эта ледяная масса несется вокруг Сатурна с колоссальной скоростью, 72 000 километров в час. Это, так называемая, орбитальная скорость, с которой частицы движутся как единое целое. Тем не менее скорости индивидуальных частиц все-таки немного отличаются от этой средней скорости, но, в среднем, эти отклонения ничтожны – порядка нескольких метров в час! Когда частицы подлетают друг другу на таких маленьких скоростях, они соединяются и уже не могут снова разлететься из-за поверхностных сил – эффект, подобный тому, как слипаются два снежка, если их с силой соединить вместе. Такой процесс слипания частиц происходит постоянно. Однако, существует и противоположный процесс разрушения частиц при столкновениях.  Дело в том, что у очень небольшой доли частиц отклонения от средней скорости весьма значительны.  Если такая «быстрая» частица врезается в свою «соседку», то обе рассыпаются на мелкие кусочки. Это происходит очень редко, но, в конечном счете, устанавливается баланс между объединением частиц и их распадом.

Ученые построили математическую модель этих процессов, которую исследовали различными методами, в том числе, проводя численное решение огромного числа дифференциальных уравнений. Это можно было сделать только на суперкомпьютере. В результате был задействован один из мощнейших суперкомпьютеров Европы -- суперкомпьютер МГУ «Чебышев». Данная часть работы была выполнена московскими коллегами научной группы. Ученые объяснили как и отсутствие в кольцах Сатурна частиц больше определенного размера, так и загадочный закон «обратных кубов».  Более того, из полученной модели следовал и такой важный вывод, что указанные закономерности должны наблюдаться для всех колец, будь это кольцо планеты или астероида. По словам исследователей, как в частности, пояснила Анна Бодрова из МГУ, -- эта универсальность представляет собой лишь хорошо обоснованное предположение. Для того чтобы его подтвердить или опровергнуть, требуются дальнейшие исследования других колец.

Указанная работа позволяет сделать целый ряд других научных выводов -- например о механизме формирования колец и их эволюции. В частности, результаты ученых говорят о том, что кольца Сатурна пребывают в стационарном состоянии. Это означает, что динозавры наблюдали (если бы могли наблюдать) те же кольца что и сейчас. Те же кольца будут наблюдать наши потомки. Более того, так как характерное время изменения колец под влиянием каких-либо внешних воздействий не превышает 10 000 лет (это тоже следует из модели), ничего катастрофического не происходило с кольцами со времен бронзового века.

В свое время лауреат нобелевской премии академик Петр Капица заметил, что «нет ничего практичнее хорошей теории». Это в полной мере относится и к данной работе. Исследователи разработали весьма универсальный математический аппарат, который может быть без труда приложен к самым разным системам как в природе, так и в индустрии. Везде, где имеется система частиц, которые могут слипаться при соударениях с малыми скоростями и разрушаться на мелкие осколки при больших скоростях, будет наблюдаться распределение частиц по размерам, следующее «магическому» закону обратных кубов.

Фото: NASA/JPL

анна бодрова и владимир стадничук мгу николай бриллиантов павел крапивский строение колец сатурна

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий