Елена — спутник Сатурна

Перед важными персонами всегда впереди идет слуга, объявляющий о приходе вельможи. В космосе схожая ситуация с «троянскими лунами», позиция которых относительно больших тел намертво фиксирована. Елена, спутник Сатурна, взята в гравитационные тиски между планетой и крупной Дионой — и обречена вечно опережать ее в движении вокруг Сатурна без возможности уйти с зоны влияния.

Характеристики Елены

Всего троянских лун Сатурна насчитывают 4 — по две в каждой «ведущей луны», Дионы и Тефии. Отношение астрономов к ним очень непростое. «Троянцы» интересны в первую очередь как доказательство концепции про точки Лагранжа — гравитационной теории, которая может помочь запустить на орбиту Земли сверхустойчивые спутники и космические станции. С другой стороны, троянские луны совсем крохотные и ничем не выделяются среди 63 других спутников Сатурна, что снижает приоритет их исследования.

Поэтому Елене очень повезло попасть под взгляды ученых — в основном благодаря зонду «Кассини», который во время своих маневров сближался с ней на экстремальное расстояние в 1800 километров. И хотя астрономы не делали многие измерения, про Елену на сегодняшний день известно следующее:

• Масса Елены — 1.1×10¹⁶килограмм. Размеры луны не менее скромны — 18×16 x15 километров. Для понимания масштабов, нужно 58 тысяч таких объектов, как Елена, чтобы заполнить всю гидросферу на Земле. Площадь поверхности спутника составляет 3892 квадратных километров, что чуть меньше Буэнос-Айреса — столицы Аргентины.
• Плотность Елены низка даже для малой луны и астероидов — всего 0,5 г/см³. Тем самым консистенция спутника даже меньшая, чем у обычного разрыхлителя теста! Отчасти это объясняется составом Елены, свойственным большинству лун Сатурна — в основе ее породы лежит лед воды с различными примесями. Однако этим не объяснишь необычайной яркости спутника — Елена отражает в 12 раз больше света, чем наша Луна!
• Орбитальные характеристики Елены многим определены ее статусом «троянской луны». Так, расстояние между спутником и Сатурном ровно на 1/6 меньше расстояния ведущей луны Дионы и составляет 377 тысяч километров. Тем самым Елена занимает 20-е место по отдалению от планеты среди спутников планеты. Еще луна зафиксирована под углом 60° относительно прямой между Сатурном и Дионой — тем самым она всегда ее опережает. Вокруг Сатурна Елена обращается за 2 дня 17 часов, и за этот период делает полный оборот вокруг оси — так же, как и Диона.

В системе спутников Сатурна объекты часто влияют друг на друга — стоит вспомнить хотя бы «луны-танцоры» Янус и Эпиметей, которые переходят на орбиты друг друга раз в четыре года. Но они, по крайней мере, двигаются — а вот Елена намертво заперта между Дионой и Сатурном. Любые ее попытки вырваться под внешним воздействием, будь то столкновение с метеоритом или притяжение проходящего мимо спутника, быстро пресекаются жесткой гравитационной клеткой. Это значительно облегчает ее поиск: стоит только найти яркую и крупную Диону — и Елена будет тут как тут.

История исследования Елены

Первичный этап

Елене повезло стать одним из немногих спутников Сатурна, который сумели открыть до пролета космических зондов. Причем луна едва не упустила свой шанс вписаться в привилегированную группу — обнаружили ее в марте 1980 года, и уже через несколько месяцев «Вояджер-1» подтвердил открытие.

Первооткрывателями стала команда французских астрономов из обсерватории Пик-дю-Миди — Пьер Лаке, Чарльз Деспио и Жан Лекашо поймали редкий момент, когда кольца Сатурна располагаются на одной плоскости с Землей. Из-за этого раз в 15 лет они становятся практически невидимыми. В 1921 году неправильно понятое заявление астрономов об этом явлении вызвало в мире панику, похожую на панику перед «концом света» в 2012 году — люди решили, что кольца Сатурна оторвались и полетели к Земле, угрожая ей гибелью. Французам же необыкновенный феномен помог с помощью телескопа длиной в 1 метр обнаружить труднодоступную Елену.

Первые более-менее информативные снимки Елены доставил зонд «Вояджер-2» в 1981 году, когда пролетал мимо Сатурна по маршруту к краю солнечной системы. Снятое с расстояния 341 тысячи километров фото дало понять о высокой светоотражаемости Елены, ее позиции среди других лун и неправильной форме. Но из-за размытости снимка Елена смахивает на астероид Штейнс, «небесный бриллиант». Поэтому говорить о действительно значимых фото стало возможным только после первых снимков из автоматической межпланетной станции «Кассини-Гюйгенс». Она добралась к первому объекту системы Сатурна — спутнику Феба — в 2004 году.

Зонд «Кассини-Гюйгенс»

Свое имя зонд получил в честь астрономов, которые открыли первые 5 спутников Сатурна — итальянца Джиованни Кассини, первого директора Парижской обсерватории, и Христиана Гюйгенса — первооткрывателя колец Сатурна и его крупнейшего спутника Титана, а также ледников на полушариях Марса. Кроме астрономии, Гюйгенс много занимался физикой эпохи Просвещения. Труды Гюйгенса по теоретической механике стали основой для работы Исаака Ньютона. Также он изобрел маятниковые часы — первое в истории точное и работающее долго устройство для измерения времени.

Исследовал Елену только зонд «Кассини» — «Гюйгенс», отделяемый модуль для исследования Титана, стал первым космическим аппаратом в истории, который в целости и сохранности приземлился во внешней Солнечной системе. «Кассини» же, оснащенный маневровыми двигателями, широкодиапазонной камерой и различными сенсорами, стал одним из самых плодных проектов по исследованию космоса — он проработал уже 11 лет, превысив на 7 лет запланированную длительность миссии.

В течение полетов вокруг Сатурна, «Кассини» не раз сближался с Еленой — ближайший пролет был совершен 3 марта 2010 года, когда дистанция между зондом и спутником составила всего 1800 километров — почти впритирку в космических масштабах. На снимке, снятом с 24 тысяч километров, особенно хорошо видны детали поверхности Елены — этому поспособствовала не только очень яркая поверхность луны, но и подсветка со стороны атмосферы Сатурна. Другое фото, снятое зимой 2011 года, захватило Елену хоть и чуть далее — с расстояния 33 тысяч километров — но и с освещенной стороны, что позволило детально рассмотреть особенности ее рельефа. Разрешение снимка составило 187 метров на пиксель.

Особенности Елены

Итак, визитной карточки Елены стало то, что она — «троянская луна» Сатурна. В статье уже упоминалось, что ее позиция неизменная относительно ведущей луны, Дионы, и Сатурна — и похожий эффект ученые рассчитывают использовать для запуска спутников, устойчивых к любым коллизиям орбиты. Но как все-таки работает эта хитрая система лун?

Елена как «троянская луна» и точки Лагранжа

Все базируется на концепции, рассчитанной математиком и физиком Жозефом Лагранжем еще в 1772 году. Природа гравитационного взаимодействия такова, что когда одно массивное тело вращается вокруг другого — как Луна вокруг Земли, или Диона вокруг Сатурна — возле него возникает 5 стабильных гравитационных точек, именуемых также точками Лагранжа. В этих точках третье тело, размеры и масса которого относительно малы, вроде Елены, будет оставаться неподвижным относительно первых двух массивных тел. Проще говоря — там, где вращается два больших тела, всегда есть точки Лагранжа, в которых безопасные места для вращения еще 5 маленьких тел.

Причем эти стабильные точки обеспечивают безопасность достаточно агрессивно — однажды попав в «клетку», объекту будет сложно вырваться. Сама по себе, без учета точек Лагранжа, позиция Елены достаточно нестабильна. Расстояние между Еленой и Дионой не такое уж большое и вращаются они в постоянном орбитальном резонансе 1:1. Как на Полидевк, вторая «троянская луна» Дионы, на Елену может влиять Мимас, массивный спутник Сатурна. Он примечателен не только размерами, но и поверхностью, напоминающую Звезду Смерти из саги «Звездные войны». Все эти «соседи» давно бы изменили орбиту Елены, а то и разорвали ее на куски — если бы не безопасная позиция луны.

А еще «троянские» луны именуют в честь героев «Илиады» Гомера, рассказывающей о Троянской войне. Притом те, которые идут спереди ведущего объекта,  именуются в честь треков, а те, которые сзади, получают имена защитников Трои. Так было выбрано название и для Елены.

Как же ученые собираются использовать знание о «троянских лунах» в условиях Земли? Первоначально Лагранж разработал свою концепцию в надежде найти в стабильных точках досель не найденные спутники Земли. Там, впрочем, ничего не оказалось — поэтому места гипотетических лун заняли вполне реальные искусственные спутники. Их положение не нужно корректировать, и их позиция на небосводе будет стабильнее, чем любая другая. Сегодня на второй точке Лагранжа между Землей и Луной находится мощный космическая обсерватория «Гершель». Для орбитальных телескопов, ведущих многочасовые наблюдения за крайне удаленными телами, устойчивость точек Лагранжа особенно ценна.

Поверхность Елены

Не только орбита Елены, но и сама луна сумела обескуражить ученых. На поверхности спутника не видно ярко выраженных ударных кратеров, что типично для многих космических тел. Густой слой реголита, пыли с раскрошенного материала объекта, скрадывает все неровности — толщина пыли порой достигает десятков метров в толщину.

Однако на Елене нашлось то, что не встречалось ученым раньше: песчаные потоки. Это ярко выраженные линии на ландшафте луны, которые напоминают воздействие ветров или жидкости на почву. Но ни того, ни другого на Елене нет! Происхождение прожилок на поверхности Елены стало одной из многих загадок спутников Сатурна.