1. Общая характеристика планет-гигантов. Когда речь заходит о планетах-гигантах, Юпитер (рис. 48), Сатурн (рис. 49), Уран и Нептун, сразу бросается в глаза их масштаб. В объеме Юпитер превосходит Землю почти в 1320 раз, а массой превышает ее в 318 раз. Для наглядности, у Сатурна средняя плотность составляет всего 0,7·103 кг/м3. Вращаясь вокруг своих осей со впечатляющей скоростью, планеты-гиганты завораживают. Юпитеру требуется менее 10 часов, чтобы совершить полный оборот. Удивительно, но оптические наблюдения показывают, что экваториальные зоны этих гигантов вращаются быстрее полюсных. Именно быстрое вращение вызывает сжатие планет-гигантов, что можно заметить даже визуально. Например, разница между экваториальным и полярным радиусами Юпитера составляет поразительные 4400 км, в то время как у Земли эта разница всего 21 км.
Обитая далеко от Солнца, планеты-гиганты постоянно окутаны низкими температурами. Характерно, что на Юпитере смены времен года практически отсутствуют из-за почти перпендикулярного положения его оси относительно плоскости орбиты. На Уране, у которого ось наклонена на 8˚ к плоскости орбиты, смена времен года приобретает особый характер.
Каково замечательное разнообразие спутников у планет-гигантов! Юпитер может похвастаться целых 39 спутниками, Сатурн — 30, Уран — 21, а у Нептуна насчитывается 8 спутников. Но, пожалуй, самой захватывающей особенностью этих гигантов являются их кольца. И хотя известны кольца не только у Сатурна, но и у Юпитера, Урана и Нептуна, Юпитер и Сатурн остаются наиболее детально изученными среди планет-гигантов.
2. Особенности строения. Уникальная особенность, отличающая планеты-гиганты от членов земной группы, заключается в отсутствии у них твердых поверхностей. Это характеристика, которая прекрасно соответствует их низкой средней плотности и составу, включающему главным образом водород и гелий. Все, что мы можем наблюдать на Юпитере и Сатурне (и на более отдаленных планетах даже детали совсем невидны), имеет место в обширных атмосферах этих планет (рис. 50). Даже в небольших телескопах видны полосы, параллельные экватору Юпитера. В верхних слоях атмосферы, состоящей преимущественно из водорода и гелия, присутствуют примеси различных химических соединений, таких как метан и аммиак, углеводороды, включая этан и ацетилен, а также разнообразные соединения, включая те, которые содержат фосфор и серу. Эти вещества окрашивают детали атмосферы в красно-коричневые и желтые тона. В результате своего химического состава планеты-гиганты существенно отличаются от планет земной группы, что связано с процессами, сопровождавшими формирование планетной системы.
Фотографии, переданные американскими миссиями «Пионер» и «Вояджер», наглядно демонстрируют, что газ в атмосфере Юпитера участвует в сложных движениях, включая образование и распад вихрей. Около 300 лет наблюдаемое на Юпитере Большое Красное Пятно (овал с полуосями 15 и 5 тыс. км) представляет собой огромный и чрезвычайно стабильный вихрь (рис. 51). Потоки движущегося газа и стойкие образования также можно разглядеть на снимках Сатурна, переданных автоматическими межпланетными станциями. «Вояджер-2» предоставил возможность рассмотреть даже более детальные характеристики атмосферы Нептуна.
Материал, находящийся под облачным покровом планет-гигантов, непосредственному наблюдению не поддаётся. Вместе с тем, из некоторых дополнительных данных можно судить о его свойствах. Предполагается, что в глубинах планет-гигантов вещество должно обладать высокой температурой. Это предположение основано на вычислениях количества теплоты, поступающей к Юпитеру от Солнца. Также установлено, какую часть солнечной энергии планета отражает обратно в космическое пространство. В итоге температура, которую следовало бы ожидать на планете на определенном расстоянии от Солнца, оказалась приблизительно -160°С. Инфракрасные измерения, проведенные наземными аппаратами и инструментами на борту космических аппаратов, показали, что температура Юпитера близка к -130°С. Это на почти 2 градуса выше расчетной температуры. Таким образом, Юпитер излучает энергию в почти 2 раза больше, чем получает от Солнца.
3. Спутники. Система спутников Юпитера представляет собой своеобразную миниатюрную копию Солнечной системы. Четыре из них, открытых Галилеем, получили название галилеевых спутников: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Самый крупный из них, Ганимед, превосходит по размерам даже Меркурий (но уступает ему в массе вдвое). Пролетая вблизи этих спутников (а затем и Сатурна), аппараты «Пионер», «Вояджер» и «Галилей» передали на Землю изображения их поверхностей, которые напоминают поверхности Луны и планет земной группы. Особенно сходной с Луной является поверхность Ганимеда (рис. 52). Однако Ио представляет собой уникальный объект — на его поверхности обнаружены действующие вулканы, и практически вся поверхность покрыта продуктами их извержений (рис. 53). Каллисто, напротив, имеет множество кратеров. На снимках этого спутника видна многокольцевая структура («Бычий глаз») с диаметром 600 км и системой концентрических колец, вероятно, образованная ударом метеорита (рис. 54). Поверхность Европы раскрошена длинными трещинами, простирающимися на несколько тысяч километров (шириной 20—40 км). Совсем недавно было объявлено о открытии огромного подледенного океана воды на этом спутнике Юпитера.
Амальтея — самый близкий к Юпитеру спутник, а остальные далекие спутники, находящиеся за пределами орбит галилеевых спутников, имеют неправильные формы и в этом напоминают малые планеты Солнечной системы, такие как астероиды.
Также сфотографированы с близкого расстояния некоторые спутники Сатурна (рис. 55). На поверхности этих небесных тел также обнаружено множество кратеров. Некоторые из них имеют очень большие размеры, например кратер на спутнике Тефия с диаметром около 400 км, а на спутнике Мимас (рис. 56) — около 130 км. Из всех спутников Сатурна особый интерес представляет Титан, который обладает атмосферой. Эта атмосфера почти полностью состоит из азота, и плотность и давление ее на поверхности Титана превышают соответствующие параметры атмосферы Земли. Масса Титана почти в два раза больше массы Луны, а его радиус (около 2580 км) превышает радиус Луны на 1,5 раза. Таким образом, Титан, а также Ганимед, с его радиусом около 2640 км, являются самыми крупными спутниками. В числе интересных спутников Урана можно выделить Миранду (рис. 57). Тритон, самый большой спутник Нептуна (рис. 58), также привлекает внимание. Его диаметр составляет 2705 км. На поверхности Тритона обнаружены кратеры, полярные шапки и даже газовые гейзеры.
4. Кольца Сатурна были первыми, открытыми астрономами в XVII веке (Галилей, Гюйгенс). В XIX веке английский физик Дж. Максвелл и русский астрофизик А.А. Белопольский предположили, исследуя устойчивость движения колец Сатурна, что они не могут быть сплошными. На фотографиях, переданных автоматическими межпланетными станциями, видно множество колец (рис. 59). Эти кольца имеют большую ширину и простираются над облачным слоем планеты на 60 000 км. Каждое кольцо состоит из частиц и глыб, движущихся по своим орбитам вокруг Сатурна. Однако их толщина не превышает 1 км. Интересно, что когда Земля в своем движении вокруг Солнца оказывается в плоскости колец Сатурна (что происходит раз в 14-15 лет, как, например, в 1994 году), кольца перестают быть видимыми с Земли и кажутся исчезающими. Возможно, вещество, из которого они состоят, не вошло в состав планеты и их крупных спутников во время формирования этих небесных тел.
Кольца были открыты у Урана в 1977 году, у Юпитера в 1979 году и у Нептуна в 1989 году. Еще в 1960 году известный астроном С. К. Всехсвятский указывал на возможность существования колец у всех планет-гигантов.
