06.08.2015

Ученые МГУ исследовали кольца Сатурна с помощью суперкомпьютера

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? На этот вопрос приблизительный ответ имеется - около одних планет исторически оказалось мало пыли, а около других - много. Однако причина, по которой рост частиц внезапно останавливается, когда они достигают определенного размера, оставалась загадкой. Более того, само распределение частиц по размерам следует красивому математическому закону обратных кубов (согласно которому, например, частиц размером в два метра в восемь раз меньше, чем частиц размером один метр, размером в 3 метра - меньше в 27 раз и т.д.), природа которого требовала объяснения.

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.

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 - 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.

Скорости индивидуальных частиц колец отличаются от средней скорости - в большинстве случаев незначительно. Иногда частицы сталкиваются и «слипаются», подобно тому, как слипаются два снежка, если их с силой соединить вместе. Однако есть небольшая доля частиц, скорость которых существенно отклоняется от средней. Если такая частица врезается в свою «соседку», то обе рассыпаются на мелкие кусочки. Эти два противоположных процесса уравновешивают друг друга.

Ученые смоделировали эти явления и 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 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.

Исследователи разработали весьма универсальный математический аппарат, который может быть без труда применим 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 закону обратных кубов.

Источники:

1. tvkultura.ru