Спутник Сатурна Энцелад регулярно оттаивает и замерзает

Владислава Ананьева

Энцелад – одно из наиболее интересных небесных тел в системе Сатурна и в Солнечной системе в целом. При скромных размерах (поперечник Энцелада составляет 504 км) этот спутник демонстрирует молодую поверхность, покрытую многочисленными разломами, а из трещин в южной околополярной области непрерывно бьют гейзеры. Непонятно, что является источником такой активности: сам Энцелад маленький, а его орбита почти круговая. Другие спутники Сатурна, размеры которых в 2-3 раза больше размеров Энцелада (например, Рея), или чья орбита более эксцентричная (например, Мимас) демонстрируют древнюю поверхность и не проявляют заметной активности.

Как и другие регулярные спутники Сатурна, Энцелад приливно захвачен и повернут к планете только одной стороной. Однако из-за небольшой эллиптичности орбиты (ее эксцентриситет в настоящий момент равен 0.0047) Энцелад испытывает либрации, т.е. слегка покачивается относительно направления на Сатурн, с амплитудой 0.1°. Величина либрации, измеренная АМС «Кассини», показала, что между ледяной корой и каменным ядром спутника находится жидкий океан. Полная энергия, излучаемая Энцеладом за счет внутренней активности, оценивается в 20-30 Гигаватт.

6 марта 2025 года в Архиве электронных препринтов вышло две статьи, посвященные анализу приливных сил, действующих на Энцелад, и эволюции его орбиты. Автор одной из статей, Литвик (Yoram Lithwick), представил Энцелад в виде трехслойной модели (каменное ядро, жидкий океан, ледяная кора) и вывел аналитическую формулу для величины рассеиваемой приливной энергии в общем случае и в случае толстой жесткой ледяной коры. Авторы второй статьи (Литвик также входит в число соавторов) рассмотрели эволюцию орбиты Энцелада с учетом рассеяния приливной энергии, полученной в первой статье. Они пришли к неожиданному выводу: Энцелад испытывает регулярные циклы приливного нагрева и охлаждения, а толщина его ледяной коры увеличивается и уменьшается. Продолжительность одного цикла близка к 13 млн. лет.

В чем же дело?

Энцелад близок к орбитальному резонансу 2:1 с Дионой, более крупным спутником Сатурна. Влияние Дионы увеличивает эксцентриситет орбиты Энцелада, причем тем сильнее, чем ближе Энцелад к точному резонансу. Величина рассеяния приливной энергии пропорциональна квадрату эксцентриситета. Но зависимость этой величины от толщины ледяной коры Энцелада немонотонная: при толщине коры 2.8 км достигается максимум, связанный с максимальной амплитудой либраций. При этом под действием приливных сил со стороны Сатурна Энцелад постепенно удаляется от планеты, и его орбита приближается к орбите Дионы и к точному резонансу с ней.

В итоге полный цикл состоит из трех стадий.

1. Стадия замерзания, на которой Энцелад находится сейчас. На этой стадии расход энергии (20-30 Гигаватт) во много раз превышает поступление приливной энергии (1.1 Гигаватт при текущем эксцентриситете). Толщина ледяной коры постепенно увеличивается (сейчас она составляет 20-30 км), эксцентриситет орбиты за счет приближения к орбите Дионы и резонансу с ней тоже растет, пока не достигнет ~0.04.

2. Стадия быстрого оттаивания. При эксцентриситете 0.04 величина рассеяния приливной энергии становится достаточной для плавления льда, и кора начинает таять. Это самоподдерживающийся и ускоряющийся процесс: чем тоньше лед, тем больше приливной энергии рассеивается, что приводит к дальнейшему таянию. Ледяная кора истончается, пока не достигнет резонансного значения 2.8 км. При дальнейшем утончении коры рассеяние приливной энергии уменьшается, поэтому процесс таяния приостанавливается, и начинается третья стадия.

3. Стадия резонансной либрации. Толщина льда остается примерно постоянной около 2.8 км. Выработка и излучение приливной энергии становятся равны друг другу на уровне ~200 Гигаватт. Однако мощное рассеяние приливной энергии приводит к скруглению орбиты Энцелада и ослаблению резонанса с Дионой. Постепенно баланс энергии нарушается, Энцелад снова оказывается на стадии замерзания, и все повторяется.