Многие столетия Сатурн интриговал земных наблюдателей. Ещё в XVII веке пионеры астрономии Христиан Гюйгенс и Джованни Кассини, направляя свои телескопы на газовый гигант, поняли, что его яркие полосы — это не сплошные образования, а бесчисленные кольца, состоящие из отдельных частиц.
Значительно позже, в 2005 году, миссия НАСА Cassini-Huygens совершила прорыв в изучении Сатурна и его спутников. Снимки, переданные аппаратом, произвели революцию в понимании планеты. Среди наиболее впечатляющих открытий были колоссальные гейзеры на ледяном спутнике Энцелад, выбрасывающие обломки в космос и образующие тусклое суборбитальное кольцо вокруг Сатурна.
Недавние суперкомпьютерные симуляции, выполненные специалистами Техасского центра передовых вычислений (TACC) на основе данных космического аппарата Cassini, значительно уточнили оценки объёмов льда, теряемого Энцеладом в космическое пространство. Полученные результаты имеют решающее значение для планирования будущих роботизированных миссий и углубляют наше понимание условий под поверхностью спутника, где, возможно, существуют благоприятные условия для жизни.
«Массовые скорости потока с Энцелада на 20–40 процентов ниже, чем те, что фигурируют в научной литературе», — поясняет Арно Майо, старший научный сотрудник Королевского бельгийского института космической аэрономии и аффилированный исследователь кафедры аэрокосмической инженерии и инженерной механики Техасского университета в Остине.
Майо является ведущим автором научного исследования, посвящённого Энцеладу, которое было опубликовано в августе 2025 года в журнале Journal of Geophysical Research: Planets. В этой работе он и его коллеги разработали модели прямого статистического моделирования Монте-Карло (DSMC), чтобы более точно определить структуру и динамику колоссальных струй водяного пара и ледяных частиц, выбрасываемых из вентиляционных отверстий на поверхности Энцелада.
Исследование развивает ранние работы Майо от 2019 года, в которых DSMC-модели впервые были применены для определения начальных условий гейзеров, включая размер отверстий, соотношение водяного пара и ледяных частиц, температуру и скорость выброса.
«DSMC-моделирование очень ресурсоёмко», — отмечает Майо. — «Мы использовали суперкомпьютеры TACC ещё в 2015 году, чтобы получить параметризации, сокращающие время вычислений с 48 часов до нескольких миллисекунд сейчас». Используя эти математические параметризации и данные, полученные Cassini при пролётах через гейзеры, команда рассчитала плотность и скорость потока для криовулканической активности Энцелада.
«Главный вывод нашего нового исследования заключается в том, что для 100 криовулканических источников мы смогли определить массовые скорости потока и другие параметры, которые ранее не были получены, такие как температура выхода материала. Это большой шаг вперёд в понимании того, что происходит на Энцеладе», — заявляет Майо.
Энцелад имеет диаметр всего около 500 километров, и его слабая гравитация не способна полностью удерживать ледяные струи, извергающиеся из его недр. DSMC-модели успешно учитывают эту особенность. Более ранние методы обрабатывали физику и газовую динамику менее строго, чем подход DSMC. Деятельность Энцелада сродни вулкану, извергающему лаву в космос, за исключением того, что выбрасываемые вещества — это струи водяного пара и льда.
Симуляции отслеживают поведение газа на микроскопическом уровне, когда частицы движутся, сталкиваются и обмениваются энергией, подобно шарикам, ударяющимся друг о друга. Они моделируют несколько миллионов молекул с микросекундными временными шагами. Метод DSMC также позволяет выполнять расчёты при более низких, реалистичных давлениях, чем раньше, с более длительным временем пролёта между столкновениями.
Дэвид Голдштейн, профессор Техасского университета в Остине и соавтор исследования, возглавил разработку DSMC-кода под названием Planet в 2011 году. TACC предоставил Голдштейну доступ к системам Lonestar6 и Stampede3 через портал киберинфраструктуры Техасского университета Research, который поддерживает исследователей во всех 14 учреждениях системы Техасского университета.
«Системы TACC обладают замечательной архитектурой, предлагающей большую гибкость», — говорит Майо. — «Если бы мы использовали DSMC-код на обычном ноутбуке, мы могли бы моделировать только крошечные области. Благодаря TACC мы можем моделировать процесс от поверхности Энцелада до высоты 10 километров, где струи расширяются в космос».
Сатурн находится за «снежной линией» Солнечной системы, как и другие газовые гиганты, имеющие ледяные спутники, включая Юпитер, Уран и Нептун. «Под этими „большими ледяными шарами“ находится океан жидкой воды», — объясняет Майо. — «Помимо Земли, существует множество других миров с жидким океаном. Гейзеры на Энцеладе открывают окно к пониманию подземных условий».
НАСА и Европейское космическое агентство готовят концепции миссий для повторного посещения Энцелада, которые выйдут за рамки кратковременных пролётов. Планы включают посадку на поверхность и бурение льда для взятия проб из подповерхностного океана в поисках признаков жизни под километрами льда. Анализируя материал шлейфов, учёные могут оценить условия под поверхностью без необходимости проникать сквозь ледяную кору.
«Суперкомпьютеры могут дать нам ответы на вопросы, о которых мы не могли и мечтать 10 или 15 лет назад», — подчёркивает Майо. — «Теперь мы можем значительно приблизиться к моделированию того, что делает природа».
