Роза Мария Рос - Мир математики. т.30. Музыка сфер. Астрономия и математика
Планеты — это небесные тела, которые вращаются вокруг Солнца по своим орбитам. Масса планет достаточно велика, чтобы их сила тяготения превосходила действующие внутри них силы (именно поэтому планеты имеют практически сферическую форму). Кроме того, под действием силы тяготения на поверхность планет падают соседние, более мелкие тела (планетезимали). Солнечная система содержит восемь планет, которые делятся на внутренние, или планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс), и внешние, или планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Вокруг каждой из внешних планет находятся кольца.
Карликовые планеты (новая категория небесных тел, определенная в августе 2006 года) — это небесные тела, массы которых достаточно, чтобы они имели сферическую форму, но недостаточно для того, чтобы они притянули к себе или оттолкнули от себя все близлежащие малые тела. К этой группе относятся Плутон, Церера, Эрида и другие. Астероиды — еще одна группа малых тел, которые ввиду малой массы, как правило, не имеют сферической формы. В большинстве своем они сконцентрированы в поясе астероидов между Марсом и Юпитером и в поясе Койпера, за Нептуном.
Также существуют спутники — крупные тела, вращающиеся вокруг некоторых планет по эллиптическим орбитам. И наконец, кометы — небольшие состоящие из льда тела из Облака Оорта, которые движутся по эллиптическим, гиперболическим или параболическим орбитам. Также вблизи Солнца находится межпланетная пыль, состоящая из микроскопических твердых частиц и едва заметных частиц газа.
Из этой межпланетной пыли образуется плазма, которую испускает Солнце, или солнечный ветер. Границы Солнечной системы находятся на расстоянии примерно 100 а.е.
Характеристики планет Солнечной системы.
История Плутона
Плутон был обнаружен лишь в XX веке с помощью фотографии. В 1930 году американский астроном-любитель Клайд Уильям Томбо открыл его, фотографируя одну и ту же область звездного неба в технике блинк (от англ, «моргать»), то есть с определенным интервалом, достаточным для того, чтобы при сравнении двух фотографий увидеть движущиеся тела. Проанализировав свыше 15 млн звезд, Томбо обнаружил движущийся объект, который находился еще дальше от Солнца, чем Нептун.
Плутон, его спутник Харон, справа — две новые луны: Никта (вверху) и Гидра.
Вскоре после открытия Плутона решением Международного астрономического союза он был признан девятой планетой. Однако из общего ряда планет его выделяли некоторые свойства. Все планеты вращались вокруг Солнца приблизительно в одной и той же плоскости (плоскости эклиптики), однако Плутон двигался под углом в 17,2° относительно эклиптики, подобно большинству объектов из пояса Койпера.
В начале XXI века вблизи Плутона было обнаружено еще три тела похожего размера. В августе 2006 года Международный астрономический союз встал перед выбором: либо увеличить число планет Солнечной системы с 9 до 12, при этом учитывая, что в будущем это число могло возрасти, либо уменьшить его до восьми. Таким образом, Плутон ввиду малых размеров и особенностей траектории был окончательно лишен статуса планеты и стал «всего лишь» карликовой планетой, подобно уже упомянутым Церере, Эриде и другим. Некоторые сочли подобное решение проявлением несерьезности астрономов, однако автор этой книги настаивает, что оно было научно обоснованным. Плутон был лишен статуса планеты только по результатам новых наблюдений Солнечной системы. Сегодня известно намного больше астрономических объектов, находящихся в пределах Солнечной системы, чем в начале XX века, и если в результате новых открытий потребуется изменить прежние представления, это будет сделано. Любой ученый должен быть готов к смене рабочей гипотезы на основании новых результатов.
* * *
МАСШТАБНЫЕ МОДЕЛИ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Как мы уже говорили, представить себе истинные размеры Солнечной системы непросто. Чтобы получить более четкое представление о них, изготовим простую модель. Лучше всего сделать макет, в котором планеты Солнечной системы будут представлены в масштабе на соответствующих расстояниях друг от друга. Основная проблема заключается в том, что очень сложно подобрать масштаб, при котором планеты будут не слишком мелкими, а расстояния между ними — не слишком большими.
Будем использовать в качестве моделей планет мячи разного размера. Поместим на одном краю парка или площади гандбольный мяч примерно 25 см в диаметре, который будет обозначать Солнце. Меркурий будет обозначать булавочная головка (1 мм в диаметре), расположенная в 10 метрах от Солнца. Еще одна булавочная головка большего размера (2 мм в диаметре) на расстоянии 19 метров от Солнца будет обозначать Венеру. Земля будет еще одной булавочной головкой (2 мм в диаметре) в 27 метрах от Солнца. Марс вновь будет представлен булавочной головкой (1 мм в диаметре) в 41 метре от Солнца. Шарик для пинг-понга (2,5 см в диаметре) — это модель Юпитера. Он будет находиться на расстоянии 140 метров от Солнца.
Еще один шарик диаметром 2 см в 250 метрах от Солнца будет изображать Сатурн. Модель Урана — стеклянный шарик диаметром 1 см на расстоянии 500 метров от Солнца. И наконец, еще один стеклянный шарик диаметром 1 см в 800 метрах от Солнца будет обозначать Нептун.
Планеты, в отличие от нашей модели, не лежат на одной прямой, а движутся по своим орбитам, и, следовательно, расстояние между ними будет еще больше.
* * *
Могут ли столкнуться две планеты?
Этот вопрос часто задают дети, когда им рассказывают о Солнечной системе. Но, как вы видите, в космосе достаточно места. Чтобы две планеты сошли с орбит, необходимо действие третьего небесного тела огромнейших размеров, которое вызовет значительное гравитационное возмущение. Вероятность такого события очень мала.
Намного вероятнее столкновение с планетами астероидов или комет. Так, Аризонский кратер, самый известный из всех кратеров Земли, появился после столкновения метеорита с Землей. Луна испещрена кратерами, так как ее атмосфера слишком разрежена, в то время как в атмосфере Земли большинство небесных тел сгорает еще до столкновения с поверхностью. От столкновений с небесными телами страдают и другие планеты: в июле 1994 года комета Шумейкер-Леви 9, расколовшись на 21 часть, вошла в атмосферу Юпитера и ударилась о его поверхность.
Результаты этого столкновения можно было наблюдать с Земли. Очевидно, что в те времена, когда Солнечная система только формировалась, подобные случаи происходили намного чаще.
Космический «штрихкод»Небесная механика способна описать траектории планет и предсказать их всевозможные астрономические транзиты и относительные положения. Для составления подобных прогнозов используются элементы орбит небесных тел Солнечной системы. Расскажем о них на примере планет. Элементы орбит подобны штрихкоду, так как содержат всю необходимую информацию для точного расчета орбит планет.
Элементы орбит планет, или кеплеровы элементы, первым определил Иоганн Кеплер. Он же начал применять их для изучения движения планет вокруг Солнца.
Созданные им методы вычислений позднее легли в основу расчетов Ньютона, Гаусса, Лапласа и Ольберса. Хотя далее мы подробно расскажем об элементах орбит планет, в действительности они используются при изучении орбит любых небесных тел, будь то планеты, астероиды, кометы, искусственные спутники и любые другие тела, имеющие массу.
Элементы орбиты планеты — это шесть величин, позволяющие в точности определить орбиту движения планеты вокруг Солнца, которое находится в одном из фокусов этой орбиты. Первые три элемента — это так называемые эйлеровы углы, с помощью которых задаются положения планеты в пространстве. Три остальных элемента описывают форму орбиты и положение планеты на ней. Эти шесть элементов орбиты таковы: долгота восходящего узла Ω, наклонение i, аргумент перицентра ω, большая полуось а, эксцентриситет е и средняя аномалия Mо. Рассмотрим подробнее три последние величины, которые определяют форму и размер эллиптической орбиты и положение планеты на ней.
Большая полуось орбиты а — это половина большой оси эллипса. Ближайшая к Солнцу точка пересечения большой полуоси с орбитой называется перигелием, наиболее удаленная от Солнца — афелием (см. рисунок). Таким образом, расстояние между перигелием и афелием равно удвоенной большой полуоси эллипса.
Определить размер эллипса можно и другим способом: для этого нужно заменить большую полуось на период вращения, то есть время, за которое планета совершает полный оборот вокруг Солнца. Любая из этих двух величин дает нам представление о размерах орбиты.
