Будова сонячної системи

Введення

Останнє десятиліття принципово змінило наші уявлення пробудові, динамічної еволюції та стійкості Сонячної системи.
Звичними стали повідомлення про відкриття нових об'єктів, виявленні новихдинамічних структур, прояві властивостей нестійкості руху абохаотичного поведінки в тих чи інших груп об'єктів.

Це викликано кількома причинами: поява нових інструментів імодернізація старих, застосування високочутливих ПЗС-матриць і новихметодів математичної обробки результатів спостережень. Все це дозволяєспостерігати нові об'єкти, що мають дуже малу яскравість та істотневласний рух.

Нові аналітичні та чисельні методи небесної механіки всукупності з сучасними обчислювальними системами дають можливістьмоделювати рух тіл Сонячної системи на інтервалах часу,порівнянних з її віком і навіть багато разів перевищують його.

На наших очах відбувається зміна уявлень про динаміку
Сонячної системи: від регулярної та стійкої до хаотичної і нестійкою.
Все це нагадує ситуацію у фізиці початку XX століття, коли відбувавсяперехід від класичної до релятивістської картині Світу. Нам належитьрозібратися де, коли і за яких умов ми можемо розглядати
Сонячну систему регулярної та стійкою, а в яких випадках виявляютьсяознаки хаосу і нестабільності.

Почнемо розгляд з сучасних уявлень про структуру
Сонячної системи. Потім обговоримо поняття стійкості і нестійкостіруху, умови виникнення резонансів і хаотичного поведінки. Післяцього проаналізуємо динаміку малих тіл Сонячної системи і звернемося довеликим планет. На закінчення розглянемо динаміку Сонячної системи якцілого на часи, порівнянних з її віком.

Сонячна система являє собою групу небесних тіл, вельмирізних за своїми розмірами і фізичній будові. До цієї групи входять:
Сонце, Дев'ять великих планет, разом з 61 супутником, більше 100000 планет
(астероїдів), порядку десяти комет, а також незліченна кількістьметеорних тел рухомих як роями так і у вигляді окремих частинок.
Всі ці тіла об'єднані в одну систему завдяки силі тяжінняцентрального тіла - Сонця. Маса сонця приблизно в 750 разівперевершує масу всіх інших тіл, що входять в цю систему.
Гравітаційне тяжіння зірки є головною силою, що визначаєрух усіх обертаються навколо нього тіл Сонячної системи. Середнєвідстань від сонця до самої далекої від нього планети Плутон 39,5 а.е., щодуже мало в порівнянні з відстанню до найближчих зірок. Тільки деякікомети віддаляються від сонця на 105 а.е. і піддаються впливупритягання зірок.

У Сонячній системі спостерігається величезний діапазон мас, особливе якщоврахувати наявність в міжпланетному просторі космічного пилу. Відмінність вмасах між сонцем і який-небудь пилинкою у тисячну частку міліграмастановитиме близько 40 порядків (інакше кажучи, відношення їх мас будевиражатися числом з 40 нулями .).

Сучасні уявлення про будову Сонячної системи

Всі об'єкти Сонячної системи можна розділити на чотири групи:
Сонце, великі планети, супутники планет і малі тіла. Ми поки що нічого неговоримо про супутники малих тіл, оскільки до теперішнього часу такихоб'єктів відкрито лише два, а спостережної інформації недостатньо, щобдетально дослідити їх динаміку.
Сонце - динамічний центр системи. Його гравітаційний вплив єдомінуючим в Сонячній системі за винятком малих областей воколиці інших об'єктів.

Великі планети - візитна картка Сонячної системи. П'ятьнайближчих до Землі великих планет були відомі з ранньої історіїлюдства. Це - Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. Історіявідкриття трьох інших великих планет показує як змінювалося ставленняастрономів до питання про розміри і населення Сонячної системи.

Відкриття Урану стало сюрпризом. Навесні 1781 Вільям Гершель насвоєму 7-футовому (2.1 м) телескопі проводив спостереження за програмоювизначення паралакс зірок. 13 березня 1781 він зробив запис провиявленні туманною зірки або комети. Суперечка про природу відкритого об'єктатривав до 1787 р., коли Гершель відкрив два супутники Урану: Оберон і
Титані.

Відкриття Нептуна стало тріумфом теорії тяжіння Ньютона.
Аналізуючи нерівності в русі Урана, Бессель в Кенігсберзі в 1840 р.,
Адамс у Кембриджі в 1841 р. і Левер'є у Франції в 1845 р. незалежно одинвід одного розрахували орбіту планети, відповідальної за ці обурення. 23Вересень 1846 Галле і д'Аррест з Берлінської обсерваторії по ефемеридами
Левер'є відкрили Нептун.

Відкриття Плутона можна назвати запрограмованим. У 1896 р.
Персіваль Ловелл виявив залишкові нев'язки в русі Урана після врахуваннязбурень від Нептуна і висловив гіпотезу, що ці обурення виробляютьсяневідомої занептунной планетою. У середині 90-х років XIX століття в Арізоні
Ловелл побудував обсерваторію, яка стала центром пошуку нової планети. УПротягом майже 30 років було проведено кілька компаній з пошуку Плутона.
Але безрезультатно. У 1916 р. помер Ловелл. У 1929 р. Клод Томбо на 13 --дюймовому (0.33 м) рефракторі почав нову атаку на Плутон. Відкриття прийшло
18 лютого 1930, коли Томбо порівнював фотопластинки, отримані 23 і
29 січня 1930 Директор Ловеллівської обсерваторії повідомив про відкриття
13 березня 1930 в 149-ту річницю відкриття Урану Гершелем і 75-у річницюз дня народження Персиваля Ловела. За час пошуку Плутона було проведенопорівняння близько 90 млн. зображень зірок протягом 7000 годин на Блінков -компаратор.

Чи існують великі планети за орбітою Плутона? Аналіз траєкторійруху тіл Сонячної системи і космічних аппаратовПіонер10, Піонер-11,
Вояджер-1, Воджер-2 дозволяють стверджувати, що об `єктів, які можна порівняти з
Плутоном, і більших у зовнішній області Сонячної системи неіснує.

Історія відкриття супутників планет не менш драматична, але ми небудемо на ній зупинятися. Відзначимо лише, що супутникові системипланет-гігантів складністю свого пристрою часто перевершують Сонячнусистему. Не до кінця вирішене питання про походження подвійних планет Земля-Місяцьі Плутон-Харон.

Малі тіла Сонячної системи - пробний камінь і золота жила небесноїмеханiки, джерело нових відкриттів. Найвідоміші малі тіла - комети.
Згадки про кометах можна знайти в легендах і літописах практично всіхнародів Землі. За динамічним ознаками комети розділяються надолгоперіодіческіе і короткоперіодичні.
Долгоперіодіческіе комети рухаються по орбітах, великі півосі якихдосягають десятків тисяч астрономічних одиниць, а періоди обертання --десятків мільйонів років. Орбіти сильно витягнуті, їх ексцентриситет близькі доодиниці. Орієнтація орбіт і їх нахили до площини екліптики розподіленівипадковим чином. В даний час є відомості більш ніж про 700таких комет.

короткоперіодичні комети мають періоди менше 200 років, помірніексцентриситет, для більшості з них нахил орбіт до площини екліптикине перевищує 35? . Короткоперіодичні комети діляться на сімейства поознакою планети-гіганта, що визначає динаміку комети. В даний часвідомо близько 180 короткоперіодичні комет. Більшість з нихналежить сімейству Юпітера.

Найчисленніша популяцію малих тіл Сонячної системи - астероїди.
Перший астероїд - Церера - був відкритий в перший день XIX століття сіцілійськимастрономом Піацца. Хоча відкриття і носила випадковий характер, воно послужилопоштовхом до розробки Гаусом класичного методу визначення орбіт за трьомаспостереженнями та методу найменших квадратів, завдяки яким вдалосяобчислити орбіту і перевідкрити Цереру майже через рік після першихспостережень. В даний час відомо кілька десятків тисяч астероїдів.
І це число стрімко росте.

Популяція астероїдів неоднорідна. Більшість астероїдів рухаються поорбітах близьким до круговим в поясі астероїдів між орбітами Марса і
Юпітера. У 1866 р. Кірквуд досліджував залежність числа від астероїдіввеликих піввісь їх орбіт і виявив, що отримане розподіл маєкілька глибоких мінімумів. Пізніше з'ясувалося, що ці мінімумивідповідають сумірності середніх рухів Юпітера і астероїда. Вониотримали назву люків Кірквуд.

Хоча астероїди рухаються по еліптичних орбітах, трикутник
Сонце-Юпітер-астероїд завжди залишається близьким до рівносторонньому. Інодіобидві групи астероїдів називають троянцями. Станом на 1 квітня 1999відомо 476 астероїдів-троянців (474 у Юпітера і 2 у Марса).

Ще одна група астероїдів - астероїдів, що зближуються із Землею. Їхперігелійние відстані менше 1.33 а.е. В даний час відомокілька тисяч таких астероїдів. Близько сотні з них представляють реальнузагрозу для Землі: вони перетинають її орбіту і мають розмір більше 1 км.
Зіткнення Землі з подібним астероїдом викличе глобальну катастрофу,подібну до тієї, що призвела до вимирання динозаврів. Є ще близько тисячіастероїдів розміром від 30 до 50 м, також перетинають орбіту Землі.
Зіткнення Землі з таким астероїдом здатне викликати локальну катастрофутипу Тунгуської. Однак, жоден з відомих астероїдів не зіткнеться з
Землею в найближчому майбутньому, протягом 33 років, в 21 столітті.

Після відкриття Плутона неодноразово робилися спроби пошукудесятий великої планети Сонячної системи. Під час одного з таких оглядів
18 жовтня 1977 Коваль відкрив малу планету 2060 Хірон, що рухаєтьсяміж орбітами Юпітера і Урана, перетинаючи орбіту Сатурна. Поблизу перигеліюу цього "астероїда" проявляються ознаки газоізверженія і коми. Більше 14років цей об'єкт залишався єдиною малої планетою, що спостерігається глибоковсередині області руху планет-гігантів. 9 січня 1992 на автоматичномутелескопі Космічний дозор (Арізона, США) було відкрито ще один астероїдцієї групи - 5145 Фолус. До теперішнього часу відомо 7 астероїдів групи
Кентавра, що рухаються серед планет-гігантів між орбітами Юпітера і
Нептуна. Назва групи відображає той факт, що об'єкти одночасно маютьознаки і астероїдів і комет. У табл. 1 наводиться список астероїдівгрупи Кентавра станом на 1 серпня 1997 р. У таблиці дані: ім'яастероїда, його попереднє позначення, перігелійное і афелійнихвідстані в астрономічних одиницях, нахил орбіти в градусах,ексцентриситет орбіти, велика піввісь в астрономічних одиницях і датавідкриття. Повний регулярно оновлюваний варіант таблиці доступний за адресою

У 1949 р. К. Еджеворт висловив припущення про існування остаточногоневитраченого при формуванні Сонячної системи матеріалу за орбітою
Нептуна. Проте, ця робота була маловідома до останнього часу. У
1951 Койпер припустив, що комети й астероїди формувалися вістотно різних областях Сонячної системи і, що за орбітою Плутонаповинен існувати пояс комет. 30 серпня 1992 Джевітт і Лю (Гавайськауніверситет, США) відкрили перший об'єкт, що належить поясу Койпера. Вінотримав позначення 1992 QB1. Зараз відомо 53 об'єкта, що рухаються заорбітою Нептуна. У табл. 2 наводиться список об'єктів пояса Койпера поСтаном на 1 серпня 1997олний регулярно оновлюваний варіант таблиці доступний за адресою. Деякідослідники відносять до об'єктів пояса Койпера і Плутон. Можливо, що пояс
Койпера є внутрішньою областю хмари Оорта - сферичногоосвіти радіусом від тисяч до сотень тисяч астрономічних одиниць,що є резервуаром долгоперіодіческіх комет.

Таким чином, за сучасними уявленнями Сонячна система маєнаступну структуру: навколо Сонця обертаються 9 великих планет, міжорбітами Марса і Юпітера знаходиться пояс астероїдів, частина астероїдіврухається серед планет земної групи і в околиці трикутних точоклібрації Юпітера, серед планет-гігантів рухаються об'єкти групи Кентавра ікороткоперіодичні комети, за орбітою Нептуна розташовується пояс Койпера,а вся система оточена хмарою Оорта.

Малі планети (Астероїди).

Малі планети (Астероїди) - космічні тіла розміром в сотнікілометрів і менше, що рухаються навколо Сонця по еліптичних орбітах,розташованим переважно між орбітами Марса і Юпітера. Найкращімалі астероїди мають розмір трохи менше 1 км. Кількість малих планетшвидко зростає при переході від великих до дрібних, які вже можна вважативеликими метеоритними тілами.

Перша мала планета - Церера - була відкрита випадково 1 січня 1801року італійським астрономом Піацца. В даний час відомо вжекілька тисяч малих планет. Приблизно для 2000 з них відомі точніорбіти. Загальна кількість малих планет усередині орбіти Юпітера, доступнихспостереженнями, оцінюються в 100000. Але їх сумарна маса менше 1/1000маси земної кулі.

Малим планет із типовими орбітами присвоювалися жіночі імена, маліпланети з тими чи іншими особливостями руху отримували чоловічі імена. УОстаннім часом, проте, це правило не дотримується. У переважноїбільшості малих планет великі півосі їх орбіт укладені між 2,2 і 3,6а.е. Вони утворюють так зване кільце або пояс малих планет (астероїдів).

Орбіти малих планет в середньому більш витягнуті і більш нахилені поекліптики, ніж орбіти великих планет. Відомо кілька десятків малихпланет рухаються вздовж орбіти Юпітера й утворюють дві стійкі групи --на відстані 60о попереду і позаду планети (так звані Троянці і Греки
- Вони всі названі іменами героїв Троянської війни). У малої планети Педальгощо має витягнуту орбіту з великої півосі в 5,8 а.е. афемій розташованийдалі орбіти Сатурна, але завдяки великим нахилом орбіти Педальго НЕвідбувається його зближення з Сатурном. Ще більшою орбітою володіє малапланета Хеерон. Її орбіта проходить в основному між орбітами Сатурна і
Урана, але в перигелії заходить всередину орбіти Сатурна.

Деякі малі планети мають невеликі витягнуті орбіти,наближаються до орбіти Землі (малі планети групи Амура) або навітьзаходять всередину неї (малі планети групи Аполлона і Атона). Малапланета Ікар заходить навіть всередину орбіти Меркурія. Малі планети групи
Аполлона і деякі з групи Амура можуть зближуватися із Землею. Вкрайрідко вони навіть стикаються з нею, утворюючи при улар про сушу гігантські
"Метеоритні" кратери, а при попаданні в океани і моря породжують гігантськіхвилі.

Існує гіпотеза, відповідно до якої в тому місці, де зараз рухаютьсяастероїди, колись перебувала планета. Ця планета (у неї навіть є дваназви: одне традиційне - Фаетон, а інше - планета Ольберса)руйнувалася або в результаті зіткнення з великим тілом, або піддією якихось інших сил, наприклад під дією приливних сил
Юпітера. Уламки цієї гіпотетичної планети і є астероїди.

Таке припущення в даний час висловлюють багато вчених.
Довгий час розміри малих планет оцінювали приблизно, на підставівидимого блиску і передбачуваної відбивної здібності. В останніроки розміри і відбивні здатності найбільших малих планет визначаютьшляхом вимірювання інфрачервоного випромінювання та порівняння його з кількістювідбитого видимого світла, а також на основі емпіричної залежностіполяризаційних властивостей поверхні і від її відбивної здібності. Дотеперішнього часу отримані такі відомості про майже 200 малих планетахпоперечником більше 70 км. Найбільші малі планети мають наступнірозміри: Церера - 1003 км., Паллада - 608 км., Веста - 538 км., Тгія -450км.

Малі планети, що рухаються усередині орбіти Юпітера, вважаютьсякам'янистими тілами, родинними планет земної групи. Це підтверджуютьсяспектрофотометричних спостереженнями, які показують, що майже всі вонипо відбивних властивостями схожі на метеорити тих чи інших типів.

Метеорити - вісники космосу.

Метеорити - кам'яні або залізні тіла, які падають на Землю зміжпланетного простору. Падіння метеоритів на Землю супроводжуєтьсязвуковим, світловим і механічним явищем. По небу проноситься яскравийвогненна куля званий болідом, супроводжуваний хвостом і розлітаються,позоврами. Після того як болід зникає, через кілька секунд лунаютьсхожі на вибухи удари, звані ударними хвилями, які інодівикликають значний струс грунту і будівель.

Метеорити можуть випадати в тих випадках, коли швидкість вторгся вземну атмосферу метеорного тіла не перевищує 22 км/с і якщо це тіломає досить механічною міцністю. У місці падіння метеоритівутворюються заглиблення, розміри і форма яких залежать від маси метеоритіві швидкості з падіння.
Найбільший метеорит був знайдений в Південно-Західній Африці в 1920 році.
Метеорит цей, Гоба (назви даються по населеному пункту, найближчого домісця падіння) залізний, маса його 60 т. До найбільших метеоритів відноситьсязалізний Сіхоте - Алінський, що впав у СРСР в 1947 році. Він ще в атмосферірозколовся на тисячі частин і випав на Землю "залізним дощем". При ударі обгрунт частини метеорита роздрібнили скельні породи, утворивши в них кратери іворонки. Було виявлено 200 кратерів і воронок діамтром від 20 см до 26 м.
Маса Сіхоте-Алінський метеорита оцінюється в 70 т., зібрано понад 23 т.

Метеорити складаються з тих же хімічних елементів, які є на
Землі. Це в основному наступні 8 елементів: Залізо, нікель, магній,кремній, сірка, алюміній, кальцій і кисень. Інші елементи зустрічаютьсяв метеоритах в дуже малих кількостях. З'єднуючись між собою, ціелементи утворюють в метеоритах різні мінерали, більшість якихє і на Землі. Але зустрічаються метеорити з невідомими на земній кулімінералами.

Залізні метеорити майже цілком складаються із заліза. У поєднанні знікелем і незначною кількістю кобальту. У кам'янистих метеоритахзнаходяться силікати-мінерали, що представляють собою сполуки кремнію зкиснем і домішкою інших елементів (магнію, алюмінію, кальцію та інші).
Залізно кам'яні метеорити складаються майже з рівних кількостей кам'янистогоречовини і нікелістого заліза. У наш час в колекціях світу зібраніметеорити, що представляють приблизно 3500 окремих падінь. Близько 1/3з цього числа метеоритів спостерігалися при падінні; інші знахідки.

Комети

Комети - тіла Сонячної системи, що мають вигляд туманних об'єктів, звичайнозі світлим згустком - ядром в центрі і хвостом. Вони належать до числанайбільш красивих небесних тіл. Комети можуть спостерігатися тоді, колиневелике крижане тіло, що називається ядром комети, наближається до сонця навідстань, менше 4-5 а.е., прогріваються його променями і з нього починаютьвиділятися гази і пил, які видно в результаті їх освітлення Сонцем.
Гази і пил, що виділяються з ядра, створюють навколо нього туманні оболонки --атмосферу комети, що становить разом з ядром голову комети. Атмосферакомети безперервно розсіюється в міжпланетний простір: під дієюсвітлового тиску і взаємодії з сонячним вітром гази і пил несутьсяв напрямку від Сонця, утворюючи хвіст комет.

У більшості комет в середині голови спостерігається яскравезіркоподібно "ядро", яке представляє собою світіння центрально, Найбільшщільною зони газів, навколо справжнього ядра комети. Голова комети і її хвістне мають різких обрисів. Їх видимі розміри залежать від інтенсивностівиділення газів і пилу з ядра, яка визначається розмірами ядра і його близькістюдо Сонця, а з іншого боку від яскравості фону неба. Час від часу та чиінша комета зближується з будь-якою планетою масивної, і це призводить дорізкої зміни її орбіти.

Поперечник голови комети зазвичай залишає десятки і сотні тисячкілометрів, але, наприклад у комети 1680 і в яскравої комети 1811 року вінмільйон кілометрів, а хвіст було видно протягом 300 млн.км., тобто йогодовжина була вдвічі більша, ніж відстань від Землі до Сонця.

Відповідно до класифікації, запропонованої в 70х роках ХІХ століття російськимастрономом Ф.А. Бородіхіним, все кометні хвости підрозділяються на тритипу: хвости 1 типу спрямовані прямо від сонця; хвости 2 типу зігнуті івідхиляються назад по відношенню до орбітального руху комети; хвости 3типу майже прямі, але помітно відхиляються тому. Сучасні дослідженнядозволили встановити, що хвости 1 типу - плазмові, мають струменистийструктуру і складаються з іонізованих молекул, які з великим прискореннямнесуться геть від ядра внаслідок електромагнітного взаємодії зсонячним вітром. Хвости 2 типу утворені пиловими частинками різноївеличини, безперервно що виділяються з ядра. Хвости 3 типи з'являються в томувипадку, коли з ядра одночасно виділяється ціле хмара пороху.

Близько 1950 вдалося встановити, що ядра комет - це порівняноневеликі крижані тіла, що складаються із замерзлих газів, переміщених здеякою кількістю нелетучих кам'янистих речовин. Поперечником ядербувають зазвичай від кількох сотень метрів до декількох кілометрів, ітому ядра не видно.

Савчин газів в кометах - це пере випромінювання сонячного світла,причому пере випромінюються лише промені певних довжин хвиль, характерних дляданої молекули. Як показує вивчення спектрів, майже у всіх кометвипромінювання голови породжується нейтральними молекулами, що складаються з двохабо трьох атомів. У 70-х роках було встановлено присутність в кометахатомарного кисню, водню та вуглецю. У 1974 році вперше вдалосявиявити радіовипромінювання кометних молекул.

В даний час щороку відкривають 5-7 нових комет і доситьчасто один раз на 2-3 роки поблизу Землі і Сонця проходить яскрава комета звеликим хвостом.

У 1996 році 31 січня японський любитель астрономії Юї Хіякутаке відкривнову комету, яка отримала офіційне позначення - с/1996В2, яка
25 березня пройшла на відстані 15 млн. Км. Від Землі зі швидкістю 58 км/с. Ана початку травня космічна мандрівниця - комета Хіякутаке - зникла впроменях Сонця і обійшовши його, почала свій зворотний шлях за межі Сонячноїсистеми.

Закінчуючи загальний огляд Сонячної системи, необхідно відзначити щеодна дуже важлива обставина. Наша Сонячна система є системоюстійкою, принаймні протягом кількох сотень мільйонів років. Цеозначає, що форма, розміри та взаємодія планет, взаємнаорієнтування орбіт тіл, її складових, не можуть значно змінитися зплином часу, зазнаючи лише періодичні коливання поблизу своїхсередніх значень. Звичайно, головна причина стійкості Сонячної системиполягає в тому, що 99,87% всієї маси зосереджена в сонце.