Введення

Останнє десятиліття принципово змінило наші уявлення про будову, динамічної еволюції та стійкості Сонячної системи. Звичними стали повідомлення про відкриття нових об'єктів, виявленні нових динамічних структур, прояві властивостей нестійкості руху або хаотичного поведінки в тих чи інших груп об'єктів.
Це викликано кількома причинами: поява нових інструментів і модернізація старих, застосування високочутливих ПЗС-матриць і нових методів математичної обробки результатів спостережень. Все це дозволяє спостерігати нові об'єкти, що мають дуже малу яскравість і істотне власний рух.
Нові аналітичні та чисельні методи небесної механіки в сукупності з сучасними обчислювальними системами дають можливість моделювати 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 відбувався перехід від класичної до релятивістської картині Світу. Нам варто розібратися де, коли і за яких умов ми можемо розглядати Сонячну систему регулярної та стійкою, а в яких випадках проявляються ознаки хаосу і нестабільності.
Почнемо розгляд з сучасних уявлень про структуру Сонячної системи. Потім обговоримо поняття стійкості і нестійкості руху, умови виникнення резонансів і хаотичного поведінки. Після цього проаналізуємо динаміку малих тіл Сонячної системи і звернемося до великих планет. На закінчення розглянемо динаміку Сонячної системи як цілого на часи, порівнянних з її віком.

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 не говоримо про супутники малих тіл, оскільки до теперішнього часу таких об'єктів відкрито лише два, а спостережної інформації недостатньо, щоб детально дослідити їх динаміку.
Сонце - динамічний центр системи. Його гравітаційний вплив є домінуючим в Сонячній системі за винятком малих областей в околиці інших об'єктів.
Великі планети - візитна картка Сонячної системи. П'ять найближчих до Землі великих планет були відомі з ранньої історії людства. Це - Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. Історія відкриття трьох інших великих планет показує як змінювалося ставлення астрономів до питання про розміри і населення Сонячної системи.
Відкриття Урану стало сюрпризом. Навесні 1781 Вільям Гершель на своєму 7-футовому (2.1 м) телескопі проводив спостереження за програмою визначення паралакс зірок. 13 березня 1781 він зробив запис про виявлення туманною зірки або комети. Суперечка про природу відкритого об'єкта тривав до 1787 р., коли Гершель відкрив два супутники Урану: Оберон і титанів.
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 один від одного розрахували орбіту планети, відповідальної за ці обурення. 23 вересня 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 врахування збурень від Нептуна і висловив гіпотезу, що ці обурення виробляються невідомою занептунной планетою. У середині 90-х років XIX століття в Арізоні Ловелл побудував обсерваторію, яка стала центром пошуку нової планети. Протягом 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 річницю з дня народження Персиваля Ловела . За час пошуку Плутона було проведено порівняння близько 90 млн. зображень зірок протягом 7000 годин на Блінков-компаратор.
Чи існують великі планети за орбітою Плутона? Аналіз траєкторій руху тіл Сонячної системи і космічних апаратів Піонер-10, Піонер-11, Вояджер-1, Воджер-2 дозволяють стверджувати, що об `єктів, які можна порівняти з Плутоном, і більших у зовнішній області Сонячної системи не існує.
Історія відкриття супутників планет не менш драматична, але ми не будемо на ній зупинятися. Відзначимо лише, що супутникові системи планет-гігантів складністю свого пристрою часто перевершують Сонячну систему. Не до кінця вирішене питання про походження подвійних планет Земля-Місяць і Плутон-Харон.
Малі тіла Сонячної системи - пробний камінь і золота жила небесної механіки, джерело нових відкриттів. Найвідоміші малі тіла - комети. Згадки про кометах можна знайти в легендах і літописах практично всіх народів Землі. За динамічним ознаками комети поділяються на долгоперіодіческіе і короткоперіодичні.
Долгоперіодіческіе комети рухаються по орбітах, великі півосі яких сягають десятків тисяч астрономічних одиниць, а періоди обертання - десятків мільйонів років. Орбіти сильно витягнуті, їх ексцентриситет близькі до одиниці. Орієнтація орбіт і їх нахили до площини екліптики розподілені випадковим чином. Короткоперіодичні комети мають періоди менше 200 років, помірні ексцентриситет, для більшості з них нахил орбіт до площини екліптики не перевищує 35? . Короткоперіодичні комети діляться на сімейства за ознакою планети-гіганта, що визначає динаміку комети. В даний час відомо близько 180 короткоперіодичні комет. Більшість з них належить сімейству Юпітера.
Найчисленніша популяцію малих тіл Сонячної системи - астероїди. Перший астероїд - Церера - був відкритий в перший день XIX століття сіцілійським астрономом Піацца. Хоча відкриття і носила випадковий характер, воно послужило поштовхом до розробки Гаусом класичного методу визначення орбіт за трьома спостереженнями та методу найменших квадратів, завдяки яким вдалося обчислити орбіту і перевідкрити Цереру майже через рік після перших спостережень. В даний час відомо кілька десятків тисяч астероїдів. І це число стрімко росте.
Популяція астероїдів неоднорідна. Більшість астероїдів рухаються по орбітах близьким до круговим в поясі астероїдів між орбітами Марса і Юпітера. У 1866 р. Кірквуд досліджував залежність числа астероїдів від великих піввісь їх орбіт і виявив, що отримане розподіл має кілька глибоких мінімумів. Пізніше з'ясувалося, що ці мінімуми відповідають сумірності середніх рухів Юпітера і астероїда. Вони отримали назву люків Кірквуд.
На малюнку показана залежність числа астероїдів N від значення великої півосі. Пунктирною лінією відзначені резонансні значення великих піввісь. Відповідні сумірності середніх рухів астероїда і Юпітера даються над верхньою рамкою. Видно, що більшості резонансних значень великої півосі відповідає істотне зменшення числа астероїдів.
Дві групи астероїдів розташовані в околиці трикутних точок лібрації системи Сонце-Юпітер-астероїд - це греки і троянці. Вони рухаються в околиці орбіти Юпітера: греки випереджають Юпітер приблизно на 60?, А троянці на стільки ж відстають. Хоча астероїди рухаються по еліптичних орбітах, трикутник Сонце-Юпітер-астероїд завжди залишається близьким до рівносторонньому. Іноді обидві групи астероїдів називають троянцями. Станом на 1 квітня 1999 відомо 476 астероїдів-троянців (474 у Юпітера і 2 у Марса).
Ще одна група астероїдів - астероїдів, що зближуються із Землею. Їх перігелійние відстані менше 1.33 а.е. В даний час відомо декілька тисяч таких астероїдів. Близько сотні з них представляють реальну загрозу 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 тисячі астероїдів розміром від 30 до 50 м, також перетинають орбіту Землі. Зіткнення Землі з таким астероїдом здатне викликати локальну катастрофу типу 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 пошуку десятий великої планети Сонячної системи. Під час одного з таких оглядів 18 жовтня 1977 Коваль відкрив малу планету 2060 Хірон, що рухається між орбітами Юпітера і Урана, перетинаючи орбіту Сатурна. Поблизу перигелію у цього "астероїда" проявляються ознаки газоізверженія і коми. Більше 14 років цей об'єкт залишався єдиною малою планетою, що спостерігається глибоко всередині області руху планет-гігантів. 9 січня 1992 на автоматичному телескопі Космічний дозор (Арізона, США) було відкрито ще один астероїд цієї 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 мають ознаки і астероїдів і комет. У табл. 1 наводиться список астероїдів групи Кентавра станом на 1 серпня 1997 У таблиці дані: ім'я астероїда, його попереднє позначення, перігелійное і афелійних відстані в астрономічних одиницях, нахил орбіти в градусах, ексцентриситет орбіти, велика піввісь в астрономічних одиницях і дата відкриття. Повний регулярно оновлюваний варіант таблиці доступний за адресою
У 1949 р. К. Еджеворт висловив припущення про існування остаточного невитраченого при формуванні Сонячної системи матеріалу за орбітою Нептуна. Проте, ця робота була маловідома до останнього часу. У 1951 р. Койпер припустив, що комети й астероїди формувалися в істотно різних областях Сонячної системи і, що за орбітою Плутона повинен існувати пояс комет. 30 серпня 1992 Джевітт і Лю (Гавайський університет, США) відкрили перший об'єкт, що належить поясу Койпера. Він одержав назву 1992 QB1. Зараз відомо 53 об'єкта, що рухаються за орбітою Нептуна. У табл. 2 наводиться список об'єктів пояса Койпера станом на 1 серпня 1997
олний регулярно оновлюваний варіант таблиці доступний за адресою. Деякі дослідники відносять до об'єктів пояса Койпера і Плутон. Можливо, що пояс Койпера є внутрішньою областю хмари Оорта - сферичного освіти радіусом від тисяч до сотень тисяч астрономічних одиниць, що є резервуаром долгоперіодіческіх комет.
Таким чином, за сучасними уявленнями Сонячна система має наступну структуру: навколо Сонця обертаються 9 великих планет, між орбітами Марса і Юпітера знаходиться пояс астероїдів, частина астероїдів рухається серед планет земної групи і в околиці трикутних точок лібрації Юпітера, серед планет-гігантів рухаються об'єкти групи Кентавра і короткоперіодичні комети, за орбітою Нептуна розташовується пояс Койпера, а вся система оточена хмарою Оорта.
Нам варто розібратися яким чином в Сонячній системі сформувалася така динамічна структура, як вона еволюціонує і чи є стійкою. Ми обговоримо сценарії походження люків Кірквуд. Дізнаємося звідки беруться астероїди, що загрожують Землі. З'ясуємо, чому кентаврів набагато менше, ніж об'єктів пояса Койпера. Знайдемо джерело короткоперіодичні комет. І, нарешті, спробуємо дати відповідь на головне питання: стійка чи Сонячна система?
Але перш, ніж досліджувати властивості руху тіл Сонячної системи, ми визначимо таке важливе поняття як стійкість.