ЛЕКЦИЯ ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

Мы можем достаточно много сказать об эволюции звезд на основании огромного количества наблюдений за объектами звездного неба, находящимися на разных стадиях развития. В то же время мы практически ничего не знаем об основных этапах формирования планет, и это, несмотря на то что у нас есть возможность подробно изучать планету, на которой живем, - Землю. Причина этого достаточно проста: наша планета - единственно доступный для подробного изучения объект.

Что-то мы можем узнать о планетах Солнечной системы. Наличие планетных систем около иных звезд можно выявить только по особенностям движения звезды или по особенностям ее излучения.

Мы наблюдаем 9 планет Солнечной системы и их спутники (табл. 14.1). Первая планета, открытая с помощью телескопа, - Уран (1781 год, Гершель). В 1846 году по отклонению орбиты Урана было теоретически предсказано существование планеты Нептун. В 1930 году по возмущениям в движении Урана была обнаружена планета Плутон. Наблюдения за планетами позволили выявить следующие закономерности.

Возраст Земли около 5 миллиардов лет. Максимальный возраст у метеоритов - объектов, приходящих к нам из Солнечной системы, - 7 миллиардов лет.

Планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, при этом характеристики эллипсов (большая и малая полуоси) за 5-7 миллиардов лет мало изменились. В таблице 14.1 приведены значения эксцентриситета

130

Рис. 14.1
Схематическое изображение солнечной системы
На вставке слева - планеты земной группы, справа - внешние планеты.

Таблица 14.1

Характеристики планет Солнечной системы (масса и радиус Земли приняты за 1)

131

орбиты, характеризующего отклонение орбиты от окружности. Для окружности эксцентриситет равен нулю. Видно, у всех планет, за исключением Меркурия и Плутона, орбиты весьма близки к окружности. Орбита Плутона вытянута настолько сильно, что в 1979-1999 годах он находился ближе к Солнцу, чем Нептун. Через самую ближнюю к Солнцу точку орбиты - перигелий - Плутон прошел в 1989 году.

Плоскости эллиптических орбит всех планет лежат почти в одной плоскости (плоскости эклиптики). Наибольшее отклонение плоскости орбиты от эклиптики опять же у Меркурия и Плутона.

Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном и тем же направлении. Все планеты и Солнце вращаются в одном направлении вокруг своих осей.

У всех планет и Солнца экватор наклонен к плоскостям орбит. У Урана ось вращения фактически лежит в плоскости эклиптики. Планета как бы "катится" по орбите. Почти в таком же положении движется Плутон. Знак "минус" в таблице 14.1 означает, что орбита наклонена в сторону, противоположную наклону орбиты Земли.

Орбиты большинства спутников планет круговые. Большинство спутников и кольцо Сатурна обращаются вокруг своих планет в том же направлении, в котором планеты обращаются вокруг Солнца.

В настоящее время известен ряд гипотез образования Солнечной системы, основанных на этих данных.

Одна из первых - гипотеза Канта-Лапласа. По этой гипотезе предполагается образование планет в результате эволюции холодной (И. Кант) или горячей (П. Лаплас) пылевой туманности, быстро вращающейся вокруг центра масс. Эти гипотезы, при своем резком отличии, выдвигают общее представление о возникновении Солнечной системы в результате закономерного развития пылевой туманности. В то же время эти гипотезы не соответствуют закону сохранения момента импульса.

Если мы имеем систему тел, вращающихся вокруг некоторой оси, то в этой системе должен сохраняться момент импульса - произведение массы на скорость и расстояние до оси вращения. (Пример действия закона

132

сохранения момента импульса - зависимость скорости вращения фигуриста от изменения положения рук). Изменение размеров вращающегося тела влияет на его угловая скорость. Таким образом, если полагать (как это делается в большинстве гипотез формирования Солнечной системы), что Солнечная система сформировалась при конденсации вращающегося газового облака, то сохранение момента импульса определяет верность гипотезы.

Суммарная масса всех планет составляет всего лишь 1/700 часть массы Солнца. Однако, учитывая, с одной стороны, большие расстояния от Солнца до планет и с другой - малую скорость вращения Солнца вокруг своей оси (2 км/с на экваторе), мы обнаружим, что 98% момента импульса Солнечной системы связаны с орбитальным движением планет и только 2% - с вращением Солнца вокруг оси. Основной вклад в момент импульса Солнечной системы определяется орбитальным движением планет-гигантов Юпитера и Сатурна.

В начале XX века появилась гипотеза Д.X. Джинса. Исходный материал, из которого в дальнейшем образовались планеты, выброшен Солнцем (на ступени эволюции, близкой к существующей) при случайном прохождении вблизи некоторой звезды. Звезда прошла очень близко, почти столкнувшись с Солнцем. При этом из поверхностных слоев Солнца была выброшена струя газа, конденсация которой привела к образованию планет. Оценки, основанные на знании расстояний между звездами и скоростей их движения, показывают, что за последние 5 миллиардов лет таких прохождений могло быть не более 10 (лекция 10). То есть планетных систем в Галактике было бы крайне мало. Это вряд ли соответствует действительности. То есть, и гипотеза Джинса не выдерживает критики.

В современных моделях формирования планетных систем обращают на себя внимание два факта: звезды, спектральные классы которых более поздние, чем F5, потеряли весь свой вращательный момент; звезды с массами, превышающими 1,4 массы Солнца, вращаются со скоростями около 100 км/с. Объяснение этих фактов требует создания новых гипотез. В частности - представлений

133

о взаимодействии межзвездного магнитного поля с ионизированным газом при формировании первоначального газового диска, из которого впоследствии формируются планеты.

Одна из современных гипотез формирования Солнечной системы предполагает, что первоначальная масса материала, из которого образованы планеты, составляла около 1 % массы Солнца и была выброшена из него в тот момент, когда Солнце теряло вращательную устойчивость. Этот выброс с течением времени сформировался в протопланетный диск. Из него впоследствии и сконденсировались планеты. Не исключено, что планеты образовались не одновременно, а при разных выбросах вещества из Солнца. В частности, планеты-гиганты Юпитер и Сатурн образовались позже Урана, Нептуна, планет земной группы.

Недавно вероятные планетарные объекты были обнаружены у нескольких звезд главной последовательности. Эти объекты (которые могут быть "коричневыми карликами") имеют массы не более половины массы Юпитера. Их орбиты относятся к пригодной для существования жизни зоне (на планете может присутствовать жидкая вода).

Наличие у звезд газопылевых оболочек подтверждается наблюдениями. Есть основания полагать, что большинство звезд класса F, еще не достигших главной последовательности, имеют такие оболочки. Наблюдать их достаточно сложно. При наблюдениях за инфракрасным излучением звезд обнаружено, что тепловое излучение ряда звезд не соответствует температуре их поверхности.

Действительно, звезда должна испускать излучение, характерное для тела с температурой в несколько тысяч градусов. Однако оказалось, что некоторые звезды (в частности, Вега) излучают так, будто состоят из двух источников излучения. Один из них имеет температуру 9700 К (что соответствует температуре поверхности звезды), другой - температуру 85 К (определяющий избыток инфракрасного излучения). Простым объяснением этого факта является существование оболочки из мелких частиц, располагающейся на некотором расстоянии

134

(для Веги - около 80 астрономических единиц) от звезды. Другое дело, не ясно, что это - формирующаяся планетная система или остатки существовавшей планетной системы.

Малые планеты. В 1596 году великий астроном И. Кеплер предсказал существование планеты между орбитами Марса и Юпитера. В 1766 году И.Д. Тициус и в 1772 году И.Э. Боде выявили закономерность в расстояниях известных в то время планет от Солнца. Если принять расстояние от Земли до Солнца за 1, то расстояния до других планет можно найти прибавлением числа 0,4 (расстояние до Меркурия) к произведению (0,3 × 2ⁿ). Для Венеры n = 0.

Именно этот факт послужил одним из стимулов для поиска новых планет. На расстоянии 2,8 а.е. нет никаких больших планет. Однако в 1801 году Пиацци, директор обсерватории в Палермо, на этом расстоянии обнаружил очень маленький объект и показал, что он относится к Солнечной системе. Обнаруженную малую планету назвали Церерой. В 1802 году была открыта еще одна малая планета - Паллада, двигающаяся на таком же расстоянии от Солнца. Позже был обнаружен еще ряд малых планет, это позволило немецкому астроному и врачу Г. Ольберсу в 1804 году высказать гипотезу о том, что малые планеты произошли в результате разрыва на куски одной большой планеты, радиус орбиты которой некогда лежал на расстоянии 2,8 а.е. от Солнца (табл. 14.2).

Астероиды - небольшие каменные объекты, находящиеся, прежде всего, между орбитами Марса и Юпитера. Наблюдения более чем 7000 астероидов в двух или более позициях позволили точно определить их орбиты. Астероиды меньше любой из девяти главных планет Солнечной системы. Около 30 имеют диаметр, превышающий 200 км. Церера, самая крупная малая планета, имеет диаметр около 935 км. Паллада, вторая по размеру, - до 535 км. Приблизительно 250 астероидов имеют диаметр, по крайней мере, 100 км. Миллионы астероидов - не больше валуна. Именно они падают на поверхность Земли в виде метеоритов.

135

Таблица 14.2

Правило Тициуса-Боде для планет Солнечной системы

Форма самых больших астероидов близка к сферической. Это утверждение основывается на постоянстве их яркости (при движении тел иной формы яркость, то есть количество отраженного солнечного света, должна изменяться). Меньшие астероиды имеют широкий диапазон форм. Икар, например, является почти сферическим, диаметром только 2 км. Эрос похож на плиту размерами 10 × 15 × 30 км³.

В 1993-1994 годах космический корабль "Галилео", проходя через пояс астероидов на пути к Юпитеру, получил изображение астероида с наибольшим размером 56 км, имеющего собственный крошечный спутник размером около 1,5 км, расположенный на расстоянии 100 км. Это самый маленький известный естественный спутник в Солнечной системе.

Какова возможная причина формирования пояса астероидов? Современные данные показывают, что гипотеза о разрыве большой планеты не подтверждается. Вряд ли они могли когда-либо составлять одно тело. Одна из гипотез образования пояса астероидов полагает, что он - "заготовка" для планеты, не сформировавшейся из-за гравитационного воздействия Юпитера.

136

С существованием пояса астероидов связана опасность, которой подвергается Земля. Крупные астероиды могут вследствие тех или иных причин выйти из пояса астероидов и пересечь орбиту Земли, в том числе - и упасть на Землю. Сейчас известно около 600 астероидов, которые приближаются к Земле или орбиты которых пересекают орбиту Земли. Оценки показывают, что таких тел с массой более 100 кг может быть около 100 тысяч.

Оценки показывают, что астероид диаметром 1 км может столкнуться с Землей один раз за 1 миллион лет. В результате столкновения произойдет взрыв силой в несколько водородных бомб, образуется кратер диаметром около 13 км. Некоторые исследователи полагают, что исчезновение динозавров и многих других животных приблизительно 65 миллионов лет назад было вызвано падением на севере полуострова Юкатан астероида диаметром до 10 км.

Современные астрономические исследования показывают возможность существования пояса малых планет, расположенных между орбитами Урана и Нептуна

Кометы. Всякая комета состоит из твердой части (ядра) и газопылевой атмосферы. Ядро кометы имеет диаметр 1-2 км, наблюдать ядро нельзя и лишь косвенные наблюдения дают возможность оценить его массу (около миллиарда тонн). Ядро кометы - рыхлое образование, смесь сконденсировавшихся водяного пара, аммиака, метана.

Орбиты комет - очень вытянутые эллипсы, периоды обращения - более 100 лет. Только четвертая часть известных комет имеет периоды менее 7 лет. И каждый

Рис. 14.2.
Траектории комет, имеющих малые периоды обращения вокруг Солнца
Видно, что все они происходят из окрестностей Юпитера.

137

год на смену старым кометам приходят новые, ранее не известные.

Существует ряд гипотез происхождения комет. По гипотезе голландского астронома Я. X. Оорта, ядра комет - остатки того протопланетного облака, из которого когда-то возникла планетная система. Из этих областей, расположенных за орбитой Плутона, и приходят кометы.

По гипотезе С.К. Всехсвятского, ядра комет - своеобразные вулканические бомбы, выброшенные при извержениях с поверхностей главным образом планет-гигантов и их спутников. Действительно, есть основания полагать, что самые далекие от Солнца точки орбит комет группируются вблизи орбит Юпитера и других планет (рис. 14.2).

Окончательного объяснения происхождению комет на сегодня не существует.

Кометы имеют различные периоды жизни от 3,3 года для кометы Енк до 2000 лет для кометы Донати. Всего известно более 200 комет, периодически приходящих к Солнцу.

Кометы с короткими периодами (от 3 до 9 лет) образуются в области Юпитера. Кометы с периодами в десятки лет образуются в области Нептуна. Так, комета Галлея имеет период 76 лет. Известны и кометы с периодами в тысячи лет.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Почему Венеру можно наблюдать непосредственно перед восходом или сразу после захода Солнца?
2. В чем состоит правило Воде?
3. Как был обнаружен пояс астероидов?
4. Приведите гипотезы образования пояса астероидов.
5. Что такое малые планеты?
6. Что такое комета? Какие гипотезы образования комет вам известны?
7. Какова классификация комет по времени оборота вокруг Солнца?

138