Понятие о солнечной системе

Мысль о том, что Земля вместе с другими планетами обращается вокруг Солнца, образуя единую систему, была выдвинута замечательным мыслителем Аристархом из Самоса, жившим в III в. до н. э. Эта идея не нашла поддержки, и более полутора тысячелетий после Аристарха люди продолжали считать, что Солнце, Луна и несколько планет, движущихся на фоне далеких звезд, а также и сами звезды обращаются вокруг Земли.

Гелиоцентрическая концепция, предполагающая, что в центре системы находится Солнце (по-гречески — Гелиос), предложенная еще одним великим астрономом, Николаем Коперником, в 1573 году, долго и не без трудностей прокладывала себе путь в человеческом сознании. В конце XVI в. ее расширил и обобщил Джордано Бруно. Судя по всему, именно он первым выдвинул гениальное предположение о том, что далекие звезды подобны Солнцу, и вокруг них могут обращаться планеты, как в нашей Солнечной системе. Эта гипотеза существовала на протяжении почти четырехсот лет, находя отражение в фантастических книгах, а затем (в XX в.) и в фильмах, но не была ни подтверждена, ни опровергнута. На рубеже XX и XXI вв. новые впечатляющие технические возможности астрономии позволили открыть первые планетные системы — сначала у ближайших, а затем у все более далеких звезд. Количество известных систем исчисляется тысячами, и оно быстро растет. Наблюдения показывают, что значительная доля звезд имеет планеты.

Таким образом, к началу XXI в. стало ясно, что во Вселенной широко распространены планетные системы, включающие в себя звезду и множество гравитационно связанных с ней менее массивных космических тел, движущихся по своим траекториям (орбитам) вокруг общего центра масс. Вообще говоря, звезда может быть не одна: хорошо известны так называемые кратные звезды, когда вокруг общего центра масс могут двигаться несколько близко расположенных звезд. И у таких звезд тоже есть планеты.

Важным и естественным свойством планетных систем является общность происхождения и эволюции центральной звезды (звезд) и входящих в систему других космических тел.

Солнечная система представляет собой пример планетной системы, где вокруг общего центра масс обращаются одна звезда (Солнце) и множество космических тел разных типов. Поскольку масса Солнца составляет более 99% массы всей совокупности этих тел, центр масс Солнечной системы всегда находится вблизи Солнца и часто — внутри самого Солнца. Это позволяет упрощенно говорить, что все остальные тела Солнечной системы обращаются вокруг Солнца.

В перечень типов космических тел, находящихся на орбитах вокруг Солнца, входят планеты с обращающимися вокруг них спутниками планет, карликовые планеты и малые тела Солнечной системы, к числу которых относят астероиды, метеороиды и кометы, а также частицы пыли и газа. Все имеющиеся данные указывают на то, что Солнечная система формировалась и развивалась как единое целое, и малые тела Солнечной системы вместе с Солнцем являются продуктом развития единого газово-пылевого облака.

Рассмотрим кратко объекты, которые входят в состав Солнечной системы.

Солнце. Звезда Солнце является основным системообразующим объектом Солнечной системы, содержащим 99,86% вещества, входящего в систему. Солнце состоит преимущественно из водорода и гелия. Гигантская масса Солнца приводит, благодаря силе тяжести, к сильному нагреву вещества в чрезвычайно плотных недрах Солнца. При высоких значениях давления и температуры в ядре звезды создаются условия для реакций термоядерного синтеза, в ходе которых при объединении ядер атомов водорода образуются ядра атомов гелия и некоторых других элементов. При этом выделяется энергия в виде электромагнитного излучения. Это излучение, просачиваясь сквозь непрозрачное тело звезды, выходит на ее поверхность и распространяется в окружающем пространстве, освещая и нагревая обращающиеся вокруг Солнца тела. По мере удаления от Солнца, освещенность поверхности небесных тел падает, а их температура на больших расстояниях от Солнца уменьшается почти до абсолютного нуля.

Планеты. До начала XXI века строгого определения планеты не существовало, и понятие планеты вводилось через описание свойств известных планет Солнечной системы. Издавна были известны легко наблюдаемые невооруженным глазом на темном ночном небе движущиеся вокруг Солнца планеты Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, которые выглядят как яркие звезды. Однако если взаимное расположение звезд остается практически неизменным на протяжении сотен и даже тысяч лет, то планеты заметно перемещаются по небу среди звезд, плавно меняя при этом свою яркость. Смещения планет относительно звезд и вызвало к жизни их название — слово «планетос» на древнегреческом языке означало «блуждающие», «бродяги».

Долгое время считалось, что все указанные планеты обращаются вокруг неподвижной Земли. В 1543 г. польский астроном Николай Коперник опубликовал свой труд «О вращениях небесных сфер», в котором, как уже упоминалось выше, предлагалась иная идея: все указанные планеты, в том числе и Земля, вращаются вокруг Солнца, причем Земля находится на третьем месте от Солнца, после Меркурия и Венеры. Позднее идея Коперника была подтверждена наблюдениями.

В 1781 г. английский астроном Вильям Гершель открыл с помощью телескопа седьмую планету Солнечной системы — Уран. Яркость Урана на небе невелика, и его практически невозможно увидеть невооруженным глазом. В 1846 г. расчеты французского астронома Урбена Леверье, анализировавшего отклонения в движении Урана от ожидаемой траектории, привели к открытию восьмой планеты — Нептуна. Оказалось, что Нептун движется вокруг Солнца по почти круговой орбите радиусом, в 30 раз превышающим радиус орбиты Земли. Тяготение Нептуна воздействует на движение Урана, что и позволило рассчитать местоположение Нептуна, а затем и обнаружить его на небе.

Исследования планет позволили разделить их на две группы. Меркурий, Венера, Земля и Марс принято называть планетами земной группы. Это самые близкие к Солнцу планеты, сравнительно небольшие по размерам и достаточно плотные, имеющие в недрах плотное раскаленное железно-никелевое ядро, горячую пластичную мантию и твердый поверхностный слой — кору. Планеты земной группы обладают небольшим количеством обращающихся вокруг них спутников (у Меркурия и Венеры спутников нет, у Земли — один, у Марса — два).

В группу планет-гигантов входят тоже четыре планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Это крупные (по сравнению с планетами земной группы) газовые шары невысокой плотности, состоящие преимущественно из водорода и гелия, а также так называемых льдов — воды, аммиака и метана. У планет-гигантов обнаружено множество спутников разных размеров (всего более 175).

В 1930 г. американский астроном Клайд Томбо открыл Плутон, находящийся еще дальше от Солнца, чем Нептун. Плутон оказался объектом, который трудно отнести к какой-либо из указанных групп. По размеру он невелик, меньше любой из планет земной группы; состоит из водяного льда с примесями. В конце XX — начале XXI вв. началась серия открытий сходных с Плутоном объектов, расположенных в пространстве за Нептуном. Это привело астрономов к необходимости ввести строгое определение планеты. Необходимо было сделать выбор: либо относить вновь открываемые объекты к разряду планет (тогда общее количество планет Солнечной системы стало бы быстро нарастать по мере новых открытий), либо отнести Плутон и подобные ему объекты к новому, особому классу небесных тел.

В результате в августе 2006 г. XXVI Генеральная ассамблея Международного астрономического союза (MAC) приняла две резолюции, вводящие определение понятия планеты.

Согласно введенному определению, планета Солнечной системы — это небесное тело, которое.

• а) обращается вокруг Солнца,
• б) имеет форму, близкую к сферической,
• в) очистило окрестности своей орбиты.

Следует обратить внимание, что это определение относится только к планетам Солнечной системы и не касается планет, обращающихся вокруг других звезд.

Рассмотрим подробнее это определение.

Требование а введено для того, чтобы отличить планету от спутника планеты. В Солнечной системе есть спутники планет, которые по своим физическим характеристикам близки к планетам земной группы: обладают сходными размерами, массами и, возможно, сходным внутренним строением. Спутник Сатурна Титан даже обладает атмосферой. Тем не менее эти объекты не считаются планетами, поскольку они движутся вокруг планет, а не вокруг Солнца.

Требование б, по сути, ставит нижний предел массе планеты, которой должно хватить для того, чтобы преодолеть предел пластичности горных пород. Самогравитация массивного небесного тела должна превосходить твердотельные силы, в результате тело принимает гидростатически равновесную форму (близкую к сферической). Наблюдения показали, что для выполнения этого условия требуется масса не менее 5 • 10²⁰ кг, а соответствующий диаметр твердого тела со средней плотностью 3—4 г/см³ — примерно 800 км. Это требование отделяет планеты от астероидов, чьи массы недостаточны, чтобы гравитация придала им сферическую форму. Известны астероиды самых разнообразных неправильных форм.

Требование в указывает на условия формирования планеты, которая должна представлять собой доминирующее тело на своей орбите. Все сравнимые с ней массы на близких орбитах должны были либо упасть на планету, увеличив ее массу и размеры, либо оказаться выброшенными из этой области пространства за счет гравитационных возмущений. Другими словами, планета должна обладать некоей минимальной массой, достаточной, чтобы очистить окрестности своей орбиты от сходных по массе объектов. Таким образом, планета должна летать вокруг Солнца «в гордом одиночестве» — на близких к ней орбитах не должно быть тел сходных масс и размеров.

Требование в подбиралось, по сути, специально, чтобы с его помощью можно было исключить Плутон из списка планет, а для нескольких других сходных по массе и размеру тел — не допустить их включения в этот список. Дискуссии на ассамблее MAC по данному поводу были весьма жаркими, — тем не менее решение было принято и, начиная с августа 2006 г., Плутон более не считается планетой.

В ходе обсуждения определения планеты предлагалось и четвертое требование — тело не должно быть звездой. Это ограничивало бы массу планеты сверху: при слишком большой массе плотность и температура вещества в ядре могут оказаться столь высокими, что запустятся реакции термоядерного синтеза. Поскольку термоядерные реакции суть признак звезды, а не планеты, это означает, что масса планеты не должна быть настолько большой, чтобы там на каком-либо этапе эволюции могли вспыхнуть термоядерные реакции.

Это очевидное требование не включено в окончательное определение, поскольку является избыточным: как указано выше, рассматриваемые свойства планет относятся только к Солнечной системе, в которой существует единственная звезда — Солнце.

В результате, в соответствии с определением, в Солнечной системе имеются 8 планет (их еще называют классическими планетами или большими планетами): это планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс, а также планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Учитывая существование множества разнообразных планет в системах других звезд, можно ожидать, что в обозримом будущем MAC будет вынужден рассмотреть вопрос о более общем определении понятия «планета».

Следует оговориться, что есть некоторые основания предполагать, что в Солнечной системе может находиться по крайней мере еще одна массивная планета. В начале 2016 г. астрономы из Калифорнийского технологического института Майкл Браун и Константин Батыгин сообщили о возможности существования крупной планеты Солнечной системы, движущейся далеко от Солнца по вытянутой эллиптической орбите. Согласно их оценкам, даже в самой близкой точке орбиты «планета X» оказывается гораздо дальше от Солнца, чем Нептун. Предположение о существовании такой планеты с массой в пределах 5—10 масс Земли основано на особенностях ориентации в пространстве орбит нескольких небольших небесных тел Солнечной системы, находящихся в пространстве за Нептуном, — повлиять на ориентацию этих орбит вполне могла неизвестная планета. Специальная программа наблюдений того сектора неба, в котором, возможно, находится в настоящее время искомая планета, разработана для крупного японского телескопа «Субару», размещенного на острове Гавайи. Считается, что шансы на открытие девятой планеты в ближайшие годы достаточно велики.

Скорее всего, если эта планета существует, она относится к группе ледяных гигантов.

Карликовые планеты. Рассмотренное выше определение планеты привело к изменению статуса Плутона. С одной стороны, Плутон обладает почти сферической формой. Однако он движется вокруг Солнца не один: на близких орбитах присутствуют многочисленные тела так называемого пояса Эджворта — Койпера (или просто Койпера) сходных размеров и масс, и это означает, что Плутон не смог своим гравитационным влиянием «очистить» окрестности своей орбиты. Более того, он сам пересекает орбиту Нептуна и рискует быть «очищенным».

Для таких объектов, обладающих массой, достаточной, чтобы приобрести сферическую форму, но недостаточной, чтобы освободить окрестности орбиты от других тел, введено новое понятие «карликовая планета», или «планета-карлик» (dwarf planet). Определение карликовой планеты, введенное одновременно с определением планеты, во многом сходно с ним. Карликовая планета — это небесное тело, которое обращается по орбите вокруг Солнца и обладает сфероидальной формой. При этом карликовая планета не является спутником планеты и не может, в отличие от планет, очистить окрестности своей орбиты от других объектов.

Этот статус приобрели Плутон, транснептунный (т. е. находящийся за орбитой Нептуна) объект Эрида, близкий к Плутону по размерам, а также сферическая Церера — самый крупный объект в Главном поясе астероидов между Марсом и Юпитером (диаметр Цереры превышает 900 км). Позже к этому списку добавились транснептунные объекты Хаумея, Макемаке и Седна. Некоторые астрономы считают, что карликовой планетой следует называть и Харон — самый крупный из трех спутников Плутона. Дело в том, что Харон несущественно меньше Плутона (всего вдвое по размеру), в результате чего оба они обращаются вокруг общего центра масс системы Плутон — Харон, при этом указанная точка находится за пределами Плутона. Поэтому, строго говоря, нельзя утверждать, что Харон обращается вокруг Плутона, т. е. является его спутником — оба объекта в определенном смысле равноправны. Можно сказать, что Плутон и Харон — это система из двух карликовых планет. Но пока эта точка зрения не получила официального признания.

В начале XXI века не исключалось, что статус карликовой планеты может быть присвоен и некоторым другим астероидам, помимо Цереры. Это произошло бы в случае, если бы выяснилось, что они обладают сферической формой. Так, астероиды Паллада, Веста и Гигея прямо перечислялись в примечаниях к резолюции № 5 XXVI Генеральной ассамблеи MAC, как претенденты на статус карликовых планет — если оказалось бы, что эти объекты находятся в состоянии гидростатического равновесия (имеют форму шара). Однако последующие исследования, выполненные с помощью космических аппаратов и крупных наземных телескопов показали, что форма Весты и Паллады далека от сферической.

Кроме указанных объектов, более 40 известных на сегодня крупных (размерами в сотни километров) транснептунных объектов являются кандидатами в карликовые планеты. Нет сомнений, что будущие открытия будут и дальше пополнять список карликовых планет в Солнечной системе.

Астероиды. Первый астероид был обнаружен итальянским астрономом Джузеппе Пиацци в ночь на 1 января 1801 г. Поскольку даже в телескоп диск объекта не был виден (объект выглядел, подобно звездам, как светящаяся точка), был предложен термин «астероид» (звездоподобный, похожий на звезду). Этот термин можно признать неудачным, поскольку по физическим свойствам астероиды близки к планетам (поэтому в прошлом их нередко называли «малыми планетами»), но совершенно не похожи на звезды. По-видимому, более адекватным был бы термин «планетоид». Тем не менее, термин «астероид» сохранился и используется как основной.

Открытый Пиацци самый крупный из астероидов — почти сферическая Церера размером более 900 км — переведен в 2006 г. в разряд карликовых планет. Что же касается остальных, то в пространстве между орбитами Марса и Юпитера обнаружено более восьмисот тысяч объектов размером более километра, и число известных астероидов ежедневно (!) увеличивается примерно на сотню экземпляров. Особо крупные размеры (порядка сотен километров) отмечены всего у нескольких из них, большинство астероидов имеет размеры в десятки и единицы километров. По существующим оценкам, Главный пояс астероидов между Марсом и Юпитером насчитывает более миллиона объектов размером более километра, и это означает, что многие из них пока не открыты. Нет сомнения, что объектов меньшего размера (порядка единиц, десятков и сотен метров) здесь еще больше. Астероиды имеют самые разнообразные формы и разделяются на несколько типов по своим физическим свойствам. Подробнее о них будет рассказано ниже.

Метеороиды. Термин «метеороид» появился относительно недавно и предназначен для обозначения космических тел, обычно служащих причиной вспышек метеоров и болидов в атмосфере Земли. Строгого определения метеороидов, имея в виду их размер и массу, пока нет. Но специалисты, говоря о метеороидах, обычно имеют в виду диапазон от микроскопических частиц размером в доли миллиметра до камней размером вплоть до нескольких дециметров («от пылинок до булыжников»).

Объекты пояса Койпера. Во второй половине XX в. начались открытия крупных ледяных объектов за орбитой Нептуна. Их совокупность названа поясом Эджворта — Койпера или короче поясом Койпера (в память об американском астрофизике Джерарде Койпере, одним из первых обсуждавшем существование такого пояса). В настоящее время известны более двух тысяч объектов пояса Койпера и число известных объектов быстро растет. Среди них есть объекты с характерным размером в несколько сотен и даже первых тысяч километров.

Среди наиболее крупных объектов пояса Койпера можно упомянуть Эриду, Плутон, Квавар и Седну. Все они состоят из водяного льда с примесями и существуют на больших удалениях от Солнца при крайне низких температурах. Очевидно, что открытия новых, ранее не известных объектов пояса Койпера, будут продолжаться.

Кометы. Кометами называют небесные тела, состоящие из водяного льда с вкраплениями пыли. Размеры кометного ядра обычно составляют порядка 10 км. Кометы движутся вокруг Солнца, как правило, по вытянутым орбитам. Приближаясь к Солнцу, ядро кометы начинает нагреваться. Из трещин и пор в теле ядра кометы начинают вырываться струи газа, увлекающие за собой пылевой компонент. Газово-пылевое облако, окружающее ядро кометы, под давлением солнечного света и солнечного ветра (потока частиц, испускаемого Солнцем) вытягивается в протяженный хвост, чья длина иногда достигает многих десятков миллионов километров. Удаляясь по своей орбите от Солнца, комета со временем теряет свой хвост, рассеивающийся в космическом пространстве. При очередном сближении с Солнцем процесс повторяется. В результате ядра комет поставляют в околосолнечное пространство частицы пыли и газа, в то время как сами они уменьшаются в размерах, отдавая вещество, при каждом проходе вблизи Солнца. Спустя некоторое время (несколько сотен или тысяч прохождений вблизи Солнца) ядра комет разрушаются окончательно, а по кометной орбите продолжает двигаться рой обособленных частиц, порождая при пересечении их Землей, метеорные потоки.

Пылевые частицы. В Солнечной системе присутствует большое число микроскопических частиц (пылинок) разного происхождения — как фрагментов разрушенных астероидов, так и остатков кометных ядер. Не исключено, что в числе пылевых частиц есть и древние пылинки, сохранившиеся со времен существования первичного газовопылевого облака, породившего Солнечную систему. Пылевые частицы могут быть также названы микрометеороидами.

Возраст и размеры Солнечной системы. Возраст Солнечной системы определен достаточно уверенно — около 4,6 млрд лет. Данные радиоизотопного анализа многочисленных образцов метеоритов (упавших на поверхность Земли фрагментов астероидов) показывают, что все они образовались приблизительно одновременно 4,6 млрд лет назад. По-видимому, таков же возраст Солнца и всех малых тел Солнечной системы (исключая часть пылевого компонента, которая может оказаться старше).

Что касается размеров Солнечной системы, то это более сложный вопрос. Расстояния в Солнечной системе традиционно измеряются в так называемых астрономических единицах длины, или просто «астрономических единицах», сокращенно а. е. 1 а. е. — это среднее расстояние от Солнца до Земли, равное 149,6 млн км. Долгое время границей Солнечной системы условно считалась орбита Плутона (примерно 40 а. е. от Солнца), поскольку предполагалось, что Плутон — наиболее удаленная от Солнца планета. В то же время известны кометы, дальняя точка орбит которых оказывается значительно дальше орбиты Плутона (до сотни и более а. е.). Кроме того, в настоящее время известно большое количество объектов пояса Койпера. Они движутся по разнообразным орбитам, включая довольно вытянутые, удаляясь от Солнца на многие десятки и даже сотни а. е. Очевидно, что это огромное пространство тоже должно быть отнесено к Солнечной системе.

Еще один подход, предлагающий определить условную границу Солнечной системы, заключается в следующем. В качестве основного параметра можно взять отношение плотностей потока частиц, истекающих от Солнца, и частиц, приходящих от других звезд. Объем пространства, окружающий Солнце, в котором плотность потока частиц от Солнца больше плотности встречного потока частиц, летящих от других звезд, принято называть гелиосферой. Граница гелиосферы также может рассматриваться как граница Солнечной системы. Ее положение пока не определено экспериментально (с помощью двух космических аппаратов, летящих в настоящее время от Солнца на расстояниях соответственно более 140 и около 120 а. е. по состоянию на 2018 год). По некоторым данным, в настоящее время аппараты достигли границы гелиосферы. Есть основания считать, что гелиосфера несимметрична, ее форма существенно отличается от сферической. Кроме того, размеры гелиосферы меняются со временем в зависимости от уровня солнечной активности (об этом в лекции о Солнце). Ожидается, что прямые измерения подтвердят гипотезу о том, что средний радиус гелиосферы составляет 100—150 а. е.

Тем не менее, по-видимому, логично считать относящимся к Солнечной системе весь объем пространства, в котором находятся на замкнутых орбитах гравитационно связанные с Солнцем объекты. Максимальное расстояние, в пределах которого простирается гравитационное влияние Солнца, ограничено так называемой сферой Хилла. Радиус этой сферы — это расстояние, на котором может двигаться тело малой массы, оставаясь спутником Солнца, в предположении, что все остальные звезды нашей Галактики сосредоточены в галактическом центре. Такое расстояние для Солнца, согласно расчетам, выполненным в таком приближении, составляет 230 000 а. е. Эту величину можно рассматривать как теоретическую границу Солнечной системы. Чтобы ее достигнуть, солнечному свету требуется 3,65 года (т. е. это расстояние равно 3,65 светового года. Один световой год — это расстояние, которое свет проходит за год. Оно равно 63 000 а. е., или 9,46 • 10¹² км).

Заметим, что расстояние от Солнца до ближайшей к Солнечной системе звезды (Проксимы в созвездии Кентавр) составляет около 4,2 светового года, а радиус собственной сферы Хилла для кратной звезды Альфа Кентавра, в которую входит Проксима, должен превышать размер сферы Хилла для Солнца (поскольку суммарная масса трех звезд этой системы вдвое больше массы Солнца). Отсюда неизбежен вывод о том, что сферы Хилла соседних звезд могут пересекаться. При определенных условиях в зоне пересечения сфер Хилла соседних звезд может, по-видимому, происходить обмен веществом. В результате теоретически допустим переход на замкнутые орбиты вокруг Солнца объектов, ранее принадлежавших соседней планетной системе, и наоборот.

Возможны и обратные примеры. Так, в 2017 году впервые наблюдался объект с типичными размерами астероида, который вошел в Солнечную систему извне и, двигаясь с большой скоростью, со временем покинет ее. При такой высокой скорости этого объекта, получившего название Оумуамуа («первый гость издалека» на гавайском наречии), Солнце не может удержать его на замкнутой орбите. Астероид, видимо, сформировавшийся в другой планетной системе, был выброшен за ее пределы и проходит Солнечную систему насквозь. Согласно существующим оценкам, таких объектов может оказаться немало.

Рис. 1.1. Художественное изображение астероида Оумуамуа, наблюдавшегося в 2017 г. Этот объект пришел из-за пределов Солнечной системы и покинет ее, двигаясь с высокой скоростью

Контрольные вопросы и задания

• 1. Дать определения типов небесных тел, входящих в состав Солнечной системы.
• 2. Чем отличаются планеты от карликовых планет?
• 3. Перечислить основные характеристики двух групп планет Солнечной системы — планет земной группы и планет-гигантов.
• 4. Почему Харон, спутник Плутона, предлагают отнести к разряду карликовых планет, а в отношении спутника Юпитера Ганимеда, своим размером даже превышающего планету Меркурий, такое предложение не высказывалось?
• 5. Почему астероид Веста, несмотря на значительные размеры (525 х 572 х х 446 км), не считается карликовой планетой?

• 6. Сколько километров и сколько астрономических единиц входит в один световой год?
• 7. Рассчитать в световых минутах максимальное расстояние от Земли до Меркурия (около 1,4 а. е.) и до Плутона (около 50 а. е.).
• 8. Что такое сфера Хилла?
• 9. Что такое метеороид?
• 10. Каковы размеры Солнечной системы? Ответ обосновать.
• 11. Почему астероид Оумуамуа не принадлежит Солнечной системе, хотя обнаружен в ее пределах (вблизи Солнца)?