Поиск планет в Солнечной системе.
Не раз высказывались предположения о возможности существования планеты, более близкой к Солнцу, чем Меркурий. Леверье (1811-1877), предсказавший открытие Нептуна, исследовал аномалии в движении перигелия орбиты Меркурия и на основе этого предсказал существование внутри его орбиты новой неизвестной планеты. Вскоре появилось сообщение о ее наблюдении и планете даже присвоили имя - Вулкан. Но открытие не подтвердилось. В 1977 американский астроном Коуэл открыл очень слабый объект, который окрестили "десятой планетой". Но для планеты объект оказался слишком мал (ок. 200 км). Его назвали Хироном и отнесли к астероидам, среди которых он был тогда самым далеким: афелий его орбиты удален на 18,9 а.е. и почти касается орбиты Урана, а перигелий лежит сразу за орбитой Сатурна на расстоянии 8,5 а.е. от Солнца. При наклоне орбиты всего 7° он действительно может близко подходить к Сатурну и Урану. Вычисления показывают, что такая орбита неустойчива: Хирон либо столкнется с планетой, либо будет выброшен из Солнечной системы.
Время от времени публикуются теоретические предсказания о существовании крупных планет за орбитой Плутона, но до сих пор они не подтверждались. Анализ кометных орбит показывает, что до расстояния 75 а.е. планет крупнее Земли за Плутоном нет. Однако вполне возможно существование в этой области большого количества малых планет, обнаружить которые не просто. Существование этого скопления занептуновых тел подозревалось уже давно и даже получило название - пояс Койпера, по имени известного американского исследователя планет.
Тем не менее, обнаружить первые объекты в нем удалось лишь недавно. В 1992-1994 было открыто 17 малых планет за орбитой Нептуна. Из них 8 движутся на расстояниях 40-45 а.е. от Солнца, т.е. даже за орбитой Плутона. Ввиду большой удаленности блеск этих объектов чрезвычайно слаб; для их поиска годятся лишь крупнейшие телескопы мира. Поэтому до сих пор систематически просмотрено всего около 3 квадратных градусов небесной сферы, т.е. 0,01% ее площади. Поэтому ожидается, что за орбитой Нептуна могут существовать десятки тысяч объектов, подобных обнаруженным, и миллионы более мелких, диаметром 5-10 км. Судя по оценкам, это скопление малых тел в сотни раз массивнее пояса астероидов, расположенного между Юпитером и Марсом, но уступает по массе гигантскому кометному облаку Оорта. Объекты за Нептуном пока трудно отнести к какому-либо классу малых тел Солнечной системы - к астероидам или к ядрам комет. Новооткрытые тела имеют размер 100-200 км и довольно красную поверхность, что указывает на ее древний состав и возможное присутствие органических соединений. Тела "пояса Койпера" в последнее время обнаруживают весьма часто (к концу 1999 их открыто ок. 200). Некоторые планетологи считают, что Плутон было бы правильнее называть не "самой маленькой планетой", а "крупнейшим телом пояса Койпера".
ДРУГИЕ ПЛАНЕТНЫЕ СИСТЕМЫ Из современных взглядов на формирование звезд следует, что рождение звезды солнечного типа должно сопровождаться образованием планетной системы. Даже если это касается только звезд, полностью подобных Солнцу (т.е. одиночных звезд спектрального класса G), то и в этом случае не менее 1% звезд Галактики (а это ок. 1 млрд. звезд) должны иметь планетные системы. Более детальный анализ показывает, что планеты могут быть у всех звезд холоднее спектрального класса F, причем даже входящих в двойные системы.
Действительно, в последние годы появились сообщения об открытии планет у других звезд. При этом сами планеты не видны: их присутствие обнаруживают по небольшому перемещению звезды, вызванному ее притяжением к планете. Орбитальное движение планеты вызывает "покачивания" звезды и периодическое изменение ее лучевой скорости, которое удается измерить по положению линий в спектре звезды (эффект Доплера). К концу 1999 сообщалось об открытии планет типа Юпитера у 30 звезд, среди которых 51 Peg, 70 Vir, 47 UMa, 55 Cnc, t Boo, u And, 16 Cyg и др. Все это близкие к Солнцу звезды, причем расстояние до ближайшей из них (Gliese 876) всего 15 св. лет. У двух радиопульсаров (PSR 1257+12 и PSR B1628-26) также обнаружены системы планет с массами порядка массы Земли. Заметить столь легкие планеты у нормальных звезд с помощью оптической техники пока не удается. Вокруг каждой звезды можно указать экосферу, в которой температура поверхности планеты позволяет существовать жидкой воде. Экосфера Солнца простирается от 0,8 до 1,1 а.е. В ней находится Земля, но не попадают Венера (0,72 а.е.) и Марс (1,52 а.е.). Вероятно, в любой планетной системе в экосферу попадает не более 1-2 планет, на которых условия благоприятствуют жизни.
ДИНАМИКА ОРБИТАЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ Движение планет с высокой точностью подчиняется трем законам И. Кеплера (1571-1630), выведенными им из наблюдений:
1) Планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце.
2) Радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, за равные промежутки времени движения планеты по орбите заметает равные площади.
3) Квадрат орбитального периода пропорционален кубу большой полуоси эллиптической орбиты.
Второй закон Кеплера прямо следует из закона сохранения момента импульса и является наиболее общим из трех. Ньютон установил, что первый закон Кеплера справедлив, если сила притяжения между двумя телами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, а третий закон - если эта сила к тому же пропорциональна массам тел. В 1873 Дж.Бертран доказал, что вообще только в двух случаях тела не будут двигаться одно вокруг другого по спирали: если они притягиваются по закону обратных квадратов Ньютона или по закону прямой пропорциональности Гука (описывающему упругость пружин).
Замечательное свойство Солнечной системы состоит в том, что масса центральной звезды гораздо больше массы любой из планет, поэтому движение каждого члена планетной системы можно с высокой точностью рассчитать в рамках задачи о движении двух взаимно тяготеющих тел - Солнца и единственной планеты рядом с ним. Ее математическое решение известно: если скорость планеты не слишком велика, то она движется по замкнутой периодической орбите, которую можно точно вычислить. Задача о движении более чем двух тел, в общем случае называемая "проблемой N тел", гораздо сложнее из-за их хаотического движения по незамкнутым орбитам. Эта хаотичность орбит принципиально важна и позволяет понять, например, как метеориты попадают из пояса астероидов на Землю. ОРБИТА.
В 1867 Д. Кирквуд первым отметил, что пустые места ("люки") в поясе астероидов расположены на таких расстояниях от Солнца, где среднее движение находится в соизмеримости (в целочисленном отношении) с движением Юпитера. Иными словами, астероиды избегают орбит, на которых период их обращения вокруг Солнца был бы кратен периоду обращения Юпитера. Два крупнейших люка Кирквуда приходятся на соизмеримости 3:1 и 2:1. Однако вблизи соизмеримости 3:2 наблюдается избыток астероидов, объединенных по этому признаку в группу Гильды. Существует также избыток астероидов группы Троянцев у соизмеримости 1:1, движущихся по орбите Юпитера на 60° впереди и 60° позади него. Ситуация с Троянцами понятна - они захвачены вблизи устойчивых точек Лагранжа (L4 и L5) на орбите Юпитера, но как объяснить люки Кирквуда и группу Гильды? Если бы на соизмеримостях были только люки, то можно было бы принять простое объяснение, предложенное самим Кирквудом, что астероиды выброшены из резонансных областей периодическим влиянием Юпитера. Но сейчас такая картина представляется слишком простой. Численные расчеты показали, что хаотические орбиты пронизывают области пространства вблизи резонанса 3:1 и что попавшие в эту область фрагменты астероидов изменяют свои орбиты с круговых на вытянутые эллиптические, регулярно приводящие их в центральную часть Солнечной системы. На таких пересекающих планетные пути орбитах метеороиды живут недолго (лишь несколько миллионов лет) перед тем, как врезаться в Марс или Землю, а при небольшом промахе - оказаться выброшенными на периферию Солнечной системы. Итак, главным источником падающих на Землю метеоритов служат люки Кирквуда, через которые проходят хаотические орбиты фрагментов астероидов. Разумеется, в Солнечной системе есть много примеров высокоупорядоченных резонансных движений. Именно так движутся близкие к планетам спутники, например Луна, всегда обращенная одним и тем же полушарием к Земле, поскольку ее орбитальный период совпадает с осевым. Пример еще более высокой синхронизации дает система Плутон - Харон, в которой не только на спутнике, но и на планете "день равен месяцу". Промежуточный характер имеет движение Меркурия, осевое вращение и орбитальное обращение которого находятся в резонансном соотношении 3:2. Однако не все тела ведут себя так просто: например, у несферического Гипериона под действием притяжения Сатурна ось вращения хаотически переворачивается. Эволюция орбит спутников происходит под влиянием нескольких факторов. Поскольку планеты и спутники - не точечные массы, а протяженные объекты, и, кроме того, сила тяготения зависит от расстояния, различные части тела спутника, удаленные от планеты на разное расстояние, притягиваются к ней по-разному; это же справедливо и для притяжения, действующего со стороны спутника на планету. Такое различие сил вызывает морские приливы и отливы, а синхронно вращающимся спутникам придает немного сплющенную форму. Спутник и планета вызывают друг у друга приливные деформации, а это влияет на их орбитальное движение.
Резонанс средних движений 4:2:1 у спутников Юпитера Ио, Европы и Ганимеда, впервые подробно изученный Лапласом в его Небесной механике (т. 4, 1805), называют резонансом Лапласа. Всего за несколько дней до подлета "Вояджера-1" к Юпитеру, 2 марта 1979, астрономы Пеале, Кассен и Рейнольдс опубликовали работу "Плавление Ио под действием приливной диссипации", в которой предсказали активный вулканизм на этом спутнике из-за его ведущей роли в поддержании резонанса 4:2:1.
"Вояджер-1" действительно обнаружил на Ио активные вулканы, настолько мощные, что на снимках поверхности спутника не видно ни одного метеоритного кратера: так быстро покрывается его поверхность продуктами извержений.
ФОРМИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Вопрос о том, как образовалась Солнечная система, пожалуй, наиболее трудный в планетологии. Для ответа на него у нас пока мало данных, которые помогли бы восстановить протекавшие в ту далекую эпоху сложные физические и химические процессы. Теория формирования Солнечной системы должна объяснить множество фактов, включая ее механическое состояние, химический состав и данные изотопной хронологии. При этом желательно опираться на реальные явления, наблюдаемые вблизи формирующихся и молодых звезд. Механическое состояние. Планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, по почти круговым орбитам, лежащим почти в одной плоскости. Большинство из них вращается вокруг своей оси в том же направлении, что и Солнце. Все это указывает, что предшественником Солнечной системы был вращающийся диск, который естественно образуется при сжатии самогравитирующей системы с сохранением момента импульса и следующим из этого увеличением угловой скорости. (Момент импульса, или угловой момент планеты, - это произведение ее массы на расстояние от Солнца и на орбитальную скорость. Момент Солнца определяется его осевым вращением и приблизительно равен произведению массы на радиус и на скорость вращения; осевые моменты планет пренебрежимо малы.) Солнце содержит в себе 99% массы Солнечной системы, но только ок. 1% ее момента импульса. Теория должна объяснить, почему большая часть массы системы сосредоточена в Солнце, а подавляющая часть момента импульса - во внешних планетах. Имеющиеся теоретические модели формирования Солнечной системы указывают, что вначале Солнце вращалось значительно быстрее, чем сейчас. Затем момент импульса от молодого Солнца передался внешним частям Солнечной системы; астрономы полагают, что гравитационные и магнитные силы затормозили вращение Солнца и ускорили движение планет. Уже два века известно приблизительное правило регулярного распределения планетных расстояний от Солнца (правило Тициуса - Боде), но объяснения ему нет. В системах спутников внешних планет прослеживаются те же закономерности, что и в планетной системе в целом; вероятно, процессы их формирования имели много общего. Химический состав.
В Солнечной системе наблюдается сильный градиент (различие) химического состава: близкие к Солнцу планеты и спутники состоят из тугоплавких материалов, а в составе далеких тел много летучих элементов. Это означает, что в эпоху формирования Солнечной системы существовал большой градиент температуры. Современные астрофизические модели химической конденсации предполагают, что исходный состав протопланетного облака был близок к составу межзвездной среды и Солнца: по массе до 75% водорода, до 25% гелия и менее 1% всех прочих элементов. Эти модели успешно объясняют наблюдаемые вариации химического состава в Солнечной системе. О химическом составе далеких объектов можно судить на основании значения их средней плотности, а также по спектрам их поверхности и атмосферы. Значительно точнее это удалось бы сделать путем анализа образцов планетного вещества, но пока у нас есть только образцы с Луны и метеориты. Исследуя метеориты, мы начинаем понимать химические процессы в первичной туманности. Однако процесс агломерации крупных планет из мелких частиц пока остается неясным. Изотопные данные. Изотопный состав метеоритов указывает, что формирование Солнечной системы происходило 4,6 ± 0,1 млрд. лет назад и длилось не более 100 млн. лет.
Аномалии изотопов неона, кислорода, магния, алюминия и др. элементов свидетельствуют, что в процессе коллапса межзвездного облака, породившего Солнечную систему, в него попали продукты взрыва близкой сверхновой звезды.