Учебник по Астрономии (уровень стандарта). 11 класс. Пришляк

§ 11. Малые тела Солнечной системы

Изучив этот параграф, мы узнаем:

• о загадочном поясе астероидов;

• об опасных астероидах, которые могут столкнуться с Землей;

• чем отличаются метеоры и метеориты;

• о светилах со странными «хвостами» — кометах;

• когда в Солнечной системе появились планеты-карлики.

1. Астероиды

Первый астероид (от греч. — звездообразный) открыл итальянский астроном Д. Пиацци (1746—1826). В ночь на 1 января 1801 г. он увидел слабую звезду, которая на следующий вечер немного переместилась. Новой планете дали название Церера (по римской мифологии — богиня земледелия). За Церерой стали внимательно наблюдать — она оказалась небольшой, даже меньше Луны, и обращалась вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера. Каково же было удивление астрономов, когда через несколько лет недалеко от Цереры обнаружили еще одну малую планету — ее назвали Палладой (одним из имен богини мудрости Афины). Затем были открыты еще две — Юнона и Веста. Потом доказали, что первый открытый астероид является и самым большим — диаметр Цереры равен 960 км. В 2006 г. Цереру отнесли к классу планет-карликов (см. 11.7). На январь 2011 г. зарегистрировано более 500000 астероидов (рис. 11.1, 11.2), и меньшие из них имеют диаметр всего несколько десятков метров. В телескопы диски этих тел различить невозможно — они имеют вид светлых точек. Суммарная масса всех астероидов не превышает 0,1 массы Луны.

Рис. 11.1. Астероид 433 Эрос имеет вид гигантского седла длиной 33 км. АМС, совершив посадку на поверхность астероида в котловине вблизи центра, обнаружила, что его серая поверхность покрыта слоем реголита и похожа на поверхность Луны

Рис. 11.2. Астероид 243 Ида

Астероидам присваивают порядковый номер и название, которое предлагает автор открытия. Сначала по традиции астероидам давали название в честь мифологических богинь, но со временем число открытых малых планет превзошло все «божественное» население Олимпа, поэтому сейчас новые космические тела называют в честь стран, городов, выдающихся ученых, поэтов и деятелей искусства. Большое количество малых планет открыл в Крымской астрофизической обсерватории астроном Н. С. Черных (1931—2006).

2. Тайны астероидов

Почему между Марсом и Юпитером находится не одна большая планета, а множество малых тел? Для объяснения этой загадки немецкий астроном Г. Ольберс (1758—1840) выдвинул гипотезу, что между Марсом и Юпитером некогда существовала планета Фаэтон, которая почему-то взорвалась. Причиной катастрофы могла быть встреча планеты с другим космическим телом. В пользу теории взрыва планеты свидетельствует то, что большинство астероидов имеют вид осколков неправильной формы. Современные исследования распределения орбит малых планет показывают, что, скорее всего, между Марсом и Юпитером большой планеты никогда не было, а пояс астероидов — это остатки того вещества, из которого 4,5 млрд лет назад образовались планеты Солнечной системы.

За орбитой Нептуна находится кольцо мелких планетоподобных тел (так называемый пояс Койпера; см. § 11.7), которые из-за гравитационных возмущений могут изменять параметры своих орбит. Столкновение с другой планетой или спутником вызовет разрушение этих тел и образование отдельных фрагментов, которые будут обращаться по самостоятельным орбитам. Если учесть, что вероятность встречи осколков возрастает с увеличением их количества, то пояс астероидов может быть своеобразной машиной для дробления космических тел на меньшие фрагменты.

Для любознательных

О том, что малые планеты продолжают делиться, свидетельствует открытие так называемых семейств или групп астероидов. В 1918 г. японский астроном К. Хираяма обратил внимание на некоторые группы астероидов, имеющих сходные параметры орбит. Такие группы астероидов назвали семействами Хираямы — они могли образоваться после столкновения более крупных тел. Астероиды движутся вокруг Солнца в ту же сторону, что и планеты, и имеют, как правило, эллиптические орбиты.

3. Опасные астероиды

Наибольшее внимание астрономов привлекают астероиды группы Аполлона, Амура и Атона, так как в перигелии они приближаются к Земле или даже пересекают ее орбиту. Например, в 1932 г. астероид 1862 Аполлон (диаметр 3 км) пролетел мимо Земли на расстоянии 0,028 а. е. Еще ближе от Земли в 1994 г. пролетел астероид 1994 ХМИ — от катастрофы нас отделяло всего 112000 км в пространстве и 1 час времени.

Хотя вероятность встречи с отдельным астероидом достаточно мала, но, учитывая их большое количество и глобальные последствия столкновения, степень риска погибнуть от космической катастрофы оказалась такой же, как от обычного наводнения или авиакатастрофы. По современным данным, существуют около 2000 астероидов с диаметром более 1 км и несколько сотен тысяч с диаметром более 100 м, пересекающих орбиту Земли (рис. 11.3). При встрече Земли с астероидом диаметром 1 км выделится энергия, эквивалентная взрыву миллионов атомных бомб. Кроме того, выброс пыли в атмосферу приведет к образованию сплошной облачности, поэтому поверхность Земли будет получать меньше солнечной энергии. Снижение температуры может дать начало новому ледниковому периоду (см. § 7).

Рис. 11.3. Орбиты некоторых астероидов, пересекающих орбиту Земли

Степень риска — это произведение вероятности космической катастрофы на количество возможных человеческих жертв

В 2004 г. открыли 320-метровый опасный астероид Апофис, который 13 апреля 2029 пролетит мимо Земли на расстоянии около 37000 км

Для спасения нашей цивилизации создан международный Фонд «Космическая стража», разработана программа поисков опасных астероидов, комет и вычисления их орбит. Значительный вклад в эти исследования сделали украинские астрономы: В. Кручиненко, К. Чурюмов (Киев), М. Черных (Крым), Д. Лупишко (Харьков).

Для любознательных

В будущем технические возможности человечества позволят избежать вероятной катастрофы от встречи с астероидами, если можно будет как-то изменять параметры их орбит. Исследования астероида Эроса (рис. 11.1) показывают, что даже небольшие космические тела, состоящие из отдельных фрагментов, при взрыве могут разлететься на отдельные осколки, орбиты которых рассчитать заранее невозможно.

4. Метеоры и метеориты

Названия метеор и метеорит в переводе с греческого означает «тот, что находится в воздухе». Астрономы когда-то считали, что падающие звезды — чисто атмосферное явление, что-то вроде обычной молнии. Метеорные частицы — это космическая пыль, которая никогда не долетает до поверхности Земли, потому что она сгорает и испаряется в атмосфере на высоте нескольких десятков километров. То есть метеором, или падающей звездой, мы называем световое явление, которое вызывает ионизацию воздуха на пути полета метеорной частицы, так как саму микроскопическую пылинку заметить невозможно. Метеориты имеют большую массу, поэтому они могут достичь поверхности Земли (рис. 11.4). Когда метеоритное тело с большой скоростью летит в атмосфере, то из-за сопротивления воздуха оно нагревается до температуры выше 10 000 °С и начинает светиться, как раскаленный шар, который называют болидом (греч. — копье). Во время полета болида со сверхзвуковой скоростью в атмосфере возникает ударная волна, которая создает мощные звуковые колебания, поэтому человек слышит сильный грохот.

Рис. 11.4. Метеорит, найденный в Антарктике

Метеор — световое явление, возникающее в ионизированном воздухе на пути полета маленьких метеорных частиц

Болид — световое явление, которое сопровождает полет метеоритного тела в атмосфере

Метеоритное тело — это фрагмент астероида, который, обращаясь вокруг Солнца, сталкивается с нашей планетой. То есть метеориты имеют астероидное происхождение. Скорость, с которой метеор или метеорит влетает в земную атмосферу, зависит от направления его движения относительно вектора скорости Земли. Наибольшую скорость вхождения в атмосферу (50—70 км/с) имеют те метеоритные тела, которые летят навстречу движению Земли, тогда скорости болида и Земли складываются. Скорость метеора и метеоритного тела при вхождении в атмосферу Земли не может быть меньше 11,2 км/с, так как даже когда астероидное тело «догоняет» нашу планету, то из-за земного притяжения его скорость начинает возрастать. Сейчас за счет метеоритного вещества масса Земли увеличивается на 500000 т в год.

На Земле астрономы и геологи обнаружили более сотни метеоритных кратеров различного диаметра (рис. 11.5), которые называют астроблемами (от греч. — звездные раны), но большинство кратеров не сохранились, так как на протяжении веков атмосферные процессы уничтожали следы космических катаклизмов. Большую кольцевую структуру метеоритного происхождения диаметром 7 км обнаружили в Украине в Ильинецком районе Винницкой области. Геологические исследования показывают, что начальная масса метеорита была не менее 1011 кг.

Рис. 11.5. Аризонский кратер (США) образовался 10000 лет назад. Его диаметр 1,2 км, глубина 200 м. Осколки метеорита находят на расстоянии 30 км от кратера

Для любознательных

На территорию Украины ежегодно падают несколько метеоритов массой 1 кг и более, поэтому астрономы обращаются ко всем ученикам с просьбой помочь в поисках этих космических путешественников. Обратите внимание на падение болидов, летящих со сверхзвуковой скоростью. При этом возникает резкий взрывной звук, как при полете реактивного самолета, когда он пересекает звуковой барьер. Ночью во время полета болида видно яркое свечение в виде раскаленного шара, который может разделиться на осколки. Для поисков метеорита определите направление, в котором летел болид, запишите время, когда наблюдалось это явление, и сразу сообщите об этом учителю астрономии или напишите в ближайшую астрономическую обсерваторию.

5. Загадка Тунгусского метеорита

Самым крупным метеоритом XX в. можно считать Тунгусский, упавший 30 июня 1908 г. в тайге у реки Подкаменная Тунгуска (приток Енисея) в Сибири. Его полет в атмосфере наблюдали по трассе длиной почти 5000 км. Яркость болида была настолько велика, что казалось, будто от Солнца отделился кусок и летит по небу. При падении произошел сильнейший взрыв, который был слышен на расстоянии 2000 км от места падения. Сейсмические станции зарегистрировали землетрясение, а сейсмические волны дважды обогнули Землю.

Расчеты показали, что при падении метеорита выделилась энергия 1017 Дж — такую энергию выделяет взрыв самых мощных водородных бомб.

В 1926 г. Академия наук Украины организовала первую экспедицию в район падения Тунгусского метеорита. Ее возглавил профессор Л. Кулик. Интересная тайна, которую обнаружила экспедиция, — отсутствие кратера и осколков на месте падения метеорита. Ученые выдвинули гипотезу, что метеорит мог взорваться в воздухе. Об этом свидетельствуют стволы поваленных деревьев на месте катастрофы (рис. 11.6). Площадь поваленного и сожженного леса занимает около 5000 км2, но в эпицентре воздушного взрыва, где ударная волна распространялась перпендикулярно к поверхности Земли, стволы деревьев не были повалены.

Рис. 11.6. Поваленный лес на месте падения Тунгусского метеорита

Для любознательных

Остается тайной, куда делись осколки Тунгусского метеорита при взрыве. Наиболее вероятным объяснением этих аномальных явлений может быть гипотеза о том, что метеорит был ледяным ядром небольшой кометы (см. п. 11.6), вспыхнувшим в атмосфере Земли. Газовые компоненты ядра испарились, а твердые силикатные частицы расплавились и выпали на поверхность в виде микроскопических частиц.

6. Кометы

Кометы (от греч. — мохнатый) своим необычным видом привлекают наибольшее внимание людей, ибо они имеют необычный красивый хвост. Кометы являются остатками космического вещества, из которого образовались планеты Солнечной системы. По традиции комете дают название в честь тех астрономов, которые первыми увидели ее на небе (рис. 11.7, 11.8). Часто кометы открывали любители астрономии и даже школьники. В честь украинских астрономов названы кометы Герасименко, Неуймина, Скоритченко, Черных, Чурюмова, Шайна.

Рис. 11.7. Комета Галлея

Рис. 11.8. Комета Хейла-Боппа

Самой знаменитой кометой можно считать комету Галлея, которую наблюдают уже несколько тысячелетий. Директор Гринвичской обсерватории Э. Галлей (1656—1742) впервые определил орбиту кометы, которую было видно в 1682 г. Для этого он изучил древние летописи и обратил внимание на то, что одна из комет появлялась на небе с постоянным периодом 76 лет. С помощью третьего закона Кеплера Галлей определил большую полуось орбиты и предсказал ее появление в 1758 г. Последний раз комету Галлея наблюдали в 1986 г., а следующий ее прилет к Земле ожидается в 2061 г.

Долгое время загадкой для астрономов был длинный хвост кометы, который иногда простирается на миллионы или сотни миллионов километров, причем направление хвоста изменяется таким образом, что он все время отклоняется в противоположную от Солнца сторону. Кажется, что хвост к Солнцу не притягивается, а, наоборот, отталкивается, будто бы от Солнца дует своеобразный ветер. Конечно, хвост кометы притягивается к Солнцу, но для частиц с диаметром менее чем 10—5 м сила отталкивания становится больше силы притяжения. Именно хвост комет и состоит из микроскопических частиц космической пыли, на которые действует отталкивающая сила солнечного ветра (рис. 11.9).

Рис. 11.9. Движение кометы вокруг Солнца. Под действием солнечного ветра хвост кометы отталкивается в противоположном от Солнца направлении

Ядро кометы, из которого образуется хвост, состоит в основном изо льда. Впервые оно было сфотографировано советской АМС «Вега» в 1986 г. (рис. 11.10). Диаметр таких ледяных ядер может быть всего несколько десятков километров, поэтому на большом расстоянии от Земли они не видны. Лед в ядрах комет, которые часто приближаются к Солнцу, со временем полностью испаряется. От кометы остаются твердые силикатные пылинки, которые продолжают движение по орбите и превращаются в метеорные потоки. Когда Земля пересекает орбиту такого метеорного потока, наблюдается звездный дождь, в это время на небе можно увидеть тысячи метеоров.

Рис. 11.10. Ядро кометы Галлея на расстоянии нескольких тысяч километров. Длина очень темного ядра 15 км, ширина — 8 км. Из отверстий, находящихся на поверхности, вырываются струи газа

Датский астроном Я. Оорт выдвинул гипотезу, что за орбитой Нептуна могут быть миллионы таких кометных ядер (облако Оорта), но из них только небольшое количество подходит в перигелии близко к Солнцу. Под влиянием гравитационного возмущения больших планет кометы могут изменить свою орбиту и даже столкнуться с ними. Такой катастрофой мог быть взрыв Тунгусского метеорита (см. п. 11.5). В 1994 г. комета Шумейкера-Леви упала на Юпитер. Во время этого столкновения выделилась энергия, равная взрыву миллионов ядерных бомб.

Солнечный ветер состоит из элементарных частиц и отдельных ядер легких химических элементов, летящих от Солнца

Для любознательных

Можно ли использовать астероиды и кометы для нужд нашей цивилизации? Возможно, что в будущем астероиды можно приспособить под базы для межпланетных экспедиций. Некоторые астероиды, возможно, содержат редкие химические элементы, которые можно было бы применять при сооружении космических поселений как в космосе, так и на поверхности спутников планет. Во время космического строительства надо помнить, что ускорение свободного падения на астероидах очень мало, поэтому один неосторожный толчок ногой может придать космонавту вторую космическую скорость. Температура на поверхности астероидов зависит от цвета поверхности и расстояния до Солнца. В главном поясе астероидов, на расстоянии 2,8 а. е. от Солнца, температура на дневной стороне редко поднимается выше 0 °С, но астероиды группы Аполлона, Амура и Атона, движущиеся по очень вытянутым орбитам, в перигелии могут нагреваться до +500 °С.

7. Планеты-карлики

Впервые этот новый класс тел Солнечной системы выделили в августе 2006 г. на съезде Международного Астрономического Союза (MAC) в Праге. Тогда же был изменен статус Плутона, который до этого был девятой планетой Солнечной системы: отныне он стал первой планетой-карликом. После открытия Нептуна в 1846 г. (см. § 4) почти целый век астрономы искали девятую планету, которая могла вызвать небольшие возмущения орбиты Урана, потому что гравитационным воздействием Нептуна можно объяснить только 98% возмущений орбиты этой планеты.

Только 18 февраля 1930 г. в Ловеллской обсерватории (США) К. Томбо открыл неизвестную планету, которая получила название Плутон в честь мифического бога подземного царства.

В 1978 г. астрономы обратили внимание на то, что на фотографии Плутона видно небольшое выпячивание на его диске. Продолжая наблюдения, ученые пришли к выводу, что у Плутона есть спутник, и назвали его Харон. Он обращается вокруг планеты с периодом 6,4 суток. В 2006 г. при помощи Космического телескопа Хаббла были открыты еще два небольших спутника Плутона Никс и Гидра. В связи с тем, что Плутон имеет очень вытянутую орбиту с большим, по сравнению с другими планетами, эксцентриситетом (е = 0,25) и по массе и размерам намного меньше других планет Солнечной системы, некоторые астрономы считают, что Плутон был когда-то спутником Нептуна. Ведь Юпитер, Сатурн, Нептун и Земля имеют спутники гораздо больших размеров, чем Плутон. Статус Плутона как планеты со временем становился подозрительным еще и потому, что его орбита наклонена под значительным углом к плоскости эклиптики по сравнению с любой планетой Солнечной системы и немного напоминает орбиты комет.

Рис. 11.11. Плутон, Харон, Эрида

В 1951 г., анализируя орбиты Комет, астроном Дж. Койпер предсказал существование за Нептуном пояса астероидов, который теперь официально назвали поясом Койпера. Астрономические наблюдения при помощи современных телескопов подтвердили эту гипотезу в 1990 г., когда за Плутоном начали открывать новые объекты пояса Койпера. С научной точки зрения стало очевидным, что Плутон больше похож на эти объекты, чем на остальные 8 планет Солнечной системы.

В июле 2005 г. был открыт новый объект пояса Койпера, который оказался больше Плутона, поэтому некоторые астрономы стали называть его десятой планетой. Новую планету неофициально прозвали Ксеной (с греч. — чужая). Это открытие стало роковым ударом для статус-кво девяти планет, потому что если Плутон считают планетой, то Ксена тоже должна относиться к классу планет. Поэтому перед астрономами встали вопросы, что делать с другими объектами пояса Койпера, которые поменьше, чем Плутон, ведь в будущем на окраинах Солнечной системы могут открыть еще большие тела.

К началу 2011 г. зарегистрировали более 1000 астероидов, орбиты которых располагаются за орбитой Нептуна в пределах пояса Койпера. Для решения этой проблемы в Международном Астрономическом Союзе был создан специальный комитет, который предложил модифицировать определение планеты, добавив, что планета должна быть не только круглой формы, но должна также быть единым телом на своей орбите. По этому определению Плутон утратил статус планеты, поскольку он является одним из многих объектов пояса Койпера, и к тому же его орбита фактически пересекается с орбитой Нептуна. В 2006 г. Плутон был обозначен астероидным номером 134340; официальное название и номер получил и объект с условным названием Ксена. Ему присвоили номер 136199 и название Эрида.

На декабрь 2010 г. зарегистрировано 3 планеты-карлика: Церера, Плутон, Эрида.

Выводы

Малые тела Солнечной системы (планеты-карлики, астероиды, кометы, метеорные тела) являются остатками того огромного облака космического вещества, из которого образовались Солнце и большие планеты. Основной пояс астероидов находится между Марсом и Юпитером, но за орбитой Нептуна существуют еще миллионы планетоподобных тел (пояс Койпера) и миллионы кометных ядер (облако Оорта). Астероиды, возможно, станут базами для исследования космоса, а металлические астероиды можно использовать как источник добычи полезных ископаемых. Существует опасность встречи Земли с теми астероидами, орбиты которых приближаются к Земле или пересекают ее орбиту.

Тесты

1. Метеором называется явление, когда:

А. Звезды падают на Землю. Б. Камень падает на Землю. В. Пылинки сгорают в воздухе. Г. Молнии наблюдаются в воздухе. Д. Пыль выбрасывается в атмосферу.

2. Из чего состоит ядро кометы?

А. Изо льда и пыли. Б. Из железа. В. Из камней. Г. Из раскаленных газов. Д. Из водяного пара.

3. С какой наименьшей скоростью метеориты влетают в атмосферу Земли?

А. 1 м/с. Б. 1 км/с. В. 11,2 км/с. Г. 22,2 км/с. Д. 70 км/с. Е. 100 км/с.

4. С какой наибольшей скоростью метеорит может влететь в атмосферу Земли?

А. 1 м/с. Б. 1 км/с. В. 11,2 км/с. Г. 22,2 км/с. Д. 70 км/с. Е. 100 км/с.

5. Тунгусский метеорит называют загадочным потому, что:

А. Метеорит был космическим кораблем марсиан. Б. На месте падения не выявлено метеоритного кратера. В. В атмосфере произошла вспышка, напоминавшая взрыв ядерной бомбы. Г. Метеорит был глыбой льда. Д. После падения метеорита над Европой наблюдалось загадочное сияние в атмосфере и ночью не было видно звезд.

6. Почему большинство астероидов имеют неправильную форму?

7. Почему метеориты могут достигать поверхности Земли?

8. Какое семейство астероидов может вызвать угрозу для Земли?

9. Чем отличается метеор от метеорита?

10. Хвост кометы обычно притягивается к Солнцу или отталкивается от него?

11. Почему комета может изменить свою орбиту?

12. Какой самый большой метеоритный кратер обнаружили на территории Украины?

13. Вычислите свой вес на астероиде 1709 Украина, который имеет диаметр 20 км. Плотность астероида 3 г/см3.

Диспуты на предложенные темы

14. Каково ваше мнение относительно практического использования астероидов как источника полезных ископаемых?

Задания для наблюдений

15. Посчитайте количество метеоров, пролетающих по небосводу в течение 30 мин.

Ключевые понятия и термины:

Астроблема, астероид, болид, комета, метеор, метеорит, пояс астероидов, пояс Койпера, степень риска, хвост кометы, облако Оорта, ядро кометы.