Підручник з Астрономії (рівень стандарту). 11 клас. Пришляк

§ 11. Малі тіла Сонячної системи

Вивчивши цей параграф, ми:

• довідаємося про загадковий пояс астероїдів;

• дізнаємося про небезпечні астероїди, які можуть зіткнутися із Землею; познайомимося з метеорами та метеоритами;

• побачимо незвичайні світила з дивними «хвостами» — комети;

• з'ясуємо, коли в Сонячній системі з'явились планети-карлики.

1. Астероїди

Перший астероїд (від грец.— зореподібний) відкрив італійський астроном Д. Піацці (1746—1826). У ніч на 1 січня 1801 р. він побачив слабку зорю, яка наступного вечора трохи перемістилася. Новій планеті дали назву Церера (за римською міфологією — богиня землеробства). За Церерою почали уважно спостерігати — вона виявилася невеликою, навіть меншою, ніж Місяць, але оберталася навколо Сонця між орбітами Марса і Юпітера. Яке ж було здивування астрономів, коли через кілька років недалеко від Церери виявили ще одну малу планету — її назвали Палладою (одним з імен богині мудрості Афіни). Потім були відкриті ще дві — Юнона й Веста. Потім довели, що перший відкритий астероїд є і найбільший за розмірами — діаметр Церери дорівнює 960 км. Цереру відносять до класу планет-карликів (див. 11.7). На січень 2011 р. зареєстровано понад 500000 астероїдів (рис. 11.1, 11.2), і найменші з них мають діаметр усього кілька десятків метрів. У телескопи диски цих тіл розрізнити неможливо — вони мають вигляд світлих точок. Сумарна маса всіх астероїдів не перевищує 0,1 маси Місяця.

Найбільші астероїди

Номер і назва

Діаметр, км

1

Церера

960

2

Паллада

608

3

Веста

555

10

Гіґія

450

31

Єфросинія

370

52

Європа

289

65

Кибела

309

451

Паціенція

276

511

Давида

323

704

Інтерамнія

350

Рис. 11.1. Астероїд 433 Ерос має вигляд велетенського сідла завдовжки 33 км. АМС, зробивши посадку на поверхню астероїда в улоговині поблизу центра, виявила, що його сіра поверхня вкрита шаром реголіту і схожа на поверхню Місяця

Деякі астероїди, назви яких пов'язані з Україною

Номер

Назва

1709

Україна

1855

Корольов

2164

Ляля

2171

Київ

2325

Черних

2427

Кобзар

2428

Каменяр

2606

Одеса

2616

Леся

2728

Яцків

2883

Барабашов

3084

Кондратюк

Астероїдам надають порядковий номер і назву, яку пропонує автор відкриття. Спочатку за традицією астероїдам надавали назву на честь міфологічних богинь, але з часом число відкритих малих планет перевершило все «божественне» населення Олімпу, тому зараз нові космічні тіла називають на честь країн, міст, видатних учених, поетів і діячів мистецтва. Велику кількість малих планет відкрив у Кримській астрофізичній обсерваторії астроном М. С. Черних (1931—2006).

2. Таємниці астероїдів

Чому між Марсом та Юпітером розташована не одна велика планета, а безліч малих тіл? Для пояснення цієї загадки німецький астроном Г. Ольберс (1758—1840) висунув гіпотезу, що між Марсом та Юпітером колись існувала планета Фаетон, яка чомусь вибухнула. Причиною катастрофи могла бути зустріч планети з іншим космічним тілом. На користь теорії вибуху планети свідчить те, що більшість астероїдів мають вигляд осколків неправильної форми.

Сучасні дослідження розподілу орбіт малих планет показують, що, швидше за все, між Марсом та Юпітером великої планети ніколи не було, а пояс астероїдів — це залишки тої речовини, з якої 4,5 млрд років тому утворилися планети Сонячної системи.

За орбітою Нептуна розташоване кільце маленьких планетоподібних тіл (так званий пояс Койпера, див. 11.7. Планети-карлики), які через гравітаційні збурення можуть змінювати параметри своєї орбіти. Зіткнення з іншою планетою або супутником спричинить руйнування цих тіл і утворення окремих фрагментів, які будуть обертатися по самостійних орбітах. Якщо врахувати, що ймовірність зустрічі осколків зростає зі збільшенням їхньої кількості, то пояс астероїдів може бути своєрідною машиною для дроблення космічних тіл на менші фрагменти.

Рис. 11.2. Астероїд 243 Іда

Для допитливих

Про те, що малі планети продовжують ділитися, свідчить відкриття так званих сімейств, або груп, астероїдів. У 1918 р. японський астроном К. Гіраяма звернув увагу на деякі групи астероїдів, що мають схожі параметри орбіт. Такі групи астероїдів назвали сімействами Праями — вони могли утворитися після зіткнення більш великих тіл. Астероїди рухаються навколо Сонця в той же бік, що й планети, і мають, як правило, еліптичні орбіти.

3. Небезпечні астероїди

Найбільшу увагу астрономів привертають астероїди групи Аполлона, Амура і Атона, бо в перигелії вони наближаються до Землі або навіть перетинають її орбіту. Наприклад, у 1932 р. астероїд 1862 Аполлон (діаметр 3 км) пролетів мимо Землі на відстані 0,028 а. о. Ще ближче від Землі у 1994 р. пролетів астероїд 1994 ХМІ — від катастрофи нас відділяло всього 112000 км у просторі та 1 година у часі.

Хоча ймовірність зустрічі з окремим астероїдом досить мала, але, враховуючи їхню значну кількість і глобальні наслідки зіткнення, ступінь ризику загинути від космічної катастрофи виявився таким самим, як від звичайної повені або авіакатастрофи. За сучасними даними, існують близько 2000 астероїдів із діаметром більше ніж 1 км і кілька сотень тисяч із діаметром більше 100 м, які перетинають орбіту Землі (рис. 11.3). Під час зустрічі Землі з астероїдом діаметром 1 км виділиться енергія, яка еквівалентна вибухові мільйонів атомних бомб. Крім того, викид пилу в атмосферу призведе до утворення суцільної хмарності, тому поверхня Землі буде отримувати менше сонячної енергії. Зниження температури може дати початок новому льодовиковому періоду (див. § 7).

Ступінь ризику — це добуток ймовірності космічної катастрофи на кількість можливих людських жертв

У 2004 р. відкрили 320-метровий небезпечний астероїд Апофіс, який 13 квітня 2029 р. пролетить мимо Землі на відстані близько 37000 км

Рис. 11.3. Орбіти деяких астероїдів, що перетинають орбіту Землі

Для врятування нашої цивілізації створений міжнародний Фонд «Космічна варта», розроблена програма пошуків небезпечних астероїдів і комет та обчислення їх орбіт. Значний внесок у ці дослідження зробили українські астрономи Києва (В. Кручиненко, К. Чурюмов), Криму (М. Черних) і Харкова (Д. Лупішко).

Для допитливих

У майбутньому технічні можливості людства дозволять уникнути ймовірної катастрофи від зустрічі з астероїдами, якщо можна буде якось змінювати їхні параметри орбіти. Вибух атомної бомби в космосі може змінити орбітальну швидкість тільки у випадку, якщо астероїд буде монолітним твердим тілом. Дослідження астероїда Ероса (див. рис. 11.1) свідчать, що навіть невеликі космічні тіла складені з окремих фрагментів, які під час вибуху можуть розлетітися на окремі осколки, орбіти яких розрахувати наперед неможливо.

4. Метеори та метеорити

Назви метеор і метеорит у перекладі з грецької означають: «той, що перебуває у повітрі». Астрономи колись вважали, що падаючі зорі — суто атмосферне явище, щось подібне до звичайної блискавки.

Метеорні частинки — це космічний пил, який ніколи не долітає до поверхні Землі, бо він згоряє та випаровується в атмосфері на висоті кількох десятків кілометрів. Тобто метеором, або падаючою зорею, ми називаємо світлове явище, яке викликає іонізоване повітря на шляху польоту метеорної частинки, бо саму мікроскопічну порошинку помітити неможливо.

Метеорити мають більшу масу, тому вони можуть досягти поверхні Землі (рис. 11.4). Коли метеоритне тіло з великою швидкістю летить в атмосфері, то через опір повітря воно нагрівається до температури вище 10 000 °С і починає світитись, як розжарена куля, яку називають болідом (від грец.— спис). Під час польоту боліда з надзвуковою швидкістю в атмосфері виникає ударна хвиля, яка створює потужні звукові коливання, тому людина чує сильний гуркіт.

Метеоритне тіло — це фрагмент астероїда, який, обертаючись навколо Сонця, зіткнувся з нашою планетою. Тобто метеорити мають астероїдне походження.

Швидкість, з якою метеор чи метеорит влітає в земну атмосферу, залежить від напрямку його руху відносно вектора швидкості Землі. Найбільшу швидкість входження в атмосферу (50—70 км/с) мають ті метеоритні тіла, які летять назустріч руху Землі, коли швидкості боліда та Землі додаються. Швидкість метеора і метеоритного тіла під час входження в атмосферу Землі не може бути меншою за 11,2 км/с, бо навіть коли астероїдне тіло «доганяє» нашу планету, то через земне тяжіння його швидкість починає зростати. Нині за рахунок метеоритної речовини маса Землі збільшується на 500000 т за рік.

Рис. 11.4. Метеорит, знайдений в Антарктиці

Метеор — світлове явище, яке виникає в іонізованому повітрі на шляху польоту маленьких метеорних частинок

Болід — світлове явище, яке супроводжує політ метеоритного тіла в атмосфері

Рис. 11.5. Аризонський кратер (США) утворився 10 000 років тому. Його діаметр — 1,2 км, глибина 200 м. Осколки метеорита знаходять на відстані 30 км від кратера

На Землі астрономи та геологи виявили більше сотні метеоритних кратерів різного діаметра (рис. 11.5), які називають астроблемами (від грец.— зоряні рани), але більшість кратерів не збереглася, бо протягом віків атмосферні процеси знищували сліди космічних катаклізмів. Велику кільцеву структуру метеоритного походження діаметром 7 км виявили в Україні в Іллінецькому районі Вінницької області. Геологічні дослідження показують, що початкова маса метеорита була не меншою ніж 1011 кг. (Відомості про найбільші астроблеми на території України див. у дод. 10.)

Для допитливих

На територію України щорічно падають кілька метеоритів масою від 1 кг і більше, тому астрономи звертаються до всіх учнів із проханням допомогти в пошуках цих космічних мандрівників. Зверніть увагу на падіння болідів, які летять із надзвуковою швидкістю, тому виникає різкий вибуховий звук, як при польоті реактивного літака, коли він перетинає звуковий бар'єр. Уночі під час польоту боліда видно яскраве свічення у вигляді розжареної кулі, яка може розпастися на осколки. Для пошуків метеорита визначте напрямок, у якому летів болід, запишіть, о котрій годині спостерігалося це явище, і зразу повідомте про це вчителю астрономії або напишіть до найближчої астрономічної обсерваторії (адреси див. у додатку).

5. Загадка Тунгуського метеорита

Рис. 11.6. Повалений ліс на місці падіння Тунгуського метеорита

Найбільшим метеоритом XX ст. можна вважати Тунгуський, що впав 30 червня 1908 р. в тайзі поблизу ріки Підкам’яна Тунгуска (притока Єнісею) у Сибіру. Його політ в атмосфері спостерігали по трасі завдовжки майже 5000 км. Яскравість боліда була настільки великою, що здавалося, наче від Сонця відділився кусок і полетів по небу. Під час падіння відбувся надзвичайно сильний вибух, який було чути на відстані 2000 км від місця падіння. Сейсмічні станції зареєстрували землетрус, а сейсмічні хвилі двічі обігнули Землю. Розрахунки показали, що при падінні метеорита виділилась енергія 1017 Дж — таку енергію виділяє вибух найпотужніших водневих бомб.

У 1926 р. Академія наук України організувала першу експедицію в район падіння Тунгуського метеорита. Її очолив професор Л. Кулик. Цікава таємниця, яку виявила експедиція,— відсутність кратера та осколків на місці падіння метеорита, тому вчені висунули гіпотезу, що метеорит міг вибухнути в повітрі. Про це свідчать стовбури повалених дерев на місці катастрофи (рис. 11.6). Площа поваленого та спаленого лісу займає близько 5000 км2, але в епіцентрі повітряного вибуху, де ударна хвиля поширювалася перпендикулярно до поверхні Землі, стовбури дерев не були повалені.

Для допитливих

Залишається таємницею, куди поділись осколки Тунгуського метеорита при вибуху. Найбільш вірогідним поясненням цих аномальних явищ може бути гіпотеза про те, що метеорит був льодяним ядром невеликої комети (див. п. 11.6), яке вибухнуло в атмосфері Землі. Газові компоненти ядра випарувалися, а тверді силікатні частинки розплавились і випали на поверхню у вигляді мікроскопічних частинок.

6. Комети

Комети (від грец.— волохатий) своїм незвичним виглядом привертають найбільшу увагу людей, бо вони мають дивний красивий хвіст. Комети є залишками космічної речовини, з якої утворилися планети Сонячної системи. За традицією кометі дають назву на честь тих астрономів, які першими побачили її на небі (рис. 11.7, 11.8). Часто комети відкривали аматори астрономії і навіть школярі. На честь українських астрономів названі комети Герасименка, Неуйміна, Скоритченка, Черних, Чурюмова, Шайна.

Найзнаменитішою кометою можна вважати комету Галлея, яку спостерігають вже кілька тисячоліть.

Директор Гринвіцької обсерваторії Е. Галлей (1656—1742) вперше визначив орбіту комети, яку було видно у 1682 р. Для цього він вивчив стародавні літописи і звернув увагу на те, що одна з комет з’являлася на небі з постійним періодом 76 р. За допомогою третього закону Кеплера Галлей визначив велику піввісь орбіти та передбачив її появу у 1758 р. Останній раз комету Галлея спостерігали у 1986 р., а наступний її приліт до Землі очікується у 2061 р.

Тривалий час загадкою для астрономів був довгий хвіст комети, який іноді простягається на мільйони або на сотні мільйонів кілометрів, причому напрямок хвоста змінюється таким чином, що він весь час відхиляється у протилежний від Сонця бік. Здається, що хвіст до Сонця не притягується, а навпаки, відштовхується, начебто від Сонця дме своєрідний вітер. Зазвичай, хвіст комети притягується до Сонця, але для частинок із діаметром меншим ніж 10-5 м сила відштовхування стає більшою за силу притягання. Хвіст комет саме і складається з мікроскопічних частинок космічного пилу, на які діє відштовхувальна сила сонячного вітру (рис. 11.9).

Рис. 11.7. Комета Галлея

Рис. 11.8. Комета Гейла-Боппа

Рис. 11.9. Рух комети навколо Сонця. Під дією сонячного вітру хвіст комети відштовхується в протилежному від Сонця напрямку

Рис. 11.10. Ядро комети Галлея на відстані кількох тисяч кілометрів. Довжина дуже темного ядра — 15 км, ширина — 8 км. З отворів, що розташовані на поверхні, вириваються струмені газу

Ядро комети, з якого утворюється хвіст, складається в основному з льоду. Уперше воно було сфотографоване радянською АМС «Вега» у 1986 р. (рис. 11.10). Діаметр таких крижаних ядер може бути всього кілька десятків кілометрів, тому на великій відстані від Землі їх не видно. Крига у ядрах комет, які часто наближуються до Сонця, з часом повністю випаровується. Від комети залишаються тверді силікатні пилинки, які продовжують рух по орбіті та перетворюються в метеорні потоки. Коли Земля перетинає орбіту такого метеорного потоку, спостерігається «зоряний дощ», у цей час на небі можна побачити тисячі метеорів.

Датський астроном Я. Оорт висунув гіпотезу, що за орбітою Нептуна можуть бути мільйони таких кометних ядер (хмара Оорта), але з них тільки невелика кількість підходить у перигелії близько до Сонця. Під впливом гравітаційного збурення великих планет комети можуть змінити свою орбіту і навіть зіткнутися з ними. Такою катастрофою міг бути також вибух Тунгуського метеорита (див. п. 11.5). У 1994 р. комета Шумейкера—Леві упала на Юпітер. Під час цього зіткнення виділилась енергія, яка дорівнює вибухові мільйонів ядерних бомб.

Сонячний вітер складається з елементарних частинок та окремих ядер легких хімічних елементів, які летять від Сонця

Для допитливих

Чи можна використати астероїди і комети для потреб нашої цивілізації? Можливо, що в майбутньому астероїди можна пристосувати як бази для міжпланетних експедицій. Деякі астероїди можуть містити рідкісні хімічні елементи, які можна було б застосовувати при спорудженні космічних поселень як у космосі, так і на поверхні супутників планет. Під час космічного будівництва треба пам'ятати, що прискорення вільного падіння на астероїдах дуже мале, тому один необережний поштовх ногою може надати космонавтові другу космічну швидкість. Температура на поверхні астероїдів залежить від кольору поверхні та відстані до Сонця. У головному поясі астероїдів на відстані 2,8 а. о. від Сонця температура на денному боці рідко піднімається вище ніж 0°С, але астероїди групи Аполлона, Амура і Атона, які рухаються по дуже витягнутих орбітах, у перигелії можуть нагріватися до +500 °С.

7. Планети-карлики

Уперше цей новий клас тіл Сонячної системи визначили у серпні 2006 р. на з’їзді Міжнародного Астрономічного Союзу (МАС) у Празі. Тоді ж було змінено статус Плутона, який до цього був дев’ятою планетою Сонячної системи: відтепер він став першою планетою-карликом. Після відкриття Нептуна у 1846 р. (див. §4) майже ціле століття астрономи шукали дев’яту планету, яка могла викликати невеликі збурення орбіти Урана, бо гравітаційним впливом Нептуна можна пояснити тільки 98 % збурень орбіти цієї планети.

Тільки 18 лютого 1930 р. в Ловеллській обсерваторії (США) Клайд Томбо відкрив невідому планету, яка отримала назву Плутон на честь міфічного бога підземного царства.

У 1978 р. астрономи звернули увагу на те, що на фотографії Плутона видно невеликий виступ на його дискові. Продовжуючи спостереження, учені дійшли висновку, що у Плутона є супутник, який отримав назву Харон. Він обертається навколо планети з періодом 6,4 доби.

У 2006 р. за допомогою космічного телескопа Габбла були відкриті ще два невеликі супутники Плутона — Нікс і Гідра. У зв’язку з тим, що Плутон має дуже витягнуту орбіту з великим, у порівнянні з іншими планетами, ексцентриситетом (е = 0,25), і за масою і розмірами набагато менший за інші планети Сонячної системи, деякі астрономи вважають, що Плутон був колись супутником Нептуна, адже Юпітер, Сатурн, Нептун і Земля мають набагато більші за нього супутники. Статус Плутона як планети поступово ставав підозрілим ще й тому, що його орбіта нахилена під значним кутом до площини екліптики у порівнянні з будь-якою планетою Сонячної системи і трохи нагадує орбіти комет.

Рис. 11.11. Плутон, Харон, Ерида

У 1951 р., аналізуючи орбіти комет, астроном Ж. Койпер передбачив існування за Нептуном поясу астероїдів, який тепер офіційно назвали поясом Койпера. Астрономічні спостереження за допомогою сучасних телескопів підтвердили цю гіпотезу у 1990 р., коли за Плутоном почали відкривати нові об’єкти поясу Койпера. З наукової точки зору стало очевидним, що Плутон більше схожий на членів цієї групи, ніж на інші 8 планет Сонячної системи.

У липні 2005 р. відкрили новий об’єкт поясу Койпера, який був навіть більший за Плутон, тому деякі астрономи стали називати його десятою планетою. Нову планету неофіційно прозвали Ксеною (з грец.— чужа). Це відкриття стало фатальним ударом для статус-кво дев’яти планет, бо якщо Плутон вважають планетою, то Ксена теж має належати до класу планет. Тому перед астрономами постали питання, що робити з іншими об’єктами поясу Койпера, які трохи менше ніж Плутон, адже в майбутньому на околицях Сонячної системи можуть відкрити ще більші тіла?

На кінець 2010 р. зареєстровано більше 1000 астероїдів, орбіти яких розташовуються за орбітою Нептуна в межах поясу Койпера. Для розв’язання цієї проблеми в Міжнародному Астрономічному Союзі був створений спеціальний комітет, який запропонував модифікувати визначення планети, додавши, що планета має бути не тільки круглої форми, але повинна також бути єдиним тілом на своїй орбіті. За цим визначенням Плутон утратив статус планети, оскільки він один із багатьох об’єктів поясу Койпера, і до того ж його орбіта фактично перетинається з орбітою Нептуна. У 2006 р. Плутон був позначений астероїдним номером 134 340; офіційну назву й номер отримав і об’єкт з умовною назвою «Ксена». Він тепер має номер 136 199 та назву Ерида.

На грудень 2010 р. зареєстровано 3 планети-карлики: Церера, Плутон, Ерида.

Висновки

Малі тіла Сонячної системи (планети-карлики, астероїди, комети, метеорні тіла) є залишками тої величезної хмари космічної речовини, з якої утворилися Сонце і великі планети. Основний пояс астероїдів розташовується між Марсом та Юпітером, але за орбітою Нептуна існують ще мільйони планетоподібних тіл (пояс Койпера) та мільйони кометних ядер (хмара Оорта). Астероїди, можливо, стануть базами для дослідження космосу, а металеві астероїди можна використати як джерело для добування корисних копалин. Існує небезпека зустрічі Землі з тими астероїдами, орбіти яких наближуються до Землі або перетинають її орбіту.

Тести

1. Метеором називається явище, коли:

А. Зорі падають на Землю. Б. Каміння падає на Землю. В. Пилинки згоряють у повітрі. Г. Блискавки спостерігаються у повітрі. Д. Пил викидається в атмосферу.

2. З чого складається ядро комети?

А. Із льоду та пилу. Б. Із заліза. В. Із каміння. Г. Із розжарених газів. Д. Із пари води.

3. З якою найменшою швидкістю метеорит влітає в атмосферу Землі?

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. З якою найбільшою швидкістю метеорит може влетіти в атмосферу Землі? 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. Тунгуський метеорит називають загадковим тому, що:

А. Метеорит був космічним кораблем марсіян. Б. На місці падіння не виявлено метеоритного кратера. В. В атмосфері стався спалах, що нагадував вибух ядерної бомби. Г. Метеорит був брилою льоду. Д. Після падіння метеорита над Європою спостерігалося загадкове сяйво в атмосфері і вночі не було видно зір.

6. Чому більшість астероїдів мають неправильну форму?

7. Чому метеорити можуть досягати поверхні Землі?

8. Яке сімейство астероїдів може викликати загрозу для Землі?

9. Чим відрізняється метеор від метеорита?

10. Хвіст комети зазвичай притягується до Сонця чи відштовхується від нього?

11. Чому комета може змінити свою орбіту?

12. Який найбільший метеоритний кратер виявили на території України?

13. Обчисліть свою вагу на астероїді 1709 Україна, який має діаметр 20 км. Густина астероїда — 3 г/см3.

Диспути на запропоновані теми

14. Яка ваша думка щодо практичного використання астероїдів як джерела корисних копалин?

Завдання для спостережень

15. Порахуйте кількість метеорів, які пролітають по небосхилу протягом 30 хв.

Ключові поняття і терміни:

Астроблема, астероїд, болід, комета, метеор, метеорит, пояс астероїдів, пояс Койпера, ступінь ризику, хвіст комети, хмара Оорта, ядро комети.