Астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Пришляк

Сонячна система

Тема. Будова Сонячної системи

1. Історія вивчення Сонячної системи

Перші спроби пояснити таємничі небесні явища були зроблені в Давньому Єгипті понад 4000 р. тому та в Давній Греції ще до початку нашої ери. Єгипетські жерці склали перші карти зоряного неба, дали назви планетам. Великий грецький філософ і математик Піфагор у VI ст. до н. е. висунув ідею, що Земля має форму кулі і «висить» у просторі, ні на що не спираючись. Астроном Гіппарх (180-125 р. до н. е.) у II ст. до н. е. визначив відстань від Землі до Місяця та відкрив явище прецесії осі обертання Землі.

Довгі століття в астрономії провідною була так звана геоцентрична система світу (рис. 1.1), що визначала центром Всесвіту Землю. Найбільшого розвитку ця теорія набула в монографії «Альмагест» («Велика побудова») александрійського астронома, географа й математика Клавдія Птолемея (бл. 100-170). За його теорією Землю у просторі оточують 8 сфер, на яких розташовані Місяць, Сонце та п’ять відомих у ті часи планет: Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. На восьмій сфері розташовані зорі, які з’єднані між собою і обертаються навколо Землі як єдине ціле.

У І тис. н. е. найвизначніші астрономічні відкриття зробили арабські астрономи. У Багдаді, Каїрі, містах Сирії та Середньої Азії були зведені обсерваторії, складені перші таблиці руху Місяця і планет, винайдені астрономічні прилади для визначення висоти небесних світил над лінією горизонту (квадранти) й спостережень (секстанти).

Птолемей

Геоцентрична система світу: у центрі розташована Земля, а всі інші небесні тіла обертаються навколо неї

Геліоцентрична система світу: у центрі розташоване Сонце. Земля разом із планетами обертається навколо нього

Рис. 1.1. Геоцентрична система світу

Рис. 1.2. Геліоцентрична система світу

О. Хайям

Омар Хайям (1048-1131) висунув надзвичайно сміливе припущення про імовірність населеності далеких світів й нескінченність нашого Всесвіту.

Аль-Біруні (973-1048) у працях з астрономії висловив гіпотезу про рух Землі навколо Сонця.

Мірзо Улугбек (1394-1449) у Самарканді запровадив до використання сорокаметровий секстант, за допомогою якого міг обчислювати рух Сонця з небаченою до того часу точністю.

Теорія геоцентричної будови Всесвіту проіснувала до XVI ст., коли відбувся перший революційний переворот у світогляді. Польський астроном Миколай Коперник у праці «Про обертання небесних тіл» представив власну геліоцентричну систему світу (рис. 1.2). За його теорією, центральне місце належить Сонцю, а Земля та інші планети обертаються навколо нього по колових (не еліптичних) орбітах. Це відкриття дало ключ до пізнання Всесвіту, але ще довго вчення Птолемея не поступалося місцем новій теорії.

Геніальність відкриття Коперником геліоцентричної системи світу полягала в тому, що він, зруйнувавши межу між небом і Землею, висунув гіпотезу, що у Всесвіті діють одні й ті самі закони, справедливі як на Землі, так і в космосі.

Остаточно затвердив вчення Коперника, отримавши беззаперечні докази його правдивості, італійський фізик, механік і астроном Галілео Галілей. Ним була виявлена зміна фаз Венери, що свідчило про її обертання саме навколо Сонця, а не Землі. Також Галілей за допомогою найпростішого телескопа побачив на Місяці гори й кратери, відкрив чотири супутники Юпітера та побачив зорі в Молочному Шляху.

Сучасник Галілея Йоган Кеплер (1571-1630) уславлений тим, що, здійснюючи спостереження за рухом Марса, визначив три закони руху планет. Це стало значним проривом у розвитку уявлень про будову Сонячної системи (рис. 1.4).

В історії астрономії XVIII ст. пов’язане з іменем англійського ученого Ісаака Ньютона, який сформулював основні закони фізики. У 1687 р. у книзі «Математичні засади філософії природи» він довів універсальність сили тяжіння, або гравітації. Сила тяжіння керує рухом зір і галактик, а також впливає на еволюцію цілого Всесвіту.

У XIX ст. почався новий етап у вивченні космосу, коли німецький фізик Йозеф Фраунгофер у 1814 р. відкрив лінії поглинання у спектрі Сонця — Фраунгоферові лінії (рис. 1.3).

Й. Кеплер

Рис. 1.3. Фраунгоферові лінії у спектрі Сонця

Рис. 1.4. Схема будови Сонячної системи

Рис. 1.5. Габбл довів, що галактики розбігаються. Пізніше вчені створили теорію еволюції Всесвіту від його зародження до сьогодення

М. Коперник

Е. Габбл

Потім лінії поглинання були виявлені у спектрах інших зір. За допомогою спектрів астрономи визначають хімічний склад, температуру і навіть швидкість космічних тіл.

Пояс Койпера, який розташований за орбітою Нептуна і містить близько 70-100 тис. об’єктів діаметром понад 100 км, виявлено у 1992-2000 рр. на відстані 30-50 а.о. від Сонця.

У XX ст. відкриття Альбертом Айнштайном загальної теорії відносності допомогло астрономам збагнути дивне червоне зміщення ліній поглинання у спектрах далеких галактик, яке у 1929 р. відкрив американський астроном Едвін Габбл. Він довів, що галактики розбігаються від нас у різних напрямках (рис. 1.5). Потім вчені створили теорію еволюції Всесвіту від його зародження до сучасності. Це дало поштовх до виникнення нової науки — космології. З 4 жовтня 1957 р. почалась ера космонавтики. Цього дня в Радянському Союзі було запущено в космос перший у світі штучний супутник Землі (рис. 1.6), у створенні якого брали участь українські вчені та інженери.

А. Айнштайн

У 1969 р. Нейл Армстронг став першою людиною, яка в рамках місії «Аполло-11» здійснила вихід на поверхню позаземного об’єкта — Місяця (рис. 1.7, 1.8).

Сьогодні в космосі літають сотні автоматичних станцій, які досліджують не тільки навколоземний простір, а й вивчають інші планети Сонячної системи.

Основні етапи ери космонавтики

Дата

Подія

1957

Запуск штучних супутників Землі, початок космічної ери. З’явилася можливість створення космічних лабораторій

1958

Відкриття радіаційних поясів Ван-Аллена. Микола Козирєв відзначає в місячному кратері Альфонс ознаки вулканічної діяльності

1959

Радіолокація Сонця (США). Станція Луна-2 не виявляє у Місяця магнітного поля. Отримано перші фотографії зворотного боку Місяця

1961

Перший політ людини в космос

1961-1964

Радіолокація Меркурія, Венери, Марса, Юпітера (СРСР і США). Уточнені величина а.о. і період обертання Венери навколо Сонця, визначені період осьового обертання Венери (виявився зворотним), температура і фізичні характеристики поверхні планет

1965

Відкриття реліктового випромінювання. Перші фотографії поверхні Марса (Марінер-4)

1967

Дослідження атмосфери Венери з апарату, що спускається Венера-4

Рис. 1.6. Перший штучний супутник Землі

Дата

Подія

1969

Висадка Аполлона-11 на Місяці. Перший вихід людини на поверхню Місяця

1971

Перша м’яка посадка на Марс (Марс-3)

1974

Сенсаційний висновок Стівена Хокінга про можливість «випаровування» чорних дір

1975

Перша фотопанорама поверхні Венери (Венера-9, 10). Фотографії Фобоса, Деймоса і поверхні Марса (Вікінг-1, Вікінг-2)

1977

Відкриття кілець Урана. Запуск Вояджера-2, який передав неоціненну інформацію про зовнішні планети: Юпітер, Сатурн (1981), Уран, Нептун (1989)

1978

Відкриття Харона, супутника Плутона (Дж. У. Крісті, США)

1979

Виявлено кільця у Юпітера

1986

Дослідження комети Галлея АМС Вега і Джотто. У Урана виявлені 10 нових супутників

1990

Запуск космічного телескопа Габбл

1995

Автоматичний космічний апарат Галілео досяг Юпітера і вперше взяв проби атмосфери

1998

Початок функціонування першої багатонаціональної космічної станції. Найбільший на сьогоднішній день штучний об'єкт, побудований в космосі

2001

Перша посадка на астероїд Ерос космічного апарату NEAR Shoemaker

2004

Автоматичний космічний апарат Кассіні досяг орбіти Сатурна

2005

Перша м’яка посадка на Титан. Космічний апарат Кассіні

2009

Запуск місії Kepler. Перший космічний телескоп, призначений для пошуку екзопланет, подібних до Землі

2014

Перший штучний зонд для планової і м’якої посадки на комету. Зонд Розетта, комета Чурюмова-Герасименко

2014

Міжпланетний космічний зонд Нові горизонти досяг орбіти Плутона

2015

Вперше у космосі було вирощено їжу (салат)

2019

Перша м'яка посадка на зворотному боці Місяця

Рис. 1.7. Взліт «Апполо-11»

Рис. 1.8. Нейл Армстронг. Перша висадка людини на Місяці

Контрольні запитання

  • 1. Яка різниця між геоцентричною та геліоцентричною системами світу?
  • 2. Скільки планет Сонячної системи було відомо за часів Птолемея?
  • 3. Поясніть, у чому полягає сутність провідної астрономічної теорії грецького вченого Клавдія Птолемея.
  • 4. Чим відомий Миколай Коперник?
  • 5. Імена яких астрономів минулих часів вам відомі?
  • 6. З якої події почалася ера космонавтики?

2. Склад і будова Сонячної системи. Можливість існування невідомих планет в Сонячній системі

Сонячна система — Сонце та всі об'єкти, що гравітаційно пов'язані з ним

Планета — несамосвітне тіло, що обертається навколо зорі і має незначну, порівняно з центральним світилом, масу

Великі планети мають сферичну або близьку до сферичної форму. В Сонячній системі планети видимі завдяки сонячному світлу, яке відбивають їхні поверхні

Ми живемо на Землі — одній із планет, що належать до Сонячної системи. Ці планети рухаються по своїх орбітах навколо Сонця. Більшість планет (окрім Венери і Меркурія) мають супутники, які обертаються навколо своєї планети. До Сонячної системи крім Сонця, восьми планет і понад 100 їхніх супутників, входять також пояс астероїдів та пояс Койпера (рис. 2.1), комети, метеороїди та космічний пил.

Щодо Сонця планети розташовуються у такій послідовності: найближча — Меркурій, за ним — Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун.

У Сонячній системі є дві ділянки, заповнені малими тілами. Пояс астероїдів, що розташований між Марсом і Юпітером, за складом подібний до планет земної групи, оскільки складається переважно з силікатів і металів. Найбільшими об’єктами поясу астероїдів є Церера, Паллада і Веста. За орбітою Нептуна розташовані транснептунові об’єкти, що містять багато замерзлої води, аміаку та метану. Найбільшими з них є Плутон, Седна, Хаумеа, Макемаке та Ерида. Додатково до тисяч малих тіл у цих двох ділянках є інші популяції різноманітних дрібних тіл, таких як комети, метеороїди та космічний пил, що рухаються навколо Сонця.

Сонячний вітер — потік плазми від Сонця (рис. 2.2), що утворює в міжзоряному середовищі «міхур», який називається геліосферою і простягається до краю розсіяного диска. Гіпотетична хмара Оорта, що служить джерелом довгоперіодичних комет, може сягати приблизно в тисячу разів більшої відстані.

Рис. 2.1. Пояс Койпера та хмара Оорта

Головна роль у Сонячній системі належить Сонцю. Його маса приблизно в 750 разів перевищує сумарну масу всіх інших тіл, що входять до Сонячної системи, а тому центр мас Сонячної системи розташований в надрах Сонця.

Гравітаційне тяжіння Сонця є визначальною силою для руху всіх тіл Сонячної системи. Середня відстань від Сонця до найдальшої від нього планети Нептун становить 30 а.о., тобто 4,5 млрд км, що дуже мало в порівнянні з відстанями до найближчих зір. Тільки деякі комети віддаляються від Сонця на 1015 а.о. і можуть відчувати істотний вплив тяжіння інших зір.

Рис. 2.2. Сонячний вітер

Рис. 2.3. Правило Тіціуса-Боде — емпірична формула, яка приблизно описує відстані між планетами Сонячної системи і Сонцем

Усі великі планети обертаються навколо Сонця в одному напрямку (або напрямку осьового обертання самого Сонця) по майже колових орбітах, кути нахилу площини яких одна до одної і до сонячного екватора малі. Відстані великих планет від Сонця утворюють закономірність Тіціуса-Боде (рис. 2.3). Усі астероїди обертаються навколо Сонця в тому самому напрямку, що й великі планети, проте їхні орбіти помітно витягнуті й нахилені до площини екліптики. Більшість комет рухається у всіх можливих напрямках, а їхні орбіти близькі до параболічних. Це — періодичні комети, у них прямий рух.

Планети обертаються навколо своїх осей, причому

у всіх планет, крім Венери й Урана, обертання відбувається в прямому напрямку, тобто в тому самому, що й обертання навколо Сонця.

Правило Тіціуса-Боде. Цікава математична закономірність в розташуванні планет відносно Сонця була відкрита німецькими астрономами Тіціусом і Боде і сформульована у 1766 р.:

αn = 0,4 + 0,3 • 2n,

де аn велика піввісь планети в астрономічних одиницях;

n — деяке число, що визначає певний номер планети за порядком збільшення відстані від Сонця.

У Всесвіті перебувають мільярди галактик, серед яких є і наша Галактика, яку називають Молочний, або Чумацький, Шлях, до якої входить наша Сонячна система. На нічному небі ми бачимо її як сріблясту смугу (рис. 2.4). Наша Галактика (з грец.— Молочний Шлях) — це величезна система, у якій обертаються навколо центра 400 млрд зір.

Якщо в майбутньому земляни захочуть обмінюватися інформацією з іншими світами, то нашу космічну адресу можна записати так: Україна, планета Земля, Сонячна система, Галактика, Всесвіт.

Рис. 2.4. Молочний Шлях

Кількісний склад Сонячної системи (на 2016 р.)

Сонце (зоря)

1

Планети

8

Планети-карлики

5

Супутники планет, понад

150

Астероїди, понад

500000

Комети, понад

1000000

Рис. 2.5. Порівняльні розміри Сонця і планет

Планети Сонячної системи за розмірами (рис. 2.5) і будовою розподілені на дві групи — планети земної групи — Меркурій, Венера, Земля, Марс (рис. 2.7) та планети-гіганти — Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун (рис. 2.8). Суттєва різниця між цими групами планет полягає в таких факторах:

  • планети земної групи мають тверду поверхню, тому що складаються переважно з важких хімічних елементів;
  • планети-гіганти утворилися здебільшого з гідрогену та гелію, тому їхня середня густина невелика, а між атмосферою і поверхнею немає чіткої межі.

Основні параметри

Планети

Земна група

Гіганти

Середня густина

≈ 5 г/см3

≈ 1 г/см3

Хімічний склад

Fe, Si, Al

Н2, Не

Температура під хмарами

200-700 К

≈ 2000 К

Кількість супутників

3

понад 163

Деякі астрономи вважають, що на зовнішні області Сонячної системи гравітаційно впливає велика невидима планета. Такі гіпотетичні об’єкти зазвичай називають «Планетами Ікс».

Одну з таких теорій висунули астрономи з Каліфорнійського технологічного інституту К. Батигін і М. Браун. Можливо, ця гіпотетична дев’ята планета-гігант, з масою порядку 10 земних, розташована поза Нептуном. Спрогнозована на основі аналізу руху низки транснептунових об’єктів (рис. 2.6).

Ця планета не має офіційної назви, дослідники між собою користуються назвою «Дев’ята планета» або «Фатті».

Імовірний період обертання дев’ятої планети — 10-20 тисяч років. У перигелії вона має наближатися до Сонця приблизно до 200 а.о. (30 млрд км), а в афелії — віддалятися до 600-1200 а.о. (90-180 млрд км). Орбіта планети, згідно з прогнозами, лежить у площині, біля якої групуються збурювані нею орбіти транснептунових об’єктів, однак витягнута в протилежний бік: її перигелій розташований у напрямку їх афеліїв.

Рис. 2.6. Гіпотетична дев'ята планета Сонячної системи

Рис. 2.7. Планети земної групи

Положення дев’ятої планети на орбіті невідоме. Найбільш імовірно виявити її поблизу афелію, де тіла рухаються найповільніше і, відповідно, проводять більшу частину часу. Телескопи, здатні зареєструвати такий об’єкт на таких відстанях, здебільшого мають дуже мале поле зору і погано підходять для пошуку.

Рис. 2.8. Планети-гіганти

Якщо планета має потужну атмосферу з водню та гелію й ефективне перенесення енергії, то в її світності переважатиме випромінювання за рахунок внутрішніх джерел (гравітаційного стискання), що робитиме її самосвітною.

У грудні 2018 р. під час пошуку дев’ятої планети астрономи з Інституту науки Карнегі, а також Гавайського і Каліфорнійського університетів знайшли найбільш віддалений з усіх відомих науці об’єктів Сонячної системи — астероїд 2018 VG18, який вони згодом назвали «Farout» (англ.— далеко). Дослідження про відношення Farout до дев’ятої планети тривають. Науковці не відкидають варіанта, що це просто велика купа різних об’єктів, об’єднаних спільним гравітаційним полем.

Контрольні запитання

  • 1. Що таке Сонячна система? Дайте пояснення.
  • 2. Що називають планетою? Які планети входять до складу Сонячної системи?
  • 3. Укажіть основні особливості будови Сонячної системи.
  • 4. Які планети належать до земної групи?
  • 5. Які планети належать до групи планет-гігантів?
  • 6. Що є визначальною силою для руху всіх тіл Сонячної системи?
  • 7. Поясніть, у чому полягає різниця між планетами земної групи та планетами-гігантами.
  • 8. Чому астрономи досі не змогли виявити «Дев’яту планету» Сонячної системи? За яких умов її можливо відкрити?