Астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Пришляк

Тема. Малі тіла Сонячної системи

1. Астероїди. Комети. Тіла поясу Койпера

Малі тіла Сонячної системи. По різних орбітах навколо Сонця, окрім карликових планет, обертається ще чимало дрібних об’єктів, що не є супутниками. Вони названі малими тілами Сонячної системи. До цього типу космічних тіл належать об’єкти поясу Койпера, астероїди, комети, метеороїди (або метеоритні тіла), космічний пил і газ.

Астероїди. Перший астероїд (від грец. asteroid — зореподібний) відкрив італійський астроном Дж. Піацці. У січні 1801 р. він побачив слабку зорю, яка наступного вечора трохи перемістилася. Їй дали назву Церера (рис. 1.1). За нею почали уважно спостерігати: вона виявилася невеликою, навіть меншою за Місяць. Яке ж було здивування астрономів, коли за кілька років недалеко від Церери виявили ще одну малу планету — її назвали Палладою. Ці обидва космічні об’єкти, що оберталися навколо Сонця на відстані 2,8 а. о., назвали малими планетами. Потім були відкриті Юнона і Веста. З-поміж усіх відкритих на той час малих планет діаметр Церери виявився найбільшим (близько 960 км), тож згодом її віднесли до класу планет-карликів.

На вересень 2017 р. було зареєстровано близько 1 млн астероїдів (рис. 1.2). Найменші з них мають діаметр лише 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.

Найяскравішим астероїдом є Веста. Це єдиний астероїд, який ясної ночі можна спостерігати з Землі неозброєним оком завдяки яскравості його поверхні і розміру, який становить 576 км у поперечнику, та тому, що він може наближатися до Землі на відстань лише 177 млн км.

Рис. 1.1. Церера

Рис. 1.2. Астероїд-433 «Ерос» має вигляд велетенського сідла завдовжки 33 км. Космічний апарат NEAR, здійснивши у 2001 р. посадку на поверхню астероїда в улоговині поблизу центра, виявив, що його сіра поверхня вкрита шаром реголіту і схожа на поверхню Місяця

Для допитливих

Орбіти двох відомих численних груп астероїдів — Греки й Троянці — унікальні тим, що розташовані у вершинах рівнобічних трикутників, сторони яких дорівнюють відстані від Юпітера до Сонця. Період обертання цих астероїдів навколо Сонця збігається з періодом обертання Юпітера.

Виявленим астероїдам дають порядковий номер і назву, яку пропонує автор відкриття (так, за номером 1790 зареєстрований астероїд Україна). Часто нові космічні тіла називають на честь країн, міст та відомих осіб. Українські астрономи також уславили нашу країну та видатних співвітчизників: навколо Сонця обертаються астероїди Київ, Полтава, Кобзар, Каменяр, Сковорода, Довженко, Нарбут та ін.

Відомості про деякі астероїди

N

Назва

Діаметр (км)

Маса (• 1015 кг)

Період обертання (год)

Орбіт, період (роки)

Спектр. клас

Велика піввісь орбіти (a.o.)

Ексцентриситет орбіти

1

Церера

960 х 932

87000

9,1

4,6

С

2,766

0,078

2

Паллада

570 х 525 х 482

318000

7,8

4,6

U

2,776

0,231

3

Юнона

240

20000

7,2

4,4

S

2,669

0,258

4

Веста

530

300000

5,3

3,6

U

2,361

0,090

8

Флора

141

13,6

3,3

S

0,141

243

Іда

58 х 23

100

4,6

4,8

S

2,861

0,045

253

Матильда

66 х 48 х 46

103

417,7

4,3

C

2,646

0,266

433

Ерос

33 х 13 х 13

7

5,3

1,7

S

1,458

0,223

951

Гаспра

19 х 12 х 11

10

7,0

3,3

S

2,209

0,174

1566

Ікарус

1,4

0,001

2,3

1,1

U

1,078

0,827

1620

Географ

2,0

0,004

5,2

1,4

S

1,246

0,335

1862

Аполлон

1,6

0,002

3,1

1,8

S

1,471

0,560

2060

Хірон

180

4000

5,9

50,7

B

13,633

0,380

4179

Тоутатіс

4,6 х 2,4 х 1,9

0,05

130

1,1

S

2,512

0,634

Чому між Марсом і 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 і Юпітером колись існувала планета Фаетон, яка чомусь вибухнула. Причиною катастрофи могла бути зустріч планети з іншим космічним тілом. На користь теорії вибуху планети свідчило те, що більшість астероїдів мають вигляд уламків неправильної форми. Сучасні дослідження розподілу орбіт малих планет показують, що, швидше за все, між Марсом і Юпітером великої планети ніколи не було, а пояс астероїдів — це залишки тієї речовини, з якої 4,5 млрд років тому утворилися планети Сонячної системи (рис. 1.3).

За орбітою Нептуна розташоване кільце маленьких планетоподібних тіл (так званий пояс Койпера), які через гравітаційні збурення можуть змінювати параметри своєї орбіти (рис. 1.4). 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 уламків зростає зі збільшенням їхньої кількості, то пояс астероїдів може бути своєрідною машиною для подрібнення космічних тіл на менші фрагменти.

Рис. 1.3. Головний пояс астероїдів

Рис. 1.4. За орбітою Нептуна розташоване кільце маленьких планетоподібних тіл — так званий пояс Койпера

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 Гіраями — вони могли утворитися після зіткнення більш крупних тіл. Астероїди рухаються навколо Сонця в той самий бік, що й планети, і мають, як правило, еліптичні орбіти.

Комети отримали свою назву від грец. cometos — хвостата, або волохата (зоря). Це відносно невеликі небесні тіла, що мають туманний вигляд і обертаються навколо Сонця по подовжених еліптичних орбітах. Саме тому їх можна побачити лише у стислі періоди зближення із Сонцем.

Рис. 1.5. Комета Галлея

Комети є залишками космічної речовини, з якої утворилися планети. За традицією кометі дають назву на честь тих астрономів, які перші побачили її на небі (рис. 1.5, 1.6, 1.7). На честь українських астрономів названі комети Герасименко, Неуйміна, Скоритченка, Черних, Чурюмова, Шайна. За оцінками вчених, на далеких «околицях» Сонячної системи в хмарі Оорта сконцентровано близько 1012-1013 комет, які обертаються навколо Сонця на відстанях 3-160 тис. а. о.

Гіпотетична хмара Оорта (рис. 1.8) — сферична хмара крижаних об’єктів (аж до 1 трлн), яка є джерелом довгоперіодичних комет. Передбачувана відстань до зовнішніх меж хмари Оорта від Сонця становить від 50 тис. а. о. (приблизно 1 св. рік) до 100 тис. а. о. (1,87 св. років). Вважається, що об’єкти, які складають хмару, сформувалися біля Сонця і були розсіяні далеко в космос гравітаційними ефектами планет-гігантів на ранньому етапі розвитку Сонячної системи.

Рис. 1.6. Комета Гейла-Боппа

Рис. 1.7. Комета Чурюмова-Герасименко

Рис. 1.8. Модель хмари Оорта

Рис. 2.1. Слід метеора у нічному небі

Найзнаменитішою є комета Галлея. Директор Гринвіцької обсерваторії Е. Галлей уперше визначив орбіту комети, яку було видно у 1682 р. Для цього він вивчив стародавні літописи і звернув увагу на те, що одна комета з’являлася на небі з постійним періодом у 76 років. За допомогою третього закону Кеплера Галлей визначив велику піввісь її орбіти (α = 17,94 а. о.) та передбачив появу у 1758 р. Останній раз комету Галлея спостерігали у 1986 р., а наступний її приліт до Землі очікується у 2062 р.

2. Метеори та метеорити. Метеорні потоки

Метеороїди. Згідно з визначенням Міжнародної метеорної організації, метеороїди за розміром значно менші, ніж астероїди, але набагато більші за атом. Їхня назва в перекладі з грецької означає: «той, що перебуває у повітрі». Метеороїди є продуктами розпаду комет або подрібнення астероїдів унаслідок зіткнення.

Потрапивши на космічній швидкості в земну атмосферу, ці дрібні тверді частинки спалахують, лишаючи яскравий слід. Космічний пил ніколи не долітає до поверхні Землі, адже він згоряє і випаровується в атмосфері на висоті від 120 до 60-80 км. Це світлове явище, викликане іонізованим повітрям на шляху польоту метеорної частинки, називають метеором, або падаючою зорею. Сама частинка в цьому випадку називається метеорним тілом. Маси таких тіл вимірюються десятими долями грама, іноді — кількома грамами. Весь політ метеорного тіла може тривати від десятих долей секунди до кількох секунд (рис. 2.1).

Численні метеори, які спрямовуються до Землі в певну пору року, утворюють метеорні потоки, або «зоряні дощі». Найвідомішим із них є потік Персеїди, який в Україні можна спостерігати у серпні.

Метеорити можуть досягти поверхні Землі, оскільки мають більшу масу (рис. 2.2). Коли метеорне тіло з великою швидкістю летить в атмосфері, то через опір повітря воно нагрівається до температури вище 10000 °С і починає світитись, як розжарена куля, яку називають болідом (від грец. bolid. — спис). Під час польоту боліда з надзвуковою швидкістю в атмосфері виникає ударна хвиля, яка створює потужні звукові коливання, тому людина чує сильний гуркіт.

Метеорне тіло — це фрагмент астероїда, який, обертаючись навколо Сонця, зіткнувся з нашою планетою. Тобто метеорити мають астероїдне походження. Швидкість, з якою 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 метеорні тіла, які летять назустріч руху Землі, тому що швидкості боліда та Землі додаються. Швидкість метеорного тіла під час входження в атмосферу Землі не може бути меншою за 11,2 км/с, адже навіть коли астероїдне тіло «наздоганяє» нашу планету, то через земне тяжіння його швидкість починає зростати. Нині за рахунок метеорної речовини маса Землі збільшується на 500 000 т на рік.

Метеороїд — порівняно невелике тверде тіло, що рухається в міжпланетному просторі навколо Сонця по еліптичній орбіті

Метеор — явище у верхній атмосфері, що виникає у разі влітання в неї твердих частинок — метеорних тіл

Метеорит — тверде космічне тіло, що впало на поверхню великих і малих планет

Метеорний потік — сукупність метеорів, які спостерігають під час зустрічі Землі з метеорним роєм

Метеорний рій — група метеорних тіл, що утворилися внаслідок розпаду ядра комети і рухаються навколо Сонця по однакових орбітах зі сталим періодом обертання

Рис. 2.2. Метеорит, знайдений в Антарктиці

Рис. 2.3. Аризонський кратер (США) утворився 10 тис. 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, які називають астроблемами (від грец. astra blema — зоряні рани), але більшість кратерів не збереглася, адже протягом століть атмосферні процеси знищували сліди космічних катаклізмів (рис. 2.3). Велику кільцеву структуру метеоритного походження діаметром 7 км виявили в Україні в Іллінецькому районі (рис. 2.4) Вінницької області. Геологічні дослідження показують, що початкова маса метеорита перевищувала 1011 кг.

Рис. 2.4. Іллінецький метеоритний кратер

Контрольні запитання

  • 1. Чим метеороїд відрізняється від метеорита?
  • 2. Що з того, що ми бачимо, світиться далі від Землі — метеори чи комети?
  • 3. Поясніть, чому метеорні потоки пов’язують з певними кометами.
  • 4. В якому випадку метеорит великої маси, що з великою швидкістю досягає поверхні Землі, не буде утворювати кратер?
  • 5. На землі метеори світяться на висоті 80-120 км. А на Марсі? Обґрунтуйте свою відповідь.
  • 6. Яким чином зображення астероїдів (зореподібних об’єктів) на знімках відрізняють від зображень зір?
  • 7. В Україні знайдено метеорит з Меркурія. Поясніть, яким чином речовина з цієї планети потрапила на Землю. За якими ознаками можна зрозуміти, що це не земна речовина?

3. Фізичні характеристики малих тіл Сонячної системи. Астероїдна небезпека

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

Головна складова комети — її ядро. Відповідно до гіпотези відомого американського дослідника комет Ф. Л. Уіппла, кометне ядро являє собою крижану брилу, що складається із суміші замерзлої води й заморожених газів із вкрапленням тугоплавких кам’янистих та металевих частинок. У міру наближення комети до Сонця лід ядра комети починає випаровуватися. Навколо ядра утворюється протяжна газова оболонка, що світиться, — кома. Разом із ядром вони утворюють голову комети. Подальше зближення комети із Сонцем приводить до того, що її голова набуває овальної форми, потім подовжується, а з неї утворюється хвіст, що складається з пилу і газу (рис. 3.1).

Довжина хвоста комети іноді простягається на мільйони або сотні мільйонів кілометрів, причому напрямок хвоста в результаті дії сонячного вітру змінюється таким чином, що він весь час відхиляється у протилежний від Сонця бік. Здається, що хвіст до Сонця не притягується, а навпаки, відштовхується. Зазвичай хвіст комети притягується до Сонця, але для частинок із діаметром менш ніж 10-5 м сила відштовхування стає більшою за силу притягання.

Рис. 3.1. Будова комети: 1 — голова, 2 — хвіст, 3 — ядро, 4 — кома

Ступінь ризику — це добуток ймовірності космічної катастрофи й кількості можливих людських жертв

Здійснивши кілька сотень обертів навколо Сонця, ядро комети зрештою втрачає свою масу і руйнується, але її рештки продовжують рух по орбіті та перетворюються на метеорні потоки. Коли Земля перетинає орбіту такого метеорного потоку, спостерігається «зоряний дощ». Гинуть комети також у випадку потрапляння на Сонце або зіткнення із планетою (рис. 3.2).

Астероїдна небезпека. Найбільшу увагу астрономів привертають астероїди групи Аполлона, Амура і Атона, оскільки в перигелії вони наближаються до Землі або навіть перетинають її орбіту. Наприклад, у 1932 р. астероїд 1862 Аполлон (діаметр 3 км) пролетів повз Землю на відстані 0,028 а. о. Ще ближче до Землі у 1994 р. пролетів астероїд 1994 ХМІ — від катастрофи планету відділяло лише 112 тис. км у просторі та 1 год у часі. Хоча ймовірність зустрічі Землі з окремим астероїдом досить мала, але, враховуючи значну кількість астероїдів, ступінь ризику загинути від космічної катастрофи виявивляється такою самою, як від звичайної повені або авіакатастрофи. За сучасними даними, орбіту Землі перетинають близько 2000 астероїдів із діаметром понад 1 км і кілька сотень тисяч дрібних із діаметром близько 100 м. Під час зустрічі Землі з астероїдом діаметром 1 км виділиться енергія, еквівалентна вибуху мільйонів атомних бомб. Крім того, викид пилу в атмосферу призведе до утворення суцільної хмарності, тому поверхня Землі буде отримувати менше сонячної енергії. Це може зумовити початок нового льодовикового періоду.

Нині створений Міжнародний фонд «Космічна варта», розроблена програма пошуків небезпечних астероїдів і комет та обчислення їхніх орбіт. Значний внесок у ці дослідження зробили українські астрономи Києва (В. Кручиненко, К. Чурюмов), Криму (М. Черних) і Харкова (Д. Лупішко).

Рис. 3.2. Падіння уламків комети Шумейкерів-Леві на Юпітер

Знайдіть в мережі Інтернет інформацію про комету Шумейкерів-Леві та падіння її фрагментів на Юпітер. Підготуйте стисле повідомлення.

Контрольні запитання

  • 1. Що більше: ядро комети чи її голова?
  • 2. Куди напрямлений хвіст комети відносно Сонця? Чи змінюється його положення? Поясніть.
  • 3. Із чого складається ядро комети?
  • 4. Опишіть процес утворення голови та хвоста комети.
  • 5. Намалюйте орбіту комети та саму комету на ній, що летить хвостом уперед.
  • 6. Чому на поверхнях одних астероїдів щільність кратерів велика, а на поверхнях інших менша?
  • 7. Яку небезпеку можуть становити астероїди для Землі?