36. Дасягненні і праблемы сучаснай планеталогіі.

В настоящее время наблюдается устойчивый интерес к исследованию планет Солнечной системы. Существует множество программ по освоению космоса, довольно существенная доля которых отведена на изучение планет. Например, в 2020 году специалисты NASA рассчитывают высадить на поверхность Луны экспедицию из четырех человек, которые пробудут на спутнике Земли примерно неделю. К 2024 году аэрокосмическое агентство США намерено построить на Луне постоянную базу. Лунная база должна стать не только местом проведения научных исследований, но и своеобразным перевалочным пунктом для отправки будущей экспедиции на Марс.

Исследованиями планетных тел Солнечной системы занимается наука планетология, главная цель которой состоит в более полном познания мира в котором мы живем. Без привлечения данных о других планетах Солнечной системы невозможно судить ни о том как образовалась Земля, ни о её эволюции в первые 600 миллионов лет. В настоящее время идет активное изучение одного из спутников Сатурна - Титана. Считается, что Титан раскроет тайну зарождения жизни на Земле, т.к. он сильно напоминает нашу планету 4,6 миллиарда лет назад.

Изучение околоземного пространства, планет и спутников, оказывает огромное влияние на мировоззрение человека и на общественную жизнь. Благодаря космическим программам по освоению Солнечной системы, человек перестал чувствовать себя ограниченным пределами нашей планеты, получил принципиальную возможность достижения других планет. Создание более совершенных ракетно-космических средств способствует развитию науки планетологии, которая играет все более и более важную роль в решении таких актуальных проблем как: сырьевая, энергетическая, экологическая и др.

Солнечная система. Первые запечатленные наблюдения за движением Солнца на фоне звездного неба относятся к эпохе IV —III тыс. до н. э. В IIIтыс. до н. э. шумерские астрономы определяли начало нового года — день весеннего равноденствия — по вступлению Солнца в созвездие Тельца. В этот день плоскость экватора совпадает с плоскостью эклиптики. Интересно, что контур созвездия Тельца, похожий на букву А, послужил прообразом первой буквы алфавитов большинства языков индоевропейской группы. Почти за 2000 лет точка весеннего равноденствия сместилась навстречу видимому перемещению Солнца и во II в. до н. э. оказалась в созвездии Овна. Сейчас она находится в созвездии Рыб, передвигаясь ежегодно на  . Поэтому Солнце, последовательно проходя через все созвездия Зодиака, вернется к исходному положению через 26000 лет. Это явление обнаружил величайший астроном древности Гиппарх (II в. до н. э.) и назвал его прецессией— предварение равноденствий.

Происхождение прецессии объяснил И. Ньютон. Смена сезонов вызвана обращением Земли вокруг Солнца и наклоном ее оси к плоскостиЭКЛИПТИКИ на 23,5°. Из-за того, что Земля сплюснута у полюсов, моменты сил, действующих на нее со стороны Солнца и Луны, приводят к вращению оси вокруг нормали к плоскости эклиптики с периодом 26000 лет.

Человека всегда поражал беспредельный мир небесных светил — эта грандиозная лаборатория, открытая для любознательного ума. Звезды казались неподвижными друг относительно друга, а группа, состоящая из пяти светил (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн), перемещалась на фоне звезд, описывая петли и зигзаги. Отсюда и название — планета  Изучение движений планет и создание моделей, объясняющих их перемещение, сыграли решающую роль в развитии астрономии.

По Аристотелю, Земля является центром мира, вокруг которого вращаются сферы с планетами и звездами. В 250 г. до н. э. Аристарх Самосский высказал гипотезу, согласно которой Земля имеет форму шара, вращается вокруг своей оси и движется вокруг Солнца. Однако эти идеи явно противоречили обыденным представлениям своего времени и не сыграли заметной роли в античной науке.

Наибольшее распространение получила геоцентрическая теория движения планет, развитая Птолемеем (150 г. до н. э.) на основе схем, известных античным астрономам. Хуже всего в системе Птолемея оказалось то, что она была достаточно точно подогнана под известные данные наблюдений и во многих отношениях оказалась неуязвимой для опровержения.

После III-IV вв. античная астрономия приходит в упадок. Только в XIII в. начинается возрождение и утверждение идей Аристотеля в рамкаххристианской религии. Одновременно возрастает политическая, экономическая, культурная и научная активность общества, получившая в XIVстолетии название Ренессанса (Возрождения). С началом эпохи Великих географических открытий (X. Колумб, 1492; Ф. Магеллан, 1519- 1521)пришлось отбросить представление о Земле как о плоском круге. Несостоятельность многих положений Аристотеля привела к развитию новых идей.

В 1543 г. выходит знаменитое сочинение Н. Коперника (1473 -1543), в котором впервые в истории астрономии дана правильная схема строения Солнечной системы. Определены относительные расстояния от планет до Солнца, периоды обращения планет, получило объяснение петлеобразное видимое движение планет. В 1605 г. И. Кеплер открыл два закона, описывающих движение планет. Еще более десяти лет потребовалось для установления третьего закона (1618—1619). В 1609 году Г. Галилей впервые направил на небо телескоп. Он обнаружил фазы Венеры, лунные горы, пятна на Солнце. Открытие спутников Юпитера опровергло утверждение о Земле как о единственном центре вращения.

В 1679 г. И. Ньютон убедился, что если тело движется по коническому сечению под действием СИЛЫ, направленной к фокусу, то величина силы должна изменяться обратно пропорционально квадрату расстояния от фокуса. Для доказательства этого утверждения он воспользовался техникой дифференцирования. Прямую задачу решил в 1710 г. И. Бернулли. Существует ряд предположений относительно того, почему сам Ньютон не использовал метод интегрирования. Возникла даже дискуссия на тему: доказал ли Ньютон, что из закона всемирного тяготения следуют законы Кеплера .

Первым подтверждением закона всемирного тяготения было предсказание возвращения кометы Галлея. Ее появление отмечалось задолго донашей эры. Английский астроном Э. Галлей подметил сходство в описании хвостов комет 1531, 1607 и 1682 гг. Он предсказал возвращение кометы через 76 лет в 1758 г. Правда из-за возмущения, вносимого в ее траекторию Юпитером и Сатурном, комета Галлея запоздала и появилась в 1759 г.

В 1781 г. В. Гершелем была открыта новая планета Солнечной системы. Ее назвали Ураном. Обнаруженные в 1787 г. два спутника позволили определить массу Урана. В 1801 г. итальянский астроном Дж. Пиацци обнаружил первый астероид — так назвали небольшие планеты размерами от 200 до 800 км. За два века наблюдений открыто 18 000 астероидов. Точные орбиты известны для почти 5 000 астероидов. Большинство этих орбит лежат между орбитами Марса и Юпитера — это так называемый главный пояс астероидов. Средние расстояния от Солнца лежат между 2,1 и 3,3 а.е. Преобладающее возмущение на движение астероидов оказывает Юпитер — существуют области пространства, в которых сгущения или зазоры в их распределении связаны с резонансным отношением периодов вращения астероидов и Юпитера.

К 1820 г. были установлены элементы эллиптической орбиты Урана. Однако последующие наблюдения расходились с данными теоретических расчетов. Английский астроном Д. Адаме и французский астроном У. Леверье независимо в 1845-1846 гг. предположили, что траектория Уранавозмущается неизвестной планетой и предсказали ее положение. Открытие в сентябре 1846 г. немецкими астрономами И. Галле и Г. д'Аррестом новой планеты — ее назвали Нептун — явилось триумфом небесной механики. История астрономии еще не знала подобных примеров.

Наиболее трудной проблемой небесной механики оказалось несоот­ветствие между теоретическим и наблюдаемым перемещениями перигелия Меркурия. Предположения о возмущении, вносимом неизвестной планетой, не подтвердилось. Только в 1916 г. этот эффект получил объяснение в рамках созданной А. Эйнштейном общей теории относительности. Согласно Эйнштейну, смещение перигелия Меркурия обусловлено заметным искривлением пространства-времени в окрестности Солнца.

После уточнения масс всех планет все же остались небольшие расхождения теории с наблюдаемым положением Урана. Преемник Ленерье А. Гайо и американский астроном П. Ловелл в 1908-1915 гг. «вычислили» новую планету. Через 15 лет она была открыта американским астрономом К. Томбо и названа Плутоном.

 Наша Галактика и Вселенная. Любопытно, что только в двадцатые годы нашего столетия развеялось эгоцентрическое заблуждение человека относительно его места во Вселенной. Это произошло благодаря тому, что были найдены способы определения расстояния до очень удаленных звезд. Солнечная система — ничтожная часть нашей звездной системы, называемой Галактикой Она содержит 100 млрд. звезд, распределенных в центральном ядре и отходящих от него спиральных ветвях, расположенных в плоском слое толщиной ~ 10 св. лет. Центр Галактики находится в созвездии Стрельца. Радиус Галактики составляет 50 000 св. лет, причем Солнце отстоит от центра на 30 000 св. лет. С Земли Галактика предстает в виде Млечного Пути — совокупности звезд, наблюдаемых в главной плоскости. В полосе Зодиака, перпендикулярной плоскости эклиптики, расположены 12 зодиакальных созвездий. Галактика вращается. Период обращения Солнечной системы (~ 225 млн. лет) неофициально назван «космическим годом».

В 1926 г. Хаббл обнаружил звездные системы, находящиеся вне Млечного Пути. Полученное Хабблом доказательство внегалактической природы этих систем явилось выдающимся событием в истории астрономии. Оказалось, что галактики часто встречаются группами, образующими устойчивую систему. Наша Галактика входит в одну из таких систем, названную Местной группой. В Местной группе, содержащей 24 члена, Галактика Андромеда — самая крупная, а наша Галактика — вторая по величине. Расстояние между ними оценивается в 2,2 млн. световых лет.

Сейчас количество доступных наблюдению внегалактических объектов составляет порядка 100 млн. Спектральные линии излучения всехгалактик, кроме членов Местной группы, смещены в красную сторону, причем, чем дальше расположена галактика, тем больше ее красное смещение. Отсюда следует, что Вселенная в целом расширяется. Хаббл установил линейную зависимость между расстоянием и скоростью удаления. В 1960 г. поиск далеких космических объектов привел к удивительным результатам — был открыт новый класс объектов, самых далеких из всех известных; скорость их удаления достигала более половины скорости света. Эти объекты назвали квазарами  квазизвездный источник радиоизлучения. Ближайший яркий квазар ЗС273 находится по разным оценкам на расстоянии от 1,5 до 3 млрд. св. лет. Светимость яркого квазара может внезапно в 1000 раз превысить светимость нормальной галактики, причем основная часть энергии излучается из области, размерами всего нескольких световыхмесяцев. Остаются непонятными процессы, приводящие к такому выделению энергии, соответствующей возгоранию примерно 10 млн. звезд в секунду. Согласно одной из гипотез мощное излучение квазаров возникает благодаря разогреву вещества, перетекающего от звезды-сверхгиганта к черной дыре. Черная дыра — компактный, сверхплотный объект, который ничто, включая свет, не может покинуть. Она возникает в результате гравитационного сжатия звезды, в недрах которой угасли термоядерные реакции, до размеров, меньших   (  — масса звезды). Одним из признаков черной дыры было бы обнаружение области с высокой концентрацией звезд. Наблюдения со спутника в телескоп «Хаббл» позволяют предположить, что в центре туманности Андромеды находится сверхмассивная черная дыра. Другое явление связано с возможным наблюдением быстро движущихся звезд, отброшенных от черной дыры благодаря эффекту «гравитационной рогатки». Если двойная звезда приблизится к черной дыре, то один ее компонент захватывается на орбиту вокруг черной дыры, а другой — выбрасывается со скоростью до 10 000 км/с.

Исходя из наблюдаемых скоростей расширения Вселенной можно предположить, что 12 млрд. лет назад все первоначальное вещество должно было находиться в сверхплотном состоянии в области размером 10³³ см. Этот размер соответствует времени ~ 1⁴³с, с момента начала расширения. Будет ли Вселенная расширяться вечно или она, в конце концов, снова сожмется — одна из фундаментальных проблем астрофизики.

С началом космической эры, когда появилась возможность проводить наблюдения с помощью спутников, пилотируемых и автоматическихстанций, наши представления о Вселенной существенно изменились. Невозможно перечислить все множество результатов, полученных на основе космических исследований. Приведем лишь краткий обзор, посвященный межпланетным полетам.

13.3. Полеты к Луне. Четырнадцатого сентября 1959 г. советская автоматическая станция «Луна-2» достигла поверхности Луны. Это был первый перелет с Земли на другое небесное тело. В октябре того же года «Луна-3» совершила облет Луны и передала изображение ее обратной невидимой стороны. Третьего февраля 1966 г. впервые осуществлена мягкая посадка на поверхность Луны советской станции «Луна-9».  В сентябре 1970 г. станция «Луна-16» совершила рейс Земля-Луна-Земля. В 1969-1972 гг. предприняты шесть успешных американских экспеди­ций по программе «Аполлон». В каждой участвовали три астронавта: двое совершали посадку на Луну, а третий оставался в основном блоке. Луна оказалась стерильной, на ней не обнаружено никаких форм жизни.

Анализ лунных пород показал, что возраст Луны и Земли одинаков: ~ 4,5 млрд. лет. Луна имеет расплавленное ядро, мантию и кору. Обнаружены области с повышенной плотностью — масконы. Тектонические процессы в недрах Луны закончились: конечная стадия лунной истории — состояние покоя. Вопрос о происхождении Луны остался нерешенным. В лунных породах чаще, чем в земных, встречаются металлы с высокой температурой плавления. Возможно, она образовалась в более высокотемпературных условиях, чем Земля. Любая теория ее происхождения должна также объяснить различие в плотностях Луны (~3,36 г/см³) и Земли (~5,56 г/см³).

Полеты к Венере. В настоящее время исследование внеземных миров возможно с помощью автоматических межпланетных станций (АМС). В результате пролета 14 декабря 1962 г, станции «Маринер-2» на расстоянии 35 тыс. км от Венеры было установлено, что период вращения планеты (243 сут.) больше, чем период вращения вокруг Солнца (224,7 сут.), т.е. на Венере день длиннее года. Другая интересная аномалия — Венера вращается вокруг оси в направлении, обратном по отношению к Земле и большинству планет. В 1966 г. станция «Венера-3» достигла поверхности, осуществив первый полет АМС на другую плане­ ту. В 1967 г. анализ данных, полученных станцией «Венера-4», показал, что атмосфера планеты состоит из углекислого газа — этот факт явился фундаментальным открытием в физике планет. «Венера-7», запущенная в августе 1970 г., передала информацию о давлении 9 МПа (такое давление на Земле создает вода на глубине 0,8 км) и температуре 475 ° (при которой кипят свинец и цинк).

Полеты к Марсу. Эти полеты начались с 1961 г. Четырнадцатого ноября 1971 г. АМС «Маринер-9» была успешно выведена на ор­ биту вокруг Марса и стала первым искусственным спутником планеты. Впервые мягкая посадка на Марс была осуществлена 2 декабря 1971 г. станцией «Марс-3», запущенной в мае 1971 г. Наиболее удивительным оказалось разнообразие отдельных его районов; наряду с огромными потухшими вулканами (Олимп, высота 27 км) существуют большие — до 2000 км в поперечнике — котловины. Атмосфера состоит из углекислого газа, давление у поверхности в сто раз меньше земного.

Получены фотографии двух спутников Марса — Фобоса и Деймоса. Фобос по форме напоминает картофелину размером   км с впади­нами и выступом, всегда обращенным к Марсу. Уникальная особенность Фобоса — наличие системы параллельных борозд, покрывающих более половины поверхности. Возможная причина образования борозд  гравитационное растяжение приливными силами.

Космический вояж к дальним планетам. В августе и сентябре 1977 г. начался полет АМС «Вояджер-2» и «Вояджер-1». Пятого марта 1979 г. «Вояджер-1» пролетел на расстоянии 286 000 км от Юпитера — самой загадочной и самой большой планеты Солнечной системы (масса в 318 раз больше массы Земли). Анализ изображения планеты и спутников привел к поразительным открытиям. Прежде всего, у Юпитера обнаружено кольцо на расстоянии 3/4 радиуса от центра планеты. Поскольку граница предела Роша (расстояние, на котором сила, действующая на «половинку» планеты со стороны другой планеты, начинает превосходить силу притяжения другой «половинкой» планеты спутника) находится на расстоянии 2,4Е то, по-видимому, кольцо образовалось в результате разрушения спутника приливными силами. Получены уникальные снимки непрерывно изменяющегося облачного покрова планеты. Неподвижным осталось Большое Красное пятно — гигантское возмущение (  тыс. км), впервые описанное более 300 лет назад Р. Гуком. На спутнике Ио обнаружены активно действующие вулканы — единственные вулканы внеземного происхождения.

Двенадцатого ноября 1980 г. «Вояджер-1» прошел на расстоянии 124 200 км от поверхности Сатурна. Открыты два спутника, не имеющиеаналогов в Солнечной системе, — они находятся на почти одинаковых орбитах и раз в четыре года «обмениваются» траекториями. Сближение со спутником Сатурна Титаном — основной целью полета — сделало достижение Урана невозможным; аппарат ушел в отдаленные районы Солнечной системы. Другой аппарат «Вояджер-2» совершил 9 июля 1979 г. пролет Юпитера, а 25 августа 1981г.— пролет Сатурна. Изображения, переданные двумя аппаратами, обнаружили тонкую структуру колец Сатурна— каждое из них состоит из тысяч отдельных узких полосок (шириной в несколько километров), образованных частицами льда и пыли размерами до 10 см, в которые погружены глыбы размерами порядка 15 м. Система колец представляет чрезвычайно динамическое образование — удалось наблюдать распространяющиеся по спирали волны плотности. Самый главный сюрприз — совершенно невероятная структура кольца F шириной 200 км с внешней границей, лежащей на расстоянии 2,3R. На снимках можно различить локальные утолщения и отдельные «нити», местами переплетенные, местами параллельные друг другу. Кольцо находится между орбитами двух маленьких спутников — гравитационных пастухов кольца.

После сближения с Юпитером и Сатурном программа полета была завершена. Тем не менее, учитывая уникальное расположение планет, которое бывает один раз в 180 лет, удалось направить «Вояджер-2» к Урану. Исследования спутников планеты были связаны с огромными трудностями — низкой освещенностью почти на границе солнечной системы и быстрым (немногим более суток) пролетом Урана. Кратковременность сближения обусловлена необычной геометрией системы Урана, который как бы «лежит на боку», — спутники вращаются вокруг оси, расположенной в плоскости эклиптики. В январе 1986 г. «Вояджер-2» прошел на расстоянии 81 000 км от облачного покрова Урана.

Было открыто одно новое кольцо и 10 его спутников (теперь их 15), невидимых с Земли из-за малых размеров. Системы колец и спутников Урана и Сатурна обнаружили поразительное сходство: несколько круп­ных спутников на удаленных орбитах и множество мелких, примыкающих к кольцам с внешней стороны. Этот переход находится вблизи предела Роша.

Траектория станции прошла на расстоянии 18 260 км от ближайшего к Урану спутника — Миранды. Положение станции на расстоянии почти 3 млрд. км от Земли определялось с точностью до 25 км. Рельеф Миранды ошеломил ученых. На снимках видны борозды, длина которых сравнима с радиусом спутника, равным 241 км. Наиболее интересная область, получившая название Шеврон, имеет форму трапеции. Резко выделяется угол, окаймляющий борозду глубиной 20 км — самое гигантское ущелье во всей Солнечной системе.

Изменив траекторию под действием Урана, «Вояджер-2» воспользовался преимуществом, которое представляет парад планет, и взял курс на Нептун. В августе 1989 г., через 12 лет после запуска, он прошел под облачным покровом Нептуна. Управляющие сигналы «запаздывали» на четыре часа шесть минут, проходя расстояние 4,5 млрд. км. У давно известного спутника— Тритона — обнаружены характерные признаки планеты — магнитное поле и атмосфера. Фотокамеры поймали изображения шести спутников и пяти колец, окружающих Нептун. Огромная штормовая система, получившая название Великого Темного Пятна, отмечена в его южном полушарии. К 2015 г. «Вояджер-2» подойдет к границе Солнечной системы. Пеленгация аппарата позволит получить новые данные о распределении полей тяготения. Этот посланец любознательных землян в 296 000-е годы пройдет в пределах 4,3 светового года от Сириуса. Шансы очень малы, но может быть кто-то обнаружит молчаливого странника и захочет узнать, кто же его послал.