Виктор Кузьмич Абалакин, Алла Семеновна Сочилина. Формирование и динамика Солнечной системы

Сканировал Игорь Степикин

Общество "ЗНАНИЕ" РСФСР

Ленинградская организация

В. К. АБАЛАКИН, доктор физико-математических наук;
А. С. СОЧИЛИНА, кандидат физико-математических наук
ФОРМИРОВАНИЕ И ДИНАМИКА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

(В помощь лектору)

Ленинград 1984

526

А 13

А 13 Абалакин В. К. и Сочилина А. С. Формирование и динамика Солнечной системы. -Л.: Знание, 1984.-32 с. (О-во "Знание" РСФСР. Ленингр. организация). 11000 экз.

На основе новых теоретических результатов и наблюдений, полученных в области изучения движения планетной системы, рассматриваются проблемы происхождении, развития, структуры и свойств движения планет и их спутников. Брошюра рассчитана на лекторов и широкий круг читателей.

1705050000-027 073(02)-84 29-83 526

Рекомендована к изданию объединенным научно-методическим советом по пропаганде естественно-научных знаний при Правлении Ленинградской организации общества "Знание" РСФСР.

О-во "Знание" РСФСР.

Ленингр. организация, 1984 г.

Вопрос о том, каким образом возникла Солнечная система со всеми ее особенностями, более или менее изученными современной астрономией, издавна привлекает интерес ученых и не утратил своей силы и остроты по настоящее время. Путь его решения продолжает оставаться тем же, что и в отдаленные времена: чаще всего выдвигается гипотеза о том, что существовала некогда протоматерия в изначальном состоянии и каким-то физическим процессом была доведена до стройной гармоничной системы современного мироздания. Критерием истины здесь, как и везде в астрономии, является соответствие предложенной гипотезы фактам, полученным из наблюдений, так что, по выражению шведских ученых X. Альвена и Г. Аррениуса: "Модель образования Солнечной системы, не выдержавшая испытания практикой, превращается в миф, хотя и украшенный дифференциальными уравнениями в соответствии с требованиями времени".

Таким образом, реалистический подход к описанию истории Солнечной системы должен опираться на решение, исключающее, насколько это возможно, абстрактные рассуждения и основанное на физических моделях и механизмах, как можно больше соответствующих наблюдениям.

Пользуясь обратимостью времени, из-за полного незнания начального состояния Солнечной системы в эпоху, отдаленную от нашего времени на 4-5 млрд. лет, к решению поставленной задачи применяют принцип "изучение настоящего дает ключ к пониманию прошлого". Эта задача принадлежит обширной научной области, называемой космогонией. Это слово произошло от слияния двух (греческих) слов "мир" и "порождать" и означает буквально "наука о рождении Вселенной".

Если раньше на вопрос, каким образом можно постичь тайны Вселенной, самым простым ответом был "Наблюдайте ее в самые большие телескопы", то в наше время ответ может быть таким: "Передавайте ее изображения с борта космических аппаратов и сопоставляйте их с теоретическими построениями и наземными наблюдениями".

В этом-то и состоит изначальная связь между наблюдениями и их интерпретацией в точных науках вообще, и в астрономии в частности. Эта связь была продемонстрирована астрономией, когда в телескоп видели кольца Сатурна как единое тело. Ученые доказали, что кольца должны состоять из отдельных частиц. Спектральные исследовании отраженного от колец света, с одной стороны, и непосредственные их наблюдения с помощью космических аппаратов, с другой, полностью подтвердили теоретические выводы Дж. К. Максвелла и С. В. Ковалевской.

В брошюре сделана попытка ответить на вопрос о том, как произошла Солнечная система в свете современных наблюдений и научных данных. Среди кардинальных проблем в области космогонии Солнечной системы выделяются следующие:

как велика Солнечная система;

произошли ли планеты вместе с Солнцем из одного и того же облака межзвездной материи;

каким образом шло формирование планет;

почему расстояния планет от Солнца подчиняются определенной закономерности.

На все эти вопросы можно ответить только на основе комплексных исследований, выполненных специалистами, работающими в областях небесной механики, геофизики, геохимии, геологии, астрофизики, радиоастрономии и звездной астрономии.

ГЛАВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В СТРОЕНИИ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Велик или мал размер нашей Солнечной системы? Для измерения расстояний в Солнечной системе введена астрономическая единица - а. е., выражающая среднее расстояние Земли от Солнца, равное 149597870 км. В 1 а. е. умещается более 23000 радиусов Земли, и свет от Солнца до Земли проходит за 8,3 мин. Большие планеты от самой близкой к Солнцу - Меркурия - до самой далекой - Плутона - размещены в диске с радиусом около 50 а. е.

Таким образом, по сравнению с нашими земными расстояниями Солнечная система огромна, а если на нее смотреть даже с самой близкой звезды - а (альфа) Центавра, то ее угловой поперечник не достигнет и 0,03°. Свет от этой звезды доходит до Земли за 4 года, а наблюдаемые звездные скопления находятся на расстояниях в несколько миллиардов световых лет, поэтому наша Солнечная система вполне может "потеряться" в этой бесконечно большой Вселенной.

Рис. 1. Планеты Солнечной системы.

В состав Солнечной системы входят 9 больших планет со своими 43 спутниками, 2782 малые планеты, известные ныне, и 679 комет. Число малых планет и комет постоянно растет. В последнее время ежегодно открывается до 300 новых объектов, но размер диаметра новых планет не превышает 10 км и они далее 5 а. е. даже в самые мощные современные телескопы практически невидимы, поэтому существование планетного "населения" за пределами 50 а. е. - только гипотеза. Если считать, что ближайшая звезда равна по массе Солнцу и находится на расстоянии около 270000 а. е., то точка, в которой уравновешиваются силы притяжения Солнца и a (альфа) Центавра, находится посреди разделяющего их расстояния. Следовательно, влияние Солнца распространяется по крайней мере на 135000 а. е.

Многие ученые разделяют мнение голландского астронома Я. Оорта, который считает, что в 100000 а. е. от Солнца сосредоточены громадные скопления ("облака") небольших тел, состоящих главным образом из каменистых пород и льда. Это - остатки протопланетного облака, из которых, возможно, до сих пор образуются кометы. На это указывает периодическое появление комет, которые приближаются к Солнцу по гиперболическим и параболическим орбитам. Возможно, что они под влиянием притяжения ближайших звезд изменяют свое круговое движение вокруг Солнца и начинают двигаться по очень вытянутым орбитам. При встрече с большими планетами на своем пути орбиты комет могут так преобразоваться, что кометы перестают удаляться от Солнца дальше орбит планет Юпитера или Сатурна и при очередном сближении с Солнцем наблюдаются с Земли.

Однако если придерживаться общепринятой гипотезы о размере протопланетного облака, то более правдоподобно мнение американских ученых А. Камерона и Ф. Уиппла, которые считают, что кометный пояс, образовавшийся на периферии Солнечной системы, находится за орбитой Плутона на расстоянии от 40 до 50 а. е. Пояс состоит из небольших тел, которые не наблюдаются с Земли, но их влияние проявляется в отклонении Нептуна и Плутона от их вычисленных орбит. Судя по отклонениям, масса всех тел кометного пояса, возможно, превышает массу Земли в 10 или 20 раз.

При более детальном изучении планет и спутников, а также динамических свойств их орбит оказывается, что все тела Солнечной системы подчиняются некоторым закономерностям, свидетельствующим только об их общем происхождении. Прежде всего все планеты движутся вокруг Солнца по почти круговым орбитам (рис. 1). Направление движения планет по орбитам, как правило, совпадает с направлением их осевого вращения, а также с направлением вращения самого Солнца вокруг его оси. Оси вращения планет почти перпендикулярны к плоскости их орбит, а сами орбиты лежат примерно в одной плоскости. Спутники планет движутся в основном в экваториальных плоскостях своих планет, и направление их движения совпадает с направлением вращения центральных планет.

В табл. 1 приведены данные о планетах: масса, диаметр, плотность, а также характеристики их орбит.

Таблица 1

Основные характеристики планет и их орбит

Планеты

Планеты	Масса, в массах Солнца	Диаметр, в км	Плотность, в г/см³	Среднее расстояние от Солнца a, в а.е.	Эксцентриситет орбиты e	Период движения планеты по орбитам P, в годах
Меркурий	1:6000000	4880	5,4	0,39	0,205	0,24
Венера	1:408000	12200	5,1	0,62	0,007	0,62
Земля	1:332951	12756	5,5	1,00	0,017	1,00
Марс	1:3088000	6824	3,9	1,52	0,093	1,88
Астероиды	1:3000000	1-1000	3,2-7,3	2,2-3,2	0,05-0,25	3,2-5,6
Юпитер	1:1047	142840	1,3	5,2	0,018	11,86
Сатурн	1:3500	120660	0,7	9,54	0,054	29,46
Уран	1:22869	49720	1,6	19,19	0,050	84,01
Нептун	1:18889	53500	2,2	30,06	0,005	164,8
Плутон	1:3000000	3000	1,9(?)	3952	0,246	247,7

Первые четыре планеты имеют примерно одинаковые размеры и плотности и называются планетами земной группы, или внутренними. Планеты, которые находятся за поясом астероидов, имеют невысокую плотность, весьма большие размеры и многочисленных спутников. Их называют внешними планетами.

Распределение планет по их расстояниям от Солнца - одно из самых удивительных свойств планетных орбит. В конце XVIII в. И. Тициус и И. Боде открыли эмпирическую закономерность, которой подчинены планетные расстояния. Тогда еще не были известны ни Уран, ни заурановые планеты, ни малые планеты, или астероиды. Закон Тициуса -Боде, так же как и периодическая система Д. И. Менделеева, позволившая предсказать свойства еще не открытых химических элементов, помог определить расстояния от Солнца не открытых планет. Закон Тициуса-Боде не является физическим законом в полном смысле этого слова, так как его физическая природа полностью не разгадана. Некоторые физики видят сходство этого закона с ранней квантовой теорией атома водорода, разработанной Н. Бором, и считают его свойством гравитации, а космогонисты - проявлением свойств начального состояния протопланетного облака, поэтому обоснование закона Тициуса- Боде до сих пор интересует ученых и существуют многочисленные его выражения, одно из которых имеет вид

a_n+1/a_n=1,75±0,20, где a_n - расстояние n-й планеты от Солнца.

Существует еще одно интересное свойство Солнечной системы: спутники планет по своей массе составляют примерно такую же часть от масс планет, какую сами планеты - от массы Солнца. Это свойство, по-видимому, также связано с процессом образования Солнечной системы. Число открываемых спутников планет постепенно растет. В настоящее время их насчитывается уже более 40. В табл. 2 приведены параметры орбит спутников.

Таблица 2 Элементы орбит спутников планет и размеры спутников

Однако не все перечисленные закономерности строения Солнечной системы точно выполняются. Полное объяснение исключительных явлений в рамках единой теории происхождения Солнечной системы должно служить главным критерием правильности исходных предположений и самой теории.

Солнце - одна из многочисленных звезд, образующих огромную звездную систему - Галактику, к которой принадлежит наша Солнечная система. Современные данные звездной астрономии показывают, что из всех звезд типа Солнца в Галактике 54% являются двойными т.е. обращающимися около общего центра масс, 13% имеют массивные темные спутники и лишь у 11% могут быть планетные системы.

Одним из основных признаков, характеризующих тип звезды, считается ее температура; температура определяет также цвет звезды. Наиболее горячие звезды имеют голубой и белый цвета, звезды похожие на наше Солнце, - желтый, а более холодные - красный. Если считать, что звезды голубого и белого цветов, излучая в пространство огромное количество энергии, постепенно "сгорают" и "стареют", то звезды желтого цвета, вероятно, находятся в середине своей жизни. Еще одним признаком возраста звезды может служить скорость ее вращения. Установлено, что более массивные и горячие звезды вращаются быстро, а звезды типа Солнца - медленно. Уменьшение вращательного момента звезды, возможно, происходит из-за непрерывной потери ее массы.

Солнце силой своего притяжения наряду с силами взаимного притяжения планет и спутников определяет динамику всей Солнечной системы. Кроме тепла и света, Солнце излучает в пространство потоки заряженных частиц (солнечную плазму), или "солнечный ветер", который формируется в очень горячей солнечной короне. Впервые солнечный ветер был зарегистрирован советскими космическими аппаратами (КА) "Луна-1" и "Луна-2", а первые точные измерения были выполнены КА "Луна-3" в 1959 г. Через 3 года, во время полета американского КА "Маринер-2" к Венере, было обнаружено, что солнечный ветер "дует" с переменной скоростью и солнечная плазма разгоняется давлением солнечной радиации. Она приобретает свою начальную скорость над поверхностью Солнца и около Земли уже достигает 400 км/с, при отдельных порывах ветра -725. Следы действия солнечного ветра в виде микроскопических отверстий были обнаружены в образцах лунных пород, собранных астронавтами - членами экипажа КА "Аполлон-15" Дж. Ирвингом и Д. Скоттом во время их экспедиции на поверхности Луны. Солнечный ветер проявляется и при образовании кометных хвостов, которые состоят из мелких частиц и удаляются от Солнца под влиянием этого ветра. Солнечная радиация и ветер "выдувают" также все мелкие пылевые частицы и молекулы газа из окрестностей Солнца, потому роль "солнечного ветра" была особенно велика во время формирования планет, когда Солнце находилось на начальной стадии своего развития и было более горячим.

Меркурий - небольшая и самая близкая к Солнцу планета. Ее диаметр сравним с диаметром Луны. Близость Меркурия к Солнцу делает его весьма трудным объектом для наземных астрономических наблюдений. Увидеть Меркурий можно только во время наибольших его удалений от Солнца (примерно за 1,5 ч до восхода или спустя 1,5 ч после захода Солнца). Меркурий можно наблюдать и днем во время довольно редких прохождений его по диску Солнца. Последнее такое прохождение было 10 ноября 1973 г., а следующие в нашем столетии будут наблюдаться 13 ноября 1986, 6 ноября 1993 и 15 ноября 1999 гг. Из-за трудностей наблюдения Меркурия долгое время не удавалось определить период его осевого вращения. Только в 1962 г. с помощью радиоастрономических методов этот период был найден и оказался равным 58 суткам. Таким образом, отношение периодов вращения и обращения Меркурия по орбите составляет 2:3. Это довольно редкий пример резонансного вращения. Значительно чаще встречающееся соотношение 1 : 1 между периодами вращения вокруг оси и обращения по орбите имеют Луна, спутники Марса, а также некоторые спутники Юпитера и Сатурна. Наиболее детальные и достоверные сведения о Меркурии были получены при помощи КА "Маринер-10", запущенного с Земли 4 сентября 1973 г. Первая встреча с Меркурием произошла 29 марта 1974 г., после чего КА начал двигаться вокруг Солнца, возвращаясь к Меркурию каждые 176 суток. Фотографии с борта КА, полученные с расстояния 756 км от поверхности Меркурия, показали, что на ней находится большое число кратеров. Приборы "Маринера-10" обнаружили слабое магнитное поле и измерили температуру на поверхности планеты (-173°С на ночной стороне и +427° на дневной). Существование магнитного поля Меркурия свидетельствует о наличии железного ядра, диаметр которого равен 3660 км.

Венера - следующая после Меркурия от Солнца планета. Она часто бывает одной из самых ярких звезд на небе. Сверкая в разрывах облаков, она производит впечатление летящей, и ее можно принять за космический межзвездный корабль.

По своим размерам Венера похожа на Землю, и долгое время предполагали, что когда удастся проникнуть сквозь толстый слой облаков, надежно скрывающий поверхность Венеры, там будет обнаружена жизнь, подобная жизни на Земле в мезозойскую эру. Только с помощью серии советских КА "Венера-1" - "Венера-14" удалось раскрыть тайны планеты. Оказалось, что она окружена сверхплотной атмосферой, вблизи ее поверхности давление достигает 90 атм, а температура - +475° С! Сверхплотная атмосфера задерживает тепло, и даже ночью на неосвещенной стороне планеты разогретые камни светятся красным светом. Вся поверхность Венеры покрыта кратерами как вулканического, так и метеоритного происхождения. Потоки лавы образовали на Венере мощный покров, который от сотрясения превращается в огромные каменные россыпи. Переданные с помощью КА на Землю панорамы Венеры демонстрируют беспорядочное нагромождение камней.

Радиолокационными методами удалось определить период вращения Венеры вокруг оси, который равен 243 суткам; оказалось, что Венера вращается в обратном направлении по сравнению с движением по орбите. В основу многих гипотез, объясняющих ее обратное вращение, положена идея о возможном столкновении планеты с массивным телом несколько миллиардов лег назад.

Земля среди всех планет - единственная, на которой имеются чрезвычайно благоприятные условия для существования жизни. Достаточно быстрое вращение Земли не позволяет ей, как Меркурию, перегреваться от солнечной радиации, а магнитное поле Земли защищает все живое от губительного действия космических лучей и солнечного ветра. Почти круговая орбита и сравнительно небольшое расстояние от Солнца позволяют равномерно получать тепло в достаточном количестве в течение года.

Земля является наиболее изученным небесным телом. Хорошо известны форма Земли и ее внутреннее строение. Очень точно измерена средняя скорость ее вращения. Последние исследования показали, что земные сутки периодически изменяются на величину ±0,01 с. Хотя эта величина чрезвычайно мала, но при наблюдениях искусственных спутников Земли точность в отсчетах времени требуется на несколько порядков выше. Современные наблюдения искусственных спутников и Луны методами лазерной светолокации позволяют определить расстояния на земной поверхности с очень высокой точностью и, следовательно, приступить к практическому решению задачи о дрейфе континентов, который оценивается в 1- 4 см/год, а в конечном итоге - к решению проблемы о происхождении и эволюции Земли.

По геологическим данным, возраст Земли оценивается в 4,6 млрд. лет. Самые древние породы, известные на Земле, образовались 3,8 млрд. лет назад, поэтому примерно 800 млн. лет ранней эволюции Земли могут быть прослежены только на основе исследований метеоритного вещества.

Исследование образцов лунного грунта, доставленного на Землю, внесло существенный вклад в решение проблемы происхождения Солнечной системы. Луна в некотором роде может служить аналогом Земли. В то же время многие процессы на Луне из-за ее небольшого размера прошли в ускоренном темпе, а из-за отсутствия атмосферы и жизни Луна представляет собой "лабораторию", в которой хорошо сохранились различные этапы ее эволюции. Результаты анализа как земных, так и лунных пород не оставляют сомнении в том, что оба эти тела произошли одновременно в результате аккумуляции твердых тел небольших размеров при низких или умеренных температурах. Под влиянием гравитационного сжатия и излучения Солнца начался разогрев этих тел, при этом легкие породы остались наверху, а тяжелые стали опускаться на глубину. Массовое выпадение первичных тел протопланетного облака на поверхность образовавшихся планет прекратилось примерно 4 млрд. лет назад, о чем свидетельствует возраст образовавшихся на Луне кратеров. Затем по мере дальнейшего внутреннего разогрева за счет радиоактивного тепла начались излияния лавы, которая затопила ранее возникшие кратеры. На Луне затопления лавой носят название "морей", так как они по своему темному цвету и гладкости напоминают моря. В северной половине видимого полушария Луны расположено Море Дождей. При исследовании Моря Дождей был обнаружен первичный кратер диаметром в 1240 км, затопленный лавой. Возраст кратера приблизительно равен 3,9 млрд. лет. Заполнение лавой началось через 100 млн. лет после его образования и продолжалось около 500 млн. лет. Наиболее молодые породы Моря Дождей имеют возраст 3 млрд. лет, поэтому предполагается, что примерно в это время прекратилась вулканическая деятельность на Луне, а падение метеоритов продолжалось. Под действием ударной обработки метеоритами при отсутствии атмосферы поверхность Луны покрылась толстым слоем пыли и мелких осколков (реголитом), глубина которого составляет от 4 до 12 м. В своей эволюции Луна из-за небольшого размера пропустила физико-химическую стадию разогрева, которая на Земле наступила через 1-2 млрд. лет после ее образования. Энергия химических реакций сравнима с энергией гравитационного сжатия и радиоактивного распада, и она, по-видимому, внесла существенный вклад в эволюцию Земли, определив ее внутреннее строение и нынешнюю вулканическую активность.

Исследование первичного вещества, из которого образовались планеты, имеет большое значение для изучения планетной системы. Метеориты как раз представляют собой такое первичное вещество. Метеорные тела являются либо мелкими астероидами, либо остатками разрушенных комет, выпадают на Землю, когда их орбиты пересекают орбиту Земли. По своему составу они делятся на несколько групп, начиная от каменных и кончая железными. Размеры метеоритов очень разнообразны. Проходя через атмосферу Земли, метеоры частично сгорают, поэтому метеорные тела могут представлять собой и мелкие камешки размером в несколько сантиметров, и большие глыбы до 1 км в диаметре. К счастью, с подобными глыбами Земля встречается примерно один раз за 50 млн. лет.

Земная поверхность "хранит память" о встречах с небесными телами, от падения которых на Землю образуются большие кратеры, или, как их называют, астроблемы. В настоящее время известно около 90 астроблем на всей земной поверхности. Возможно, что некоторые кратеры находятся на дне океанов. Одна из самых больших астроблем обнаружена в северо-западной Сибири на р. Попигай. Диаметр астроблемы равен 100 км, а возраст оценивается в несколько десятков миллионов лет. Если бы диаметр встречного тела или астероида составлял несколько километров, то падение такого тела на поверхность Земли могло бы привести к катастрофическим последствиям. Существует гипотеза, что экологический кризис, разразившийся 65 млн. лет назад и приведший к гибели 75% видов живых организмов, был следствием встречи Земли с астероидом диаметром в несколько километров. На падение такого тела указывает удивительно высокая концентрация иридия - элемента платиновой группы, который встречается в слоях земной поверхности в 1000 раз реже, чем в метеоритах. На концентрацию иридия, найденную в слоях третичного периода в нескольких регионах Земли (в Италии. Дании и Новой Зеландии), обратила внимание группа физиков во главе с лауреатом Нобелевской премии Л. Альваресом. "Иридиевую аномалию" можно объяснить либо выпадением метеоритного дождя, либо падением одного гигантского метеорита. Если считать, что после удара метеорита о поверхность Земли в атмосферу было выброшено и затем рассеяно по всей Земле 22% массы метеоритного тела, то общая масса его должна быть равной 3,4 на 10 в 17 степени г, а его диаметр - около 10 км. Выброс пыли в атмосферу при этом должен был превышать в 1000 раз общее количество пепла при последнем извержении вулкана Кракатау. От такого количества пыли атмосфера должна была помутнеть настолько, что в течение нескольких лет освещенность в солнечный день была бы такой же, какая бывает в обычную лунную ночь, а это могло привести к резкому похолоданию на всей Земле. Интересны были бы и динамические последствия удара подобного метеорита, но таких оценок пока не сделано, зато рассмотрены динамические следствия падения метеорного тела на обратную сторону Луны.

В "Хрониках" Гервасия Кентерберийского записано, что 18 июня 1178 г. наблюдалось удивительное явление: от узкого серпа молодой Луны отщепился верхний рог, и из щели вырвался пылающий факел. В 1976 г. Дж. Гартунг высказал предположение, что это наблюдение было связано с образованием кратера на обратной стороне Луны, названного именем Дж. Бруно. Этот кратер диаметром в 20 км - одно из самых молодых образований и обладает системой лучей, указывающих на выброс вещества. В 1978 г. Дж. Малголланд и О. Калим произвели вычисления и показали, что траектория выброшенного вещества из кратера Дж. Бруно была столь высокой, что это явление можно было наблюдать с Земли. Удар метеорита такой силы должен был вызвать периодические колебания Луны относительно ее оси вращения порядка нескольких дуговых секунд. По лазерным измерениям расстояний от Земли до уголковых отражателей, доставленных на Луну КА "Аполлон" и установленных на советских самоходных автоматах "Луноходах 1 и 2", ученым удалось определить фактическую амплитуду свободных колебаний Луны, равную 1,8".

Марс - последняя планета, относящаяся к планетам земной группы. Он значительно меньше Земли, но по многим характеристикам похож на Землю. Период суточного вращения Марса близок к земному, и сутки на Марсе равны 24 ч 37 мин 23 с. Наклон оси вращения к плоскости орбиты отличается всего на 0,5° от наклона земной оси, поэтому на Марсе наблюдаются сезонные изменения.

Марс давно привлекает внимание землян, так как долгое время считалось, что на Марсе возможна жизнь. Однако исследования Марса с помощью КА пока не обнаружили на нем жизни. На Марсе очень разреженная атмосфера: ее плотность составляет 0,01 земной, а температура колеблется от -120 до + 10° С. Тем не менее Марс, по-видимому, будет первой планетой, куда отправятся земляне. Американский конструктор КА Вернер фон Браун назвал даже примерный срок этого события: "...Двадцать первый век, вероятно, будет свидетелем экспедиции с человеком на борту на красную планету, а позднее там будут организованы такие же базы, как в Антарктиде, на которых люди будут жить годами для того, чтобы исследовать эту фантастическую планету. Возможно, что первое путешествие будет международным и обобщит опыт „Аполлона-Союза"". Здесь следует заметить, что полеты на другие планеты могут осуществляться только в определенные периоды, зависящие от взаимного расположения планет. Условия выбираются таким образом, чтобы свести к минимуму все энергетические затраты. В этой связи необходимо упомянуть период с 1976 по 1978 г., который был особенно благоприятен для последовательного исследования нескольких внешних планет Солнечной системы. Взаимное расположение планет в этот период было таким, что, достигнув Юпитера, КА под влиянием силы тяготения этой планеты переходил на орбиту полета к Сатурну, далее Сатурн направлял его к Урану, а Уран - к Нептуну. Такой период дли повторения космического полета по программе "Большой тур" наступит лишь в 2155 г. Конечно, можно обойтись и без помощи гравитационных полей "промежуточных" планет, однако полег к Урану в этом случае продлится 16 лет, а к Нептуну - 20, тогда как "гравитационный маневр" позволяет сократить это время перелета до 9 и 12 лет соответственно.

С помощью КА, запущенных к Марсу, удалось получить новые сведения о природных условиях на этой планете, а также сфотографировать вблизи спутники Марса. Они были открыты более 100 лет назад американским астрономом А. Холлом, который в течение нескольких лет занимался их систематическим поиском. Спутники Марса - очень небольшие тела (см. табл. 2). Они скорее похожи на первичные тела - планетезимали, из которых формировались большие планеты. В 1945 г. в движении спутников Марса английский астроном Б. Шарплесс обнаружил ускорение, которое не объяснялось законами небесной механики. Ускорение в движении небесного тела - это исключительное явление, и оно может быть объяснено либо наличием сопротивляющейся среды, либо приливными силами, возникающими при взаимодействии жидких тел. Например, влияние приливных сил в системе Земля-Луна вызывает изменение их взаимного расстояния около 3 см в год. Обнаруженное изменение в расстоянии Марс-Фобос на порядок, т. е. в 10 раз, превышает эту величину. Из-за отсутствия сопротивляющейся среды в окрестности орбит спутников Марса ускорение объясняется одной причиной - приливным действием, но не все исследователи придерживаются этого мнения. Некоторые склонны приписать это ускорение неточности наблюдений, полученных в прошлом столетии.

Пояс астероидов. "Назначенное" законом планетных расстояний Тициуса-Боде место между Марсом и Юпитером пустовало до 1801 г., когда, наконец, была открыта планета Церера и определена ее орбита. Но вскоре с аналогичными орбитами были обнаружены, еще три планеты: Паллада, Юнона и Веста. Из-за малых размеров и большого внешнего сходства со звездами их начали называть либо малыми планетами, либо астероидами - "звездоподобными". Постепенно поток новых малых планет стал увеличиваться, в то время как их размеры стали сокращаться. И если диаметр Цереры равен примерно 1000 км, то диаметры астероидов, открываемых в настоящее время, редко превышают 10 км. Ежегодник "Эфемериды малых планет на 1983 год", который издается в Ленинграде Институтом теоретической астрономии АН СССР, содержит сведения о 2474 малых планетах, а следующий его выпуск на 1984 г. - уже о 2782 планетах.

Большая часть астероидов занимает кольцевую область с радиусами от 2,3 до 3,2 а. е. Нетрудно подсчитать, что на квадрат площади со стороной около 10 млн. км приходится один астероид, который уже открыт, и небольшое количество мелких тел, пока недоступных наблюдениям современными телескопами, поэтому КА "Пионеры" и "Вояжеры" прошли через пояс астероидов совершенно беспрепятственно. Однако оказывается, что малые планеты движутся не только в этой области. Существуют группы малых планет, которые движутся вблизи орбит Земли и Юпитера. Недавно открыта малая планета, находящаяся за орбитой Юпитера. Ее среднее расстояние от Солнца равно 13 а. е., и она получила имя Хирон. Особенно интересны группы планет, имеющие вытянутые орбиты и в своем движении пересекающие орбиты Земли и Марса.

Это - группы астероидов типа Аполлон и Амур. Малые планеты группы Аполлона могут близко подходить к Земле, одна из них - планета Икар - в 1968 г. прошла от Земли на расстоянии 6,8 млн. км, а другая - Эрос - в январе 1975 г. находилась от Земли на расстоянии 23 млн. км. Не исключено, что при очередном возвращении эти планеты подойдут к Земле еще ближе. Поэтому один из проектов предотвращения более "тесных и опасных встреч" состоит в посылке ракеты навстречу астероиду с целью его полного разрушения, но для этого необходимо знать химико-минералогический состав астероидов. На основании результатов исследования метеоритов считается, что астероиды по своему составу распределяются по группам: 93% - каменные, 1% -железо-каменные, 6%-железные.

На движение малых планет сильно влияет самая большая и самая близкая к поясу астероидов планета - Юпитер. Наибольшее влияние Юпитер оказывает на планеты, движение которых соизмеримо с его движением. Однако астероиды, движения которых соизмеримы с Юпитером в соотношениях 2:1, 3:1, 5:2, 7:3, не существуют. Практически это означает, что на определенных расстояниях от Солнца внутри пояса астероидов образуются пустые пространства, или "люки" Кирквуда, названные так по имени первого исследователя соизмеримостей в движении малых планет. Удовлетворительного объяснения этого явления пока нет, но некоторым ученым удалось решить так называемые модельные задачи. Оказывается, что под влиянием притяжения Юпитера орбиты малых планет начинают вытягиваться. Пересекая на своем пути орбиты других планет, движущихся вокруг Солнца по круговым орбитам, малые планеты могут сталкиваться друг с другом и давать начало роям более мелких планет. Конечно, такой процесс протекает очень медленно и продолжается до сих пор.

Юпитер - самая большая планета в Солнечной системе. По своему химическому составу Юпитер ближе к Солнцу, чем к планетам земной группы. Кроме того, сам Юпитер излучает в пространство больше тепла, чем получает от Солнца. Расстояния орбит спутников Юпитера подчиняются тому же закону Тициуса- Боде. Все вместе взятое позволяет рассматривать Юпитер с его спутниками как миниатюрную планетную систему. Подобными же свойствами обладают системы планет Сатурн и Уран, поэтому исследование эволюции этих систем может помочь решению общей проблемы - происхождения всей Солнечной системы. С помощью КА "Пионеров" и "Вояжеров" получена ценная научная информация о физическом строении тел системы Юпитера, открыты новые спутники и обнаружено вокруг него узкое пылевое кольцо. По динамическим особенностям движения спутники Юпитера можно разделить на 4 группы. В первую группу входят 4 самых близких к Юпитеру спутника, которые открыты совсем недавно и пока недостаточно изучены. Во вторую группу входят самые массивные спутники, открытые еще Г. Галилеем в 1610 г. Эти спутники, хотя и обнаружены с помощью телескопа, доступны для наблюдений человеку с острым зрением. Например, в древних китайских хрониках есть упоминания, что астроном Ган Дэ наблюдал их в IV веке до н. э. (В этой связи интересно сообщение известного исследователя Арктики Ф. Л. Врангеля о якуте, видевшем "простыми глазами" спутники Юпитера. Академик А. Ф. Мидлендорф (1815-1894) объяснил это не столько зоркостью человека, сколько необычайной прозрачностью воздуха в Сибири во время сильных морозов.) Галилеевы спутники сыграли большую роль в становлении небесной механики как науки. Это был новый класс объектов, которые двигались не вокруг Земли, а вокруг другой планеты, что было первым независимым доказательством в пользу системы мира, созданной Н. Коперником. Галилеевы спутники в свое время имели большое значение в морской навигации, так как они были своеобразными небесными часами. Мореплаватели легко находили долготу местоположения своего корабля от Гринича (Гринвича), определив момент затмения спутника по местному времени и зная из "Морского ежегодника" момент наступления этого явления по гриничскому времени. В течение нескольких столетий практические задачи вдохновляли астрономов на исследование движения галилеевых спутников. В 1675 г. датский астроном Оле Рёмер по наблюдениям затмении этих спутников определил скорость света. Продолжительные наблюдения спутников помогли заметить одну особенность в их движении. Оказалось, что средняя долгота положения первого спутника без утроенной долготы второго плюс удвоенная долгота третьего почти в точности равна 180°. Это был первый пример резонансного движения в Солнечной системе. Затем были обнаружены подобные соотношения у спутников Сатурна и Урана, найдены соизмеримости в движении Плутона и Нептуна, Венеры и Земли, а также малых планет и Юпитера. Третья группа спутников Юпитера называется группой Гималии. Они имеют слегка вытянутые орбиты и значительный наклон к экватору планеты. Эти спутники, как и спутники четвертой группы, имеют небольшие размеры. Спутникам четвертой группы свойственны обратное движение, вытянутые орбиты и большие наклоны их к экватору. Они еще называются нерегулярными, и проблема их происхождения - одна из интересных в космогонии. Проведенные вычисления по теоретическим моделям позволяют построить гипотезу, что спутники Юпитера - захваченные им астероиды.

Сатурн. Исследования Сатурна и его спутников с помощью КА серии "Вояжер" существенно увеличили наши знания об этой далекой планете-гиганте. Неожиданным открытием в результате пролета КА и передачи изображений на Землю следует считать обнаружение тонкой структуры колец Сатурна. Кольца Сатурна как уникальное явление в Солнечной системе давно привлекали внимание астрономов. В самые большие телескопы удавалось рассмотреть только несколько отдельных колец, а также прозрачные области (деления) кольца, или "щели" Кассини и Энке, названные так в честь открывших их ученых, а теперь доказано, что кольцо слагается из многих сотен отдельных колец, при этом некоторые из них имеют небольшую вытянутость. Кольца состоят из мелких частиц материи, но встречаются и обломки довольно больших глыб неправильной формы. В табл. 2 приводятся расстояния внутреннего и внешнего контуров колец Сатурна и периоды их обращения вокруг него. По сравнению с шириной общего кольца, составляющего около 80 тыс. км, толщина его невелика и равна всего 1,3 км. Пустоты и "щели" в кольце соответствуют расстояниям, на которых движение частиц было бы соизмеримо с движением спутников Сатурна -Титана и Мимаса. Таким образом, для объяснения "щелей" в кольце Сатурна и "люков" Кирквуда в поясе астероидов следует искать общую причину.

Уран - планета, к которой подойдет "Вояжер-2" в 1986 г. Уран отличается от всех планет тем, что его ось вращения лежит, почти в плоскости орбиты. Советский ученый В. С. Сафронов предполагает, что Уран на заключительной стадии своего образования подвергся сильным ударам первичных тел, что повлекло за собой изменение направления его оси вращения почти на 90°. В 1977 г. у Урана были обнаружены пылевые кольца, но они настолько разрежены и к тому же плохо отражают свет, что их удалось увидеть только в момент прохождения Урана на фоне слабой звезды.

Нептун известен тем, что его открытие в 1846 г. было сделано на основе теоретического анализа расхождений наблюдаемых и вычисленных положений Урана, выполненного знаменитым французским ученым У. Леверье (1811-1877). С момента открытия Нептун еще не сделал целого оборота вокруг Солнца, это событие произойдет только в 2010 г. Однако, по недавним исследованиям Ч. Коваля (США) и С. Дрейка (Канада), появились доказательства, что Галилей наблюдал Нептун в 1612 г. и даже сделал его зарисовку, но он принял его за звезду, а не за планету. В 1795 г. Ж. Лаланд сделал записи в журнале наблюдений о неизвестной планете, но их затем сочли ошибочными. Таким образом, появляется возможность проверить теорию движения этой планеты на 370-летнем интервале времени. Нептун во многом напоминает Уран. У обеих планет примерно одинаковые плотности, химический состав и, по-видимому, строение недр. У Нептуна 2 спутника: один очень большой - Тритон, который необычен тем, что движется в обратном направлении, а другой спутник - Нереида - имеет самую вытянутую орбиту среди всех известных спутников планет Солнечной системы. Есть предположение, что у Нептуна имеется еще и третий спутник (табл. 2).

Плутон - самая далекая от Солнца планета; она была открыта уже в нашем столетии в 1930 г. американским астрономом К. Томбо. По своей массе Плутон - самая маленькая планета. По мере накопления наблюдений величина его массы все время уменьшается. По размеру Плутон даже меньше Луны, поэтому одна из гипотез происхождения Плутона состоит в том, что он раньше был спутником Нептуна. В 1978 г. американские ученые Р. Харрингтон и Т. ван Фландсрн провели численный эксперимент и показали, что Плутон мог покинуть Нептун в результате тесного сближения с третьим, довольно массивным небесным телом. Возникшие при этом приливные силы должны были расколоть Плутон на две части, а совсем недавно у Плутона был открыт очень близкий и довольно большой спутник - Харон, который делает полный оборот вокруг Плутона за 6 суток и 9 ч. Если Плутон в самом деле перестал быть спутником Нептуна в результате катастрофического сближения, то, по-видимому, могли остаться некоторые признаки этого сближения и на поверхности самого Нептуна. Что же произошло на самом деле, возможно, удастся выяснить после пролета в 1989 г. "Вояжера-2" в окрестности Нептуна.

В этом разделе обрисованы свойства основных тел Солнечной системы и особенности их движения и вращения. Но для того чтобы проникнуть немного в сущность этих свойств, остановимся на главном законе - законе всемирного тяготения, который управляет динамикой взаимно притягивающихся материальных тел.

ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ НЬЮТОНА - ОСНОВА ДИНАМИКИ ПЛАНЕТ И СПУТНИКОВ

Самое простое свидетельство движения Земли вокруг Солнца состоит в каждодневном изменении положения точек восхода и захода Солнца. Начиная с 21 декабря точки восхода и захода смещаются по направлению к северу, и наибольшая угловая высота Солнца над горизонтом постоянно увеличивается. Но после 22 июня картина изменяется противоположным образом, т. е. точки восхода и захода начинают передвигаться к югу, а максимальная высота Солнца уменьшается. Если мысленно соединить все максимальные высоты, то получим направление видимого пути Солнца на небесной сфере - так называемой эклиптики. Если звезды можно было бы видеть днем, а это случается во время полного солнечного затмения, то мы заметили бы, что в течение года путь Солнца проходит через 12 зодиакальных созвездий ("пояс зверей"), условные изображения которых часто появляются на современных календарях. Но еще со времени Н. Коперника (1473-1543) известно, что видимая траектория движения Солнца представляет собой проекцию на небесную сферу орбиты Земли, двигающейся вокруг Солнца. Планеты (в переводе с греческого "блуждающие звезды") в своем движении вокруг Солнца проходят на фоне того же пояса зодиака. Звезды из-за своей удаленности кажутся нам неподвижными, а планеты благодаря своему перемещению относительно звезд легко различаются. Но скорость их движения в зависимости от их расстояния от Солнца очень разнообразна. Например, Меркурий движется со скоростью 4° в сутки, а Плутон - со скоростью 1,5° в год.

Постоянное наблюдение за небесными светилами научило человека вести счет времени и ориентироваться на земле и в море. Но для того чтобы разгадать законы движения планет и построить систему мироздания, потребовались тысячелетия систематических наблюдений за звездным небом. Основанная на наблюдениях система мира Коперника серьезно подорвала основы религии, и ожесточенная борьба против его учения продолжалась более столетия и стоила жизни не только Дж. Бруно (1548-1600). Однако Коперник сделал первый шаг, показав, что Солнце, а не Земля, как считали со времен Кл. Птолемея (87-165 н. э.). является центром планетной системы.

Необходимая точность наблюдений для обнаружения закономерностей в движении планет была достигнута в конце XVI в. известным датским астрономом Тихо Браге (1546 - 1601). Он получил в свое распоряжение от короля Фридриха II остров Вен в проливе Зунд, где построил первоклассную по тем временам обсерваторию "Ураниборг". В 1597 г. после смерти короля Тихо Браге покинул Данию и, взяв с собой все журналы с записями наблюдений и инструменты, переехал в Прагу. Прочитав труды тогда еще молодого И. Кеплера (1571 - 1630), работавшего в Австрии, Тихо Браге пригласил его к себе. Кеплер также был заинтересован в получении точнейших наблюдений планет того времени и намеревался с их помощью проверить свои теоретические выводы о движении планет. В 1609 г. из печати вышла книга Кеплера "Новая астрономия, причинно обусловленная, или физика неба, изложенная в исследованиях звезды Марс, по наблюдениям благороднейшего мужа Тихо Браге". В этой книге Кеплер впервые представил орбиту Марса одной замкнутой кривой - эллипсом, а не системой окружностей (эпициклов и деферентов), как было принято еще со времен Птолемея. В 1626 г. Кеплер опубликовал свои таблицы движения планет, известные под названием "Рудольфовы таблицы". К этому времени Кеплер окончательно сформулировал открытые им законы движения планет: I. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. II. Площадь сектора, описываемого радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. III. Квадраты периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей орбит.

Узнав форму кривых, описываемых планетами вокруг Солнца, Кеплер был близок к принципу, из которого вытекали все его законы. В одном из своих сочинений он писал: "Два раздельных тела стремятся друг к другу, как два магнита, перемещаясь, чтобы соединиться на расстоянии, обратно пропорциональном их массам".

Общий принцип движения небесных тел был найден И. Ньютоном (1643-1727). Французский ученый П. С. Лаплас (1749- 1827), последователь Ньютона и автор первого трактата в пяти томах по небесной механике, так оценивает вклад Ньютона в науку: "Наградив его величайшей гениальностью, природа еще позаботилась о том, чтобы он жил в самых благоприятных условиях. Декарт преобразовал математические науки плодотворным применением алгебры к теории кривых и к переменным функциям. Ферма заложил основы бесконечно малых (переменных величин) своими прекрасными методами максимумов и касательных. Валис, Рен и Гюйгенс только что нашли законы передачи движения. Учение Галилея о падении тел и Гюйгенса об эволютах и о центробежной силе - все это приводило к теории движения тел по кривым. Кеплер определил те из них, которые описываются планетами, и предугадал явление всемирного тяготения. Наконец, Гук хорошо видел, что движения планет являются результатом начальной силы движения в сочетании с притяжением Солнца. Таким образом, небесная механика для своего полного расцвета ожидала лишь гениального человека, который, сблизив и обобщив эти открытия, сумел бы вывести из них закон тяготения. И Ньютон выполнил это в своем сочинении „Математические начала натуральной философии"".

Закон Ньютона, или закон всемирного тяготения ("все материальные тела притягиваются пропорционально массам этих тел и обратно пропорционально квадратам их расстояний"), заложил научный фундамент мироздания. Этот закон проявляется не только в Солнечной системе, но и в звездной динамике и обращении звезд вокруг центров галактик, во взаимодействии галактик, а главное велика его роль в рождении звездных и планетных систем из газопылевой материи.

Неоценимый вклад Ныотон внес в математическое обоснование законов Кеплера. Он показал, что при решении уравнения движения одного тела вокруг другого в качестве орбиты допускаются не только эллипс, но также парабола и гипербола. Вид кривой зависит от начальной скорости. Это свойство широко используется при запусках КА в межпланетное пространство. Однако для большинства тел Солнечной системы при решении задачи двух тел орбита получается в виде эллипса и для нахождения положения тела требуется определить шесть постоянных параметров - элементов орбиты.

Об элементах a, e, i уже упоминалось в характеристиках орбит планет и их спутников, приведенных в табл. 1 и 2. Теперь, кроме наклона орбиты i к плоскости экватора или эклиптики, введем понятие долготы узла орбиты O (омега большая) и аргумента перигелия о (омега малая), которые изображены на рис. 2. где а=ОП=ОА,e=OS/ОП. Долгота узла, или угловое расстояние o (омега большая), отсчитывается от точки равноденствия Ў (пересечении плоскости экватора с эклиптикой), которую в первом приближении можно считать неподвижной.

Рис. 2. Эллиптическая орбита на плоскости (а) и в пространстве (б).

Понятия долготы узла и аргумента перигелия необходимы для того, чтобы представить некоторые особенности в движении Луны. Луну наблюдали с давних времен, так как ночью она помогала ориентироваться в незнакомом месте или в море (например, в период великих географических открытий). Еще в древности заметили, что перигей лунной орбиты o (омега малая) (перигей - ближайшая точка к Земле по аналогии с перигелием) перемешается со скоростью 40,7° в год, а долгота узла O (омега большая) относительно точки Ў изменяется на 19,3° в год. Легко понять, что в этом случае для описания движения Луны шести постоянных параметров явно недостаточно. Ньютон доказал, что изменения в перигее и узле вызваны влиянием Солнца как возмущающего тела, и задачао движении Луны была сведена к задаче о взаимодействии трех тел. По мере того, как наблюдения планет становились все точнее, обнаружились расхождения между вычисленными положениями планет в соответствии с задачей двух тел и их наблюдаемыми положениями. При учете влияния возмущающих планет приводились в соответствие наблюдения и вычисления. Так возникла проблема решения в общем виде задачи многих тел. Однако она оказалась настолько сложной, что, несмотря на усилия выдающихся ученых - последователей Ньютона: Л. Эйлера (1707- 1783), Ж. Лагранжа (1736-1813). П. Лапласа, У. Леверье, Дж. Хилла (1838-1914) и многих наших современников, в том числе советского ученого В. И. Арнольда, до сих пор не имеет общего решения. Для практических задач были разработаны приближенные методы решения задачи многих тел благодаря исследованиям Ш. Делоне (1816-1872), А. Пуанкаре (1854-1912), А. М. Ляпунова (1857-1918) и мн. др. Для получения точного решения задачи многих тел в наше время используют численные методы решения уравнений движения, а вычисления проводятся на быстродействующих электронных вычислительных машинах (ЭВМ).

В некоторых задачах исследования движения применяют решение ограниченной задачи трех тел. В этой задаче масса третьего тела настолько мала по сравнению с массами двух других тел, что ее можно считать равной нулю. Такое предположение вполне подходит для исследования движения КА в межпланетном пространстве или движений малых тел Солнечном системы: спутников планет, малых планет и комет.

Начала этой теории заложены Эйлером и Лагранжем, которые нашли 5 частных случаев решения задачи трех тел. Для того чтобы представить себе, какие движения тела возможны в этой задаче, рассмотрим рис. 3. Пусть S - Солнце, а Р - неподвижная планета (можно условиться, что рассматривается подвижная система координат, вращающаяся со скоростью движения планеты по орбите). Буквами L1 - L5 обозначены точки, в которых притяжения Солнца и планеты уравновешиваются. Три из них находятся на линии, соединяющей Р и S, а две другие - в вершинах равносторонних треугольников с основанием SP. Доказано, что других точек равновесия в системе Солнце-планета или планета- спутник не существует. На рис. 3 изображены 3 траектории, на которых располагаются точки равновесия L1-L3. Самая простая кривая имеет вид восьмерки, и на ее перемычке лежит точка L2. Если КА находится внутри восьмерки, а его скорость соответствует III закону Кеплера, то он будет двигаться либо вокруг Солнца, либо вокруг планеты. Если же КА, скажем, с помощью дополнительной тяги попал в точку L2, то он может двигаться по траектории восьмерки, последовательно облетая то Солнце, то планету. Расстояние L2-P характеризует радиус притяжения планеты, и по имени исследователя сфера с таким радиусом называется сферой Хилла.

Для Земли, например, радиус сферы Хилла равен 1,5 млн. км. в то время как среднее расстояние Луны от Земли составляет 400 тыс. км. Это означает, что Луна находится глубоко в сфере Хилла и поэтому не собирается "покидать" Землю. То же самое относится и к другим спутникам планет, т. е. все они движутся глубоко внутри сферы Хилла.

Рис. 3. Точки либрации и возможные траектории в ограниченной задаче трех тел.

Если КА окажется в точке L3, то он может двигаться по траектории "головастиков" или "подковы", облетая последовательно точки L4 и L5. Из точки L1 КА может направиться в более сложное путешествие. Несмотря на то что точки L1 - L3 неустойчивы, предполагается в подобных точках системы Земля-Луна, а именно в L1 и L2, расположить автоматические научно-исследовательские станции, которые будут там удерживаться с помощью ракетных двигателей.

Точки L4 и L5 замечательны тем, что в них КА при условии потери скорости остается вечно и слегка колеблется относительно точек равновесия под влиянием других планет. Наиболее устойчивыми и этом отношении оказываются эти точки в системе Солнце - Юпитер. В начале нашего века в точках L4 - L5 обнаружили малые планеты, которым по мере их открытия стали давать имена героев, осаждавших Трою (греков) и защищавших ее (троянцев). Эти группы планет находятся на орбите Юпитера впереди и позади него на угловом расстоянии в 60° и таким образом движутся вокруг Солнца вместе с Юпитером. Если малые планеты находятся не в самих точках равновесия, а на некотором удалении, то планеты начинают колебаться относительно этих точек. Колебание выражается в том, что планета в своем движении вокруг Солнца то сближается с Юпитером, то удаляется от него. Дополнительное влияние притяжения Сатурна может так "раскачать" планету, что она не выдержит колебаний и при очередном сближении с Юпитером превратится в его спутник. Предполагается, что такой механизм мог действовать в период формирования Юпитера и его далеких спутников, которые имеют обратное движение.

Интересна история исследования точек равновесия L4 и L5 в системе Земля-Луна. Польский ученый К. Кордылевский предположил, что в них на орбите Луны также на угловом расстоянии от нее в 60° могут скапливаться мелкие метеориты и пыль, поэтому такие скопления - "облака Кордылевского" - можно наблюдать с Земли. Наблюдения пока не подтвердили существования пылевых облаков, а проведенные вычисления показали, что положение частиц в этих точках неустойчиво из-за сильного возмущающего влияния Солнца.

Приведенные результаты исследования движения тела нулевой массы в рамках ограниченной задачи трех тел, с одной стороны, указывают на большое разнообразие их траекторий. С другой стороны, на основании полученных так называемых интегралов уравнений движения в задаче n тел можно утверждать, что угловой момент вращения системы постоянен, так же как и в задаче двух тел (закон площадей). Это означает, что энергия Солнечной системы постоянна и не зависит от времени.

Рассмотрение взаимодействий в Солнечной системе можно было бы считать исчерпанным, если бы все небесные тела были материальными точками или сферически-симметричными телами. Однако у многих тел Солнечной системы обнаружено сжатие у полюсов, и это сжатие тем больше, чем быстрее вращается тело. Таким свойством тела могут обладать только в том случае, если они жидкие. Тем не менее теоретические и наблюдаемые значения сжатий совпали для всех планет, в том числе и для Земли, для которой данные сейсмической разведки показали, что твердая кора Земли составляет всего 1% от ее радиуса.

Сжатие планеты оказывает наибольшее влияние на движение ближайших спутников этой планеты, вызывая слабое смешение плоскости орбиты спутника и небольшое вращение самой орбиты в ее плоскости. Практически это выражается в так называемом вековом (т. е. пропорциональном времени) изменении угловых элементов ориентации орбиты спутника. Для далеких спутников, находящихся на расстоянии более 10 радиусов планеты, этот эффект незначителен.

Жидкое состояние планет приводит не только к постоянному их сжатию, которое определяется скоростью вращения тела, но и к периодическому изменению формы планеты. Например, под влиянием притяжений Солнца и Луны земная кора поднимается и опускается в течение суток примерно на 70 см. Изменение формы любой планеты вызывает возникновение приливообразующей силы, которая замедляет скорость вращения планет вокруг оси и изменяет скорость движения спутника по орбите, а в соответствии с III законом Кеплера - и его расстояние до планеты. Если скорость движения по орбите больше скорости вращения планеты, то спутник приближается к планете, если меньше, то удаляется.

По оценке американского астронома и геофизика Дж. Макдональда, Луна через 5 млрд. лет удалится от Земли на расстояние 72,5 радиуса Земли, или по сравнению с современным расстояние увеличится на 12,5 радиуса Земли, а длительность суток станет равной 35 современным суткам. Таким образом, механизм приливного действия проявляется на интервалах времени, сравнимых с возрастом Солнечной системы, и этот механизм определяет эволюцию Солнечной системы в целом.

Еще одна проблема связана с приливными силами: отчего зависят форма и вращение спутника? При рассмотрении взаимодействия жидких тел показано, что приливные силы способны разрушить спутник, если он находится от планеты на расстоянии, меньшем, чем 2,45 радиуса планеты. Это правило известно в науке как теорема о пределе Роша (по имени исследователя этой задачи Э. Роша 1820-1883). Однако если спутник твердый, а спутники из-за их малых размеров скорее следует считать твердыми, то предел Роша становится равным 1,2 радиуса планеты. Сопоставляя данные табл. 1 и 2, можно убедиться, что кольца планет-гигантов как раз находятся на расстоянии предела Роша. Отсюда следует, что приливные силы планет либо не позволили сформироваться спутникам, либо кольца планет - бывшие спутники, разрушенные приливными силами.

Таким образом, динамика тел Солнечной системы определяется не только взаимодействием материальных точек, но и взаимодействием протяженных упругих тел.

ФОРМИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

В примечании к своему знаменитому трактату "Математические начала натуральной философии" Ньютон пишет: "...удивительное размещение Солнца, планет и комет может быть только творением всемогущего существа", однако, несмотря на это замечание великого Ньютона, уже в 1755 г. на основе его же законов движения известный немецкий философ И. Кант (1724-1804) создал первую научную гипотезу происхождения Солнечной системы, которая получила настоящее развитие только в 40-х годах нашего столетия. В своей книге "Всеобщая естественная история и теория неба" ("История неба") Кант пишет: "Вселенная бесконечна в пространстве и времени. Последовательное продолжение мира на бесконечное время и пространство осуществляется через образование новых миров и гибель старых". Главная идея гипотезы Канта состоит в том, что звездный мир произошел из холодной диффузной материи путем ее конденсации вокруг центров избыточной плотности под действием силы тяготения. Рождение отдельной звезды, например Солнца, сопровождалось выделением из первичного "хаоса" газопылевой туманности с центральным сгущением (ядром), которое дало начало Солнцу; планеты и их спутники произошли из остальной массы такой туманности путем объединения частиц пыли и газа и начали затем двигаться в одной и той же плоскости по круговым орбитам. Остатки вещества туманности дали начало кометам.

Книга Канта "История неба" была издана в 1755 г. без указания имени автора. В 1797 г. Кант опубликовал свою гипотезу в своих сочинениях с названием, далеким от ее содержания; поэтому гипотеза Канта оставалась неизвестной его современникам, и в 1795 г. французский математик и астроном П. С. Лаплас независимо от Канта выдвинул свою гипотезу происхождения Солнечной системы. В своем "Изложении системы мира" - известном популярном изложении всей небесной механики - он пишет: "Разве это расположение планет не может быть само результатом законов движения, и высший разум, вмешательство которого предполагает Ньютон, разве не смог бы сделать его зависящим от более общего явления?".

Согласно гипотезе Лапласа, первичное Солнце образовалось путем гравитационного (т. е. под влиянием силы тяготения) сжатия газопылевого облака. Вращающееся протосолнце продолжало сжиматься, а по закону сохранения момента количества вращения скорость его осевого вращения должна была увеличиться и Солнце поэтому начало терять массу из-за центробежных выбросов своей материн. Таким образом, Солнце дало начало вращающемуся диску, из которого затем образовались планеты. Гипотеза Лапласа благодаря его имени как автора пятитомного трактата по небесной механике стала широко известна. Однако критические замечания, высказанные в 1861 г. Ж. Бабине и в 1884 г. М. Фушс, надолго затормозили развитие гипотез в духе Канта и Лапласа. Одно из возражений сводилось к вопросу: если планеты и Солнце произошли из одной вращающейся туманности, то почему тогда угловой момент вращения Солнца составляет от общего момента движения всей Солнечной системы лишь 2%. тогда как планетам "принадлежат" 98%, а масса Солнца примерно в 700 раз превосходит суммарную массу всех планет? Трудность ответа на этот вопрос породила ряд новых космогонических гипотез; одна из них связана с приливным взаимодействием Солнца и проходящей мимо звезды с большой массой, другая - с захватом газопылевого облака уже сформировавшимся Солнцем и т.д., которые вошли в еще большее противоречие с данными наблюдений окружающего нас звездного мира.

Только немецкий физик К. Вайцзеккер в 1943 г. пришел к выводу о необходимости развития космогонических гипотез в направлении, предложенном Кантом и Лапласом. Вайцзеккер применил физическую теорию турбулентности к развитию первичной туманности и доказал на этой основе возможность существования механизма переноса углового вращательного момента Солнца к планетам: центральное тело начинает вращаться медленнее, а образовавшаяся планета - быстрее.

Одновременно с Вайцзеккером гипотезу Канта начали развивать и другие ученые, в том числе академик О. Ю. Шмидт (1891-1956) в созданном им отделе эволюции Земли Геофизического института Академии наук СССР (ныне Институт физики Земли имени академика О. Ю. Шмидта АН СССР). Главное внимание О. Ю. Шмидт обратил на эволюцию протопланетного облака, оставив в стороне проблему несоответствия углового вращательного момента Солнца и орбитальных моментов движения планет. В основе его гипотезы лежала идея объединения холодных пылевых частиц в небольшие тела - планетезимали. Шмидт показал, что газопылевое облако после нескольких оборотов вокруг Солнца заняло обширную уплощенную область в форме тора (бублика). По мере столкновения пылевых частиц друг с другом и торможения о газ они гасили свои скорости и начинали оседать в экваториальной области, где формировали тонкий диск с повышенной плотностью. Затем этот диск разделился на несколько кольцевых "зон питания", в которых путем объединения планетезималей, или процесса аккумуляции, образовались планеты и их спутники. Гипотеза О. Ю. Шмидта получила дальнейшее развитие в трудах последователей и учеников этого выдающегося ученого-энциклопедиста: Б. Ю. Левина, В. С. Сафронова, Е. Л. Рускол, Е. А. Любимовой, С. В. Маевой и др., благодаря которым планетезимальная гипотеза в наше время имеет широкое признание в научных кругах.

С развитием быстродействующей вычислительной техники космогонические проблемы решаются на основе численного интегрирования уравнений движения, относящихся к задаче n тел. Результаты численных экспериментов доказывают, что если бы масса облака, окружающего Солнце, была порядка массы Солнца, то образовалась бы двойная звезда, и только при массе облака меньше 0,1 массы Солнца, возможно образование планетной системы. Наряду с методами численного моделирования широко используются современные данные наблюдений и теории, полученные в областях звездной астрономии, астрофизики, геофизики, геологии и геохимии.

Один из важнейших фактов наблюдений в звездной астрономии последних десятилетий состоит в подтверждении того, что в нашей Галактике продолжается процесс рождения звезд путем конденсации из газопылевых облаков. Области скопления молодых звезд находятся в созвездиях Тельца и Ориона на расстояниях от Солнечной системы, достигающих 1600 световых лет. Наиболее молодыми считают звезды типа Т Тельца. Их возраст не превышает 1 млн. лет, и они, возможно, являются ровесниками человека на Земле. Звезда Т Тельца, определяющая тип молодых звезд и через стадию которой, возможно, прошло наше Солнце, вызвала интерес астрономов еще в 1852 г., когда обнаружили, что яркость этой весьма слабой звезды, видимой только в телескоп, изменяется нерегулярно. С тех пор все звезды с нерегулярным изменением блеска стали относить к типу звезды Т Тельца. Нерегулярные изменения яркости звезд говорят о бурных процессах, протекающих в их недрах. Представления об этих процессах были получены из наблюдений звезд при помощи радиотелескопов и внеатмосферных рентгеновских телескопов, установленных на орбитальных астрономических обсерваториях (искусственных спутниках Земли). Оказалось, что молодые звезды, как правило, окружены газопылевыми оболочками дискообразной формы. В зависимости от ориентации такого диска в пространстве свет от звезды может не доходить до Земли, но тогда звезда дает о себе знать своим сильным тепловым (т. е. инфракрасным) излучением, которое принимают мощные радиотелескопы. По своей массе звезды типа Т Тельца близки к Солнцу, а иногда превышают массу Солнца в 10 раз. Все эти звезды вращаются со скоростями от 20 до 150 км/с, тогда как вращение Солнца совершается со скоростью всего 2 км/с. У них имеются протяженные горячие атмосферы, и они излучают мощные потоки так называемой плазмы (это и есть звездный ветер), которые "выдувают" газопылевую материю из полярных областей. В экваториальной области пылевая оболочка разделяет звездный ветер на два крыла, по направлениям которых звезды этого типа периодически выбрасывают в окружающее их пространство материю массой от 1 до 10 масс Земли. Такие выбросы дают начало существованию туманных объектов в окрестности большинства звезд типа Т Тельца. Эти туманные объекты были открыты в начале 60-х годов учеными Д. Хербигом и Г. Аро и носят название объектов Хербига - Аро; их часто обозначают как объекты HH по начальным буквам фамилий этих ученых - Herbig и Haro. Температуры пылевых оболочек звезд оцениваются в широких пределах: от 200-300 до 1000° К (нуль-пункт шкалы соответствует температуре -273° С). Наблюдения свидетельствуют, что оболочки состоят из силикатных (кремниевых) образований и частиц льда. Возможно, что низкую температуру имеют лишь края этих оболочек из-за малой прозрачности самих оболочек.

Таким образом, современные данные нисколько не противоречат исходным предпосылкам гипотезы формирования планет из дискообразной туманности, некогда окружавшей Солнце. Факты наблюдений наводят на мысль еще об одном механизме потери углового вращательного момента.

Если бы Солнце вращалось со скоростью 150 км/с, т. е. со скоростью вращения звезд типа Т Тельца, то в Солнечной системе не было бы несоответствия в моментах движения. Однако бурные процессы, происходящие в звездах на ранних этапах их развития, и связанные с ними выбросы материи могут, по-видимому, замедлить, притормозить их осевое вращение. В зависимости от массы оболочки эволюция звезды может идти либо по пути образования кратной звездной системы, либо планетной системы. По численным экспериментам при различных предположениях о физической природе действующих сил, проведенным группами ученых под руководством Р. Гринберга и В. Хартмана в США, доказано, что в протопланетном облаке на различных стадиях его эволюции происходят весьма разнообразные и многочисленные физические процессы. Возможно, что на начальном этапе эволюции мелкие пылевые частицы слипаются на основе электростатического механизма в соответствии с гипотезой шведского ученого X. Альвена, причем на этом этапе большую роль играет газовая составляющая протопланетпого облака.

Данные геохимических исследований, проведенных под руководством выдающегося советского ученого академика А. П. Виноградова (1895-1975), приводят к заключению о том, что в протопланетной туманности первыми должны образовываться металлические (железоникелевые) ядра планет земной группы - Меркурия, Венеры. Земли и Марса. Следовательно, в облаке происходят процессы перераспределения первичного вещества и появляются области с высоким содержанием металлического железа. При этом возникают сильные турбулентные движения. Далее, после появления планетезималей с размерами около 1 км и более, начинаются процессы, связанные со взаимным притяжением этих тел и частиц материи облака. Численные эксперименты дают возможность объяснить некоторые закономерности, о которых уже упоминалось. Оказалось, что в зависимости от подбора начального распределения планетезималей, их общей массы и общего суммарного сечения можно получить модель образования планет на расстояниях от Солнца, соответствующих вышеуказанному закону Тициуса-Боде. Это доказали исследования, выполненные членом-корреспондентом АН СССР Т. М. Энеевым и его сотрудниками. В облаке, содержащем несколько тысяч планетезималей, вначале под влиянием взаимных притяжении образуются так называемые зоны сгущения, в которых в дальнейшем и идет процесс планетообразования. При этом наилучшее соответствие наблюдаемым величинам расстояний достигается для планет земной группы. Результаты, полученные учеными в СССР и США, показывают, что положенную в основу исследований численную модель необходимо усложнить за счет введения возмущающего влияния планет-гигантов. Учет влияния внешних планет представляется вполне оправданным, так как, по оценкам Е. Л. Рускол и В. С. Сафронова, скорость формирования планет-гигантов на порядок быстрее, чем планет земной группы, поэтому современные численные модели пока дают лишь представление о формировании отдельных групп планет.

Анализ механизма образования осевых вращений планет, проведенный Т. М. Энеевым и Н. Н. Козловым, показал, что в зависимости от вида столкновений между планетезималями - лобового или касательного - могут возникнуть вращение, совпадающее по направлению с поступательным движением планет по орбите, или же медленное обратное вращение. Одни из наборов начальных данных, описывающих состояние протопланетного облака, позволил на модели получить прямое осевое вращение Меркурия и Земли и обратное вращение Венеры. Таким образом, обратное вращение Венеры в принципе могло быть следствием процесса се формирования.

Т. М. Энеев провел также ряд интересных численных экспериментов, связанных с изучением эволюции заплутонова облака и орбиты самого Плутона. Он показал, что процесс аккумуляции планетезималей не всегда непременно завершается образованием планеты или спутника: в зонах "питания" планет часто образуются рои тел небольших размеров, сходных по структуре с поясом астероидов (малых планет). Это дает основание Т. М. Энееву считать, что в занептуновой зоне может существовать множество луноподобных тел, причем Плутон является одним из них. Такие тела могут состоять из железокаменных ядер, покрытых ледяными мантиями; они распределены в нескольких зонах на расстояниях от Солнца в 52, 85 и 148 а. е. Эволюция орбит астероидов, находящихся в этих зонах, может привести к увеличению их эксцентриситетов, что создаст возможность тесных сближений соответствующих астероидов с Нептуном. Плутон может быть астероидом из зоны с расстоянием 52 а. е. Среди наблюдаемых астероидов "кандидатами" в объекты из этого же пояса можно считать малые планеты Гидальго и Хирон. Столкновения астероидов в заплутоновой области приводят к их разрушению, так что фрагменты (осколки) железокаменных ядер дают начало метеоритам, а фрагменты ледяных мантий - кометам.

Таким образом, благодаря неустанной работе над теорией происхождения Солнечной системы различных специалистов многое уже сделано. Успешное развитие этой теории объясняется тем. что ученые опираются на фундаментальные законы природы и на данные наблюдений, полученные в многочисленных научных областях. Тем не менее предмет космогонических исследований столь сложен и многогранен, что еще рано считать теорию формирования Солнечной системы полностью завершенной.

* * *

Читателям представлена краткая, далеко не полная теория происхождения и динамики Солнечной системы с некоторыми геофизическими и геохимическими процессами, указано объединяющее начало - закон всемирного тяготения. Однако снова необходимо подчеркнуть, что практическое решение сложнейших космогонических проблем стало возможным только благодаря сочетанию исследований в области небесной механики (теоретический фундамент), астрометрии и радиолокации планет (материал измерений положений небесных тел Солнечной системы и расстояний до них) и космонавтики (прямые наблюдения небесных тел Солнечной системы с борта автоматических межпланетных станций). Поэтому выдающийся успех астрономов-теоретиков в построении новых, более точных по сравнению с классическими теорий движения планет Солнечной системы, обеспеченный точными измерениями, позволил в свою очередь провести грандиозные космические эксперименты поистине с ювелирной точностью. Только благодаря улучшенным теориям движения планет удалось уменьшить "непроизводительный" вес космических кораблей и оснастить их большим количеством научных приборов и инструментов. Вклад в решение астробаллистической проблемы был внесен учеными СССР (Институт прикладной математики имени академика М. В. Келдыша АН СССР, Институт радиотехники и электроники АН СССР, Институт теоретической астрономии АН СССР, Центр управления космическими полетами), США (Лаборатория реактивного движения. Морская обсерватория, Техасский университет). Франции (Бюро долгот). Благодаря всей богатейшей информации в виде цифрового материала измерений и прямых изображений, поступившей непосредственно с борта многочисленных КА СССР и США - "Венер", "Маринеров", "Марсов", "Пионеров". "Вояжеров" и "Викингов") - стало возможным по-другому взглянуть на настоящее Солнечной системы, доискаться в некоторых случаях до сути вещей и оценить с большей степенью вероятности ее прошлую историю. Вследствие этих достижений подтверждается жизненность комплексного подхода к решению проблем космогонии, предложенного академиком О. Ю. Шмидтом, и идей академика В. И. Вернадского о научной мысли как планетном явлении.

ЛИТЕРАТУРА

Гребеников Е. А., Рябов Ю. А. Поиски и открытия планет. М.: Наука, 1975.

Демин В. Г. Судьба Солнечной системы. М.: Наука, 1960.

Ксанфомалити Л. В. Планеты, открытые заново. М.: Наука, 1978.

Лаплас П. С. Изложенне системы Мира. Л.: Наука. 1982.

Маров М. Я. Планеты Солнечной системы. М.: Наука, 1981.

Рябов Ю. А. Движения небесных тел. М.: ГИЗ Ф.М, 1962.

Силкин Б. И. В мире множества лун. М.: Наука. 1982.

В. К. АБАЛАКИН, доктор физико-математических наук; А. С. СОЧИЛИНА, кандидат физико-математических наук ФОРМИРОВАНИЕ И ДИНАМИКА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

ГЛАВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В СТРОЕНИИ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ НЬЮТОНА - ОСНОВА ДИНАМИКИ ПЛАНЕТ И СПУТНИКОВ

ФОРМИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

ЛИТЕРАТУРА

ОГЛАВЛЕНИЕ

В. К. АБАЛАКИН, доктор физико-математических наук;
А. С. СОЧИЛИНА, кандидат физико-математических наук
ФОРМИРОВАНИЕ И ДИНАМИКА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ