Солнечная система

Москва 2004 год.

Введение Последнее десятилетие принципиально изменило наши представления о строении, динамической эволюции и устойчивости Солнечной системы.

Привычными стали сообщения об открытии новых объектов, выявлении новых динамических структур, проявлении свойств неустойчивости движения или хаотического поведения у тех или иных групп объектов. Это вызвано несколькими причинами: появление новых инструментов и модернизация старых, применение высокочувствительных ПЗС–матриц и новых методов математической обработки результатов наблюдений. Все это позволяет наблюдать новые объекты, имеющие очень малую яркость и существенное собственное движение. Новые аналитические и численные методы небесной механики в совокупности с современными вычислительными системами дают возможность моделировать движение тел Солнечной системы на интервалах времени, сравнимых с ее возрастом и даже многократно превышающих его. На наших глазах происходит смена представлений о динамике Солнечной системы: от регулярной и устойчивой к хаотической и неустойчивой. Все это напоминает ситуацию в физике начала XX века, когда совершался переход от классической к релятивистской картине Мира. Нам предстоит разобраться где, когда и при каких условиях мы можем рассматривать Солнечную систему регулярной и устойчивой, а в каких случаях проявляются признаки хаоса и неустойчивости.

Начнем рассмотрение с современных представлений о структуре Солнечной системы. Затем обсудим понятия устойчивости и неустойчивости движения, условия возникновения резонансов и хаотического поведения. После этого проанализируем динамику малых тел Солнечной системы и обратимся к большим планетам. В заключение рассмотрим динамику Солнечной системы как целого на временах, сравнимых с ее возрастом.

Современные представления о строении Солнечной системы Все объекты Солнечной системы можно разделить на четыре группы: Солнце, большие планеты, спутники планет и малые тела. Мы пока ничего не говорим о спутниках малых тел, поскольку к настоящему времени таких объектов открыто всего два, а наблюдательной информации недостаточно, чтобы детально исследовать их динамику.

Солнце — динамический центр системы. Его гравитационное влияние является доминирующим в Солнечной системе за исключением малых областей в окрестности других объектов.

Большие планеты — визитная карточка Солнечной системы. Пять ближайших к Земле больших планет были известны с ранней истории человечества. Это — Меркурий , Венера , Марс , Юпитер и Сатурн . История открытия трех других больших планет показывает как менялось отношение астрономов к вопросу о размерах и населении Солнечной системы.

Открытие Урана явилось сюрпризом.

Весной 1781 г.

Вильям Гершель на своем 7-футовом (2.1 м) телескопе проводил наблюдения по программе определения параллаксов звезд. 13 марта 1781 г. он сделал запись об обнаружении туманной звезды или кометы. Спор о природе открытого объекта продолжался до 1787 г., когда Гершель открыл два спутника Урана: Оберон и Титанию . Открытие Нептуна стало триумфом теории тяготения Ньютона.

Анализируя неравенства в движении Урана, Бессель в Кенигсберге в 1840 г., Адамс в Кембридже в 1841 г. и Леверье во Франции в 1845 г. независимо друг от друга рассчитали орбиту планеты, ответственной за эти возмущения. 23 сентября 1846 г. Галле и д’Аррест из Берлинской обсерватории по эфемеридам Леверье открыли Нептун.

Открытие Плутона можно назвать запрограммированным. В 1896 г.

Персиваль Ловелл обнаружил остаточные невязки в движении Урана после учета возмущений от Нептуна и высказал гипотезу, что эти возмущения производятся неизвестной занептунной планетой. В середине 90-х годов XIX века в Аризоне Ловелл построил обсерваторию, которая стала центром поиска новой планеты. В течение почти 30 лет было проведено несколько компаний по поиску Плутона. Но безрезультатно. В 1916 г. умер Ловелл . В 1929 г. Клод Томбо на 13-дюймовом (0.33 м) рефракторе начал новую атаку на Плутон.

Открытие пришло 18 февраля 1930 г., когда Томбо сравнивал фотопластинки, полученные 23 и 29 января 1930 г.

Директор Ловелловской обсерватории сообщил об открытии 13 марта 1930 г. в 149-ю годовщину открытия Урана Гершелем и 75-ю годовщину со дня рождения Персиваля Ловелла . За время поиска Плутона было проведено сравнение около 90 млн. изображений звезд в течение 7000 часов на блинк-компараторе . Пионер–10, Пионер–11, Вояджер–1, Воджер –2 позволяют утверждать, что объектов, сравнимых с Плутоном, и более крупных во внешней области Солнечной системы не существует.

История открытия спутников планет не менее драматична, но мы не будем на ней останавливаться.

Отметим только, что спутниковые системы планет-гигантов сложностью своего устройства зачастую превосходят Солнечную систему. Не до конца решен вопрос о происхождении двойных планет Земля–Луна и Плутон–Харон. Малые тела Солнечной системы — пробный камень и золотая жила небесной механики, кладезь новых открытий. Самые известные малые тела — кометы.

Упоминания о кометах можно найти в легендах и летописях практически всех народов Земли. По динамическим признакам кометы разделяются на долгопериодические и короткопериодические.

Долгопериодические кометы движутся по орбитам, большие полуоси которых достигают десятков тысяч астрономических единиц, а периоды обращения — десятков миллионов лет.

Орбиты сильно вытянуты, их эксцентриситеты близки к единице.

Ориентация орбит и их наклоны к плоскости эклиптики распределены случайным образом. В настоящее время имеются сведения более, чем о 700 таких комет.

Короткопериодические кометы имеют периоды менее 200 лет, умеренные эксцентриситеты, для большинства из них наклон орбит к плоскости эклиптики не превышает 35 ° . Короткопериодические кометы делятся на семейства по признаку планеты-гиганта, определяющей динамику кометы. В настоящее время известно около 180 короткопериодических комет.

Большинство из них принадлежит семейству Юпитера. Самая многочисленная популяцию малых тел Солнечной системы — астероиды.

Первый астероид — Церера — был открыт в первый день XIX века сицилийским астрономом Пиацци . Хотя открытие и носило случайный характер, оно послужило толчком к разработке Гауссом классического метода определения орбит по трем наблюдениям и метода наименьших квадратов, благодаря которым удалось вычислить орбиту и переоткрыть Цереру спустя почти год после первых наблюдений. В настоящее время известно несколько десятков тысяч астероидов. И это число стремительно растет . Популяция астероидов неоднородна.

Большинство астероидов движутся по орбитам близким к круговым в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера. В 1866 г.

Кирквуд исследовал зависимость числа астероидов от больших полуосей их орбит и обнаружил, что полученное распределение имеет несколько глубоких минимумов.

Позднее выяснилось, что эти минимумы соответствуют соизмеримости средних движений Юпитера и астероида. Они получили название люков Кирквуда . На рисунке показана зависимость числа астероидов N от значения большой полуоси.

Пунктирной линией отмечены резонансные значения больших полуосей.

Соответствующие соизмеримости средних движений астероида и Юпитера даются над верхней рамкой. Видно, что большинству резонансных значений большой полуоси соответствует существенное уменьшение числа астероидов. Две группы астероидов расположены в окрестности треугольных точек либрации системы Солнце–Юпитер–астероид — это греки и троянцы . Они движутся в окрестности орбиты Юпитера: греки опережают Юпитер примерно на 60 ° , а троянцы на столько же отстают. Хотя астероиды движутся по эллиптическим орбитам, треугольник Солнце–Юпитер–астероид всегда остается близким к равностороннему.

Иногда обе группы астероидов называют троянцами. По состоянию на 1 апреля 1999 г. известно 476 астероидов-троянцев (474 у Юпитера и 2 у Марса). Еще одна группа астероидов — астероиды, сближающиеся с Землей. Их перигелийные расстояния меньше 1.33 а.е . В настоящее время известно несколько тысяч таких астероидов. Около сотни из них представляют реальную угрозу для Земли: они пересекают ее орбиту и имеют размер более 1 км.

Столкновение Земли с подобным астероидом вызовет глобальную катастрофу, подобную той, что привела к вымиранию динозавров.

Имеется еще около тысячи астероидов размером от 30 до 50 м, также пересекающих орбиту Земли.

Столкновение Земли с таким астероидом способно вызвать локальную катастрофу типа тунгусской.

Однако, ни один из известных астероидов не столкнется с Землей в ближайшем будущем , в течение 33 лет , в 21 веке . После открытия Плутона неоднократно предпринимались попытки поиска десятой большой планеты Солнечной системы. Во время одного из таких обзоров 18 октября 1977 г.

Коваль открыл малую планету 2060 Хирон , которая движется между орбитами Юпитера и Урана, пересекая орбиту Сатурна.

Вблизи перигелия у этого “астероида” проявляются признаки газоизвержения и комы. Более 14 лет этот объект оставался единственной малой планетой, наблюдаемой глубоко внутри области движения планет-гигантов. 9 января 1992 на автоматическом телескопе Космический дозор (Аризона, США) был открыт еще один астероид этой группы — 5145 Фолус . К настоящему времени известно 7 астероидов группы Кентавра, движущихся среди планет-гигантов между орбитами Юпитера и Нептуна.

Название группы отражает тот факт, что объекты одновременно имеют признаки и астероидов и комет. В табл. 1 приводится список астероидов группы Кентавра по состоянию на 1 августа 1997 г. В таблице даны: имя астероида, его предварительное обозначение, перигелийное и афелийное расстояния в астрономических единицах, наклон орбиты в градусах, эксцентриситет орбиты, большая полуось в астрономических единицах и дата открытия.

Полный регулярно обновляемый вариант таблицы доступен по адресу В 1949 г. К.Эджеворт высказал предположение о существовании остаточного неизрасходованного при формировании Солнечной системы материала за орбитой Нептуна.

Однако, эта работа была малоизвестна до последнего времени. В 1951 г.

Койпер предположил, что кометы и астероиды формировались в существенно различных областях Солнечной системы и, что за орбитой Плутона должен существовать пояс комет. 30 августа 1992 г.

Джевитт и Лю (Гавайский университет, США) открыли первый объект, принадлежащий поясу Койпера . Он получил обозначение 1992 QB1. Сейчас известно 53 объекта, движущихся за орбитой Нептуна. В табл. 2 приводится список объектов пояса Койпера по состоянию на 1 августа 1997 г. олный регулярно обновляемый вариант таблицы доступен по адресу.

Некоторые исследователи относят к объектам пояса Койпера и Плутон.