Солнечная система (Астрономия и астрофизика): читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Глава I

ЭПОХА ПЕРВЫХ МЕЖПЛАНЕТНЫХ ЭКСПЕДИЦИЙ

Мы живем в эпоху великих открытий в Солнечной системе… Далеко не все жители Земли взволнованы этим фактом. Не станем их за это упрекать. Эпоха великих географических открытий — 500 лет назад — тоже протекала без особого общественного интереса, но, спустя столетия, ее плодами пользуются все.

Второй том из серии «Астрономия и астрофизика» посвящен Солнечной системе — природе ее планет, спутников и малых тел. Хотя эта книга написана астрономами, мы хорошо понимаем, что изучение Солнечной системы уже далеко вышло за рамки классической науки о небесных телах. От разглядывания далеких туманных пятнышек в телескопы, чем занимались астрономы прошлых эпох, ученые перешли к прямому зондированию Луны и планет, астероидов и комет. Авторами новейших открытий на иных планетах теперь являются не только астрономы, но и специалисты по космической технике, а также географы и геологи, которых уже с полным правом можно называть планетологами. И недалеко то время, когда появится новая специальность — экзопланетолог, специалист по планетным системам иных звезд.

Впрочем, на фоне этого «головокружения от успехов» важно понимать, что стремительное расширение географических границ не означает, что наша планета — Земля — уже достаточно исследована. Напротив, ее детальные исследования сейчас в самом разгаре. Фактически лишь недавно, благодаря спутникам, люди увидели всю поверхность Земли. А что лежит под ней? Что скрывается в глубинах океанов? Как выглядят материки под ледяными куполами Гренландии и Антарктиды? Что происходит глубоко в земных недрах? Как ведет себя геомагнитное поле? В чем причина глобальных перемен климата и биосферных катастроф? Наконец, как сформировалась наша уникальная планета и какая роль в этом принадлежит ее гигантскому спутнику — Луне? Многое в отношении планеты Земля для нас до сих пор — загадка. Ответы на многие вопросы могут оказаться жизненно важными для нашей цивилизации.

Приведем характеристики планеты Земля:

В области исследования планет XX век принес нам скорее спортивно-технические достижения, чем научные: большинство планет было «достигнуто», их эффектные изображения были переданы на Землю и растиражированы, что само по себе замечательно, но систематических детальных исследований не проводилось. Полученные данные в большей степени поставили новые вопросы, чем ответили на старые. Но в последнее десятилетие, фактически — уже XXI века, за планеты взялись всерьез: у Юпитера и Сатурна появились долговременные орбитальные зонды («Галилео» и «Кассини»), начались посадки на спутники планет (пока это лишь Титан, но лиха беда начало), работают аппараты у Венеры, летят к Меркурию и Плутону, а про Марс и говорить нечего — рядом с ним и на его поверхности постоянно действует целая научная армада. Из разряда политико-идеологических межпланетные полеты перешли в разряд чисто научных. О них стали меньше писать и говорить, но они начали приносить значительно больший научный урожай.

При этом исследования космоса и Земли всегда происходили и сейчас происходят параллельно, сопутствуя и способствуя друг другу. Могу напомнить, что XX век начинался с покорения полюсов Земли, что лишь в середине века были достигнуты самая высокая и самая глубокая точки земной поверхности, и что лишь к концу века была более или менее изучена вся толща атмосферы нашей планеты. Можно сказать, что именно в конце XX в. эпоха великих географических открытий начала плавно перетекать в эпоху грандиозных межпланетных экспедиций. Напомню, что научное изучение Антарктиды началось во время Международного геофизического года (1955—1958), тогда же, когда были запущены первые искусственные спутники Земли.

Рис.1

На рис.1 мы можем видеть обратную сторону Луны. Многие астрономы прошедших столетий готовы были отдать жизнь, чтобы увидеть это изображение. Космическая эра принесла нам множество прекрасных изображений далеких планет, но этот первый космический снимок ближайшего небесного тела навсегда останется самым ценным. И не потому что он был первым, хотя и это важно. Ценность этого снимка в его незаменимости: из всего, что нам хотелось бы увидеть в Солнечной системе, в принципе невозможно увидеть, не покинув Землю, только обратную сторону Луны. Зонд фотографировал Луну обычными (для той эпохи) фотоаппаратами с длиннофокусным и короткофокусным объективами, проявлял пленку на борту и с помощью фототелевизионной системы передавал полученные изображения на Землю. Компьютеров на борту зонда не было вообще. И хотя техническое качество этого снимка невысокое, он принес большое открытие — обратная сторона Луны совершенно не похожа на видимую сторону. Эта загадка не решена до сих пор.

По сути, романтическая эпоха географических открытий не прерывалась. А сегодня у каждого из нас есть возможность быть «участником» сразу нескольких захватывающих экспедиций. Глазами роботов мы видим все то, что видят ученые, организовавшие полеты к другим планетам. Потрясающие марсианские ландшафты не могут оставить нас равнодушными. Мы с нетерпением ждем посадок зондов на поверхности спутников планет, астероидов и ядер комет. В наши дни впереди людей идут автоматы; вероятно, так будет уже всегда. Но острота наших ощущений от этого не снижается.

Интересно, сколько людей следило бы за экспедициями Колумба и Магеллана, если бы в то время на их кораблях были вебкамеры on-line? В наши дни у каждого есть возможность стать виртуальным первопроходцем. Но многие ли люди регулярно заходят на сайты NASA, чтобы следить за ходом марсианских и прочих межпланетных экспедиций? Оказывается, таких любознательных заметно меньше, чем посетителей порно-сайтов. К счастью, романтика поиска пока остается уникальным свойством человека: стремление к новому знанию уже тысячи лет помогает нам эволюционировать быстрее любого другого биологического вида и, благодаря этому, радикально улучшать условия нашей жизни. И так будет до тех пор, пока каравеллы плывут к неизведанным землям, а зонды летят к новым планетам!

Как известно, естественные науки и техника взаимно стимулируют друг друга. В полной мере это справедливо и для астрономии. Когда-то, благодаря ей, значительно ускорилось развитие механики и оптики, а сегодня технические достижения возвращают долг науке: начавшись во второй половине XX в. техническая революция в астрономии продолжается. Трудно было предвидеть лет 20 назад, каких высот достигнут сегодня возможности астрономических наблюдений. Телескопы-рефлекторы с главными зеркалами диаметром 5—6 м. казались (и на самом деле были в то время) пределом технических возможностей, а сегодня уже работает несколько 10-метровых телескопов и проектируются инструменты до 100 метров в диаметре! При этом астроном-наблюдатель, как ученый-отшельник, проводящий в одиночку у телескопа долгие ночные часы, ушел в прошлое: современным 1000-тонным телескопом управляет команда инженеров и компьютеров, решая задачу, поставленную астрономом.

Астрономия — старейшая из наук, и всегда главным инструментом астронома был глаз. Сначала это был невооруженный глаз, затем — вооруженный телескопом. И даже в эпоху фотографии, существенно усилившей возможности телескопа, глаз оставался в строю, став из первичного приемника света вторичным: фотоэмульсию на стеклянной пластинке астроном до недавних пор мог изучать только глазом. Сейчас эта эпоха подходит к концу. С помощью автоматических фотометров астрономы скоро закончат сканирование и оцифровку всех когда-либо отснятых фотопластинок, — а их миллионы! — и тогда эпоха визуальной астрономии закончится. При этом содержание драгоценных «стеклянных библиотек» всех обсерваторий мира станет доступным любому профессионалу и даже любителю.

Впрочем, по эффективности работы электронный глаз уже давно победил своего живого собрата. Последние 8—10 лет автоматизированные телескопы стали практически самостоятельно совершать открытия, причем с ошеломляющей эффективностью. Взять такую сравнительно рутинную работу, как поиск астероидов. С момента обнаружения первого из них (1801 г.) в течение 90 лет астрономы визуально открыли 322 малых планетки. В 1891 г. Макс Вольф в Гейдельбергской обсерватории (Германия) открыл первый фотографический астероид (№323). По истечении века, к 1 января 1991 г., всего было обнаружено 4655 астероидов. Таким образом, «фотографический век» по сравнению с «визуальным веком» увеличил число астероидов на порядок. В 1990-е гг. фотопластинку и глаз стали заменять электронные приемники света, в основном ПЗС-матрицы. В результате, к концу 2007 г. открыто около 400 тыс. астероидов, из которых около половины изучено достаточно подробно для точного определения их орбит. Менее чем за 20 лет количество известных астероидов возросло на два порядка! Сейчас их открывают примерно по 5000 каждый месяц! Стремительно растет и количество известных спутников планет: в 1980 г. их было 45, сегодня — около 170. При таких темпах скоро будет закончена полная инвентаризация Солнечной системы.

Открытие большого числа новых объектов, прежде всего, требует их классификации. В последние годы введено много новых классов и изъяты некоторые старые, например, «малая планета» как синоним «астероида». В 2006 г. Международным астрономическим союзом был принят новый термин «малое тело Солнечной системы» (small Solar system body, SSSB) для обозначения всех объектов Солнечной системы, не являющихся классическими планетами (Меркурий, …, Нептун) или планетами-карликами (dwarf planet), а также их спутниками. Таким образом, в число малых тел Солнечной системы попали все кометы; все традиционные астероиды (за исключением Цереры, отнесенной к планетам-карликам); все «кентавры» (centaur), движущиеся между орбитами планет-гигантов; все «троянцы», движущиеся по орбитам планет синхронно с ними, а также почти все объекты за орбитой Нептуна (trans-Neptunian object, TNO), кроме Плутона и Эриды, отнесенных к планетам-карликам. Повторю: спутники планет не входят в число малых тел Солнечной системы.

Не исключено, что со временем некоторые крупнейшие из малых тел Солнечной системы перейдут в разряд планет-карликов, если выяснится, что они имеют округлую форму, приобретенную под действием собственной гравитации (т.е. находятся в состоянии гидростатического равновесия). Очевидно, среди спутников планет некоторые входили когда-то в число малых тел Солнечной системы, а позже были захвачены на околопланетные орбиты; прежде всего это относится к иррегулярным внешним спутникам планет-гигантов. Что касается нижней границы масс малых тел Солнечной системы, то формально она не определена, и поэтому в их число можно включать даже мелкие объекты типа метеороидов размером 1—100 м. Именно поэтому в главе «Малые тела Солнечной системы» рассказано не только об астероидах и кометах, но также о метеорах и метеоритах.

Как видим, в исследовании Солнечной системы, помимо чисто «бухгалтерских» достижений, выражающихся количеством открытых объектов, есть прогресс и в принципиальных вопросах (как известно, количественные изменения неизменно переходят в качественные). За последние годы в популяции малых тел Солнечной системы открыто несколько новых классов объектов, интересных как своими физическими свойствами, так и характером движения. Например, выделено несколько новых семейств: сближающиеся с Землей астероиды; троянцы Нептуна и (возможно) Марса; кентавры, движущиеся на орбитах между планетами-гигантами; астероиды на подковообразных орбитах; астероиды со спутниками и двойные астероиды; а также временные спутники больших планет, объекты пояса Койпера, сгорающие в атмосфере Солнца кометы, кувыркающиеся астероиды и спутники. Кроме этого, семейство планет разделилось на два подкласса — большие, или классические, планеты и планеты-карлики (пока их три: Плутон, Церера и Эрида). Решение об исключении Плутона из группы классических планет получило огромный общественный резонанс и для многих оказалось болезненным («Астрономы обещали найти десятую планету, а сами сократили их число до восьми!»). Страсти еще не улеглись, но, по-видимому, новая номенклатура приживется.

Все малые тела теперь делятся на две основные группы — движущиеся внутри орбиты Нептуна (cis-Neptunian objects) и вне его орбиты (trans-Neptunian objects, TNOs). Между до-нептуновыми и за-нептуновыми объектами также обнаружились малые тела. Речь идет не о спутниках Нептуна, а об «условно-свободных» телах — троянцах Нептуна. В марте 2008 г. их было известно 5; все они в диаметре более 100 км, и все движутся более или менее по орбите Нептуна на 60° впереди него, в окрестности точки Лагранжа L₄. Чтобы не усложнять классификацию, троянцев Нептуна отнесли к первой группе.

Учитывая огромное количество новооткрытых малых тел, очевидно, в ближайшее время будут выделены и новые их группы. Например, предлагается выделить новое семейство «дамоклоидов» (Damocloids), названного по имени объекта 5335 Damocles, имеющего долгопериодическую высокоэксцентричную орбиту, такую, как у кометы Галлея, но при этом не демонстрирующего кому и хвост. Уже найдены десятки подобных объектов, вероятно, являющихся дегазированными ядрами комет, покрытыми толстой корой (поверхность у всех очень темная). Среди них сам Дамокл выделяется тем, что движется по ретроградной орбите — характерный признак кометы.

Как всегда в науке, накопление фактов и следующий за этим период классификации заканчиваются более глубоким пониманием эволюции и ее механизмов — за «леннеевским» периодом следует «дарвиновский». Скоро этот период наступит и в изучении Солнечной системы. К счастью, мы еще многого не понимаем в ее истории. А значит, самые интересные открытия — впереди!

Глава II

НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА

Наряду с астрометрией небесная механика — древнейшая ветвь астрономии, существовавшая уже в третьем тысячелетии до н.э. Основная двуединая задача небесной механики от античности до наших дней — построение математической модели движения небесных тел и определение ее параметров из наблюдений.

В этой статье я буду использовать современные термины. Но для передачи аромата эпохи полезно иногда приводить и старые. Любя высокопарный стиль, наши предшественники говорили не «модель», а «Система Мира». Словосочетание небесная механика появилось и вошло в употребление лишь после публикации в 1798 г. одноименного сочинения П.С. Лапласа. А как же говорили до этого? В древности — никак. Астрономия, и все тут! Потом стали добавлять прилагательные и долго отождествляли теоретическую астрономию и небесную механику. Потом теоретические разделы появились и в других ветвях астрономии — прежде всего, в астрофизике, и сейчас термин «теоретическая астрономия» практически вышел из употребления.

История небесной механики делится на два больших периода: до и после выхода в 1686 г. книги И. Ньютона «Математические начала натуральной философии». С этого момента начинается наука в современном смысле слова. Движение предстало однозначным следствием физических причин, тогда как раньше причины известны не были и математические модели ничем не ограничивались, кроме как недостатком фантазии ученых или идеологическими догмами, господствовавшими в обществе.

Многие мои друзья-астрофизики (начало астрофизики как современной науки произошло еще при жизни некоторых ныне здравствующих долгожителей) говорят мне, что небесная механика как наука началась с Ньютона, а до этого была только преднаукой. Не буду спорить о терминологии, ведь по-существу мы представляем развитие науки одинаково. Щедро предлагаю противоположное: добавить к возрасту астрофизики несколько тысячелетий. Ведь цвет и яркость Луны, Солнца, звезд, планет говорят кое-что об их физических свойствах; мерцание света и цвета звезд, изменение цвета и яркости светил в зависимости от высоты над горизонтом, изменение цвета и яркости Луны при полном лунном затмении говорят о свойствах атмосферы третьей планеты; неизменное появление четок Бейли и короны при полном солнечном затмении говорит о рельефе Луны и свойствах солнечной атмосферы и короны. Можно и продолжить: метеоры, метеориты, кометы, новые звезды…

Древний, очень древний Китай, 2137 г. до н.э. Суд. Двое обвиняются в государственном преступлении. Прокурору нет нужды изобретать хитрые аргументы в поддержку обвинения. И вовсе не потому, что идет тридцать седьмой год. Обвинитель краток:

«Императорские астрономы Хи и Хо не предсказали солнечного затмения! Это знают и могут подтвердить все. В результате дракон начал пожирать Солнце на глазах у пораженного народа, не подготовленного к отражению страшной агрессии, не предупрежденного теми, кто должен был сделать это по долгу службы».

Он передохнул, вытянул обличающую руку в сторону бледных ученых и продолжал:

«А они предавались разврату ночью вместо того, чтобы наблюдать за светилами, пьянствовали днем вместо того, чтобы вычислять и обрабатывать наблюдения. К счастью, бдительные стражи Государственной Безопасности не растерялись, подняли народ и бросили его на борьбу с драконом. Страшный шум от сковородок, кастрюль, тазов, по которым неистово колотил с дикими воплями народ, испугал дракона и тот убрался восвояси. Иначе исчезло бы Солнце и погибла бы Поднебесная Империя (страшно подумать!) и все другие, варварские народы Земли (что, впрочем, несущественно и в обвинение не входит). Смерть государственным преступникам!»