АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

ТЕМА 2.1. ФІЗИКА ТІЛ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ

§ 14. КАРЛИКОВІ ПЛАНЕТИ ТА МАЛІ ТІЛА

2006 року Міжнародний астрономічний союз ухвалив рішення про заснування в Сонячній системі нового сімейства об'єктів - карликових планет і дав визначення поняття карликова планета. Це небесне тіло, яке: обертається навколо Сонця; відносно велике й масивне, щоб мати кулясту форму; не очищає околиці своєї орбіти; не є супутником планети.

1. Особливості карликових планет.

Плутон, колись дев'яту планету Сонячної системи, було відкрито 1930 р. Його період обертання навколо Сонця становить майже 250 земних років, і рухається він по такій витягнутій орбіті, що в деякі епохи опиняється до

Сонця ближче, ніж Нептун. Розміри Плутона невеликі - 2374 км у поперечнику.

Наприкінці 70-х років XX ст. біля Плутона на відстані близько 20000 км було відкрито супутник, названий Хароном (діаметр ~ 1200 км). Оскільки центр мас (барицентр) цих тіл лежить у відкритому просторі між ними, то таку систему називають подвійною планетою. Так само, як Місяць відносно Землі, Харон завжди повернутий до Плутона однією півкулею. Але й Плутон завжди повернутий до Харона одним боком. Період їх обертання навколо спільного центра мас становить понад шість земних діб.

Досі не лише найбільші наземні телескопи, але й космічні, не дозволяли роздивитися на поверхні Плутона, а тим паче на його супутниках, які-небудь деталі. Цього вдалося досягти з допомогою автоматичної міжпланетної станції «Нові Горизонти», яка влітку 2015 р. пройшла на відстані 12500 км від поверхні Плутона (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Поверхня Плутона

Виявилося, що уявлення про Плутон як «мертву» (на поверхні якої вже дуже давно не відбувається жодних змін) планету, були помилкові. Він має на поверхні гори й рівнини, вік яких становить не більше 100 млн років. Це вказує на тектонічні процеси, що відбувалися на Плутоні порівняно недавно.

До того, як «Нові Горизонти» побували в системі Плутона, це небесне тіло вважали не схожим ні на планети земного типу, ні на планети-гіганти. Його порівнювали з малими тілами, що утворюють пояс Койпера (Міжнародний астрономічний союз рекомендує називати їх транснептуновими об'єктами, бо вони лежать за орбітою Нептуна). Пояс Койпера - це безліч дрібних небесних тіл, що містяться на околиці Сонячної системи. Його ближня межа лежить від Сонця на відстані приблизно 30 а. о., а дальня простягається на відстань до 50 а. о.

Нині відомо, що пояс Койпера містить не менше, ніж 70000 об'єктів розмірами понад 10 км, зосереджених переважно в смузі від 30 до 50 а. о. Але є й віддаленіші тіла, що перебувають за доступними для спостережень межами. Припускають, що в цілому тіл з розміром більшим за 10 км є близько 10 млн, а з розміром понад 1 км - близько 10 млрд.

Об'єкти поясу Койпера дуже цікавлять астрономів, адже вони є залишками речовини, з якої утворилася Сонячна система.

Окрім Плутона, до сімейства карликових планет віднесено Цереру - найбільше тіло з поясу астероїдів з діаметром 950 км, а також відносно великі крижані тіла поясу Койпера - Ериду, Макемаке, Хаумеу. На статус карликових планет також претендують Квавар, Іксіон, Седна, Орк, Варуна. Деякі з них мають супутники.

2. Малі тіла Сонячної системи.

До малих тіл відносять астероїди, комети й метеороїди. Астероїди - тверді кам'янисті тіла, що рухаються, як і планети, по еліптичних орбітах навколо Сонця з періодом 3-6 років. Нахили орбіт астероїдів до площини екліптики (i) різні й досягають 70 градусів, а тому ці об'єкти поділяють приблизно порівну на плоску і сферичну підсистеми.

Для земного спостерігача кутовий діаметр навіть найбільших астероїдів не більший за 0,5", тому з допомогою наземних телескопів неможливо розгледіти їхні форми. Діаметри деяких астероїдів вдалося виміряти методом покриття зір - коли астероїд опиняється на промені зору спостерігача з яскравою зорею. Але здебільшого їх розміри оцінюють побічно за блиском, кольором та відстанню. Як і планети, астероїди у видимому діапазоні спектра світять відбитим сонячним світлом.

Внутрішня структура астероїдів здатна чинити опір гравітаційному стисканню. З цієї причини вони менш схильні до внутрішньої еволюції, ніж планети (наприклад, в їхніх надрах не відбувається гравітаційна диференціація речовини), але сильніше реагують на вплив зовнішніх факторів, таких як ударна переробка поверхні й еволюція орбіти.

Орбіти більшості астероїдів пролягають між орбітами Марса і Юпітера на відстані 2,2-3,6 а. о. від Сонця. Оскільки в цій частині Сонячної системи міститься кілька сотень тисяч таких об'єктів, її називали поясом астероїдів (рис. 14.2). Інколи цей пояс називають внутрішнім, або головним, маючи на увазі, що за орбітою Нептуна пролягає пояс Койпера з об'єктів, які здебільшого також відносять до сімейства малих тіл Сонячної системи.

Рис. 14.2. Схема розміщення поясу астероїдів у Сонячній системі

Поза основним поясом астероїдів є ще багато малих тіл, наприклад, астероїди-троянці. Це дві групи об'єктів, що обертаються навколо Сонця по орбіті Юпітера: перша рухається на 60° попереду планети, друга - на 60° позаду неї. Деякі астероїди рухаються сильно витягнутими еліптичними орбітами, що пролягають поблизу Сонця. А орбіти груп Аполлона, Амура й Афіни перетинають орбіту Землі або дуже близько підходять до неї.

Переважна більшість астероїдів має розміри від кількох метрів до 100 км і неправильну форму. У найбільших із них форма майже сферична й поперечники становлять сотні кілометрів. Зокрема в Паллади майже 600 км, у Вести 540 км і 245 км в Юнони.

Згідно з правилами МАС назви астероїдам дають їх першовідкривачі. Спочатку це були назви, пов'язані з міфами, бо намагалися продовжити традицію найменування планет. Потім астероїди стали називати іменами видатних людей. Нині, завдяки автоматизації процесу пошуків астероїдів, частота відкриття цих об'єктів суттєво зросла, тому багато з них спершу отримують числово-буквені позначення.

Щодо походження астероїдів було дві гіпотези. Згідно з першою (нині вже відхиленою), астероїди - це залишки планети, що розкололася внаслідок зіткнення з іншим масивним тілом. Згідно з другою, астероїди - це малі тіла, згруповані в пояс сильним гравітаційним полем гіганта Юпітера. У будь-якому разі вони є найдавнішими об'єктами Сонячної системи, і тому їх вивчення допомагає розкрити таємницю її походження.

Комети - ще один різновид малих тіл. Ті з них, що належать Сонячній системі, обертаються навколо Сонця по витягнутих еліптичних чи параболічних орбітах. Тому вони наближаються до світила і віддаляються на великі відстані, де комету важко, а часто й неможливо, спостерігати навіть у потужні телескопи. З наближенням до Сонця комета збільшує яскравість на зоряному небі й інколи може перетворитися на справжнє видовище (рис. 14.3.). У давнину це лякало людей, бо комети вважали вісниками поганих подій - стихійних явищ, війн, епідемій тощо. Нову, раніше невідому, комету називають прізвищем її відкривача (наприклад, комета Гейла-Боппа).

Рис. 14.3. Комета Гейла-Боппа на небі Землі

У комет розрізняють голову і хвіст. Голова складається з невеликого льодяного ядра з домішками твердих речовин і газової оболонки навколо нього, які світить відбитим сонячним світлом. Діаметри ядер зазвичай становлять кілька кілометрів чи десятків кілометрів, тоді як поперечники світних оболонок (їх називають комою) можуть сягати діаметра Сонця. Світні оболонки виникають під час наближення комети до Сонця: ядро нагрівається і його речовина сублімує - переходить з твердого в газоподібний стан. Кометний хвіст формується під тиском світла й сонячного вітру - речовину коми відкидає у протилежний бік від Сонця. Іноді довжина хвоста комети сягає сотень мільйонів кілометрів.

Речовина, що утворює голову (за винятком ядра) і хвіст комети, надзвичайно розріджена.

Багато нового про комети вдалося з'ясувати завдяки космічним зондам, що досліджували їх з близької відстані. Уперше космічний апарат наблизився до комети в 1985 р. Тоді виміряли густину речовини в комі й хвості комети Джикобіні-Циннера. Потім з допомогою космічних зондів «Вега-1», «Вега-2» і «Джотто» (Giotto) вивчали комету Галлея (1986), комету Бореллі (2001, Deep Space 1). У січні 2004 р. зонд Stardust взяв проби речовини коми комети Вільд-2 й відправив їх на Землю. 4 липня 2005 р. космічний апарат DeepImpact вистрелив у ядро комети Темпель-1 мідним снарядом, який вибив з поверхні фонтан речовини загальною масою до 10000 т. З'ясувалося, що ядро містить не лише водяний лід і пил (його було значно більше, ніж води), а ще й вуглекислий газ, аміак та органічні сполуки.

Рис. 14.4. Орбіта та будова комети: голова, ядро, хвіст

Але найдокладніші результати вдалося отримати завдяки місії «Розетта» до комети Чурюмова-Герасименко. У листопаді 2014 р. космічний апарат доставив на поверхню ядра комети модуль з обладнанням для хімічного аналізу, а сам до кінця вересня 2016 р. був її супутником. Одна із знахідок «Розетти» - молекулярний кисень О₂ в газовій оболонці біля ядра комети. До цього О₂ було виявлено в космічному просторі лише двічі (в туманностях).

Походження ядер комет поки що лишається таємницею. Існує гіпотеза, що їх джерелом є хмара Оорта, яка лежить на межі Сонячної системи. Її поділяють на дві складові - внутрішню дископодібну і зовнішню сферичну. Відстань від Сонця до хмари Оорта оцінюють в 50000-100000 а. о., що становить майже чверть відстані до Проксими Кентавра - найближчої зорі до Сонця. Її зовнішня межа визначає гравітаційний кордон Сонячної системи. Хмара Оорта містить величезну кількість об'єктів різних розмірів (до кількох десятків км). їх загальна маса за грубими оцінками уп'ятеро більша, ніж маса Землі. Зважаючи на відомості про речовину ядер комет, переважна більшість об'єктів хмари Оорта має складатися з льодів летких сполук - води, метану, етану, моноксиду вуглецю, ціаністого водню та аміаку.

Після кількох сотень обертів навколо Сонця комета втрачає леткі речовини й перетворюється в темне тіло, схоже на астероїд. Частинки, викинуті з ядра у хвіст, довгий час продовжують рухатись тією самою орбітою, що й комета. Іноді, перетинаючи орбіту Землі, вони потрапляють в земну атмосферу й утворюють в небі явище метеорів. Його також спричиняють метеороїди - тіла невеликого розміру (до 50 м), що рухаються в міжпланетному просторі й від часу до часу проникають в атмосферу Землі.

Рис. 14.5. Явище метеора (а) та болід (б) на небі Землі

Інколи метеор може бути таким яскравим, що затьмарює собою найяскравіші зорі й навіть планети. В цьому разі його називають болідом. Буває, що він пролітає небом велику відстань, а потім розпадається зі своєрідним шумом на дрібні фрагменти, які згорають в атмосфері.

Метеороїд, що не «згорів» в атмосфері й досяг поверхні Землі, називають метеоритом. Залежно від маси тіла та швидкості, з якою воно входить в атмосферу, внаслідок його падіння може утворитися кратер. На Землі є метеоритні кратери різних розмірів (рис. 14.6) - від кількох метрів до сотень кілометрів у діаметрі. їхня форма залежить від різних чинників: природи поверхні, в якій утворився кратер, фізичних і кінетичних параметрів тіла, що впало, геологічних і атмосферних зміни, що відбулися внаслідок такої події.

Рис. 14.6. Один з найвідоміших метеоритних кратерів на Землі - Аризонський кратер (поперечник 1200 м). Його відкрили 1891 р., а утворився він приблизно 50 000 років тому

Дуже давній і сильно зруйнований кратер, що виник від зіткнення комет і астероїдів з поверхнями планет і їхніх супутників, називають астроблемою.

Як порівняти з іншими тілами Сонячної системи, наприклад, з Місяцем або Меркурієм, астроблем на земній поверхні (рис. 14.7) мало. Тих, метеоритне походження яких вважають підтвердженим, є до 200, і лише 128 з них лежать на поверхні відкритими, інші приховано водами морів, льодовиками й рослинністю. Земля бідна на кратери з двох причин: наявність активної атмосфери, що руйнує кратери впродовж геологічного проміжку часу, й відновлення ґрунту через вулканічну й тектонічну діяльність.

Рис. 14.7. Астроблеми на поверхні Землі

Є астроблеми й на території України. Наприклад, Бовтиський кратер в Кропивницькій обл. 26 км в діаметрі й 600 м завглибшки віком 65 млн років; Оболонський кратер в Полтавській обл.

20 км в діаметрі й віком у майже 170 млн років або Іллінецька западина у Вінницькій обл. 7 км в діаметрі й віком близько 400 млн років.

Рис. 14.8. Астроблеми на території України

3. Проблема астероїдної небезпеки.

Астроблеми на Землі - наслідок її бомбардування космічними тілами в далекому минулому. Окремі науковці вважають, що масове зникнення динозаврів 65 млн років тому пов'язане з падінням велетенського метеорита, внаслідок чого на тривалий час змінився клімат і харчовий ланцюг цих тварин. Кратер Чиксулуб від падіння метеорита, з яким ототожнюють зникнення динозаврів, міститься на півострові Юкатан (Мексика). Дата його утворення збігається з часом зникнення динозаврів наприкінці крейдового періоду. Проте багато палеонтологів вважає, що падіння метеорита, навіть великого розміру, було лише однією з причин цього процесу.

Потенційно небезпечними для Землі космічними обєктами вважають небесні тіла, орбіта яких пролягає на відстані меншій за 0,5 а. о. (близько 8 млн км), з розмірами (орієнтовно) від 30-50 м у поперечнику, падіння яких може спричинити катастрофу регіонального чи глобального масштабу.

Середня ймовірність зіткнення Землі з космічним об'єктом, залежно від його поперечника, така: тіло діаметром 1 м - кілька разів на рік; 10 м - один раз на 100 років; 100 м - один раз на 500 років; 1 км - один раз на 10 мільйонів років. Тіло діаметром 5-10 км падає на Землю, імовірно, однораз на 25-200 млн років, а понад 10 км - однораз на 500 мільйонів років.

Нині на території США і в інших країнах світу діють кілька систем пошуку небезпечних космічних тіл. Найвідоміші з них LINEAR, Space Watch і LONEOS. Розташовані вони на базі великих університетів в Аризоні, на Гавайських островах, у штаті Нью-Мексико та в інших місцях. Кілька обсерваторій з телескопами діаметром від одного до чотирьох метрів повсякчас сканують небесну сферу. Діють вони в автоматичному режимі.

ТИПОВА ЗАДАЧА

Космічний корабель здійснив посадку на поверхню астероїда діаметром 1 км. Середня густина речовини астероїда р = 2,5 г/см (її значення виражає формула р = 3M/4pR , де М і R — відповідно маса і радіус астероїда). З'ясуйте, чи зможуть астронавти об'їхати астероїд по екватору на всюдиході за 2 години?

Розв'язання: Щоб рухатися по поверхні астероїда, швидкість всюдихода має бути меншою, ніж перша космічна швидкість v (інакше він відірветься від поверхні астероїда). Час обльоту астероїда з цією швидкістю на низькій орбіті становитьВраховуючи, що отримуємоВиразивши R через р, отримуємо:Далі варто пригадати, що період обертання супутника на низькій орбіті навколо Землі, середня густина якої ρ = 5,5 г/см³, становить 1,5 години. Тоді для планети, середня густина якої становить р, отримуємо:За допомогою цього виразу визначимо для астероїда Отже, астронавти на зможуть об'їхати астероїд за 2 години.

ВИСНОВКИ

До складу Сонячної системи належать карликові планети, а також малі тіла (астероїди, комети, метеороїди і міжпланетний пил).