§ 5. ВИДИМИЙ РУХ ПЛАНЕТ

1. Система світу Птолемея. У давнину було відомо п’ять схожих на зорі, але більш яскравих світил, які хоча й беруть участь разом із зорями в добовому обертанні небосхилу, але мають також самостійний видимий рух. Стародавні греки назвали ці «світила» планетами (від грец. πλάνητος - «блукаючі»). Неозброєним оком можна побачити блукаючі «світила» (планети): Меркурій, Венеру, Марс, Юпітер та Сатурн.

Планети завжди розташовуються на небі недалеко від екліптики, але, на відміну від Сонця й Місяця, через певні тимчасові інтервали змінюють напрямок свого руху. Вони переміщаються між зорями в основному із заходу на схід (як Сонце й Місяць) - прямий рух. Однак кожна планета в певний час сповільнює свій рух, зупиняється й починає рухатися зі сходу на захід - зворотний рух. Потім світило знову зупиняється і відновлює прямий рух. Тому видима траєкторія кожної планети на небосхилі - складна лінія із зигзагами й петлями. Ця траєкторія до того ж змінюється від циклу до циклу, протягом якого планета повертається приблизно на те саме місце серед зір (мал. 1.13).

Рух планет тривалий час залишався явищем незрозумілим і загадковим, яке згодом знайшло своє правильне й просте пояснення в теорії Коперника.

Проте в II ст. н. е. Клавдій Птолемей розробив геоцентричну систему світу, що дала змогу обчислювати положення планет відносно зір на багато років уперед і передбачати настання сонячних і місячних затемнень.

Використовуючи спостереження своїх попередників, а також власні, Птолемей побудував теорію руху Сонця, Місяця, планет і припустив, що всі світила рухаються навколо нерухомої Землі, що є центром світобудови й має кулясту форму.

У міру накопичення спостережень про рухи планет теорія Птолемея дедалі більше ускладнювалася (вводилися додаткові кола з різними радіусами, нахилами, швидкостями тощо), що незабаром зробило її занадто громіздкою і неправдоподібною.

2. Система світу Коперника. У XVI ст. польський учений Міколай Коперник, відкинувши догматичне поняття про нерухомість Землі, поставив її в число звичайних планет. Він указав, що Земля, посідаючи третє місце від Сонця, так само як й інші планети, рухається навколо Сонця й одночасно обертається навколо своєї осі. Геліоцентрична система Коперника дуже просто пояснювала петлеподібний рух планет. На малюнках 1.13 і 1.14 показано рух Марса небесною сферою, спостережуваний із Землі. Однаковими цифрами позначено положення Марса, Землі й точок траєкторії Марса на небосхилі в ті самі моменти часу.

Геоцентрична система Птолемея не давала змоги виміряти відстань до планет. Геліоцентрична система Коперника вперше дала змогу розрахувати пропорції Сонячної системи, користуючись радіусом земної орбіти як астрономічною одиницею довжини.

Головну наукову працю Коперника «Про обертання небесних сфер», на написання шести книжок якої учений витратив понад 20 років тяжкої праці, було опубліковано в 1543 р., незадовго до смерті вченого. Революційність праці астронома полягає в тому, що в ній з новим поглядом на будову Сонячної системи нерозривно пов’язане питання про положення Землі, а з нею й людини, у Всесвіті. Простота та реальність системи будови світу, яку виклав Коперник, швидко знайшла собі прихильників. Теорія

Мал. 1.13. Видимий петлеподібний рух Марса

Мал. 1.14. Пояснення петлеподібного руху планет на основі теорії Коперника

Мал. 1.15. Схема конфігурацій нижніх планет: 1 - нижнє сполучення; 2 - найбільша західна елонгація; 3 - верхнє сполучення; 4 - найбільша східна елонгація

Мал. 1.16. Схема конфігурацій верхніх планет: 1 - сполучення; 2 - західна квадратура; 3 - протистояння; 4 - східна квадратура

Коперника змусила звільнити науку від застарілих і схоластичних поглядів, що гальмували її розвиток. Однак сам астроном залишався в полоні деяких переконань. Наприклад, він так і не зміг відмовитися від того, що планети рухаються рівномірно по колових орбітах.

Великий італійський учений Галілео Галілей підтвердив теорію Коперника своїми відкриттями, зробленими за допомогою телескопа. Він виявив, що на Місяці існують гори й кратери, Венера має фази, у Юпітера є 4 супутники і що Чумацький Шлях - не просте сяйво на небі: воно складається з окремих слабких зір, які не можна побачити неозброєним оком.

Йоганн Кеплер розвинув теорію Коперника, відкривши закони руху планет, і довів на основі фактів, що планети рухаються по еліпсах і нерівномірно.

Ісаак Ньютон відкрив у 1687 р. закон всесвітнього тяжіння, що дав змогу виразити теорію руху планет у вигляді формул і відмовитися назавжди від громіздких геометричних побудов.

3. Конфігурації та умови видимості планет. Під конфігураціями планет розуміють характерні взаємні розміщення планет, Землі та Сонця. Конфігурації різні для нижніх планет (орбіти яких перебувають ближче до Сонця, ніж орбіта Землі) і верхніх планет (орбіти яких розміщені за орбітою Землі).

Для нижніх планет виділяють сполучення та елонгації (мал. 1.15). У нижньому сполученні планета найближче до Землі, а у верхньому - найдальше від неї. При елонгаціях кут між напрямками із Землі на Сонце й на нижню планету залишається гострим. Через еліптичність планетних орбіт найбільші елонгації не мають сталого значення. У Венери вони в межах від 45 до 48°, а в Меркурія - від 18 до 28°. Обидві планети не відходять далеко від Сонця і тому вночі невидимі. Тривалість їхньої ранкової або вечірньої видимості не перевищує чотирьох годин для Венери й півтори години для Меркурія. Меркурій іноді зовсім невидимий, тому що сходить і заходить у світлий час доби.

Розрізняють східну й західну елонгації. У східній елонгації планета спостерігається увечері після заходу Сонця, а в західній - уранці перед сходом Сонця. Для верхніх планет (мал. 1.16) характерні інші конфігурації.

Якщо Земля перебуває між планетою й Сонцем, то таку конфігурацію називають протистоянням. Ця конфігурація найбільш сприятлива для спостережень планети, тому що в цей час планета перебуває найближче до Землі та повернута до неї своєю освітленою півкулею, а перебуваючи на небі в протилежному до Сонця місці, буває у верхній кульмінації біля опівночі. Слід зазначити, що у верхніх планет нижнього сполучення не буває, тому не слід сполучення називати верхнім. Якщо кут між напрямками із Землі на верхню планету і на Сонце становить 90°, то кажуть, що планета перебуває у квадратурі. Розрізняють західну й східну квадратури. У конфігурації західної квадратури планета сходить біля опівночі, а в східній - заходить біля опівночі. Моменти конфігурацій планет й умови їхньої видимості щорічно публікуються в астрономічних довідниках і календарях.

4. Сидеричні та синодичні періоди обертання планет.

Інтервал часу, протягом якого планета робить повний оберт навколо Сонця по орбіті щодо зір, називають зоряним, або сидеричним, періодом обертання планети.

Однойменні конфігурації планет наступають у різних точках їхніх орбіт.

Інтервал часу між двома послідовними однойменними конфігураціями планет називають синодичним періодом обертання планети.

Він відрізняється від зоряного періоду.

Синодичний період (від грец. σύνοδος - «зближення») - це період між двома послідовними сполученнями (протистояннями).

Теорія Коперника дає змогу встановити взаємозв’язок синодичного й сидеричного періодів обертання планет.

Припустимо, що Т - сидеричний (зоряний) період обертання планети, а Т0 - сидеричний період обертання Землі (зоряний рік); S - синодичний період обертання планети. Середнє значення дуги, що проходить планета за одну добу, називають середнім рухом n, що дорівнює n= 360° / T, а середній рух Землі n₀ = 360° / T₀. У нижніх планет Т < T₀і n > n₀.

Однойменні сполучення таких планет (наприклад, нижні сполучення на мал. 1.17) настають через синодичний період обертання S, за який

Мал. 1.17. Синодичний період послідовних нижніх сполучень (1 і 2) нижньої планети

Останні рівняння дають середні значення синодичних періодів обертання планет. За допомогою цих рівнянь за спостережуваним синодичним періодом обертання планети легко підрахувати сидеричний період її обертання навколо Сонця.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Який основний недолік системи світу Птолемея?
2. У чому полягає революційність поглядів Коперника? Яка роль його ідей в астрономії?
3. Як Галілей підтвердив теорію Коперника?
4. Що означає зворотний рух планет? Як на основі геліоцентричної системи світу пояснюється петлеподібний рух планет?
5. Що розуміють під конфігураціями планет? У якій з конфігурацій можуть бути верхні й нижні планети?