Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 34. Внесок космонавтики в астрономію. Космогонія Сонячної системи

Опрацювавши цей параграф, ви зможете пояснити використання законів руху небесних тіл для практичних потреб космонавтики; особливості рухів штучних супутників та автоматичних міжпланетних станцій, а також наводити приклади дослідження тіл Сонячної системи з допомогою космічних апаратів.

Космонавтика для астрономії дала змогу винести телескопи за межі Землі й позбутися впливу атмосфери, яка є суттєвою завадою для астрономічних спостережень з поверхні нашої планети. Крім того, космічні польоти до інших тіл Сонячної системи зробили врешті-решт астрономію експериментальною наукою.

ДОСЛІДЖЕННЯ ТІЛ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ ЗА ДОПОМОГОЮ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ. Майже відразу після початку ери космонавтики розпочалися космічні дослідження найближчих до Землі небесних тіл (Місяця, планет земної групи).

Місяць, як найближче до Землі небесне тіло, став першим, до якого людство спрямувало космічні апарати (1958 р.). Згодом космічні зонди доставили на Землю зразки місячних порід, а на поверхню супутника Землі ступили 12 астронавтів. Першими людьми на Місяці були астронавти Нейл Армстронг (рис. 34.1) та Едвін Олдрін, які висадилися в море Спокою 20 липня 1969 р.

Рис. 34.1. Нейл Армстронг, командир космічного корабля «Аполлон-11» — перший землянин, який ступив на поверхню Місяця

У ХХІ ст. до Місяця спрямовували автоматичні космічні апарати США, Китай, Індія, Японія. Китай, окрім доставки місяцеходу й відправки ґрунту на Землю, навіть планує будівництво населених місячних баз. А США оголосили про плани створення космічної станції на орбіті Місяця.

На Марс земляни спрямували десятки космічних апаратів з метою докладного вивчення планети — її поверхні, атмосфери, пошуків води і навіть ознак життя. Космічні апарати на Марсі працюють майже безперервно. Вже повністю здійснено детальне картографування поверхні планети, вивчено хімічний склад атмосфери і ґрунту, досліджено погодні умови, знайдено великі запаси водяного льоду тощо.

Марс привертає увагу не тільки астрономів та аерокосмічних агенцій провідних країн світу, а й приватних фірм, які працюють у галузі космонавтики. Наприклад, Ілон Маск, засновник компанії SpaceX (Space Exploration Technologies Corporation), виношує плани про колонізацію Марса землянами.

Рис. 34.2. Марсіанська база землян в уявленні художника-фантаста

Космічна техніка допомогла астрономам побачити зблизька поверхню Меркурія і скласти майже повну карту планети. Таку саму роботу виконано і для Венери. У дослідженні цієї планети космічні апарати відіграли вирішальну роль, адже щільна атмосфера не дає змоги бачити поверхню Венери навіть з її орбіти. Тому тільки спускні АМС «Венера-9» (1975 р.), а далі «Венера-13 і -14» (1982 р.), вперше показали землянам краєвиди цього небесного тіла (рис. 34.3).

Рис. 34.3. Поверхня Венери в місці посадки АМС «Венера-13»

Американські АМС «Піонер-10» і «Піонер-11» (запущені в 1972 і 1973 рр.), що мали на меті вивчення поясу астероїдів і Юпітера, були першими дослідниками планет-гігантів. Після них до планет-гігантів були спрямовані «Вояджер-1», «Вояджер-2», «Ґалілео», «Кассіні» та «Юнона». Особливо важливими для астрономії стали два останніх космічних апарати, адже «Юнона» є штучним супутником Юпітера, а «Кассіні» протягом 2004—2017 р. був супутником Сатурна. Вони, на відміну від попередників, вивчали планети тривалий час. Понад те, космічний зонд «Гюйгенс», що відокремився від «Кассіні», здійснив посадку на Титан, супутник Сатурна, й докладно дослідив його атмосферу та поверхню.

Автоматична міжпланетна станція «Нові Горизонти» (англ. New Horizons), пролітаючи повз Плутон, виконала в 2015 р. дослідження його системи (карликової планети та її супутників). На початку 2019 р. космічний зонд пройшов на відстані приблизно 3500 км від поверхні Ultima Thule — одного з об'єктів поясу Койпера. Уперше отримано докладну інформацію про небесний об'єкт, який лежить на відстані 6,5 млрд км від Сонця. Цікаво, що на борту космічного апарата встановлено капсулу з частиною праху астронома Клайда Томбо, першовідкривача Плутона.

Космічні апарати дали змогу доставити на Землю зразки астероїдної та кометної речовини, побачити з близької відстані ядра комет і поверхні астероїдів. У 2014 р. космічний зонд «Розетта» вивчав комету Чурюмова — Герасименко (названа іменами її першовідкривачів — українських астрономів) і став першим космічним апаратом, що вийшов на її орбіту. Зонд спрямував на поверхню ядра комети спускний апарат «Філи» для вивчення хімічного складу небесного тіла.

Нині в космічному просторі працює багато автоматичних апаратів, які вивчають Всесвіт у всьому діапазоні електромагнітного спектра.

Рух штучних небесних тіл-супутників по орбіті й космічних апаратів у просторі описують ті самі закони небесної механіки, що й рух природних небесних тіл. Не вдаючись до формул, наведемо деякі особливості руху штучних супутників Землі. Коли супутник рухається на висоті 35 800 км, період його обертання становить 23 год 56 хв 4 с. Це час, за який Земля здійснює оберт навколо власної осі відносно зір. Тому, якщо орбіта такого супутника лежить у площині земного екватора і він рухається в напрямку обертання Землі, то весь час перебуває «нерухомо» над певною точкою земного екватора. Таку орбіту називають геостаціонарною.

Найбільша відстань, на якій супутник все ще буде обертатися навколо Землі, — 1,5 млн км. Опинившись на більшій відстані, він через збурення з боку Сонця або повернеться на менші висоти, або перетвориться на штучну планету.

Траєкторії і тривалість польоту космічних апаратів до інших тіл Сонячної системи визначають за законами небесної механіки. Її основою є закон всесвітнього тяжіння і закони Кеплера. Розрахунки показують, що, наприклад, політ до Венери триває 146 діб, до Марса — 259 діб. Для міжпланетних польотів використовують сприятливі періоди у взаємному розміщення Землі та планети в космічному просторі. Тобто існують як «вікна» старту космічного апарата, так і «вікна» його повернення на Землю. Очікування сприятливого положення планет Венери і Землі триває 480 діб, Марса і Землі — 438 діб. Це означає, що загалом експедиція до Венери триватиме 772 доби, а до Марса — 956 діб.

ПОХОДЖЕННЯ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ. Нині більшість науковців, які досліджують це питання, дотримуються теорії, створеної в 1950-х роках О. Ю. Шмідтом і модифікованої його послідовниками.

Як формувалася Сонячна система?

Згідно із сучасними уявленнями, вісім планет та майже всі інші тіла утворилися навколо молодого Сонця внаслідок фрагментації газопилової хмари (з її центральної частини 5 млрд років тому утворилося саме Сонце), що мала форму диска. Фрагментація диска відбувалася поступово. При цьому в центральних частинах диска внаслідок високої температури та видування летких елементів збереглися важкі тугоплавкі частинки, з яких сформувалися планети земної групи, а у віддаленіших зонах, де залишалось багато газів і води, утворилися планети-гіганти та їхні супутники (рис. 34.4).

Рис. 34.4. Формування Сонячної системи (схема)

Загальний вік нашої планетної сім'ї, визначений за метеоритами та зразками місячного ґрунту, становить близько 4,6 млрд років.

Якщо за часів Шмідта існування газопилового диска було тільки припущенням, то в останні десятиріччя ХХ ст. такі диски відкрито біля багатьох молодих зір, а тепер відкрито і планети біля інших зір.

Астероїди внутрішнього поясу та об'єкти поясу Койпера також утворені з первинної речовини газопилової хмари, що через різні обставини не була увібрана великими планетами під час їх формування. Причому тверді кам'янисті тіла поясу астероїдів, що формувалися за орбітою Марса, густинами ближчі до планет земної групи. А об'єкти поясу Койпера з великим вмістом різних льодів формувались у віддаленій зоні Сонячної системи і споріднені з карликовою планетою Плутон.

! Головне в цьому параграфі

Без космічних досліджень нині годі уявити вивчення тіл Сонячної системи. Згідно із сучасними уявленнями, всі тіла нашої планетної системи, серед них і Сонце, утворилися з велетенської газопилової хмари приблизно 4,6 млрд років тому.

? Запитання для самоперевірки

• 1. У чому полягає перевага космічних досліджень тіл Сонячної системи над телескопічними.
• 2. Запропонуйте метод картографування поверхні Венери з її орбіти за допомогою космічного апарата.
• 3. Як ви гадаєте, чому Марс є найцікавішим об'єктом космічних досліджень?
• 4. Поясніть якісно процес утворення планет земної групи.
• 5. Поясніть якісно процес утворення планет-гігантів.