Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 11. Карликові планети та малі тіла Сонячної системи

У серпні 2006 р. на Асамблеї Міжнародного астрономічного союзу було прийнято нове визначення планети і вперше введено поняття «карликова планета».

Карликовими планетами вважають об’єкти, що обертаються навколо зорі та мають гідростатично рівноважну форму (кулясту) і не є супутниками планет.

До серпня 2006 р. Плутон, який у 1930 р. відкрив американський астроном Клайд Томбо (1906-1997), вважався дев’ятою планетою Сонячної системи.

Однак за динамічними та фізичними характеристиками він істотно відрізнявся від інших планет. У 1978 р. у Плутона було відкрито супутник — Харон. Його діаметр становить 1205 км, ледве більше за половину діаметра Плутона, а співвідношення мас становить 1 : 8. Деякі астрономи зараховували Харон до супутників, інші — систему Плутон-Харон вважали подвійною планетою.

Відповідно до рішення Міжнародного астрономічного союзу відмінність подвійної планети від системи планета-супутник (наприклад, Земля-Місяць) полягає у розміщенні барицентра — загального центра мас. У першому випадку цей центр перебуває у відкритому космосі, у другому — усередині основної планети, що має супутники.

Стало очевидним, що Плутон — лише один з найбільших відомих на цей час об’єктів поясу Койпера, принаймні один з об’єктів (Ерида) поясу є більшим тілом, ніж Плутон. На малюнку 2.34 показано порівняльні розміри Землі, Місяця та деяких карликових планет.

Мал. 2.34

Пояс Койпера — це дископодібна область крижаних об’єктів за орбітою Нептуна, у мільярдах кілометрів від Сонця. Плутон та Ерида є найвідомішими із цих крижаних світів (там можуть бути ще сотні крижаних карликів). Пояс Койпера і хмара Оорта, що міститься ще далі, є «домом» для тіл, що обертаються навколо Сонця.

Відомі астероїди і комети в обох областях значно менші, ніж Місяць. Поясом Койпера є кільце, яке починається за орбітою Нептуна на відстані приблизно від 30 до 60 а. о.

Хмара Оорта є сферичною оболонкою, що займає простір на відстані від 50 до 100 тис. а. о. (до 1 св. р.). Це становить майже чверть відстані до Проксіми Центавра — найближчої до Сонця зорі. Пояс Койпера та розсіяний диск, дві інші відомі області транснептунових об’єктів, у тисячу разів менші за хмару Оорта. Зовнішня межа хмари Оорта визначає гравітаційний кордон Сонячної системи — сферу Гілла, яка розраховується для Сонячної системи у 2 світлових роки.

Джерард Койпер

Деякі карликові планети в межах поясу Койпера мають тонкі атмосфери, які руйнуються, коли їхні орбіти несуть їх на найдальшу відстань від Сонця. Кілька карликових планет у поясі Койпера мають крихітні супутники. Не існує відомих кілець навколо астероїдів у будь-якій ділянці простору. Пояс Койпера та хмару Оорта названо на честь астрономів: Джерарда Койпера (1905-1973) і Яна Оорта (1900-1992), які передбачили їхнє існування в 1950-х роках.

Ян Оорт

Планети і карликові планети — це два різних класи об’єктів Сонячної системи. Крім Плутона, карликовими планетами вважають Харон, «колишні» астероїди Цереру, Весту, Палладу, що містяться між орбітами Марса і Юпітера, і об’єкти поясу Койпера — Ериду, Седну та ін., що перебувають ще далі від Сонця, ніж Плутон.

На думку астрономів, в області поясу Койпера є десятки карликових планет, подібних до Плутона, але їхнє відкриття — справа часу.

Усі інші об’єкти, крім карликових планет, які обертаються навколо Сонця і не є супутниками, називають малими тілами Сонячної системи. До цього типу належить більшість астероїдів між Марсом і Юпітером, а також транснептунові об’єкти поясу Койпера, комети і всі інші тіла, що обертаються навколо Сонця.

Після 1801 р. між орбітами Марса і Юпітера було виявлено кілька карликових планет і безліч астероїдів.

Астероїд (мала планета) — мале тіло Сонячної системи, що має неправильну форму і перебуває на геліоцентричній орбіті.

До початку XX ст. було виявлено близько 500 астероїдів, діаметри яких становлять десятки кілометрів. У наш час в базі даних Центру малих планет налічується близько 100 млн об’єктів. У понад 600 тис. визначено орбіти, і їм надано сталий номер. Близько 18 тис. з них мають офіційно затверджені назви. Дослідники припускають, що в головному поясі астероїдів має бути від 1,1 до 1,9 млн об’єктів, що мають розмір понад 1 км у діаметрі.

Астероїди вважають залишками протопланетного диска, що утворився після формування Сонячної системи. Сумарна маса оцінюється лише як 0,1 маси Землі. Нові астероїди відкривають щороку. Значна частина (98 %) астероїдів рухається в площинах, близьких до екліптики, по орбітах з малим ексцентриситетом, розташовуючись між орбітами Марса і Юпітера на відстані 2,24,5 а. о. від Сонця. Навколо Сонця астероїди рухаються в той самий бік, що й планети. Область простору між орбітами Марса і Юпітера, де перебуває більшість астероїдів, називають головним поясом астероїдів (мал. 2.35).

Мал. 2.35

За однією з гіпотез, астероїди є залишками існуючої колись безлічі планетезималей (планетезималь — небесне тіло на орбіті навколо зорі, що утворюється в результаті поступового осідання на ньому менших об’єктів та частинок). Процес формування їх у планету колись припинився через збурення з боку Юпітера — гіганта, що швидко обертається. У результаті цього об’єднання речовини змінилося на подріблення. Збурення планет-гігантів змінюють орбіти астероїдів, змушуючи їх зіштовхуватися один з одним, з планетами і їхніми супутниками. Згідно з іншою версією, астероїди виникли в результаті руйнування гіпотетичної планети, що перебувала між Марсом і Юпітером.

У 1951 р. французький астроном Джерард Койпер передбачив існування поясу астероїдів за орбітою Нептуна. Теоретично цей пояс має міститися на відстані 35-50 а. о. від Сонця. Можливо, це залишок первісної туманності, з якої сформувалася Сонячна система. Сумарна маса тіл поясу Койпера порівнянна з масою Землі.

Уперше сфотографував поверхню астероїдів міжпланетний космічний апарат «Галілео». Наближаючись до Юпітера, він сфотографував астероїди Гаспра та Іда із супутником Дактиль (мал. 2.36).

Мал. 2.36

Першу вдалу посадку на поверхню астероїда зробив космічний апарат NEAR у 2001 р. Астероїд Ерос виявився кам’янистим тілом неправильної форми розмірами 33 х 13 х 13 км і густиною 2700 кг/м³, близькою до густини порід земної кори. Поверхня астероїда вкрита пилом, всіяна кратерами і валунами (діаметром до 100 м).

Нині у Сонячній системі на відстані, що не перевищує 100 а. о., перебуває близько 1 млн малих тіл розмірами до 1 км. Орбіти астероїдів збільшують свій ексцентриситет до 0,8 через гравітаційні сили з боку планет-гігантів. Через це деякі астероїди проникають усередину орбіт Марса, Землі і навіть Меркурія. Такі небесні тіла можуть зіштовхуватися із Землею не рідше ніж раз на 20 млн років. Існує не менше ніж 200 тис. астероїдів діаметром від 100 м, орбіти яких можуть перетинати орбіту Землі. Імовірність зіткнення з таким тілом — приблизно 1 раз на 5 тис. років, при цьому на Землі утвориться кратер діаметром близько 1 км.

31 жовтня 2015 р. приблизно о 19:00 за київським часом на небезпечно близькій відстані від Землі (486 тис. км, у 1,3 раза далі від відстані до Місяця) пролетів астероїд. Тому в багатьох країнах, у тому числі і в Україні, створено служби спостереження за небезпечними астероїдами, щоб у разі загрози для Землі від будь-якого з них провести роботу зі зміни орбіти або його знищення.

Спочатку астероїдам давали імена міфологічних богинь, потім — жіночі імена. Коли вони закінчились, астероїди стали називати на честь відомих учених різних країн. Серед астероїдів є такі, назви яких пов’язані з Україною, — Житомир, Одеса, Херсон, Кобзар, Сковорода, Всехсвятський, Чурюмов, Яцків та ін.

Найвідоміші астероїди: Паллада, Юнона, Веста, Ерос, Амур, Гідальго, Ікар.

У міжпланетному просторі рухається величезна кількість кам’яних і залізних тіл, найрізноманітніших за розмірами, формою і хімічним складом. Ці тіла одержали назву метеоритні тіла. Коли таке тіло вторгається в атмосферу Землі з космічною швидкістю, у результаті тертя об повітря воно нагрівається, починає плавитися і світитися — на небі з’являється яскрава вогненна куля. Це явище одержало назву болід (від грец. βολις — «метальний спис»). У нічний час болід яскраво висвітлює місцевість на десятки й сотні кілометрів навколо. Дуже яскраві боліди видно навіть удень при повному сонячному освітленні. За вогненною кулею вздовж її траєкторії залишається слід у вигляді світіння іонізованих молекул повітря та закінчується струменями пилу. Пил — це продукт руйнування метеоритного тіла під час його руху в атмосфері, тому що під час польоту з величезною швидкістю тіло нагрівається до кількох тисяч градусів. Речовина на його поверхні безупинно розплавляється і частково випаровується: зривається потоками повітря й розприскується у вигляді дрібних крапель. Вони й становлять пиловий слід боліда. Наростаюче згущення повітря створює навколо метеоритного тіла ударну хвилю. Вона спричиняє звукові явища — гуркіт і гул.

Уцілілий від повного руйнування залишок метеоритного тіла падає на поверхню Землі. Це і є метеорит. Метеорити є уламками небесних тіл Сонячної системи. Метеоритне тіло, що має величезну початкову масу десятки й сотні тисяч тонн, проходить усю товщу атмосфери, зберігаючи космічну швидкість — кілька кілометрів за секунду. У результаті удару відбувається вибух, і утворюється метеоритний кратер. Він може мати розміри від кількох метрів до 100 км. Найвідоміший Арізонський кратер діаметром 1200 м, глибиною 180 м і висотою вала близько 50 м (мал. 2.37). Можливо, він з’явився 30 тис. років тому. Сьогодні виявлено понад 180 астроблем — зоряних ран (як їх образно називають учені), які знаходяться на всіх земних континентах. На території України, поблизу Вінниці, є зоряна рана, яка має назву Іллінецька астроблема. Після падіння метеорита, що сталося кілька мільйонів років тому, утворився гігантський кратер діаметром 5 км.

Мал. 2.37

Бовтиський кратер було виявлено у 2002 р. в околицях Кропивницького. Діаметр кратера — 24 км, глибина — понад 500 м. Зона розльоту викинутих порід вкриває всю Центральну Україну, сягає Криму, Румунії, Росії.

Усі метеорити за складом діляться на три основних класи: кам’яні, залізокам’яні й залізні. Кам’яні метеорити близькі за хімічним складом до земних гірських порід: містять оксиди заліза, кремнію, магнію. Близько 90 % кам’яних метеоритів містять хондри — сферичні частинки розміром від мікроскопічних зерен до горошини. Такі кам’яні метеорити називають хондритами, інші кам’яні метеорити — ахондритами.

Найбільший метеорит знайдено в 1920 р. біля населеного пункту Гоба в Південно-Західній Африці. Це залізний метеорит масою близько 60 т. Метеорит Княгиня знайдено в 1866 р. у Закарпатській області, його маса становить 500 кг, частину його показано на малюнку 2.38.

Мал. 2.38

Усього в Україні було знайдено 43 метеорити. Останній з них — залізний метеорит Верхній Салтів масою 9,5 кг — знайшли у 2001 р. під час розкопок стародавнього хазарського поселення у Харківській області.

Про комети, «хвостаті зорі», було відомо з давніх часів. Перші китайські записи про комети датуються ІІІ тисячоліттям до н. е. Віддалені від Сонця комети мають вигляд слабких туманних об’єктів. Наближаючись до Сонця, вони стають яскравішими, збільшуються у розмірах, у них з’являється хвіст, спрямований у протилежний бік від Сонця.

За всю історію людства спостерігалося близько 3500 комет. Зареєстровано в каталогах близько 1000 таких малих тіл Сонячної системи й визначено елементи їхніх орбіт. Майже всі комети рухаються по витягнутих орбітах з ексцентриситетом, близьким до одиниці. Комети поділяються на короткоперіодичні (з періодом обертання менше ніж 200 років) і довгоперіодичні. Першу періодичну комету виявив англійський астроном Едмунд Галлей (1656-1742).

Мал. 2.39

Він обчислив орбіти 24 яскравих комет. Аналізуючи свій кометний каталог, Галлей помітив подібність елементів орбіт комет 1531, 1607 й 1682 років і припустив, що це послідовне повернення тієї самої комети, що рухається по сильно витягнутій еліптичній орбіті з періодом майже 76 років. Відповідно до пророкування Галлея її виявили в 1758 р. За цією кометою закріпилася назва комета Галлея (мал. 2.40). Вона рухається по орбіті з більшою піввіссю a = 17,94 а. о. у напрямку, протилежному до руху Землі. У будові комети виділяють такі елементи (мал. 2.39): ядро, кома, голова і хвіст.

Мал. 2.40

Ядро комети — це невелике тверде крижане тіло, що включає тугоплавкі частинки та органічні сполуки. До 80 % ядра комети складається з водяного льоду, а також із замерзлого вуглекислого газу, чадного газу, метану, аміаку та вкраплених у лід металевих частинок. Є в кометних льодах і більш складні речовини, аж до амінокислот. За результатами досліджень, виконаних космічними апаратами, наприклад, ядро комети Галлея є монолітним тілом неправильної форми розмірами 16 х 8 км, масою 3 · 10¹⁴ кг і малою густиною близько 600 кг/м³.

При наближенні до Сонця (на відстані кількох а. о.) у комети утворюється голова. Вона виникає в результаті нагрівання ядра, випаровування і виділення з його поверхні газів і пилу. Видимі діаметри голів комет з наближенням до Сонця сягають розмірів 10⁴-10⁶ км. Під дією тиску сонячного випромінювання на гази, що оточують голову комети, утворюється хвіст. Хвости яскравих комет тягнуться на сотні мільйонів кілометрів. Наприклад, хвіст комети Хякутаке (комета С/1996 В2 (Hyakutake) — довгоперіодична комета, яку відкрив у 1996 р. японський астроном-аматор Юдзі Хякутаке) тягнеться приблизно на 300 млн км. Густина частинок у хвостах комет дуже мала, її можна порівняти з міжпланетним середовищем.

Залежно від форми, кометні хвости ділять на кілька типів:

1. Хвіст утворюється при прискоренні сонячним вітром кометних йонів і спрямований у бік, протилежний від Сонця. 2. Хвіст трохи зігнутий і складається з пилинок, що мають розмір до десятків мікрометрів. 3. Хвіст, що складається з більшого пилу, сильно зігнутий під впливом магнітного поля. 4. «Антихвіст» — викидання з голови комети, спрямоване прямо до Сонця.

Кожне повернення комети до Сонця не проходить безслідно. Ядро комети втрачає близько 1/1000 своєї маси. Тому, наприклад, час існування комети Галлея — близько 20 тис. років. Але комети можуть існувати й менше часу, тому що вони піддаються руйнуванню внаслідок внутрішніх напружень, що виникають через нагрівання їх Сонцем або приливним впливом Сонця і Юпітера. Гинуть комети також під час зіткнення з планетами й метеоритними тілами. Документально зареєстровано понад 30 комет, що розпалися на окремі компоненти на очах спостерігачів. Так, у 1992 р. комета Шумейкерів-Леві зблизилася з Юпітером. У результаті потужного гравітаційного впливу вона роздрібнилася на 22 уламки. Через 2 роки, обігнувши по орбіті Юпітер, уламки увійшли в атмосферу планети зі швидкістю 60 км/с (мал. 2.41). У результаті виникли гігантські вихрові темні утворення, порівнянні за розмірами з розмірами Землі. Існує імовірність зіткнення ядер комет із Землею.

Мал. 2.41

Під час руху навколо Сонця комети розпадаються. Уздовж їхніх орбіт витягаються шлейфи пилу, які можуть перетинати земну орбіту. Частинки, входячи з величезною космічною швидкістю в атмосферу Землі, згоряють, утворюючи світлий слід (у народі кажуть: упала зоря). Це явище називають метеором (мал. 2.42). Саму частинку називають метеорним тілом.

Мал. 2.42

Розміри метеорних тіл, що спричиняють явище метеора, — від кількох мікронів пилинок (тоді їх можна спостерігати тільки в телескоп) до кількох сантиметрів (дають дуже яскраве світіння). За деякими оцінками, входження в атмосферу Землі метеорної речовини становить близько 50 тис. тонн у рік.

Близько 1 % метеорних тіл, що стикаються із Землею, прилітають з міжзоряного простору. Метеорні тіла влітають у земну атмосферу зі швидкістю від 11 до 72 км/с, натрапляючи на своєму шляху на сильно і швидко зростаючий опір повітря. Поверхня метеорного тіла розігрівається до кількох тисяч градусів і перетворюється в розпечений газ, що йонізує навколишні молекули повітря. У результаті чого спостерігач на Землі бачить світлий вогняний слід.

Світіння метеорного тіла починається на висоті 120 км і зникає на висоті 60-80 км від поверхні Землі, коли тіло повністю випарується в земній атмосфері. Весь політ метеорного тіла триває від десятих часток до кількох секунд. Час спостереження явища метеора залежить від швидкості метеорного тіла.

Властивості й природу метеорної речовини допомагають вивчати візуальні, фотографічні, спектральні й радіолокаційні спостереження. Дослідження показали, що весь комплекс метеорної речовини ділиться на випадкові метеорні тіла й метеорні частинки, що належать до метеорних роїв.

Метеорні тіла, що з’являються в певну пору року й падають десятками за годину, належать до метеорних потоків, або зоряних дощів. Метеорні потоки спостерігаються, коли Земля перетинає орбіту метеорного рою. Метеори кожного потоку рухаються у просторі майже паралельними траєкторіями, але нам здається, що вони вилітають з однієї точки. Саме цю точку і називають радіантом (мал. 2.43).

Мал. 2.43

Метеорний потік має назву того сузір’я або зорі, поблизу яких перебуває радіант, наприклад Драконіди, Оріоніди тощо. Серед метеорних потоків трапляються такі, інтенсивність яких з роками не змінюється. Це значить, що метеорні частинки розподілено майже рівномірно вздовж орбіти рою. Найвідоміший такий потік — потік Персеїдів, що спостерігається щорічно в серпні.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Що розуміють під карликовою планетою? Які карликові планети ви знаєте?
• 2. Які небесні об’єкти називають малими тілами?
• 3. Чому в астероїдів немає атмосфер? Яка форма й розміри більшості астероїдів? Чи існує небезпека зіткнення Землі з астероїдом?
• 4. Які, на ваш погляд, причини утворення поясу астероїдів між орбітами Марса і Юпітера?
• 5. Як можна на зоряному небі відрізнити астероїд від зорі?
• 6. Який найбільший метеоритний кратер виявили на території України?
• 7. Чому хвости комет спрямовані у бік, протилежний від Сонця? Що є ядром і хвостом комети? Який зв’язок комет з метеорами й астероїдами?

Використовуючи різні інформаційні джерела, дослідіть, які комети спостерігалися з території України.