Межпланетные скитальцы
На первый взгляд расположение орбит планет в Солнечной системе кажется совершенно случайным. Одни планеты теснятся вблизи Солнца, другие широко разбросаны, двигаясь по своим гигантским орбитам. Астрономы обычно предпочитают измерять протяженность орбит в астрономических единицах. По определению одна астрономическая единица (сокращенно а. е.) - это среднее расстояние между Землей и Солнцем (около 150 млн. км). В таком случае, например, среднее расстояние между Меркурием и Солнцем равно 0,39 а. е., а Плутон находится в сто раз дальше от Солнца на расстоянии 39,5 а. е.
Открытие Урана заставило многих поверить, что в законе Боде содержится нечто большее, чем простая схема для запоминания размеров орбит планет. В частности, некоторые астрономы стали интересоваться, не находится ли какое-нибудь космическое тело на расстоянии 2,8 а. е. от Солнца. И группа немецких астрономов начала тщательное обследование неба в поисках объекта, который мог бы располагаться в пространстве между орбитами Марса и Юпитера.
1 января 1801 г. астроном Джузеппе Пиацци из Сицилии увидел слабую «звезду» в созвездии Тельца, которая не значилась на его звездной карте. Пиацци заметил, что «звезда» от ночи к ночи постепенно меняет свое положение, а это явно указывало, что он открыл объект, который принадлежит Солнечной системе. К концу 1801 г. было установлено, что объект, обнаруженный Пиацци, делает оборот вокруг Солнца за 4,6 года на среднем расстоянии 2,77 а. е., что удивительно близко к «ожидаемому» расстоянию по Боде. Так, Пиацци открыл первый астероид, который был назван Церерой по имени богини, покровительницы Сицилии.
В марте 1802 г. Генрих Ольберс, член группы немецких астрономов, занимающейся поисками новых объектов, обнаружил еще один слабый звездоподобный объект, который оказался вторым астероидом. Этот астероид назвали Палладой. Паллада также делает оборот вокруг Солнца за 4,6 года на среднем расстоянии 2,77 а. е.
В максимуме блеска при наилучших условиях наблюдения Церера и Паллада - чуть слабее самых тусклых звезд, которые удается различить невооруженным глазом. Но обычно, чтобы увидеть астероиды, нужен телескоп. Отсюда астрономы XIX в. немедленно сделали вывод, что Церера и Паллада - крайне малы. Действительно, хотя Церера и самый большой из астероидов, ее диаметр только 1000 км. Таким образом, ни Цереру, ни Палладу нельзя было рассматривать как «незамеченную планету» Боде. Но поскольку орбиты обоих астероидов почти одинаковы, вскоре стало принято полагать, что планета Боде взорвалась, а открытые астероиды - оставшиеся от нее обломки.
Гипотеза разорвавшейся планеты получила некоторое подкрепление в результате открытия астероидов Юноны (в 1804 г.) и Весты (в 1807 г.). Юнона делает оборот вокруг Солнца за 4,4 года на среднем расстоянии 2,67 а. е. Орбита Весты, обращающейся вокруг Солнца с периодом 3,6 года, чуть меньше; расстояние Весты до Солнца только 2,36 а. е. Предполагалось, что эти астероиды - также обломки «планеты Боде».
Открытие астероидов было в те времена тяжелым и трудоемким делом. С ангельским терпением астрономы тщательно обследовали небеса в поисках слабых, не нанесенных на карту «звезд», положения которых изменялись бы от ночи к ночи. Так, лишь после пятнадцатилетних упорных поисков немецкий астроном Карл Генке открыл в 1845 г. пятый астероид - Астрею. К 1890 г. было найдено и занесено в каталоги всего только 300 астероидов.
Применение фотографии существенно облегчило проблему поиска астероидов. Отныне больше не было необходимости часами всматриваться в окуляр - нужно было просто произвести фотографирование с большой экспозицией. Если какие-нибудь астероиды случайно оказывались в поле зрения фотокамеры, их изображения выглядели на снимке расплывчатыми следами, которые можно было легко отличить от изображений звезд.
К настоящему времени официально зарегистрировано около 2000 астероидов и вычислены их орбиты. И вероятно, еще тысячи астероидов оставили следы на бесчисленных фотографиях, полученных в различных обсерваториях мира. Но астрономы-профессионалы считали астероид официально «открытым» только после того, как его орбита была надежно вычислена. А для этого требовалось множество точных наблюдений на протяжении многих ночей. В наши дни это не стоит особого труда.
Все крупные астероиды были открыты давно. Приблизительно у 230 из них диаметры более 100 км. Но, по-видимому, имеются десятки тысяч астероидов, диаметры которых не превышают нескольких километров. Согласно последним оценкам, число таких малых астероидов достигает приблизительно 100000.
Огромное множество астероидов обращается вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера. Поэтому эта область Солнечной системы называется поясом астероидов. Хотя астероидов очень много, их общая масса очень мала. Все астероиды, собранные вместе, могли бы образовать лишь типичный небольшой спутник, по размерам гораздо меньший планеты.
Старая гипотеза, рассматривающая астероиды как обломки взорвавшейся планеты, время от времени вновь возникает в научно-фантастических романах. Эта гипотеза встречается с серьезными трудностями. Прежде всего, в поясе астероидов явно недостаточно вещества, чтобы из него могла бы сформироваться планета подходящего размера. Вероятно, гораздо разумнее предположить, что астероиды - это объекты, сконденсировавшиеся из вещества первичной солнечной туманности, но так и не объединившиеся в планету. Подобно огромному множеству камней в кольцах Сатурна, так и не соединившихся в спутник планеты, многие тысячи каменных глыб в поясе астероидов также не смогли объединиться вместе, когда в далеком прошлом происходило формирование планет Солнечной системы.
Аналогию с кольцами Сатурна не следует рассматривать как чисто формальную. Напомним, что щель Кассини обусловлена гравитационным воздействием одного
из ближайших спутников Сатурна - Мимаса. Подобным же образом присутствием Юпитера обусловлено наличие щели в поясе астероидов. Юпитер делает оборот вокруг Солнца за 11,86 года на среднем расстоянии 5,20 а. е. Если какой-то астероид обращается вокруг Солнца с периодом, который составляет простую дробь (1/2, и т.д.) от периода Юпитера, то Юпитер и астероид будут регулярно и достаточно часто располагаться на одной линии с Солнцем. Например, астероид, находящийся на расстоянии 3,28 а. е. от Солнца, должен иметь период обращения 5,93 года (это точно половина периода обращения Юпитера вокруг Солнца); при каждом втором обороте по орбите такой астероид должен проходить между Солнцем и Юпитером точно в одном и том же месте. Непрерывное действие сильного притяжения со стороны Юпитера при каждом таком «выравнивании» в конце концов должно привести к тому, что крошечный астероид отклонится от своей первоначальной орбиты. Так и образовалась щель в распределении астероидов.
В поясе астероидов существует семь больших щелей в интервале расстояний 2,2-3,3 а. е. от Солнца. Эти щели называются пробелами Кирквуда - по имени американского астронома Дэниеля Кирквуда, который первым заметил их в 1866 г. Каждый пробел соответствует орбите, обращение по которой должно было происходить с периодом, равным простой дроби от периода Юпитера.
Астероиды состоят из твердых каменных пород, в которых иногда содержится значительное количество железа. Спектральный анализ отраженного от астероидов солнечного света показывает, что химический состав астероидов такой же, как у некоторых типов метеоритов. Метеориты - это небольшие твердые тела, которые, пройдя через земную атмосферу, упали на поверхность Земли. Большинство метеорных тел, которые сталкиваются с нашей планетой, сгорают в атмосфере, но некоторые из них достигают Земли, и тогда мы получаем возможность исследовать их состав.
По содержанию железа метеориты можно разделить на три обширных класса. Прежде всего, это каменные метеориты, содержащие наименьшее количество железа, обычно менее 20%. Как указывает их название, каменные метеориты по существу состоят из того же вещества, что и обычные земные породы. Поэтому такие метеориты очень трудно обнаружить. Астрономы считают, что более 90% метеоритов, сталкивающихся с Землей, -каменные. Но после длительного воздействия земных природных стихий - дождя, ветра и снега - каменные метеориты становится невозможным отличить от земных пород. Поэтому каменные метеориты, подобные экземпляру, приведенному на рис. 90, а, очень редки и ценятся высоко.
Второй большой класс метеоритов - железокаменные метеориты. Как следует из их названия, они состоят из смеси примерно равных пропорций минералов и металлического железа. Иногда эти метеориты имеют весьма крупнозернистую структуру (рис. 90,6) и поэтому легко опознаются. Но такие образцы также чрезвычайно редки; среди метеоритных тел, сталкивающихся с Землей, менее 2% относится к этой разновидности.
Третий класс метеоритов - железные. Их найти много легче. Они состоят в основном из железа, но могут содержать также 10-20% никеля. К этому типу относится только 6% метеорных тел, сталкивающихся с Землей. Поскольку такие метеориты содержат железо, их удается обнаруживать при помощи магнитов и триггерных детекторов металла. Поэтому в коллекциях музеев обычно преобладают железные метеориты.
Анализируя спектр солнечного света, отраженного от астероидов, и спектр света, отраженного от лабораторных образцов метеоритов, можно получить правильное представление о составе астероидов, из которых эти метеориты образовались. В 10% случаев свет, отраженный от некоторых астероидов, по своему спектральному составу очень напоминает свет, отраженный от железокаменных метеоритов. Эти железокаменные астероиды - довольно крупные (100-200 км в диаметре) и преимущественно находятся во внутренних частях астероидного пояса, вблизи орбиты Марса. Приблизительно такой же процент астероидов по своему составу сходен с железными метеоритами. Но огромное большинство (около 80%) астероидов, по-видимому, состоит из того же вещества, что и каменные метеориты некоего особого типа, называемые углистыми хондритами.
В углистых хондритах необычно высоки концентрации летучих составляющих, таких, как вода, и, кроме того, в них содержатся органические молекулы. Это означает, что метеоритные тела не подвергались нагреву, сжатию или какому-либо иному существенному изменению с тех пор, как сконденсировались из первичной Солнечной туманности 4,5 млрд. лет назад. Например, при любом значительном нагреве вода должна была бы полностью испариться из вещества метеорита, органические молекулы были бы абсолютно разрушены. Поэтому астрономы считают, что углистые хондриты чрезвычайно древние-старше любых пород, найденных на Земле или на Луне. Углистые хондриты (рис. 90,а) представляют собой неизмененные образцы первичного вещества, из которого состояли планетезимали.
Изучение метеоритов позволяет нам проникнуть в древнейшую историю нашей Солнечной системы. В конце 70-х годов группа ученых из Калифорнийского технологического института изучала образцы двухтонного метеорита, упавшего в Мексике в 1969 г. Ученые обнаружили в составе вещества метеорита аномально высокое содержание кальция, бария и неодимия. Как известно из ядерной физики, такие характерные аномалии могли образоваться только в результате облучения атомов вещества потоком нейтронов. Мощное нейтронное излучение действительно сопровождает взрывы сверхновых. Поэтому логично предположить, что сотворению нашей Солнечной системы способствовал взрыв сверхновой. Ударные волны, образовавшиеся при взрыве близкой массивной звезды, привели к слабому сжатию разреженной межзвездной среды в ее окрестностях. Начиная с этого момента в действие вступили силы тяготения, которые и могли в конечном итоге привести к образованию Солнца и планет.
Большая часть метеоритов попадает к нам из пояса астероидов. Метеоры имеют в основном иное происхождение. Метеор, или «падающая звезда», - это просто светящаяся черточка, возникающая в небе при движении с высокой скоростью метеорной частицы, сгорающей в атмосфере Земли. Метеориты, как мы уже говорили, - это плотные метеорные тела, которые смогли «выжить» при прохождении через атмосферу, не испарившись целиком. Напротив, метеоры, очевидно, возникают преимущественно из рыхлых метеорных тел с малой плотностью, образующихся из комет.
Удивительно много метеоритного вещества выметается с поверхности Земли в результате ее обращения вокруг Солнца. В самом деле, ежедневно на Землю падает около 3000 т межпланетного вещества. Большая часть этого вещества находится в виде пылевых частиц (называемых микрометеоритами), которые слишком малы и легки, чтобы произвести свечение в атмосфере. Эти частицы просто медленно проходят через атмосферу и
оседают на Землю. Образцы такого межпланетного вещества можно собрать в незагрязненных районах земного шара, например в арктических и антарктических областях. Некоторое количество межпланетной пыли можно даже обнаружить на крыше дома или в стоке водосточной трубы.
Хотя большая часть межпланетного вещества, с которым сталкивается Земля, находится в состоянии пыли, иногда мы проходим через потоки более крупных частиц. Тогда-то и наблюдаются метеорные потоки. Ежегодно на Земле можно наблюдать около десятка метеорных потоков. При этом обычно кажется, что метеоры разлетаются из какой-то определенной части неба. Поэтому потоки называют по созвездию, наиболее близко расположенному к этой части неба. В табл. 4 приведены некоторые наиболее значительные потоки и даты максимума их активности.
В ясную безлунную ночь в период максимума потока обычно можно увидеть до 60 метеоров за час. Иногда метеорные потоки достигают исключительно высокой интенсивности. Так, рано утром 17 ноября 1966 г. в восточной части США наблюдалось более 2000 метеоров в минуту.
Наилучшее время для наблюдения метеоров - раннее утро. В это время наблюдатель находится на «ведущей» стороне Земли. Ситуация в этом случае напоминает поездку на машине по открытому шоссе во время ливня: по переднему стеклу («ведущая» сторона машины) барабанит много больше дождевых капель, чем по заднему. Метеоры же, наблюдаемые в вечерние часы, создаются метеорными частицами, которые должны двигаться достаточно быстро, чтобы догнать Землю.
В окрестностях Солнечной системы рассеяно много космической пыли. Согласно оценкам, общая масса этих мельчайших частиц пыли составляет приблизительно 25 триллионов тонн. Примерно такую массу имеет небольшой астероид. Однако под действием солнечного ветра и солнечного света, а также в результате столкновения с планетами, обращающимися по своим орбитам, большая часть межпланетной пыли постоянно выметается и выдувается из Солнечной системы. Ежесекундно из межпланетного пространства выбрасывается около 8 т пыли. Это означает, что примерно 8 т межпланетной пыли должно ежесекундно поступать в Солнечную систему, иначе вся пыль давно бы исчезла. Частично пополнение осуществляется за счет астероидов, которые измельчаются и распыляются при столкновениях. Но основной вклад здесь вносят кометы.
Кометы - одни из самых прекрасных объектов, наблюдаемых на небе. Ежегодно обнаруживается более десятка комет, хотя большинство из них остаются столь слабыми, что их нелегко увидеть невооруженным глазом. Но иногда какая-нибудь из этих призрачных гостий проходит достаточно близко от Солнца и Земли, и тогда нашим глазам открывается красивейшее зрелище. Несколько ночей (а порой и недель) виден прекрасный струящийся хвост кометы, дугой изгибающийся по небу.
Кометы бывают всевозможных форм и размеров. Одни - короткие, словно обрубок, другие - длинные и тонкие. Тем не менее все они обладают некоторыми общими основными чертами. Твердая часть кометы, называемая ядром, очень мала - обычно менее 15 км в диаметре. Ядро состоит из частиц пыли и льда - представляет собой «грязный айсберг». Когда комета приближается к Солнцу, частицы льда испаряются и начинают светиться под действием солнечного света. Вскоре вокруг ядра образуется светящийся газовый шар, называемый комой. Наконец, когда комета стремительно подходит еще ближе к Солнцу, газы «сметаются» в длинный струящийся хвост. В результате действия солнечного ветра и давления излучения хвост кометы всегда направлен от Солнца.
Кометы приближаются к Солнцу по сильно вытянутым эллиптическим орбитам с самых различных направлений. Многие из этих орбит столь велики, что комете требуется от 100000 до 1 млн. лет, чтобы совершить полный оборот вокруг Солнца. Однако ежегодно астрономы наблюдают по крайней мере десяток комет во внутренних областях Солнечной системы (почти невозможно обнаружить комету, которая находится дальше Юпитера). И конечно, множество более слабых комет проходят совсем незамеченными. Отсюда следует, что общее число комет должно быть огромно. Кроме того, кометы проводят большую часть своего времени чрезвычайно далеко от Солнца, очень медленно двигаясь по самым отдаленным участкам своих вытянутых орбит. Это означает, что Солнечная система должна быть окружена целым роем комет. Впервые подобное предположение высказал голландский астроном Оорт. Этот рой, называемый облаком Оорта, простирается до расстояний 50 000 а. е. и окутывает Солнечную систему подобно огромному сферическому гало. Облако Оорта включает до 100 млрд. комет.
Некоторые кометы двигаются по столь вытянутым орбитам, что они только однажды проходят мимо Солнца и исчезают в глубинах межзвездного пространства, где, возможно, будут захвачены какой-либо другой звездой. Разумеется, некоторые кометы попадают к нам из других планетных систем, неся на себе следы неведомых миров. Приближаясь к Солнцу, они теряют пыль и лед, пополняя запас межпланетных обломков, которые Земля выметает до 3000 т в день. Несомненно, какое-то количество пыли, которая оседает на наши города и дома и присутствует в воздухе, которым мы дышим, приходит из далеких миров, где, возможно, есть живые существа, которые, как и мы, следят за небесами.
|
|
Читайте в рубрике «Малые планеты и астероиды»: |