Характеристика спутниковых систем
ВСЯ СОЛНЕЧНАЯ СВИТА
Для того, чтобы понять как могла образоваться Солнечная система, необходимо, прежде всего, правильно представлять как эта система устроена - какие объекты в нее входят, каков характер их движений и какова, хотя бы в самых общих чертах, их физическая природа. Солнечная система состоит из центральной звезды - Солнца и огромного числа обращающихся вокруг него объектов: планет и их спутников, астероидов и комет.
В настоящее время в Солнечной системе известно девять больших планет.Среди планет выделяют две очень непохожие друг на друга группы: расположенные вблизи от Солнца небольшие, но высокоплотные планеты земной группы(Меркурий, Венера, Земля и Марс) и более удаленные от Солнца крупные, но низкоплотные планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Самая удаленная и самая маленькая из девяти планет - Плутон; по своим характеристикам она не подходит ни к первой, ни ко второй группе, а скорее напоминает крупные спутники планет-гигантов.
Все планеты кроме Меркурия и Венеры имеют спутники. У Земли и Плутона известно по одному спутнику, у Марса - два, а каждая из четырех планет-гигантов имеет развитую систему многочисленных спутников. Всего в настоящее время в Солнечной системе известен 67 спутников, но их формальное объединение в одну группу небесных тел не совсем правильно. Среди спутников выделяются довольно крупные шарообразные планетоподобные тела(их диаметр, как правило, более 400 км)и более мелкие тела неправильной формы с грубыми очертаниями, которые скорее всего являются обломками более крупных тел. Семь самых крупных спутников по своим размерам больше, чем планета Плутон, а два из них по диаметру (но не по массе) даже больше Меркурия.
Помимо девяти главных планет и их спутников вокруг Солнца самостоятельно обращается огромное количество малых небесных тел - астероидов и комет. Астероиды, или как их иногда еще называют “малые планеты”,за исключением нескольких наиболее крупных шарообразных тел, представляют собой каменные тела неправильной формы. Известно всего лишь четыре астероида с поперечником более 400 км, около двух с половиной сотен - с поперечником от 100 до 400 км, и несколько тысяч - еще более мелких. Подавляющее большинство астероидов имеют орбиты, лежащие между орбитами Марса и Юпитера, образуя так называемый “пояс астероидов”. Орбиты астероидов под воздействием гравитационного поля Юпитера могут очень сильно изменяться. Так, не менее 15 астероидов, правда, очень небольших, заходят внутрь земной орбиты, а два из них - даже внутрь орбиты Меркурия.
Кометами называются небольшие тела, состоящие в основном из льда.Их размеры в поперечнике - от долей километра до десятков километров.Предполагается, что во внешних частях Солнечной системы - за орбитой Юпитера - находится огромное количество кометных тел. Расчеты орбит многих из наблюдавшихся комет показывают, что их максимальные удаления от Солнца могут достигать гигантских значений порядка 100 тысяч а.е., т.е. расстояний, на которых притяжение ближайших звезд уже сравнимо с притяжением самого Солнца. Период обращения таких комет должен измеряться десятками миллионов лет, поэтому их называют долгопериодическими.
В 1950 г. голландский астроном Ян Оорт предположил, что долгопериодические кометы образуют вокруг Солнца своего рода гигантское облако, получившее название “облако Оорта”. Границы облака Оорта, в принципе, и следует считать внешними границами Солнечной системы. Границы же планетной системы более чем на три порядка меньше - удаление Плутона от Солнца составляет лишь около 40 а.е.
Орбиты комет могут очень резко изменяться за счет гравитационных взаимодействий с планетами-гигантами, при этом некоторые из них даже переходят на параболические и гиперболические орбиты и навсегда выбрасываются из Солнечной системы. Другие же кометы, напротив, переводятся на такие орбиты, двигаясь по которым они регулярно “посещают” центральную часть Солнечной системы. При приближении комет к Солнцу за счет испарения газов с поверхности образуются так называемые “хвосты”, благодаря которым они и становятся заметны:
Косматая звезда,
Спешащая в никуда
Из страшного ниоткуда.
(М. Цветаева)
При всем разнообразии и неисчислимости солнечной свиты ее суммарная масса ничтожна по сравнению с массой самого Солнца. По современным оценкаммасса Солнца составляет 99,87% от общей массы Солнечной системы. На все остальное приходится лишь 0,13%, причем львиная доля (0,10%) - на Юпитер.
ХАРАКТЕРИСТИКА СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ
| Планета | Количество спутников различных диаметров (км) | |||
| > 2300 | 1600-400 | 400-100 | < 100 | |
| Меркурий | - | - | - | - |
| Венера | - | - | - | - |
| Земля | - | - | - | |
| Марс | - | - | - | |
| Юпитер* | - | |||
| Сатурн* | ||||
| Уран* | - | |||
| Нептун* | - | |||
| Плутон | - | - | - | |
| Всего |
* - своеобразным элементом спутниковых систем планет-гигантов являются так называемые кольца, из которых наиболее известны кольца Сатурна, наблюдавшиеся еще Галилеем. Кольца представляют собой своеобразные рои ледовых или каменистых частиц, каждая из которых вращается вокруг планеты, как самостоятельный спутник. Размеры этих частиц невелики, их диаметры, в основном, укладываются в пределы от 1 см до 10 м. Общая масса колец очень невелика, и даже у Сатурна составляет не более 0,02% от общей массы спутниковой системы этой планеты.
ЭКВАТОРИАЛЬНЫЕ ДИАМЕТРЫ СОЛНЦА, ПЛАНЕТ И ПЛАНЕТОПОДОБНЫХ ТЕЛ (в км и в сравнении с диаметрами Земли и Луны)
(З, Ю, С, У, Н, П - спутники Земли, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона; астер. - астероиды).
| (км) | (dз) | (dл) | |
| Солнце | 1 391 980 | 109,12 | |
| Юпитер | 142 984 | 11,21 | |
| Сатурн | 120 536 | 9,45 | |
| Уран | 51 118 | 4,01 | |
| Нептун | 49 528 | 3,88 | |
| Земля | 12 756 | 1,00 | 3,67 |
| Венера | 12 102 | 0,95 | |
| Марс | 6 786 | 0,53 | |
| Ганимед (Ю) | 5 262 | 1,51 | |
| Титан (С) | 5 150 | 1,48 | |
| Меркурий | 4 878 | 0,38 | |
| Каллисто (Ю) | 4 800 | 1,38 | |
| Ио (Ю) | 3 630 | 1,04 | |
| Луна (З) | 3 476 | 0.27 | 1,00 |
| Европа (Ю) | 3 138 | 0,90 | |
| Тритон (Н) | 2 700 | 0,77 | |
| Плутон | 2 300 | 0,18 | 0,66 |
| Титания (У) | 1 580 | 0,45 | |
| Рея (С) | 1 530 | 0,44 | |
| Оберон (У) | 1 520 | 0,44 | |
| Япет (С) | 1 440 | 0,41 | |
| Харон (П) | 1 200 | 0,34 | |
| Умбриэль (У) | 1 170 | 0,33 | |
| Ариэль (У) | 1 160 | 0,33 | |
| Диона (С) | 1 120 | 0,32 | |
| Тефия (С) | 1 050 | 0,30 | |
| Церера (астер.) | 0,07 | 0,28 | |
| Веста (астер.) | 0,17 | ||
| Паллада (астер.) | 0,15 | ||
| Энцелад (С) | 0,14 | ||
| Гигея (астер.) | 0,14 | ||
| Миранда (У) | 0,13 | ||
| Мимас (С) | 0,12 |
Все указанные в этой таблице небесные тела имеют шарообразную форму. Но уже следующее за Мимасом в порядке уменьшения размеров небесное тело - спутник Сатурна Гиперион - имеет грубообломочную неправильную форму (370 280 225 км). Среди небесных тел с поперечником меньше 400 км известно, по крайней мере, одно, имеющее правильную сферическую форму (спутник Сатурна Феба, диаметр которого равен 220 км), но, вероятно, это очень редкое исключение.
МАССА И СРЕДНЯЯ ПЛОТНОСТЬ СОЛНЦА, ПЛАНЕТ И ПЛАНЕТОПОДОБНЫХ ТЕЛ
Открытие Закона Всемирного Тяготения не только подвело под гелиоцентрическую модель прочный фундамент физической теории, но и позволило вычислить массы небесных тел. Массу любого небесного тела сравнительно легко определить в случае, если у этого тела имеется хотя бы один спутник. Орбиты спутников имеют эллиптическую форму, но, как правило, они близки к круговым, поэтому в первом приближении можно условиться, что спутники движутся вокруг планет по окружностям. При определении массы Солнца, в роли спутников используются сами планеты.
Как известно из механики, центростремительная сила Fцс, действующая на тело, движущееся по окружности, т.е. в данном случае на спутник, равна
Fцс= m v2/ R
где m - масса спутника, v - линейная скорость его движения по орбите, а R - радиус орбиты.
С учетом того, что v = 2R / T (где 2R - длина окружности, а T - период обращения спутника по орбите), центростремительная сила может быть представлена в виде
Fцс= m 42R / T2.
Центростремительная сила Fцс, управляющая орбитальным движением спутника, это не что иное, как сила гравитационного притяжения Солнца Fгр, которая в соответствии с Законом Всемирного Притяжения описывается формулой
Fгр= G Mm / R2,
где М - масса Солнца, G - гравитационная постоянная.
Таким образом
G Mm / R2 = m 42R / T2,
из чего после несложных преобразований следует, что
M =42R3/ G T2.
Во времена Ньютона значение гравитационной постоянной G было неизвестным, что, впрочем, не помешало великому ученому правильно определить соотношения масс небесных тел. Попытки измерить гравитационную постоянную неоднократно предпринимались в XVIII веке. Первое высокоточное определение гравитационной постоянной (с ошибкой лишь около 1%) было выполнено в 1798 году знаменитым английским ученым Генри Кавендишем (1731-1810). После этого можно было легко рассчитать и абсолютные значения масс небесных тел.
Согласно современным данным масса Солнца составляет около 2 1033г, а масса Земли - около 6 1027г.
Определить массу тел, у которых нет спутников, значительно сложнее. В этом случае производится сложный учет того, как гравитационное поле такой планеты искажает правильное эллиптическое движение соседних планет. Ниже приводятся масса и средняя плотность Солнца, планет и некоторых планетоподобных тел. Суммарная масса комет остается неизвестной, но, по всей вероятности, она незначительна.
| Масса (в массах Земли) | Средняя плотность (г/ см3) | |
| Солнце | 330 000 | 1,41 |
| Меркурий | 0,06 | 5,42 |
| Венера | 0,81 | 5,25 |
| Земля | 1,00 | 5,52 |
| Марс | 0,11 | 3,94 |
| Юпитер | 1,31 | |
| Сатурн | 0,69 | |
| Уран | 14,5 | 1,19 |
| Нептун | 1,66 | |
| Плутон | 0,002 | 1,9 (?) |
| Луна | 0,012 | 3,34 |
| Ганимед | 0,025 | 1,94 |
| Титан | 0,022 | 1,88 |
| все спутники | 0,125 | - |
| Церера | 0,0002 | 2,7 (?) |
| все астероиды | 0,0015 | - |