Со времен Античности и вплоть до XV в. считалось, что Земля неподвижна и находится в центре Вселенной. Н. Коперник и Г. Галилей одними из первых в Новое время высказали идею, что наша планета вращается вокруг Солнца. Эта концепция была встречена достаточно враждебно: Галилей даже был вынужден под давлением церкви публично отказаться от нее. Большое значение для будущего открытия законов движения имели наблюдения Т. Браге, который посвятил этому всю жизнь.

Однако он не сделал каких-либо выводов из своих наблюдений. Позднее работы Т. Браге попали к И. Кеплеру, который нашел простое объяснение наблюдаемым сложным траекториям, сформулировав три закона движения планет вокруг Солнца:

Планеты двигаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца;
планеты двигаются неравномерно: чем дальше планета находится от Солнца, тем она двигается медленнее, и наоборот: чем она ближе к Солнцу, тем двигается быстрее;
периоды обращения планет вокруг Солнца зависят от их удаленности от него: более удаленные планеты двигаются медленнее, чем те, которые расположены ближе к Солнцу.

Законы Кеплера описывали наблюдаемое движение планет, но не вскрывали причин, приводящих к такому движению. Теория гравитации И. Ньютона указала причину, обусловившую движение космических тел по законам Кеплера, правильно предсказала и объяснила особенности их движения, а также позволила в одних терминах описывать явления космического и земного масштабов. Ньютон нашел правильное выражение для гравитационной силы, возникающей при взаимодействии тел, сформулировав закон всемирного тяготения: между любыми двумя телами возникает сила притяжения, пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Законы Кеплера выполняются точно только в случае движения одного тела вблизи другого, обладающего значительно большей массой, и при условии сферичности этих тел. Даже при незначительных отступлениях от сферической формы орбита планеты представляет собой прецесси- рующий вокруг звезды эллипс. Скорость прецессии может быть рассчитана достаточно точно на основании законов Ньютона и оказывается максимальной для самой близкой к Солнцу планеты - Меркурия.

Согласно третьему закону Ньютона существует сила, действующая на звезду со стороны планеты. В случае, когда масса звезды значительно больше массы планеты, ускорение звезды пренебрежимо мало и ее можно считать неподвижной. Однако при наличии тел соизмеримых масс, притягивающихся друг к другу, возможно их устойчивое совместное движение вокруг общего центра масс. В случае движения планет вокруг звезды указанный эффект малозаметен, однако в космосе были обнаружены системы, совершающие описанное движение, - двойные звезды.

Основная масса Солнечной системы - около 99,8% - приходится на Солнце. Суммарная масса планет составляет только 0,13% от общей массы Солнечной системы. Из этих цифр следует, что законы Кеплера для движения планет в нашей системе должны соблюдаться очень хорошо. Существенные отклонения от эллиптических орбит могут возникать лишь в случае близкого пролета мимо одной из планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана или Нептуна.

Ньютоновский закон гравитации и законы Кеплера позволяют связать размеры орбит планет с периодами вращения, но не позволяют рассчитать сами орбиты. Еще в XVIII в. была предложена формула для радиусов орбит планет Солнечной системы: R n = (0,4 + 0,3 х 2 n) х R o , где п = 0, 1, 2, 3...; R o - радиус орбиты Земли. В отличие от законов Кеплера, это соотношение никак не следует из законов Ньютона и до сих пор не получило никакого теоретического объяснения. Не исключена возможность того, что данное соотношение представляет собой случайное совпадение. Однако орбиты известных на сегодняшний день планет удовлетворительно описываются этой формулой. Исключение составляет лишь значение п = 3, для которого на рассчитанной орбите планеты не существует. Вместо нее был обнаружен пояс астероидов - небольших по планетным масштабам тел неправильной формы.

Проблема эволюции Солнечной системы. В настоящее время не существует доказанной теории эволюции Солнечной системы. Весьма привлекательная теория совместного происхождения Солнца и планет из единого газового облака, сжавшегося под действием гравитационных сил, оказывается в противоречии с наблюдаемым неравномерным распределением вращательного момента между звездой и планетами. Обсуждаются модели происхождения планет в результате гравитационного захвата Солнцем тел, прилетающих из далекого космоса.

Известные на сегодняшний день свойства планет Солнечной системы позволяют разделить их на две группы. Первые четыре планеты земной группы характеризуются сравнительно малыми массами и большими плотностями слагающих их веществ. Они состоят из расплавленного железного ядра, окруженного силикатной оболочкой - корой. Планеты обладают газовыми атмосферами. Их температуры определяются главным образом расстоянием до Солнца и убывают с его увеличением. Начиная с Юпитера группа планет-гигантов в основном сложена из легких элементов - водорода и гелия. По мере приближения к центру планеты водород и гелий постепенно переходят из газообразного в жидкое и твердое состояния.

Предполагается, что в центральных областях давление столь высоко, что водород существует в металлической фазе, пока не наблюдавшейся на Земле даже в лабораторных условиях. Планеты второй группы обладают большим числом спутников. У Сатурна их число столь велико, что при недостаточном увеличении планета кажется опоясанной системой непрерывных колец.

Освоение космоса давно шагнуло за рамки воображения:

– каждый год космонавты отправляются за пределы Земли;

– люди запускают спутники, часть которых уже сейчас преодолела Солнечную систему;

– огромные телескопы наблюдают за звездами с орбиты нашей планеты.

Кто был первым первопроходцем в небе? Какие невероятные теории стоят за нашими космическими достижениями? Что нас ждет в будущем? Эта книга кратко и понятно расскажет о самых важных открытиях в области астрономии, о людях, которые их сделали.

Будьте в курсе научных открытий – всего за час!

Книга:

<<< Назад

Вперед >>>

Наблюдения и измерения Тихо Браге позволили его ученику, немецкому ученому Иоганну Кеплеру, сделать следующий шаг в развитии астрономии.

Геоцентрическая система мира Птолемея и гелиоцентрическая система Коперника

Рассчитывая орбиту Марса, Кеплер обнаружил, что она представляет собой не окружность, как считал Коперник и другие ученые, а эллипс. Поначалу он не распространял этот вывод на другие планеты , но позже понял, что не только Марс, а все планеты имеют эллипсоидную орбиту Таким образом был открыт первый закон движения планет Кеплера. В современной формулировке он звучит так: каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Второй закон движения планет явился логичным следствием первого. Еще до формулировки первого закона, наблюдая за перемещением Марса, Кеплер заметил, что планета движется тем медленнее, чем дальше она находится от Солнца. Эллиптическая форма орбиты полностью объясняет эту особенность движения. За равные промежутки времени прямая, соединяющая планету с Солнцем, описывает равные площади – это второй закон Кеплера.

Второй закон объясняет изменение скорости движения планеты, но не дает никаких расчетов. Формула, позволяющая вычислить, с какой скоростью вращаются планеты и какое время занимает их путь вокруг Солнца, заключается в третьем законе Кеплера.

Исследования Кеплера поставили точку в споре между системами мира Птолемея и Коперника. Он убедительно доказал, что в центре нашей системы находится Солнце, а не Земля. После Кеплера в научном мире больше не предпринимались попытки реанимировать геоцентрическую систему.

Точность трех законов движения планет, открытых Кеплером, подтвердили многочисленные астрономические наблюдения. Тем не менее основания и причины этих законов оставались неясными до тех пор, пока в конце XVII в. не проявился гений Ньютона.

Всем известна история о том, как Ньютон открыл закон всемирного тяготения: ему на голову упало яблоко, и Ньютон понял, что яблоко притянула к себе Земля. В расширенной версии этой легенды присутствует еще и Луна, на которую смотрел ученый, сидя под яблоней.

После падения яблока Ньютон осознал, что сила, заставившая яблоко упасть, и сила, удерживающая Луну на земной орбите, имеет одну и ту же природу.

На самом деле, конечно, все было далеко не так просто До открытия знаменитого закона Ньютон много лет посвятил изучению механики, закономерностей движения и взаимодействия между телами. Он был не первым, кто предположил существование сил тяготения. Об этом говорил еще Галилео Галилей, но он считал, что притяжение к Земле действует только на нашей планете и простирается всего лишь до Луны. Кеплер, открывший законы движения планет, был уверен, что они работают исключительно в космосе и не имеют отношения к земной физике. Ньютон же смог объединить эти два подхода – он был первым, кто осознал, что физические законы, в первую очередь закон всемирного тяготения, универсальны и применимы ко всем материальным телам.

Суть закона всемирного тяготения сводится к тому, что между абсолютно всеми телами во Вселенной существует притяжение. Сила притяжения зависит от двух главных величин – массы тел и расстояния между ними. Чем тяжелее тело, тем сильнее оно притягивает к себе более легкие тела. Земля притягивает Луну и удерживает ее на своей орбите. Луна тоже оказывает на нашу планету определенное воздействие (оно вызывает приливы), но сила притяжения Земли, за счет большей массы, значительнее.

Кроме закона всемирного тяготения, Ньютон сформулировал три закона движения. Первый из них называют законом инерции. Он гласит: если на тело не воздействует сила, оно будет оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Второй закон вводит понятие силы и ускорения, и эти две величины, как доказал Ньютон, зависят от массы тела. Чем больше масса, тем меньшим будет ускорение при определенной приложенной силе. Третий закон Ньютона описывает взаимодействие двух материальных объектов. Самая простая его формулировка гласит: действие равно противодействию.

Открытия, совершенные Исааком Ньютоном, и выведенные им формулы дали астрономии мощный инструмент, позволивший продвинуть эту науку далеко вперед. Многие явления, не имевшие раньше объяснений, раскрыли свою природу. Стало понятно, почему планеты вращаются вокруг Солнца, а спутники вокруг планет, не улетая в открытый космос: их удерживает сила притяжения. Скорость движения планет остается равномерной благодаря закону инерции. Округлая форма небесных тел также получила свое объяснение: она приобретается благодаря гравитации, притяжению к более массивному центру.

<<< Назад

Вперед >>>

Выпуск 20

В своём очередном видеоуроке астрономии профессор расскажет о движении небесных тел, а также о том, как характеризуют планету Юпитер.

Движение небесных тел

Солнце, Луна, планеты, звезды и все другие небесные тела, которые мы наблюдаем, постоянно находятся в движении на небосводе. Изо дня в день, из года в год они движутся по небу, описывая часто весьма сложные движения. Эти движения являются лишь видимым отражением действительных движений этих небесных тел и нашей Земли среди безграничных просторов Вселенной. Земля и планеты движутся в пространстве вокруг Солнца, образуя Солнечную систему, что само Солнце входит в состав огромной системы звезд, носящей название Галактики, и вместе с другими звездами движется в пространстве вокруг центра этой системы. Движение Земли, планет, Солнца и других небесных тел управляются в основном силами взаимного притяжения между этими небесными телами. Закон этого взаимодействия, называемый законом всемирного тяготения, был открыт в XVII веке великим английским ученым Исааком Ньютоном. Наука, изучающая движения небесных тел,— небесная механика, опираясь на закон всемирного тяготения, достигла замечательных успехов. Мы составляем сейчас точное «расписание движений» небесных тел, указывая, в каком месте неба должно находиться данное небесное тело в тот или иной момент времени. И действительно, небесные тела точно приходят в положенное время на свои места на небе, подчиняясь нашему «расписанию».

Характеристика планеты Юпитер

Юпитер — пятая планета от Солнца, крупнейшая в Солнечной системе. Наряду с Сатурном, Ураном и Нептуном Юпитер характеризуется как газовый гигант. Его экваториальный радиус равен 71,4 тыс. км, что в 11,2 раза превышает радиус Земли. Юпитер — единственная планета, у которой центр масс с Солнцем находится вне Солнца и отстоит от него примерно на 7 % солнечного радиуса. Масса Юпитера в 2,47 раза превышает суммарную массу всех остальных планет Солнечной системы, вместе взятых, в 317,8 раз — массу Земли и примерно в 1000 раз меньше массы Солнца. Характеристики плотности Юпитера показывают, что она примерно равна плотности Солнца и в 4,16 раз уступает плотности Земли. При этом сила тяжести на его поверхности, за которую обычно принимают верхний слой облаков, более чем в 2,4 раза превосходит земную. Если бы масса Юпитера превышала его реальную массу в четыре раза, плотность планеты возросла бы до такой степени, что под действием возросшей гравитации размеры планеты сильно уменьшились. Таким образом, по всей видимости, Юпитер имеет максимальный диаметр, который могла бы иметь планета с аналогичным строением и историей. С дальнейшим увеличением массы сжатие продолжалось бы до тех пор, пока в процессе формирования звезды Юпитер не стал бы коричневым карликом с массой, превосходящей его нынешнюю примерно в 50 раз. Это даёт астрономам основания считать Юпитер «неудавшейся звездой». Хотя, неясно, схожи ли процессы формирования таких планет, как Юпитер, с теми, что приводят к формированию двойных звёздных систем. Хотя для того, чтобы стать звездой, Юпитеру потребовалось бы быть в 75 раз массивнее, самый маленький из известных красных карликов всего лишь на 30 % больше в диаметре.

Астрономия

В этом разделе мы изучим строение Солнечной системы, законы, описывающие движение планет, проявления гравитационного взаимодействия в системе Земля - Луна, физические свойства Солнца и звезд. Используя известные законы физики, заглянем в недра звезд, обсудим их жизнь и смерть. Узнаем, что останется после смерти Солнца и более массивных звезд. Изучение мира галактик позволит нам узнать, как устроен Млечный Путь и где образуются звезды. Мы посмотрим, как наблюдаемое красное смещение в спектрах галактик указывает на расширение Вселенной в целом и что наблюдаемое реликтовое излучение, заполняющее всю Вселенную, указывает на то, что в прошлом Вселенная была не только плотной, но и горячей. Увидим, как знание законов небесной механики позволяет смоделировать движение не только планет, но и искусственных небесных тел.

Солнечная система

Сложные видимые петлеобразные движения планет среди звезд объясняются движением Земли и планет вокруг Солнца. Сложный характер движения Луны вокруг Земли и Земли вокруг Солнца объясняет смену лунных фаз, явление приливов и отливов, а также закономерности солнечных и лунных затмений.

Видимые движения небесных тел

Темной ночью мы можем увидеть на небе около 2500 звезд (с учетом невидимого полушария 5000), которые отличаются по блеску и цвету. Кажется, что они прикреплены к небесной сфере и вместе с ней обращаются вокруг Земли. Чтобы ориентироваться среди них, небо разбили на 88 созвездий. Во II в. до н. э. Гиппарх разделил звезды по блеску на звездные величины, самые яркие он отнес к звездам первой величины (1 m), а самые слабые, едва видимые невооруженным глазом, - к 6 m . В созвездии звезды обозначаются греческими буквами, некоторые самые яркие звезды имеют собственные названия. Так, Полярная звезда - α Малой Медведицы имеет блеск 2 m . Самая яркая звезда северного неба Вега - α Лиры имеет блеск около 0 m .

Особое место среди созвездий занимали 12 зодиакальных созвездий, через которые проходит годичный путь Солнца - эклиптика . Так, в марте Солнце движется по созвездию Рыб, в мае - Тельца, в августе - Льва, в ноябре - Скорпиона.

В настоящее время для ориентации среди звезд астрономы используют различные системы небесных координат. Одна из них - экваториальная система координат. В ее основе лежит небесный экватор - проекция земного экватора на небесную сферу.

Эклиптика и экватор пересекаются в двух точках: весеннего (ϒ) и осеннего () равноденствия.

Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыбы, и она служит начальной точкой, от которой в направлении против часовой стрелки отсчитывается координата прямое восхождение, которую обычно обозначают буквой α. Эта координата является аналогом долготы в географических координатах. В астрономии принято прямое восхождение измерять в часовой мере, а не в градусной. При этом исходят из того, что полная окружность составляет 24 ч. Вторая координата светила δ - склонение - является аналогом широты, ее измеряют в градусной мере. Так, звезда Альтаир (α Орла) имеет координаты α = 19 ч 48 м 18 с склонение δ = +8°44’ Измеренные координаты звезд хранят в каталогах, по ним строят звездные карты, которые используют астрономы при поиске нужных светил.

Взаимное расположение звезд на небе не меняется, они совершают суточное вращение вместе с небесной сферой. Планеты наряду с суточным вращением совершают медленное движение среди звезд, оправдывая свое название (planetas в переводе с греческого - блуждающая звезда).

Видимый путь планет на небе петлеобразен. Размеры описываемых планетами петель различны. На рисунке показано видимое петлеобразное движение Марса, которое длится 79 дней.

Наиболее просто видимое движение планет и Солнца описывается в системе отсчета, связанной с Солнцем. Такой подход получил название гелиоцентрической системы мира и был предложен польским астрономом Николаем Коперником (1473-1543).

В этой системе суточное движение небесного свода объясняется вращением Земли вокруг оси, годичное движение Солнца по эклиптике - движением Земли вокруг Солнца, а описываемые планетами петли - сложением движений Земли и планет. Вокруг Земли движется только Луна. Коперник рассчитал расстояния планет до Солнца.

В астрономии среднее расстояние от Земли до Солнца принято за единицу расстояния и называется астрономической единицей (а. е.), 1 а. е. = 150 10 6 км. Так, Меркурий находится от Земли на расстоянии 0,39 а. е., а Сатурн - на расстоянии 9,54 а. е.

В античные времена и вплоть до Коперника полагали, что в центре Вселенной расположена Земля и все небесные тела обращаются по сложным траекториям вокруг нее. Эта система мира называется геоцентрической системой мира.

Доказательство движения Земли вокруг Солнца и определение расстояний до звезд.

Если Земля обращается вокруг Солнца, то близкие звезды должны периодически смещаться на фоне более далеких звезд. Это смещение называется параллактическим, а угол π, под которым со звезды виден радиус земной орбиты, называется параллаксом. Как видно из вышеприведенного рисунка, расстояние до звезды

Так как параллакс звезд мал, мы заменили синус малого угла самим углом, выраженным в радианной мере, а затем перешли от радианной меры к градусной, учтя, что 1 рад = 206 265". В астрономии принято измерять расстояние до звезд в парсеках (пк).

1 пк = 206 265 а 0 = 206 265 150 10 6 км = 3 10 13 км.

Итак, если параллакс измерять в угловых секундах а расстояние до звезды - в парсеках, то связью между ними будет равенство

Только во второй половине XIX в. удалось измерить параллаксы и расстояния до звезд и тем самым подтвердить теорию Коперника наблюдениями. Так, ближайшая к нам звезда а Центавра имеет параллакс π = 0,751", поэтому расстояние до нее r = 1,33 пк = 4 10 13 км.

Видимые движения небесных тел

Космос - это все, что есть, что когда-либо было и когда-нибудь будет.

Карл Саган.

Первые письменные упоминания о небесных телах возникли в древнем Египте и Шумере. Древние различали на небесном своде три типа тел: звёзды, планеты и "хвостатые звёзды". Отличия происходят как раз из наблюдений: Звёзды сохраняют на протяжении достаточно долгого времени неподвижность относительно других звёзд. Поэтому считалось, что звёзды "закреплены" на небесной сфере. Как нам сейчас известно, из-за вращения Земли каждая звезда "чертит" на небе "круг.

"Хвостатые" звёзды кометы. Появлялись нечасто, символизировали беды.

• Конфигурация – характерное взаимное расположение планеты, Солнца и Земли. Экли́птика -большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца. Соответственно плоскость эклиптики - плоскость вращения Земли вокруг Солнца
• Нижние (внутренние) планеты движутся по орбите быстрее Земли, а верхние (внешние) медленнее.

Введем понятия конкретных физических величин, характеризующих движение планет и позволяющих произвести некоторые расчеты:

• Периге́лий (др.-греч. περί «пери» - вокруг, около, возле, др.-греч. ηλιος «гелиос» - Солнце) - ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты или иного небесного тела Солнечной системы.
• Антонимом перигелия является апоге́лий (афе́лий) - наиболее удалённая от Солнца точка орбиты. Воображаемую линию между афелием и перигелием называют - линия апсид.
• Сидерический (T –звездный) – промежуток времени в течение которого планета совершает полный оборот вокруг Солнца по своей орбите относительно звезд.
• Синодический (S) – промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми конфигурациями планеты

Сложное видимое движение планет на небесной сфере обусловлено обращением планет Солнечной системы вокруг Солнца. Само слово " планета " в переводе с древнегреческого означает " блуждающая " или " бродяга ". Траектория движения небесного тела называется его орбитой. Скорости движения планет по орбитам убывают с удалением планет от Солнца. Характер движения планеты зависит от того, к какой группе она принадлежит. Поэтому по отношению к орбите и условиям видимости с Земли планеты разделяются на внутренние (Меркурий, Венера) и внешние (Марс, Сатурн, Юпитер, Уран, Нептун, Плутон), или соответственно, по отношению к Земной орбите, на нижние и верхние.

Поскольку при наблюдениях с Земли на движение планет вокруг Солнца накладывается еще и движение Земли по своей орбите, планеты перемещаются по небосводу то с востока на запад (прямое движение), то с запада на восток (попятное движение). Моменты смены направления называются стояниями. Если нанести этот путь на карту, получится петля. Размеры петли тем меньше,

чем больше расстояние между планетой и Землей.

Планеты описывают петли, а не просто движутся туда-сюда по одной линии исключительно из-за того, что плоскости их орбит не совпадают с плоскостью эклиптики. Такой сложный петлеобразный характер был впервые замечен и описан на примере видимого движения Венеры

Для верхних (внешних)

• соединение - планета за Солнцем, на прямой Солнце-Земля (М 1).
• противостояние – планета за Землей от Солнца – лучшее время наблюдения внешних планет, она полностью освещена Солнцем (М 3).
• квадратура

• западная восточная
• западная – планета наблюдается в западной стороне (М 4).
• восточная –наблюдается в восточной стороне (М 2).

Для нижних(внутренних)

• соединение планета находится на прямой Солнце-Земля.

• верхнее – планета за Солнцем (V 3). нижнее
• верхнее – планета за Солнцем (V 3).
• нижнее – планета перед Солнцем (V 1).
• элонгация - угловое удаление планеты от Солнца восточная западная
• восточная - планета видна на востоке до восхода Солнца в лучах утренней зари (V 4).
• западная – планета видна на западе в лучах вечерней зари после захода Солнца (V 2).

Если T – Земля, P 1 – внутренняя планета, S – Солнце, небесное соединение называется нижним соединением. В «идеальном» нижнем соединении происходит прохождение Меркурия или Венеры по диску Солнца.

Если T – Земля, S – Солнце, P 1 – Меркурии или Венера, явление называется верхним соединением. В «идеальном» случае происходит покрытие Солнцем планеты, которое, конечно, не может наблюдаться из-за несравнимой разницы в блеске светил. Для системы Земля – Луна – Солнце в нижнем соединении происходит новолуние, а в верхнем – полнолуние.

Спасибо