1. Знакомство с планетами [1948 Уиппл Ф.

Пять ярких планет были известны человеку уже много тысяч лет тому назад. В древности их считали таинственными небесными божествами, а в движениях планет видели отражение прихотей этих божественных существ. Хорошо известна древнегреческая и римская мифология. Марс был богом войны, Венера - богиней любви, а Меркурий - чем-то вроде мальчика-рассыльного. Такими планеты остались и сейчас для поэтов и для всех тех, кто в образах видит главное в жизни. Но для учёных планеты приобрели совершенно другой характер; массивные шары из камня и железа, окружённые газовыми оболочками, больше увлекают воображение и гораздо интереснее, чем их мифические прообразы. Движение планет представляет теперь объект математических вычислений, а не каприз богов. Вопрос о том, что скрывается под облачной атмосферой Венеры, больше вдохновляет мысль учёного, чем фольклор умерших поколений.

Каждая планета приобретает всё более ярко выраженную индивидуальность и становится всё более интересной по мере того, как астроном путём наблюдений и умозаключений устанавливает всё новые факты. Каждый год разрешается некоторое количество проблем, поставленных в предыдущем году, и в пределах нашей досягаемости встают новые проблемы, которые прежде казались неразрешимыми. Чтобы оценить новейшие открытия и выводы в планетной астрономии, мы должны сначала познакомиться с фондом уже накопленного знания.

Прежде чем мы приступим к изучению солнечной семьи планет, всех их подчинённых и прочих обитателей этого дома, нужно, чтобы они были нам представлены. Известно, что встреча сразу с целым многочисленным семейством обычно бывает бурной и беспорядочной. Мы быстро покончим с представлениями, а затем проведём некоторое время с каждым из членов семейства, чтобы завязать более тесное знакомство (Большая часть численных данных относительно расстояний, диаметров и пр. дана в приложении III)).

Планеты так малы по сравнению с расстояниями между ними и отражённый ими .солнечный свет так слаб по сравнению с ослепительным блеском Солнца, что нет такого места, откуда все они были бы хорошо видны. В качестве позиции для наблюдений наше положение на Земле было бы вполне удовлетворительным, если бы не плотная атмосфера над нами. Поскольку нам нужно преодолеть это препятствие, мы с таким же успехом можем в нашем воображении отойти дальше от Солнца, например на расстояние Юпитера. Отсюда внутренняя часть солнечной системы прекрасно видна. Рассматривая орбиты планет, изображённые на рис. 1, мы прежде всего видим, что Солнце находится почти точно в центре. Причина этого весьма проста: в Солнце сосредоточено 99,866% массы всей системы, так что своим притяжением оно определяет движение всех планет.

Рис. 1. Орбиты внутренних планет. Проекция. Относительные размеры планет соблюдены. В том масштабе в котором изображены планеты, диаметр Солнца был бы равен 1 м

Мы видим далее, что орбиты всех планет лежат почти в одной плоскости, очень близкой к эклиптике, т. е. к плоскости обращения Земли вокруг Солнца. Это пристрастие со стороны всех планет к выбору одной и той же плоскости движения, по всей вероятности, не является случайным. Хотя не было дано строгого доказательства, но возможно, что в этом повинен Юпитер, так как он в 317 раз массивнее Земли и в нём сосредоточено 7/10 массы всех планет, вместе взятых. Юпитер является несомненно главенствующей планетой и своим гравитационным притяжением мог повлиять на орбиты всех прочих планет. Более вероятно, конечно, что все планеты образовались в одной плоскости, но этот вопрос мы рассмотрим ниже.

Меркурий (Одна из редких фотографий его приведена на фронтисписе)), самая маленькая из планет, движется по орбите, наименьшей из всех, но отклонённой от общей плоскости на угол в 7°, тогда как орбиты других внутренних планет отклоняются не более чем на 3°.

Для измерения расстояний в солнечной системе нам необходимо иметь единицу измерения, большую, чем для земных расстояний. Наиболее удобна астрономическая единица (а. е.), которая равна так называемому среднему расстоянию Земли, т. е. среднему арифметическому из наибольшего и наименьшего расстояний Земли от Солнца. Это среднее расстояние Земли равно 149 500 000 км, причём нули обозначают, что мы не знаем, какие цифры поставить на их место и что мы даже не совсем уверены в цифре пять. Астрономическую единицу очень трудно измерить в километрах и она известна лишь с точностью до одной десятитысячной.

Расстояние до Солнца огромно, если его выражать в обычных земных расстояниях. Аэроплану, летящему со скоростью звука, т. е. 1200 км в час, потребовалось бы 14 лет, чтобы долететь до Солнца, а пушечный снаряд, движущийся со скоростью 1,6 км/сек, долетел бы до Солнца немногим менее, чем за три года. Но если это расстояние покажется нам большим, вспомним, что мы проводим нашу жизнь как бы привязанными к одной из самых маленьких планет солнечной систехмы и лишены возможности жить более "полной" жизнью в пространствах вселенной. В действительности астрономическая единица слишком мала для измерения расстояний между звёздами; для этой цели нам приходится пользоваться единицей гораздо большей.

Среднее расстояние Меркурия от Солнца составляет только 0,39 а. е., среднее расстояние Венеры - 0,72. Земли - 1,00, Марса - 1 ,52 и Юпитера - 5,20 а. е.; мы имеем здесь более или менее равномерно возрастающую последовательность (В Приложении I дано правило Тициуса-Боде - удобная схема для запоминания)) расстояний, если не считать широкого интервала между Марсом и Юпитером. В этом промежутке мы находим более тысячи (К 1941 г. их было известно 1500)) малых планет, называемых астероидами и заполняющих пространство, в которОхМ могла бы быть расположена орбита планеты (рис. 2 и рис. 7 ниже). Размеры астероидов весьма разнообразны - самые маленькие из них диаметром меньше 1 км и напоминают оторвавшуюся гору, самый большой - Церера - имеет 770 км в поперечнике и сравним уже с большим островом. Вторым по размерам астероидом является Паллада, диаметр которой равен 490 км, третьим - Веста - диаметр 380 км. Без сомнения не найдётся ни одного большого астероида, который не был бы открыт в настоящее время, но должно существовать очень много, около 40 000 мелких астероидов, которые пока не найдены, но могут быть сфотографированы в более сильные телескопы. Эти планетки хотя и составляют в целом ничтожную часть массы всей системы (вероятно, около 1/500 массы Земли), дают астрономам очень много наблюдательной и вычислительной работы. Они представляют собой весьма удобный экспериментальный материал для проверки различных теорий и могут оказать существенную помощь в разрешении проблемы происхождения всей системы.

Рис. 2. Астероид, движущийся на фоне звёзд

Сами планеты во многом являют характер древних богов, в честь которых они были названы. Меркурий действительно проворен и мал, как и полагается быть посыльному мальчику. Полное обращение вокруг Солнца он совершает всего за 88 дней, т. е. менее, чем за четверть нашего года. Диаметр Меркурия составляет всего 0,4 диаметра Земли. Даже такой маленький диаметр, 5000 км, настолько велик по сравнению с диаметром Цереры, что Меркурий без сомнения должен считаться планетой, а не большим астероидом. Период вращения Меркурия вокруг своей оси до сих пор ещё недостаточно точно определен, но, вероятно, он равен периоду его обращения вокруг Солнца. К несчастью, планета так мала и всегда находится так близко к Солнцу, если смотреть с Земли, что на её поверхности трудно различить какие-либо детали.

Рис. 3. Луна на ущербе

Венера является близнецом Земли. Диаметр её почти равен земному (97,3%)" период обращения вокруг Солнца несколько короче земного (225 дней), а масса составляет около 0,8 массы Земли. Венера, как и Земля, окружена обширной атмосферой; именно эта плотная атмосфера настолько полно скрывает от нас все детали поверхности Венеры, что мы не можем с уверенностью определить скорость её вращения вокруг оси. На основании косвенных данных мы заключаем, что этот период, вероятно, велик (глава 42) - более трёх недель. Наблюдения обеих этих внутренних гпланет затруднены тем обстоятельством, что мы всегда можем видеть лишь часть их поверхности, освещенной Солнцем. Когда Венера находится ближе всего к Земле, мы можем видеть лишь тонкий серп её, точно так же, как мы видим серп Луны в новолуние (рис. 3), так как в это время она находится почти на прямой, соединяющей Землю с Солнцем. рис. 4 схематически изображает те положения Венеры, во время которых были сделаны снимки, воспроизведённые на рис. 5 (Названия различных планетных конфигураций см. в Приложении II)).

Рис. 4. Фазы Венеры. Синодический период, за время которого сменяются все фазы, завершается в течение 584 дней. Соответствующие снимки приведены на рис. 5

Марс представляет собой как бы карликовую Землю (его диаметр равен половине диаметра Земли) с разреженной атмосферой, ясно различимыми деталями поверхности (см. фронтиспис), но без океанов. Марс обращается вокруг Солнца медленнее Земли, за 687 дней. Однако он имеет рис. 3. Луна на ущербе. двух спутников, тогда как у Меркурия и Венеры нет ни одного. Эти два спутника являются в как бы медалями Марса, бога войны, так как больший из них, Фобос, имеет в поперечнике только 15 км.; Деймос же, меньший спутник, имеет диаметр, равный половине диаметра Фобоса. Удивительно, что о существовании этих спутников-лилипутов было сказано у Джонатана Свифта в его книге "Путешествия Гулливера" примерно за 150 лет до их открытия в 1877 г. Согласно заявлению Гулливера, у астрономов облачного острова Лапута были маленькие, но весьма совершенные телескопы и с их помощью они "открыли две маленькие звезды или спутника, обращающихся вокруг Марса, из которых ближайший к Марсу удалён от центра этой планеты на расстояние, равное трём её диаметрам, а более отдалённый - находится от неё на расстоянии пяти таких же диаметров. Первый совершает своё обращение в течение десяти часов, а второй - в течение двадцати одного с половиной часа..." (Путешествие в Лапуту, гл. 3)).

Рис. 5. Венера. Фотоснимки с одинаковым увеличением в различных фазах

Указанные Гулливером периоды обращения удивительно близки к истине, так как Фобос обращается вокруг Марса за 7 часов 39 минут, а Деймос - за 30 часов 18 минут. Однако найденные лапутянами мифические расстояния от центра Марса слишком велики. Фобос удалён от его центра лишь на 1,4 диаметра планеты, а Деймос - на 3,5 диаметра (рис. 6).

Рис. 6. Марс, Деймос и Фобос. Деймос - слева, Фобос - справа от диска Марса. Изображение планеты оказалось передержанным при фотографировании слабых спутников и было заменено изображением, полученным с нормальной экспозицией

Было бы весьма поучительно ознакомиться с другими лапутскими открытиями, но Гулливер упоминает только, что лапутяне "наблюдали 93 различных кометы и с большой точностью определили периоды их возвращения".

По быстроте своего движения Фобос является единственным в своём роде. Период его обращения вокруг Марса почти втрое меньше, чем марсианские сутки, продолжительность которых равна 24 часам 37 минутам; поэтому если смотреть с Марса, то Фобос восходит на западе и заходит на востоке!

Перед тем как перейти к внешним планетам, отметим, что четыре планеты, - Меркурий, Венера, Земля и Марс, - во многих отношениях схожи между собой, имеют примерно одинаковые размеры и весьма плотны, как если бы они состояли из железа или камня. Они справедливо называются [планетами земной группы, так как очень похожи на Землю. Возможно, что Плутон также во многом похож на Землю или на Венеру. С другой стороны, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имеют совершенно другой характер; они "являются настоящими гигантами по сравнению с Землёй, а плотность их близка к плотности воды. На рис. 7 представлены орбиты этих планет: если смотреть на них с места, расположенного за орбитой Плутона. На такой мелкомасштабной схеме все орбиты, изображённые на рис. 1, заключены внутри небольшого кружка вокруг Солнца.

Рис. 7. Орбиты внешних планет. Проекция. Плутон заходит внутрь орбиты Нептуна, но не пересекает её вследствие разности наклонов. Обратите внимание на астероиды и на относительно малые размеры орбиты Марса

Юпитер выделяется среди планет, как самая большая из них. Диаметр Юпитера в 11 раз больше диаметра Земли; вращается он быстрее всех других планет; продолжительность суток на Юпитере немногим менее 10 часов. Юпитер вращается так быстро, что экватор его сильно выпячивается под действием центробежной силы. Поскольку плотность Юпитера всего на 1/3 больше плотности воды, не удивительно, что он обладает чрезвычайно обширной атмосферой, действительную глубину которой мы не знаем. Протяжённость атмосферы, если под ней действительно имеется твёрдая поверхность, может быть вычислена только на основе оценки химического состава планеты и температурных условий. Мы знаем, что в гигантских облаках, которые видны на поверхности планеты (рис. 8), присутствуют аммиак и метан (болотный газ). Эти гигантские пятна без сомнения являются облаками,так как форма, их постоянно меняется. Общее расположение их имеет вид полос, параллельных экватору, как если бы облака были гонимы "пассатамш щими вследствие быстрого вращения.

Рис. 8. Юпитер. Спутник Ганимед виден у края диска; на верхнем правом снимке видна его тень на диске

Атмосферы других гигантских планет весьма похожи на атмосферу Юпитера; различия в основном можно приписать тому обстоятельству, что планеты, находящиеся дальше от Солнца, имеют более холодную поверхность. Нептун, находящийся на расстоянии 30 астрономических единиц от Солнца, является чрезвычайно холодным телом, так как он получает лишь 1/900 солнечного тепла и света по сравнению с Землёй. Температура на поверхности Нептуна чрезвычайно низка (около - 200° С). При такой температуре замерзают и азот и кислород.

Рис. 9. Нептун и его спутник

Планеты-гиганты холодны и необитаемы, но их огромные массы и колоссальные расстояния между ними дают им возможность повелевать удивительно многочисленными семействами спутников. Первым и в этом отношении является Юпитер со своими одиннадцатью спутниками, за ним следует Сатурн с девятью, тогда как Уран имеет четыре спутника, а Нептун - только одного (рис. 9 и 10). Из этих спутников четыре наиболее ярких из семейства Юпитера, один из семейства Сатурна и единственный спутник Нептуна по своим размерам примерно соответствуют нашей Луне, размеры же прочих спутников колеблются от малых астероидов до половины нашей Луны. Системы Юпитера и Сатурна во всех отношениях представляют собой солнечные системы в миниатюре, за исключением того обстоятельства, что планеты сами не излучают света, но светят лишь отражённым солнечным светом. Большие планеты более массивны по сравнению со своими наиболее крупными спутниками, чем Солнце по сравнению с Юпитером и Сатурном. Сходство со всей солнечной системой в целом особенно разительно в системе Сатурна, так как эта планета не только имеет девять спутников (число, равное числу известных планет, обращающихся вокруг Солнца), но окружена также семейством крошечных астероидов, входящих в состав колец (рис. 10 и 11). Эти кольца так близки к самому Сатурну, что в старые телескопы они казались придатками планеты. Галилей, открывший четыре ярких спутника Юпитера, иногда рисовал Сатурн состоящим из трёх частей - центрального тела с симметричными боковыми придатками (рис. 12). Мы знаем теперь, что кольца состоят из небольших частиц, обращающихся вокруг Сатурна примерно в одной плоскости, относительно более тонкой, чем лист бумаги. Если смотреть под различными углами, то кольца будут иметь различный вид; под наибольшим возможным углом они кажутся очень широкими, если же они поворачиваются к нам ребром, то становятся совершенно невидимыми.

Рис. 10. Шесть спутников Сатурна. Слева направо: Титан, Рея, Диона, Фетида, Мимас и Энцелад Кольца 'утонули' в ореоле вследствие продолжительных экспозиции

За Нептуном лежит открытый в более позднее время Плутон. О Плутоне нам известно очень мало. Судя по наиболее достоверным наблюдениям, Плутон несколько меньше Земли и менее массивен; скорость его вращения точно не установлена. По всей вероятности, Плутон не имеет атмосферы, так как поверхность его, повидимому, весьма скупо отражает солнечный свет; известно, что планеты, окружённые плотной атмосферой, отражают гораздо лучше, чем планеты с разреженной атмосферой. Луна отражает свет весьма слабо, а Плутон, вероятно, даже ещё слабее.

Рис. 11. Сатурн, окружённый кольцом

Чтобы закончить наше поверхностное знакомство с солнечной семьёй, следует упомянуть также о кометах (рис. 13). Эти странные путники всегда возбуждали у человека больший суеверный ужас, чем все другие небесные тела. То, что они сохранились до нашего времени, представляет одну из загадок солнечной системы, и явления, которые в них протекают, ни в коей мере не могут считаться хорошо объяснёнными. Большинство комет движется по очень сильно вытянутым орбитам, приближаясь к Солнцу лишь на весьма короткое время. Находясь в отдалении от Солнца, кометы слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать, но в перигелии, когда они ближе всего к Солнцу, яркость их колоссально возрастает. В это время они становятся настолько активными, что теряют заметную часть своего вещества в пространство, и вокруг ядра образуется большое облако газов и мелких пылевых частиц (см. рис. 13). Сильный солнечный свет гонит эти газы и пыль назад от кометы, в результате чего образуется большой хвост, иногда не один и всегда очень сложной структуры. Строение и яркость хвостов видны на рис. 14 (О кометах, астероидах и малых телах солнечной системы см. книгу Ф. Ватсона "Между планетами", Гостехиздат, 1947)).

Рис. 12. Ранние рисунки Сатурна

В последующих главах мы более близко познакомимся со всеми членами солнечной семьи, с которыми нам пришлось встретиться в настоящей главе. Каждый из них обладает своим особым характером, который станет нам яснее при более близком знакомстве. Возможно, что нам встретится много интересных проблем, относящихся к строению и происхождению различных членов семейства, и мы познакомимся даже с некоторыми семейными тайнами. В следующей главе мы рассмотрим важную проблему единства семьи и познакомимся с той связующей силой, которая удерживает каждого члена её на своём месте.

Рис. 13. Голова кометы Галлея. В продолжение девятиминутной экспозиции телескоп следовал за движением кометы на фоне звёзд. Поэтому изображения звёзд получились в виде чёрточек