Планеты солнечной системы
Относительно крупные природные тела, вращающиеся по орбитам вокруг Солнца или других звезд, называются планетами. Этот термин не включает в себя небольшие тела , такие как кометы, метеориты и астероиды, многие из которых являются немногим больше, чем куски льда или камня.
Планеты , вращающиеся вокруг Солнца, являются частью Солнечной системы, которая включает в себя Солнце и все тела, которые его окружают. Солнце управляет орбитальным движением планет посредством гравитационного притяжения и обеспечивает планеты светом и теплом.
Представления о том, что делает планету планетой, со временем менялись. Согласно нынешнему определению, в Солнечной системе насчитывается восемь планет. В порядке возрастания среднего расстояния от Солнца планетами являются Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Плутон считалась девятой и самой удаленной планетой Солнечной системы с 1930 по 2006 год, после чего её переквалифицировали в карликовую.
Представление о том, что представляет собой планета, изменилось в другом смысле в конце 20-го века, когда астрономы начали открывать далекие планеты, вращающиеся вокруг звезд, отличных от солнца. Ранее были известны только планеты Солнечной системы.
Солнечная система:
Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, которые можно увидеть без телескопа , известны с древних времен. Древние греки использовали термин “планета”, означающий "странники", для обозначения этих пяти тел плюс Солнце и Луна Земли, потому что объекты, казалось, двигались на фоне явно неподвижных звёзд.
Названия этих семи тел всё еще связаны в некоторых языках с днями недели. Со временем астрономы узнали больше о том, как небесные объекты движутся в небе, и они признали, что Солнце, а не Земля, является центром Солнечной системы. Термин планета была зарезервирована для больших тел, которые вращаются вокруг Солнца, а не вокруг другой планеты, поэтому Солнце и Луна больше не считались планетами.
С помощью телескопов современные астрономы открыли сотни тысяч дополнительных объектов , вращающихся вокруг Солнца, включая еще несколько планет. Хотя Уран также иногда виден невооруженным глазом, древние астрономы не могли отличить его от звезд. Впервые Уран был идентифицирован как планета в 1781 году. Восьмая планета, Нептун, была открыта в 1846 году.
Плутон
Плутон первоначально считался планетой. Действительно, его открытие в 1930
году было результатом масштабных поисков далекой девятой планеты. Астрономы
обнаружили, что Плутон не похож на другие планеты во многих отношениях, включая
состав камня и льда, наклонную и очень вытянутую орбиту. На протяжении
десятилетий он казался уникальным.
Однако, начиная с конца 20-го века, прогресс в технологии телескопов позволил астрономам обнаружить гораздо больше маленьких ледяных объектов с вытянутыми орбитами, лежащих за пределами Нептуна. Наряду с Плутоном, эти многочисленные объекты вращаются вокруг Солнца в зоне, называемой поясом Койпера. Поначалу казалось, что Плутон значительно крупнее всех этих объектов. Но несколько объектов Пояса Койпера были найдены почти такими же большими, как Плутон, и один (который позже был назван Эрис) примерно такого же размера. В связи с этим возник вопрос о том, следует ли считать эти тела планетами, если таковым является Плутон.
Что такое Планета
Организация, известная как Международный астрономический союз (МАС), определила планету как небесное тело, удовлетворяющее трём условиям. Во-первых, она должна вращаться вокруг Солнца, а не быть спутником другой планеты. Во-вторых, она должна быть достаточно массивной, чтобы её гравитация придала её почти сферическую форму. В-третьих, она должна быть достаточно массивной, чтобы её гравитация удалила большинство каменистых и ледяных обломков из окрестностей своей орбиты.
Плутон не является планетой под этим определением. Он вращается вокруг Солнца и почти круглый, но он не очистил много небольших объектов Пояса Койпера от области вокруг своей орбиты. МАС создал новую категорию, названную карликовой планетой, для тех почти сферических небесных тел, которые вращаются вокруг Солнца, но которые не очистили область вокруг своих орбит и которые не являются спутниками. Первыми телами, получившими название карликовых планет, были Плутон, Эрис и Церера (которая также является крупнейшим астероидом).
Определения МАС сами по себе были спорными. Некоторые ученые приветствовали их как должное признание того, что Плутон является одним из самых крупных объектов в поясе Койпера. Другие ученые критиковали недостаточную точность и научную строгость этих определений и призывали к их пересмотру.
Объекты Солнечной системы:
Классификация планет Солнечной системы
Внутренние планеты Солнечной системы:
Восемь планет Солнечной системы можно разделить на две группы - внутренние планеты и внешние планеты - в соответствии с их основными физическими характеристиками и положением относительно Солнца. Четыре внутренние планеты - Меркурий, Венера, Земля и Марс. Их также называют земными, или похожими на Землю, планетами. Эти относительно небольшие миры состоят в основном из камня и металла. Внутренние планеты имеют твердую поверхность с плотностью, примерно в четыре-пять с половиной раз превышающей плотность воды. Ни у одной из этих планет нет колец, и только у Земли и Марса есть спутники.
Внешние планеты Солнечной системы:
Четыре внешние планеты - это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их также называют Юпитерианскими, или Юпитероподобными, планетами. Все они намного больше внутренних планет, а Юпитер более массивен, чем семь других планет вместе взятых. В отличие от внутренних планет, внешние планеты не имеют твердой поверхности. Их плотность в два раза меньше плотности воды.
Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода и гелия в жидком и газообразном виде, в то время как Уран и Нептун состоят в основном из расплавленных льдов и расплавленных горных пород, а также водорода и гелия. Каждый из четырех имеет массивную атмосферу или окружающие слои газов. Каждая из внешних планет также имеет кольцевую систему и множество спутников.
Движение планет
Планеты Солнечной системы движутся в пространстве одновременно двумя основными путями. Они вращаются вокруг Солнца и вращаются вокруг своих центров. Восемь планет вращаются вокруг Солнца в том же направлении, что и вращение Солнца, то есть против часовой стрелки, если смотреть сверху на Северный полюс Земли. Планеты также вращаются почти в одной плоскости, так что их траектории очерчивают большой диск вокруг экватора Солнца.
Орбита Меркурия наиболее наклонена. Он наклонён примерно на 7 градусов относительно плоскости эклиптики, или плоскости, в которой вращается Земля. Орбитальные плоскости всех остальных планет находятся примерно в 3,5 градусах от плоскости эклиптики. Для сравнения, орбита Плутона наклонена примерно на 17 градусов.
Законы Кеплера
В начале 1600-х годов немецкий астроном Иоганн Кеплер открыл три главных закона, управляющих движением планет. Первый закон Кеплера описывает форму их орбит, которые являются не совсем круглыми, но слегка овальными. Орбиты образуют нечто вроде замкнутой кривой называется эллипсом. Каждый эллипс имеет две воображаемые неподвижные точки внутри кривой, называемые фокусами, что является множественным числом “фокус". (Сумма расстояний от точки на Кривой до одного фокуса и от одной и той же точки до другого фокуса одинакова для всех точек на эллипсе).
Солнце находится в одном из двух фокусов эллипса орбиты каждой планеты. Меркурий имеет самую эксцентричную, или вытянутую, орбиту из всех планет, в то время как Венера и Нептун имеют самые круговые орбиты. Орбиты Плутона, Эриды и многих других объектов пояса Койпера и комет значительно более эксцентричны.
Второй закон Кеплера описывает скорости планет на их орбитах. Он утверждает, что воображаемая линия, проведенная от планеты к Солнцу, проходит через равные области в равные периоды времени. Это означает, что планеты движутся быстрее, когда их орбиты приближают их к Солнцу, и медленнее, когда они находятся дальше.
Третий закон Кеплера позволяет вычислить орбитальный период планеты или время, необходимое планете для завершения одной орбиты вокруг Солнца, если известно ее среднее расстояние от Солнца, и наоборот. Закон гласит, что квадрат орбитального периода планеты пропорционален кубу среднего расстояния планеты от Солнца.
Вращение планет
Помимо обращения вокруг Солнца, каждая планета вращается вокруг своей оси - воображаемой линии, проходящей через центр планеты и ее Северный и Южный полюса. Большинство планет вращаются в том же направлении, что и их орбиты. Только Венера и Уран вращаются в противоположном направлении, которое называется ретроградным вращением. Оси вращения всех планет, за исключением Урана, находятся более или менее вертикально, или перпендикулярно плоскости эклиптики. Как ни странно, ось Урана почти параллельна плоскости эклиптики, поэтому планета вращается почти на своей стороне.
Год на планете (планетарный год)
Движение планеты в пространстве определяет продолжительность года и суток на этой планете. Год - это время, за которое планета совершает один оборот вокруг Солнца. Орбитальный период земли, например, составляет около 365 дней, так что это длина одного земного года.
День на планете (планетарный день)
Продолжительность дня планеты определяется её вращением двумя различными способами. День - это время, за которое планета вращается вокруг своей оси один раз относительно Солнца. Астрономы называют это солнечным днем. В течение одного солнечного дня Солнце перемещается из своего полуденного положения на небе, садится и снова поднимается в полуденное положение.
Звёздный день - это время, которое требуется планете, чтобы вращаться один раз относительно далёких звезд. В большинстве случаев солнечные и звездные дни имеют почти одинаковую продолжительность. Солнечные сутки Земли примерно на четыре минуты длиннее её звездных суток, в то время как на Марсе и всех внешних планетах эта разница составляет менее минуты. Меркурий и Венера необычны тем, что их солнечные и звездные дни отличаются на много часов.
Времена года на планете
Времена года обусловлены главным образом наклоном оси вращения планеты относительно плоскости ее орбиты. Изменение расстояния планеты от Солнца в течение года является второстепенным фактором. Оси Меркурия, Венеры и Юпитера почти не наклонены, поэтому они практически не испытывают сезонных различий в освещении солнца и погоде.
Земная ось наклонена примерно на 23,5 градуса. Когда планета движется вокруг Солнца, сначала одно полушарие, а затем другое слегка наклоняется к солнцу. В результате угол солнечного света, достигающего земли в полдень, меняется в течение года. Та половина Земли, которая наклонена к Солнцу, переживает лето, а та половина, которая наклонена в сторону, переживает зиму. Летом солнце в полдень стоит выше на небе, а дневные часы становятся длиннее, что приводит к большему нагреву.
Марс, Сатурн и Нептун имеют наклоны осей, которые немного больше, чем у Земли - примерно 25-30 градусов, поэтому у них также есть сезоны. Поскольку этим планетам требуется больше времени для обращения вокруг Солнца, продолжительность каждого сезона намного больше, чем на Земле.
Экстремальный наклон оси Урана, более 97 градусов, даёт ему экстремальные сезоны. Часть года Северный полюс планеты направлен примерно в сторону солнца, в то время как южное полушарие остается темным днем и ночью. Позднее в течение года условия меняются местами: северное полушарие окутано темнотой, а южное - светом.
Видимые движения планет
Движения планет, наблюдаемые с Земли, называемые их видимыми движениями, осложняются собственным вращением Земли, её вращением и небольшим наклоном оси. Земля вращается с запада на восток, так что и звезды, и планеты кажутся восходящими на востоке каждое утро и заходящими на западе каждую ночь.
Наблюдения, проводимые каждую ночь в одно и то же время, показывают, что планета обычно появляется в небе немного восточнее своего положения предыдущей ночью. Периодически планета, по-видимому, меняет направление на несколько ночей или больше и слегка смещается к западу от своего предыдущего положения.
Однако на самом деле планета не меняет направления движения по своей орбитальной траектории. Такое кажущееся изменение направления происходит всякий раз, когда Земля “обгоняет” внешнюю планету. Например, поскольку Сатурну требуется почти 30 земных лет, чтобы совершить один оборот вокруг Солнца, Земля часто проходит между Сатурном и Солнцем. Когда это происходит, кажется, что Сатурн постепенно замедляется, а затем временно меняет свой курс на фоне звезд.
Меркурий и Венера также обладают уникальными видимыми движениями. Поскольку их орбиты меньше в диаметре, чем у Земли, они, по-видимому, движутся от одной стороны Солнца к другой. Когда какая-либо планета появляется на востоке от Солнца для наблюдателей на Земле, она появляется как “Вечерняя звезда”, а когда на западе от солнца, как “Утренняя звезда".
Движение спутников планет
Естественные спутники, или луны, вращающиеся вокруг планет, подчиняются тем же законам орбитального движения, что и планеты. Большинство крупных спутников Солнечной системы и многие малые луны вращаются в том же направлении, что и планета, вокруг которой они вращаются, и примерно в экваториальной плоскости планеты (плоскости, которая перпендикулярна оси вращения планеты и проходит через центр планеты). Эти спутники называются регулярными спутниками. Кроме того, большинство крупных спутников, включая Луну Земли, вращайтесь на своих осях по одному разу за каждый оборот вокруг планеты. В результате эти спутники всегда показывают одну и ту же сторону планеты.
Становление и эволюция планет Солнечной системы
Хотя происхождение Солнечной системы неизвестно, большинство учёных считают, что она начала развиваться около 4,6 миллиарда лет назад из большого облака газа и пыли, называемого солнечной туманностью. Гравитация облака начала втягивать материю облака внутрь. По мере того как облако сжималось, оно начинало вращаться все быстрее и быстрее, а затем сплющивалось в диск.
Когда вещество внутри облака сжалось, оно стало горячим. Это привело к тому, что пыль в облаке стала газообразной. Большая часть массы облака была притянута к центру, в конечном счете образуя Солнце. Планеты развивались из оставшегося материала - диска газа, вращающегося вокруг формирующегося Солнца - по мере его охлаждения. Это объясняет, почему планеты вращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости и в одном направлении.
Газы в охлаждающем диске конденсировались в твёрдые частицы, которые начали сталкиваться друг с другом и склеиваться. Начали формироваться более крупные объекты. Путешествуя по диску, они собирали на своем пути меньший материал - процесс, известный как аккреция. Большая гравитация более массивных объектов также позволяла им притягивать больше материи. Со временем большая часть материи сгустилась в более крупные тела, называемые планетезималями. В конечном счете, они образовали более крупные протопланеты, которые развились в планеты.
Внутренние и внешние планеты развивались по-разному, потому что температуры были намного выше в областях вблизи развивающегося Солнца. Вблизи центра солнечной туманности вещество диска конденсировалось в мелкие частицы камня и металла. Эти частицы в конце концов слиплись в планетезимали, которые образовали скалистые, плотные внутренние планеты.
Более холодные температуры позволяли развиваться не только горной породе и металлу, но также газу и льдам таких обильных веществ, как вода, углекислый газ и аммиак. Доступность этих льдов для формирующихся внешних планет позволила им стать намного больше, чем внутренние планеты. В конце концов, внешние планеты стали достаточно массивными, чтобы их гравитация могла притягивать и удерживать даже самые легкие элементы, водород и гелий.
Это самые распространенные элементы во Вселенной, поэтому планеты смогли вырасти до огромных размеров. Они также разработали композицию, очень похожую на композицию солнца. Каждая молодая внешняя планета имела свою собственную относительно прохладную туманность, из которой формировались ее регулярные спутники. Нерегулярные спутники обычно считаются астероидами или другими объектами, которые были захвачены сильной гравитацией планет.
Столкновения между формирующимися планетами и крупными планетезималями, вероятно, имели драматические последствия. Считается, что многочисленные ударные кратеры на самых древних поверхностях некоторых внутренних планет и некоторых спутников были созданы в результате таких столкновений.
Астрономы полагают, что первоначально Луна Земли могла образоваться из материала, рассеянного в результате сильного столкновения Земли и протопланеты размером примерно с Марс. Этот материал, возможно, осел на орбиту вокруг Земли и аккрецировался, чтобы сформировать Луну. Протопланета также могла врезаться в развивающийся Меркурий и сорвать большую часть своей внешней скалистой мантии. Это объясняет, почему ядро Меркурия занимает такой большой процент внутренней поверхности планеты. Другие протопланеты , возможно, врезались в Венеру, сильно замедляя ее вращение, и Уран, сбив планету почти на бок.
Рост планет
По мере роста планет их внутренности нагревались и плавились. В процессе, известном как дифференциация, более тяжелые материалы опускались к центрам, производя больше тепла в процессе и, во многих планетах, постепенно формируя ядра. На внутренних планетах погружение более тяжелых материалов вытеснило более легкие скальные материалы вверх, образуя мантии из горных пород. Наиболее плавучие материалы поднимались наверх и затвердевали в поверхностную кору. Более легкие элементы вырвались из недр и образовали атмосферу, а на Земле - океаны.
В дополнение к теплу, выделяемому при аккреции и дифференциации, планеты имели третий источник внутреннего тепла: распад некоторых радиоактивных элементов в их недрах. Со времени образования планет многие их физические характеристики определялись тем, каким образом эти тела вырабатывали и теряли свое внутреннее тепло.
Например, выделение внутреннего тепла объясняет вулканическую и тектоническую активность это сформировало кору внутренних планет. В более мелких телах, таких как Меркурий, Луна Земли и многие спутники внешних планет, внутреннее тепло выходит на поверхность относительно быстро. В результате поверхность изначально претерпевает быстрые, бурные изменения. Затем, когда большая часть внутреннего тепла тела рассеивается, поверхностные черты стабилизируются и остаются в основном нетронутыми по мере старения тела. Более крупные тела, такие как Земля и Венера, теряют тепло медленнее. Внешние планеты настолько велики, что большая часть их внутреннего тепла все еще выделяется.
Планеты за пределами Солнечной системы
Ученые разработали эти теории о формировании планет на основе наблюдений за Солнечной системой. Открытие планет за пределами Солнечной системы поставило под сомнение некоторые детали. Например, астрономы обнаружили огромные газообразные планеты, которые находятся ближе к своим звездам, чем Меркурий к Солнцу.
Это, по-видимому, противоречит идее о том, что огромные планеты могут образовываться только в областях, удаленных от центральной звезды. Возможно, эти планеты изначально развивались дальше от звезды, или, возможно, теории о формировании Солнечной системы нуждаются в определенной корректировке. Однако идея о том, что солнечные системы развиваются из сжимающихся, вращающихся облаков газа и пыли, всё ещё считается правильной. Астрономы наблюдали такие диски, окружающие несколько молодых звезд.
Люди уже давно задаются вопросом, есть ли у других звезд, кроме Солнца, планеты, вращающиеся вокруг них. В 1990-х годах астрономы обнаружили первые свидетельства существования таких планет. В настоящее время известно, что существует множество планет во многих других солнечных системах. Эти планеты называются экзопланетами вне Солнечной системы.
Экзопланеты
Такие очень далекие планеты чрезвычайно трудно увидеть непосредственно в земные телескопы. Они находятся так далеко, что кажутся очень маленькими и тёмными, и обычно их заслоняет сияние звезд, вокруг которых они вращаются. Кроме того, как видно с Земли, планета и её родительская звезда обычно слишком близки друг к другу, чтобы телескоп оптически разрешал или разделял их соответствующие изображения.
Первые планеты, обнаруженные за пределами Солнечной системы, были идентифицированы несколькими другими способами. Некоторые методы включают в себя наблюдение гравитационного воздействия планет на наблюдаемое движение их родительских звезд. Например, орбитальная планета может быть обнаружена по небольшим периодическим колебаниям, которые она производит в положении родительской звезды в пространстве, или по отклонениям скорости звезды, наблюдаемой с Земли. Другой метод был использован для обнаружения экзопланет, которые проходят непосредственно между своими звездами и Землей. Этот отрывок является своего рода затмением и называется транзитом. Транзиты позволяют астрономам обнаруживать очень незначительные затухания видимой яркости звезды.
Используя косвенные методы, астрономы в начале 1990-х годов выявили три планеты, вращающиеся вокруг пульсара - чрезвычайно плотной, быстро вращающейся нейтронной звезды в созвездии Девы. В 1995 году астрономы объявили о первом открытии планеты на орбите вокруг звезды, больше похожей на Солнце, 51 Pegasi. В течение 15 лет после первых открытий было обнаружено более 200 планет за пределами Солнечной системы.
В 2004-2005 годах астрономы захватили первые прямые изображения, сделанные в инфракрасном диапазоне длин волн, того, что кажется планетоподобным объектом. Однако астрономы разделились в вопросе о том, следует ли её называть планетой. Она вращается вокруг коричневого карлика, который по-разному определяется как очень холодная, тусклая звезда или как объект, промежуточный между звездой и планетой (и поэтому не “истинная” звезда).
В 2008 году астрономы объявили изображения того, что было более широко принято в качестве первых непосредственно обнаруженных экзопланет. Инфракрасные снимки показали три планеты, вращающиеся вокруг звезды HR 8799, примерно в 128 световых годах от Земли в созвездии Пегаса. Четвертая планета была обнаружена на орбите HR 8799 в 2010 году.
Проксима Центавра
В настоящее время обнаружено несколько тысяч внеземных планет. Некоторые из этих планет огромны, с массой Юпитера или больше, но некоторые имеют примерно земные размеры. Особый интерес представляют экзопланеты, обнаруженные в пределах “обитаемой зоны” звезды - орбитальной области вокруг звезды, в которой подобная Земле планета могла бы иметь жидкую воду на своей поверхности.
Если на планете есть жидкая вода, она может иметь условия, необходимые для поддержания жизни. Было обнаружено более 20 планет, которые имеют примерно земные размеры и вращаются в пределах обитаемых зон своих звезд. Среди них - Проксима Центавра В, которая является ближайшей к Земле экзопланетой. Она была обнаружена в 2016 году на орбите вокруг Проксимы Центавра, ближайшей к Солнцу звезды, находящейся на расстоянии около 4,2 световых лет.