СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА Астероиды. Множество малых планет - астероидов - обращается вокруг Солнца в основном между орбитами Марса и Юпитера. Название "астероид" астрономы приняли потому, что в телескоп они выглядят как слабые звездочки (aster по-гречески "звезда"). Сначала думали, что это осколки некогда существовавшей большой планеты, но затем стало ясно, что астероиды никогда не составляли единого тела; скорее всего, это вещество не смогло объединиться в планету из-за влияния Юпитера. По оценкам, суммарная масса всех астероидов составляет в нашу эпоху всего 6% массы Луны; половина этой массы заключена в трех крупнейших - 1 Церере, 2 Палладе и 4 Весте. Номер в обозначении астероида указывает порядок его открытия. Астероидам с точно известными орбитами присваивают не только порядковые номера, но и имена: 3 Юнона, 44 Ниса, 1566 Икар. Известны точные элементы орбит более 8000 астероидов из 33 000 открытых на сегодня.
Существует не менее двухсот астероидов радиусом более 50 км и около тысячи - более 15 км. По оценкам, около миллиона астероидов имеет радиус более 0,5 км. Крупнейший из них - Церера, довольно темный и сложный для наблюдения объект. Требуются особые методы адаптивной оптики, чтобы при помощи наземных телескопов различить детали поверхности даже крупных астероидов.
Радиусы орбит большинства астероидов заключены между 2,2 и 3,3 а.е., эту область называют "поясом астероидов". Но он не весь заполнен орбитами астероидов: на расстояниях 2,50, 2,82 и 2,96 а.е. их нет; эти "окна" образовались под влиянием возмущений со стороны Юпитера. Все астероиды обращаются в прямом направлении, но орбиты многих из них заметно вытянуты и наклонены. Некоторые астероиды имеют весьма любопытные орбиты. Так, группа Троянцев движется по орбите Юпитера; большинство из этих астероидов очень темные и красные. У астероидов группы Амура орбиты подходят или пересекают орбиту Марса; в их числе 433 Эрос. Астероиды группы Аполлона пересекают орбиту Земли; среди них 1533 Икар, ближе всех подходящий к Солнцу. Очевидно, рано или поздно эти астероиды испытывают опасное сближение с планетами, которое заканчивается столкновением или серьезным изменением орбиты. Наконец, недавно в особый класс выделены астероиды группы Атона, орбиты которых почти целиком лежат внутри орбиты Земли. Все они очень маленького размера.
Яркость многих астероидов периодически меняется, что естественно для вращающихся неправильных тел. Периоды их вращения лежат в интервале от 2,3 до 80 ч и в среднем близки к 9 ч. Своей неправильной формой астероиды обязаны многочисленным взаимным столкновениям. Примеры экзотической формы дают 433 Эрос и 643 Гектор, у которых отношение длин осей достигает 2,5.
В прошлом вся внутренняя часть Солнечной системы, вероятно, была похожа на главный пояс астероидов. Находящийся вблизи этого пояса Юпитер своим притяжением сильно возмущает движение астероидов, увеличивая их скорости и приводя к сталкиванию, а это чаще разрушает, чем объединяет их. Подобно недостроенной планете, пояс астероидов дает нам уникальную возможность увидеть части конструкции перед тем, как они скроются внутри готового тела планеты.
Изучая свет, отраженный астероидами, удается немало узнать о составе их поверхности. Большинство астероидов на основе их коэффициента отражения и цвета отнесены к трем группам, аналогичным группам метеоритов: астероиды типа C имеют темную поверхность, как углистые хондриты (см. ниже Метеориты), тип S ярче и краснее, а тип M похож на железо-никелевые метеориты. Например, 1 Церера похожа на углистые хондриты, а 4 Веста - на базальтовые эвкриты. Это указывает, что происхождение метеоритов связано с поясом астероидов. Поверхность астероидов покрыта мелко раздробленной породой - реголитом. Довольно странно, что он удерживается на поверхности после удара метеоритов - ведь у 20-км астероида сила тяжести 10-3 g, а скорость покидания поверхности всего 10 м/с.
Кроме цвета сейчас известно множество характерных инфракрасных и ультрафиолетовых спектральных линий, используемых для классификации астероидов. По этим данным выделяют 5 основных классов: A, C, D, S и T. Астероиды 4 Веста, 349 Дембовска и 1862 Аполлон не вписались в эту классификацию: каждый их них занимал особое положение и стал прототипом новых классов, соответственно V, R и Q, в которых теперь присутствуют и другие астероиды. Из многочисленной группы С-астероидов в дальнейшем выделились классы B, F и G. Современная классификация насчитывает 14 типов астероидов, обозначенных (в порядке уменьшения количества членов) буквами S, C, M, D, F, P, G, E, B, T, A, V, Q, R. Поскольку альбедо у С-астероидов ниже, чем у S-астероидов, происходит наблюдательная селекция: темные С-астероиды сложнее обнаружить. С учетом этого самым многочисленным типом оказываются именно С-астероиды.
Из сравнения спектров астероидов различного типа со спектрами образцов чистых минералов сформировались три большие группы: примитивная (C, D, P, Q), метаморфическая (F, G, B, T) и магматическая (S, M, E, A, V, R). Поверхность примитивных астероидов богата углеродом и водой; метаморфические содержат меньше воды и летучих, чем примитивные; магматические покрыты сложными минералами, вероятно, сформировавшимися из расплава. Внутренняя область главного пояса астероидов богато населена магматическими астероидами, в средней части пояса преобладают метаморфические, а на периферии - примитивные астероиды. Это указывает, что в период формирования Солнечной системы в поясе астероидов существовал резкий градиент температуры.
Классификация астероидов, основанная на их спектрах, группирует тела по составу поверхности. Но если рассматривать элементы их орбит (большую полуось, эксцентриситет, наклон), то выделяются динамические семейства астероидов, впервые описанные К.Хираямой в 1918. Самые населенные из них - это семейства Фемиды, Эос и Корониды. Вероятно, каждое семейство представляет собой рой осколков сравнительно недавнего столкновения. Систематическое изучение Солнечной системы приводит нас к пониманию, что крупные столкновения являются скорее правилом, чем исключением, и что Земля также не застрахована от них.
Метеориты. Метеороид - это небольшое тело, обращающееся вокруг Солнца. Метеор - это метеороид, влетевший в атмосферу планеты и раскалившийся до блеска. А если его остаток упал на поверхность планеты, его называют метеоритом. Метеорит считают "упавшим", если есть очевидцы, наблюдавшие его полет в атмосфере; в противном случае его называют "найденным".
"Найденных" метеоритов значительно больше, чем "упавших". Часто их находят туристы или крестьяне, работающие в поле. Поскольку метеориты имеют темный цвет и легко различимы на снегу, прекрасным местом для их поиска служат ледяные поля Антарктики, где уже найдены тысячи метеоритов. Впервые метеорит в Антарктике обнаружила в 1969 группа японских геологов, изучавших ледники. Они нашли 9 фрагментов, лежавших рядом, но относящихся к четырем разным типам метеоритов. Оказалось, что метеориты, упавшие на лед в разных местах, собираются там, где движущиеся со скоростью несколько метров в год ледниковые поля останавливаются, упираясь в горные хребты. Ветер разрушает и высушивает верхние слои льда (происходит его сухая возгонка - абляция), и метеориты концентрируются на поверхности ледника. Такие льды имеют голубоватый цвет и легко различимы с воздуха, чем и пользуются ученые при изучении мест, перспективных для сбора метеоритов.
Важное падение метеорита произошло в 1969 в Чиуауа (Мексика). Первый из множества крупных осколков был найден вблизи дома в деревеньке Пуэблито де Альенде, и, следуя традиции, все найденные фрагменты этого метеорита были объединены под именем Альенде. Падение метеорита Альенде совпало с началом лунной программы "Аполлон" и дало ученым возможность отработать методы анализа внеземных образцов. В последние годы установлено, что некоторые метеориты, содержащие белые обломки, внедренные в более темную материнскую породу, являются лунными фрагментами.
Метеорит Альенде относится к хондритам - важной подгруппе каменных метеоритов. Их называют так, потому что они содержат хондры (от греч. chondros, зёрнышко) - древнейшие сферические частицы, сконденсировавшиеся в протопланетной туманности и затем вошедшие в состав более поздних пород. Подобные метеориты позволяют оценивать возраст Солнечной системы и ее исходный состав. Богатые кальцием и алюминием включения метеорита Альенде, первыми сконденсировавшиеся из-за своей высокой температуры кипения, имеют измеренный по радиоактивному распаду возраст 4,559 ? 0,004 млрд. лет. Это наиболее точная оценка возраста Солнечной системы. К тому же все метеориты несут в себе "исторические записи", вызванные длительным влиянием на них галактических космических лучей, солнечного излучения и солнечного ветра. Изучив повреждения, нанесенные космическими лучами, можно сказать, как долго метеорит пребывал на орбите до того, как попал под защиту земной атмосферы.
Прямая связь между метеоритами и Солнцем следует из того факта, что элементный состав наиболее старых метеоритов - хондритов - точно повторяет состав солнечной фотосферы. Единственные элементы, содержание которых различается, - это летучие, такие, как водород и гелий, обильно испарявшиеся из метеоритов в ходе их остывания, а также литий, частично "сгоревший" на Солнце в ядерных реакциях. Понятия "солнечный состав" и "хондритный состав" используют как равнозначные при описании упомянутого выше "рецепта солнечного вещества". Каменные метеориты, состав которых отличается от солнечного, называют ахондритами.
Мелкие осколки. Околосолнечное пространство заполнено мелкими частицами, источниками которых служат разрушающиеся ядра комет и столкновения тел, в основном, в поясе астероидов. Самые мелкие частицы постепенно приближаются к Солнцу в результате эффекта Пойнтинга - Робертсона (он заключается в том, что давление солнечного света на движущуюся частицу направлено не точно по линии Солнце - частица, а в результате аберрации света отклонено назад и поэтому тормозит движение частицы). Падение мелких частиц на Солнце компенсируется их постоянным воспроизводством, так что в плоскости эклиптики всегда существует скопление пыли, рассеивающее солнечные лучи. В самые темные ночи оно заметно в виде зодиакального света, тянущегося широкой полосой вдоль эклиптики на западе после захода Солнца и на востоке перед его восходом. Вблизи Солнца зодиакальный свет переходит в ложную корону (F-корона, от false - ложный), которая видна только при полном затмении. С ростом углового расстояния от Солнца яркость зодиакального света быстро падает, но в антисолнечной точке эклиптики она вновь усиливается, образуя противосияние; это вызвано тем, что мелкие пылевые частицы интенсивно отражают свет назад.
Время от времени метеороиды попадают в атмосферу Земли. Скорость их движения так велика (в среднем 40 км/с), что почти все они, кроме самых мелких и самых крупных, сгорают на высоте около 110 км, оставляя длинные светящиеся хвосты - метеоры, или падающие звезды. Многие метеороиды связаны с орбитами отдельных комет, поэтому метеоры наблюдаются чаще, когда Земля в определенное время года проходит вблизи таких орбит. Например, ежегодно в районе 12 августа наблюдается множество метеоров, поскольку Земля пересекает поток Персеиды, связанный с частицами, потерянными кометой 1862 III. Другой поток - Ориониды - в районе 20 октября связан с пылью от кометы Галлея. См. также МЕТЕОР.
Частицы размером менее 30 мкм могут затормозиться в атмосфере и упасть на землю, не сгорев; такие микрометеориты собирают для лабораторного анализа. Если частицы размером в несколько сантиметров и более состоят из достаточно плотного вещества, то они также не сгорают целиком и выпадают на поверхность Земли в виде метеоритов. Более 90% из них каменные; отличить их от земных пород может только специалист. Оставшиеся 10% метеоритов железные (в действительности они состоят из сплава железа и никеля).
Метеориты считаются осколками астероидов. Железные метеориты были когда-то в составе ядер этих тел, разрушенных соударениями. Возможно, некоторые рыхлые и богатые летучими веществами метеориты произошли от комет, но это маловероятно; скорее всего, крупные частицы комет сгорают в атмосфере, а сохраняются лишь мелкие. Учитывая, как трудно достигнуть Земли кометам и астероидам, ясно, сколь полезным является изучение метеоритов, самостоятельно "прибывших" на нашу планету из глубин Солнечной системы. См. также МЕТЕОРИТ.
Кометы. Обычно кометы прилетают с далекой периферии Солнечной системы и на короткое время становятся чрезвычайно эффектными светилами; в это время они привлекают всеобщее внимание, но многое в их природе до сих пор остается неясным. Новая комета обычно появляется неожиданно, и поэтому практически невозможно подготовить для встречи с ней космический зонд. Разумеется, можно не спеша подготовить и отправить зонд для встречи с одной из сотни периодических комет, орбиты которых хорошо известны; но все эти кометы, многократно сближавшиеся с Солнцем, уже постарели, почти полностью потеряли летучие вещества и стали бледными и неактивными. Лишь одна периодическая комета еще сохранила активность - это комета Галлея. Ее 30 появлений регулярно фиксировали с 240 до н.э. и назвали комету в честь астронома Э.Галлея, который предсказал ее появление в 1758.
У кометы Галлея орбитальный период 76 лет, расстояние перигелия 0,59 а.е. и афелия 35 а.е. Когда в марте 1986 она пересекала плоскость эклиптики, на встречу с ней устремилась армада космических аппаратов с полусотней научных приборов. Особенно важные результаты получили два советских зонда "Вега" и европейский "Джотто", впервые передавшие изображения кометного ядра. На них видна очень неровная поверхность, покрытая кратерами, и две газовые струи, фонтанирующие на солнечной стороне ядра. Объем ядра кометы Галлея оказался больше, чем ожидалось; его поверхность, отражающая всего 4% падающего света, - одна из самых темных в Солнечной системе.
В год наблюдается порядка десяти комет, из которых только треть была открыта ранее. Их часто классифицируют по продолжительности орбитального периода: короткопериодические (3
В последние годы было обнаружено довольно богатое население Солнечной системы, в виде диска протянувшееся непосредственно за орбитами планет-гигантов; его называют "поясом Койпера" (см. ниже). В нем также может содержаться множество ядер комет.
Принято выделять у кометы три части: маленькое (1-10 км) твердое ядро, окружающее его газо-пылевое облако - голову или кому, размером порядка 100 тыс. км, и тянущийся от нее примерно на 100 млн. км хвост, направленный от Солнца. Ядро кометы - это ледяное тело с примесью твердых пород. Приближаясь к Солнцу, ядро нагревается, и уходящие с его поверхности потоки газа уносят частицы пыли и льда, формирующие голову кометы. В спектре головы обычно видны полосы молекул и радикалов CN, CH, NH, OH, C2, C3, представляющих "обломки" более сложных молекул ядра, разрушенных солнечным излучением. Некоторые молекулы ионизуются и начинают активно взаимодействовать с солнечным ветром, образуя плазменный или ионный хвост (I типа); в его спектре видны линии излучения ионов CO+, OH+ и N2+. Частицы пыли образуют искривленный пылевой хвост (II типа), спектр которого представляет рассеянный солнечный свет.
При испарении газов ядро кометы теряет и мелкую пыль, но не ясно, оставляет ли она за собой более крупные обломки. Интересно также, какова судьба ядра после потери им всех летучих веществ: становится ли оно похожим на обычный астероид? Любопытно, что маленькие астероиды группы Аполлона движутся по вытянутым орбитам, очень напоминающим орбиты короткопериодических комет. См. также КОМЕТА.
Поиск планет в Солнечной системе. Не раз высказывались предположения о возможности существования планеты, более близкой к Солнцу, чем Меркурий. Леверье (1811-1877), предсказавший открытие Нептуна, исследовал аномалии в движении перигелия орбиты Меркурия и на основе этого предсказал существование внутри его орбиты новой неизвестной планеты. Вскоре появилось сообщение о ее наблюдении и планете даже присвоили имя - Вулкан. Но открытие не подтвердилось.
В 1977 американский астроном Коуэл открыл очень слабый объект, который окрестили "десятой планетой". Но для планеты объект оказался слишком мал (ок. 200 км). Его назвали Хироном и отнесли к астероидам, среди которых он был тогда самым далеким: афелий его орбиты удален на 18,9 а.е. и почти касается орбиты Урана, а перигелий лежит сразу за орбитой Сатурна на расстоянии 8,5 а.е. от Солнца. При наклоне орбиты всего 7? он действительно может близко подходить к Сатурну и Урану. Вычисления показывают, что такая орбита неустойчива: Хирон либо столкнется с планетой, либо будет выброшен из Солнечной системы.
Время от времени публикуются теоретические предсказания о существовании крупных планет за орбитой Плутона, но до сих пор они не подтверждались. Анализ кометных орбит показывает, что до расстояния 75 а.е. планет крупнее Земли за Плутоном нет. Однако вполне возможно существование в этой области большого количества малых планет, обнаружить которые не просто. Существование этого скопления занептуновых тел подозревалось уже давно и даже получило название - пояс Койпера, по имени известного американского исследователя планет. Тем не менее, обнаружить первые объекты в нем удалось лишь недавно. В 1992-1994 было открыто 17 малых планет за орбитой Нептуна. Из них 8 движутся на расстояниях 40-45 а.е. от Солнца, т.е. даже за орбитой Плутона.
Ввиду большой удаленности блеск этих объектов чрезвычайно слаб; для их поиска годятся лишь крупнейшие телескопы мира. Поэтому до сих пор систематически просмотрено всего около 3 квадратных градусов небесной сферы, т.е. 0,01% ее площади. Поэтому ожидается, что за орбитой Нептуна могут существовать десятки тысяч объектов, подобных обнаруженным, и миллионы более мелких, диаметром 5-10 км. Судя по оценкам, это скопление малых тел в сотни раз массивнее пояса астероидов, расположенного между Юпитером и Марсом, но уступает по массе гигантскому кометному облаку Оорта.
Объекты за Нептуном пока трудно отнести к какому-либо классу малых тел Солнечной системы - к астероидам или к ядрам комет. Новооткрытые тела имеют размер 100-200 км и довольно красную поверхность, что указывает на ее древний состав и возможное присутствие органических соединений. Тела "пояса Койпера" в последнее время обнаруживают весьма часто (к концу 1999 их открыто ок. 200). Некоторые планетологи считают, что Плутон было бы правильнее называть не "самой маленькой планетой", а "крупнейшим телом пояса Койпера".