Планеты, о которых мы мало знаем

4

М.А.Гинцбург

ПЛАНЕТЫ,
О КОТОРЫХ
МЫ
МАЛО
ЗНАЕМ

Юпитер
Церера
Географос
Марс
Земля
Солнце
Эрос
Гармония
Психея

…кроме таких больших планет, как Земля, Юпитер, Марс. Венера, существует еще сотни других, которые даже имену не даны, и среди них также маленькие, что их и в телесоп трудно разгладить.

Антуанде Сент-Экзюпери
«Маленький прииц»

5

Введение

Кроме больших планет — Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона — вокруг Солнца обращаются и планеты меньших размеров — астроиды. Первую такую планету, названную Церерой, открыли в 1801 году. Ее diameter 740 км. Затем были открытые Паллада — 490 км, Юнона — 200 км, Веста — 400 км. Почти все орбиты астроидов расположены между орбитами Марса и Юпитера (см. рис.). В настоящее время определены орбиты для 1700 астроидов. В современные телескопы различны около 50 000 астроидов. Вначале названная астроидов брали из греческий мифологии, потом их назвали жениками именами. Есть астроиды Вера, Ольга, Валерия, Людмила, Татьяна. Есть астроид Зоя, названный в честь Зон Космодемьянской.

В последние годы астрофизики говорят о важности исследования вещества астроидов и высказки на них космонавтов.

Вшеество Земли, особенно земная кора, подвергалось многочисленным превращением (расплавление, вулканические процессы и другие), изменившим ее первоначальный облик. Луна имеет свою, особую историю, пока еще не разгаданную.

Есть веряность, что вшеество астроидов, напротив, не плавилось и сохраило особенность прошлых эпох. Тогда по нему можно узнать о начальных этапах развития Солнечной системы 4 — 5 миллиардов лет назад — эпохе обращения планет.

Можно найти астроидам и практическое применение — сила тяжести на этих малых планетах ничтожна, они могли бы послужить взлетными плоскаками для градинозных космических кораблей будущего.

Но существуют и такие планеты, иногда очень большие, раз в десять большие Земли, которые нельзя различить даже в самый лучший телескоп. Это планеты других миров, они обращаются не во кругг Солнца, а во кругг иных светил — далеких звезд. Расстояния до ближайших звезд — несколько световых лет — в тысячи раз больше расстояния от Земли до самой далекой планеты нашей Солнечной системы — Плутона. Свет проходит 300 000 км в секунду, за год это составляет 9,46·10¹² км, а до Плутона «всего» 5,9·10⁹ км. В этой статье рассказываться, как можно сбнаржить эти планеты и определить их параметры.

Астероиды

Мыслу о полете на астроиды и обусловиях на этих малых планетах подробно развивал пionер космонавтики К. Э. Циолковский еще 50 лет назад. Циолковского привлекла прежнее осенонь небольшая сила тяжести, облегчающая посадку и взлет космического корабля и передвижение человека по поверхности астроида. Возьмем, как и Циолковский, в качестве примера астроидом в 6 км, что примерно в 2000 раз меньше астроида Земли. Таких планеты в порядке астроидов несолько тысяч.

Посмотрим, какова сила тяжести на таком астроиде. Ускорение силы тяжести $g = \gamma M/R^2$, где $M = \frac{4\pi}{3}\rho R^3$ — масса планеты, $\rho$ — плотность, $R$ — радиус, $\gamma = 6,68 \cdot 10^{-11} m^3/кгс^2$ — постоянная всемирного тяготения. Или $g = \frac{4\pi}{3}\gamma\rho R$. Так же, как это делал Циолковский, применяют астроида равной $\rho = 5,3 \times 10^3$ кг/м³, то есть почти равной средней плотности Земли ($\rho_3 = 5,5 \times 10^3$ кг/м³). Это значение несолько зависит от имеющейся ядро, как Земля, и их средняя плотность около $3 \cdot 10^3$ кг/м³. Но для примерных оценок эта.resуществена. Ускорение $g$ пропорционально радиусу $R$, значит, на астроиде ускорение силы тяжести примерно в 2000 раз меньше земного: $g = 4,9 \cdot 10^{-3} m/c^2$.

6

Человек на астероде подобен сказочному велику. Он легко поднимет и снова положит космический корабль массой 10 тонн (на нашем астероде корабль весит 50 н). Этот великан владеет еще сказочными семимильными салогами — без всякого напряжения он совершает гигантские прыжки (его тело весит не 900 н, а 0,45 н).

Прыгнем на Земле на высоту $S = 0,5$ м. Путь и ускорение связи формулой $S = gt^2/2$, $g = 9,81 \text{ m/c}^2$. Отсюда $t = \sqrt{2S/g} = 0,315$ с. Необходимая начальная скорость $v_0 = gt = 3,08 \text{ m/c}$.

В первом приближении можно считать импульсы, придаваемые телу на Земле и на астероде, одинаковыми — они определяются, в основном, мускулами ног, а не силой тяжестии (разницей в механике отрыва, в длительности взаимодействия ног с поверхностью придется пренебречь, без пренебрежений нельзя решить никакую физическую задачу). Поэтому одинаковая и начальная скорость. Мы будем также считать, что ускорение $g$ не меняется во время прыжка. При $v_0 = 3 \text{ m/c}$ на астероде $S = v_0^2/2g = 1000 \text{ m} = 1 \text{ км}$. Время «прыжка» $t = v_0/g = 7 \cdot 10^3 \text{ c} = 110 \text{ мин}^*$).

Предоставим теперь слово Циолковскому**).

《Вы стоите на поверхности астерода прямо, пq-земному, но маленьшее ваше движение вздымает вас, как пружинку, на воздух. Усиление, нужное для того, чтобы впрыгнуть на земной порог в 2 вершка, вздымает вас тут на высоту 120 сажен, то есть немного ниже базни Эйфеля***). Тяжесть настолько низера, что с получаенной высоты вы бу-

*) Мы считаем, что формулы, справедливы для прыжков на Земле, можно применять и на астеродах. На самом деле это правильно, когда высота подема не велика по сравнению с радиусом планеты.

**) К. Э. Циолковский. Путь к звездам. Изд. АН СССР, 1960.

***) 1 сахень=48 вершков=2,13 метра.

дете падать в течение 22 секунд — чуть не полинуты!

Если вы нарочно наклонитесь и захотите повалиться на почву подобно подпиленному дереву, то вы будете ждать окончания этого удовольствия несколько минут и удара от падения, конечно, никакого не почувствуете. Если вы подожмитеоги, чтобы есть, то ноги ваши будут в пространстве без опоры секунд 10, в течение которых вы успеете закрутить папиросу…

Лежать и стоять вы можете на острых камнях и тела не изрежете, бока не отложите…

Бежать по планете и даже ходить очень недобно: при малейшей такой попытке вы улетаете кверху. Впрочем, можно безать гигантскими шагами в несколько сахен какдый, действующей, однако, ногами крайне нежно. Чуть посильнее — и вы начинаете кувыркаться в пространстве на пером же шагу, так что другой шаг приходит сделать не ногами, а головой, руками, боком, чем придется. Неудобно, неудобно! — хотя сами испытайте》.

Все эти факты — не только теория, но уже и практика космонавтики. Вот что пишет космонавт Нейл Армстронг- о печатаниях от бета на Луне*): «Скачки похожи на без впрыпрыжку, но при скачках на Лу-

*) См. журнал «Земля и Вселенная», № 5, 1970.

8

атмосферы, ни сільного магнитного поля, и человек должны уметь защищать себя от солнечной радиации (реентген, ультрафиолет), быстрых частиц (космические лучи) и микрометеров. Но за 15 лет космической эры человек этому в какой-то степени уже научился.

Пофантазируем на более конкретные темы: спросим, к каким астроидам люди полетят в ближайшее время. Прежде всего, это астроид Эрос (см. рис. с. 4). Он подходит к Эмле на расстояние в 2,3·10⁷ км (ближе него к нам подходит только маленький астроид Икар, он приближается на 5,7·10⁵ км). Такая «встреча» Эрос с Эмлей произойдет в июне 1975 года.

Задолго до полета космонавты и инженеры должны хорошо знать, какие на этом астроиде разрешены скорости и ускорения, чтобы какая-нибудь деталь или даже космонавт не улетели в космос. Длина Эроса 35 км, его диаметр 10 км. Вращается Эрос вокруг своей короткой оси, перpendикулярной к направлению, в котором он вытянут, с периодом в 5 часов.

Для численных оценок можно принять две упрощенные модели Эрос: а) цилиндр, б) сиграобразное тело. Для этих двух модели можно оценить, во-первых, силу тяготения $F_g$, которая различна в разных точках поверхности и наименьшую величину имеет на концах астроида, а ввторых, можно по известной угловой скорости врашення найти центростремильное ускорение. Набольшое центростремильное ускорение на концах «сигары». В таблице 1 приведены результаты такого расчета на концах астроидов Эрос и Географос.

| Расчетная величины | Эрос | Сиграа | Географос |
| :— | :— | :— | :— |
| Перiod врашения (ч) | 5,2 | 5,2 | 5,2 |
| Длина (км) | 35 | 31 | 31 |
| Диаметр (км) | 10 | 0,7 | 0,7 |
| Ускорение силы тяготения ($\times 10^3$ м/с²) | 6,64 | 0,414 | 0,121 |
| Центростремильное ускорение при суточном врашении ($\times 10^3$ м/с²) | 1,92 | 0,173 | 0,173 |
| Относительное ускорение силы тяготения (измерение на поверхности) ($\times 10^3$ м/с²) | 4,72 | 0,241 | -0,052 |

Как мы видим на примере Географос, астроид может врашаться настолько быстро (расчет при сигрообразной форме), что сила тяготения оказывается слишком малой, чтобы обеспечить нужное центростремильное ускорение для тел, лежащих на поверхности астроида. Поэтому камни и другие предметы будут улетать с поверхности астроида в окружающей пространство. Вес тел оказывается как бы отрицательным *).

В 1976 году Географос подойдет к Эмле на расстояние в 40·10⁶ км. В 1972 году недалеко от Эмли (21·10⁶ км) прошел астроид Торо (диаметр 10 км).

В качестве космической ракеты хорошо бы использовать небольший, диаметром 1 км, астроид

9

Икар. На рисунке 2 показана орбита Икара: в перигелини он подходит к Солнцу на расстояние в $28 \cdot 10^6$ км, то есть вдвое близке Меркурия, а в афелии уходит за орбиту Марса.

В перигелини и афелии — двух крайних точках орбиты — ускорение перпендикулярно к скорости. В эти два момента (точки 1 и 2 на рис. 2) сила прятяжения к Солнцу сообщает Икару центростремительное ускорение $a = v^2/R$, но, с другой стороны,

$$a = \gamma M/R^2.$$

Перигелиний Икар проходит очень быстро и большую часть времени проводит далеко от Солнца, поэтому средняя температура его довольно низка.

To, что спутники с сильно вытянутой орбитой проводят большую часть времени не в перигелини, не в близки светила, а наоборот, в афелии, далеко от него, используется при запуске научных спутников Земли. Их орбита вытянута, поэтому наиболее интерсную часть пути — вдалеке от Земли — они проходят медленно и дают подробные показания о свойствах среды.

Однако в полете к Икару есть свои трудности — это малень размеры и большая скорость астроида относительно Земли.

В Икар трудно «попасть».

Исследовать вещество астроидов не обязательно на их «родине» — за орбитой Марса. Обсуждаются планы искусственного изменения орбиты. Один из таких путь — взрыв на астроиде. Взрывные газы полетят в одну сторону, а астроид (по закону сохранения имплуса) — в другую, при этом он немного изменит свою орбиту (рис. 3), приобретя дополнительную скорость $\Delta v$. Земля своим прятяжением доверщит остальное — астроид станет спутником Земли, удобным для изучения.

Планеты других звезд

Планеты других звезд не видны в телесопп. Тем не менее эти планеты были обнаружены.

Звезду хорошо видно, а на движение звезды влияет своим тяготением ее невидимый спутник — планета. Планеты обнаруживают по отклонениям звезды от прямолинейного движения. Внешние силы на системе звезд — планета не действуют (другие звезды далеко), поэтому центр масс движется obliчно по прямой и притом равномерно. Звезда, имеющая планету с большой массой, движет-

10

ся зигзагами (рис. 4), поскольку звезда и планета расположены по разные стороны их центра масс.

На рисунке 5 показан видимый путь звезда в созвездии Эридана. Это оранжево-желтая звезда, похожая на нашей Солнце, но с меньшей массой (ее масса составляет 0,7 массы Солнца) и меньшей светимостью (30% светимости Солнца). Она отсутствит от нас на расстояние 10,7 световых лет. По отклонению видимого путь звезда от прямой линии удалость установить характеристики планеты: перiod обращения — 25 лет, среднее расстояние от звезда — 8 астроνομических единиц (1 а. е. = 149 000 000 км — расстояние от Солнца до Земли). Аналогичные искусственные траектории обнаружены недавно и у звезды Лаланда 21 185 (расстояние от Земли — 8 световых лет); возможно, и у нее есть планеты.

Звезды, из-за их удаленности, для нас — точные источники света. Но земная атмосфера приводит к мерцанию, размещению звезды, и вместе точки на фотопластике оказывается круглоконечного радиуса. (Есть еще и другая причина размещости изображения звезды — погрешности телескопа. Но погрешности современных telescопов меньше atmosферных.) Минимальный диаметр изображения звезды — 0,5 угловой секунды.

Положения звезды на рисунке 5 показаны кругками с диаметром 0,05″ (4 мм—0,1″) И в каталогах координаты звезд приводятся с точностью до 0,1″. Такое повышение точности (от 0,5″ до 0,05″) достигается многократными измерениями и статистической обработкой результатов. Но и отклонения траектории, вызванные планетами, не превыходит 0,05″, то есть они находится «на пределе точности» измерений. Поэтому таблицу 2, в котором приведены результаты измерения движения ближайших звезд, вызванных их темными спутниками

11

с массовим порядка масс Юпитера, можно назвать так: «Ближайшие звезды, у которых существуют или подозреваются темные спутники».

Таблица 2

Наименование звезды | Перiod обращения спутника в годах | Полуось орбиты в секундах дутги
—|—|—
η в созвездии Кассопеля | 24 | 0,019
614 по каталогу России | 16,5 | 0,306
Ci 1244 | 26,5 | 0,11
Лаланда 21 185 | 8,0 | 0,034
70 в созвездии Змееносца | 17 | 0,015
61 в созвездии Лебедь | 4,9 | 0,010

Экспериментально трудно обнаружения планет показывает пример со звездой Барнарда.

Вблизи нашего Солнца оказалась звезда, очень подходящая для попска у нее планет. Это звезда Барнарда, называная по имени открывшего ее астронома-любителя. Звезда эта слабая, но движется она с достаточно большой скоростью — 10,3″ в год (1/360 градуса). Ее расстояние от Земли — 5,9 световых лет. Ближе нее расположена только двойная звезда в созвездии Центавра. Нарисуне 6 показана измененная астрономомванде Кампом траектория звезды Барнарда и вычисленные по этой траектории орбиты ее планет.

Рис. 5.

30 лет (с 1937 по 1967 год) велисъ наблюдается. За эти годы ван де Камп изучил и промерил свыше 3.000 фотографий звезды с точностью до 0,01″, то есть до 3 миллионных долей градуса. На фотографиях также угловое смesшение давало линейное смesшение в 6 микрон.

Вначале предполагалось, что звезда Барнарда имеет одну планету с периодом обращения 25 лет, масса этой планеты примерно в 1,5 раза больше массы Юпитера. Более тщательный анализ траектории звезды привел в 1969 году к гипотезе о двух планетах с периодами обращения 26 лет и 12 лет и массами, примерно равными массе Юпитера. Орбиты планет почти круговые, расстояния от звезды 2,8 и 4,7 астрономических единиц. Для сравнения напомним, что Юпитер отстол от Солнца на 5,2 а. е. и имеет период обращения