Những hành tinh chúng ta biết rất ít về

4

MAGintsburg

hành tinh,
GIỚI THIỆU VỀ MÀ
CHÚNG TÔI
MỘT VÀI
CHÚNG TÔI BIẾT

Sao Mộc
Ceres
địa lý
Sao Hỏa
Trái đất
Mặt trời
tình yêu
Hòa hợp
Tâm lý

…ngoại trừ những hành tinh lớn như Trái Đất, Sao Mộc, Sao Hỏa. Sao Kim, có hàng trăm cái khác thậm chí còn chưa được đặt tên, và trong số đó cũng có những cái nhỏ đến mức khó có thể làm phẳng chúng ngay cả trong kính thiên văn.

Antoine Saint-Exupéry
“Priitz bé nhỏ”

5

Giới thiệu

Ngoài các hành tinh lớn - Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất, Sao Hỏa, Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương, Sao Hải Vương và Sao Diêm Vương - các hành tinh nhỏ hơn - astroid - cũng quay quanh Mặt trời. Hành tinh đầu tiên như vậy có tên là Ceres, được phát hiện vào năm 1801. Đường kính của nó là 740 km. Sau đó là Pallas được phát hiện - 490 km, Juno - 200 km, Vesta - 400 km. Hầu như tất cả các quỹ đạo của sao Hỏa đều nằm giữa quỹ đạo của Sao Hỏa và Sao Mộc (xem hình). Hiện tại, quỹ đạo của 1.700 thiên thể đã được xác định. Trong các kính thiên văn hiện đại, có thể nhìn thấy khoảng 50.000 thiên thể. Lúc đầu, tên gọi astroid được lấy từ thần thoại Hy Lạp, sau đó chúng được gọi bằng tên của chúng. Có các nhà thiên văn Vera, Olga, Valeria, Lyudmila, Tatyana. Có phi hành gia Zoya, được đặt tên theo Vùng Kosmodemyanskaya.

Trong những năm gần đây, các nhà vật lý thiên văn đã nói về tầm quan trọng của việc nghiên cứu bản chất của các phi hành gia và nói về chúng từ các phi hành gia.

Sự xâm chiếm Trái đất, đặc biệt là lớp vỏ Trái đất, đã trải qua nhiều biến đổi (nóng chảy, quá trình núi lửa, v.v.), làm thay đổi diện mạo ban đầu của nó. Mặt trăng có lịch sử đặc biệt của riêng nó, vẫn chưa được giải đáp.

Ngược lại, có niềm tin rằng cuộc xâm lược của các nhà thiên văn không tan chảy và vẫn giữ được những đặc thù của các thời đại trước. Sau đó, bạn có thể sử dụng nó để tìm hiểu về giai đoạn phát triển ban đầu của hệ mặt trời cách đây 4 - 5 tỷ năm - thời đại của cuộc cách mạng hành tinh.

Astroids cũng có thể được tìm thấy trong các ứng dụng thực tế - lực hấp dẫn lên những hành tinh nhỏ này là không đáng kể, chúng có thể đóng vai trò là máy bay cất cánh cho các tàu vũ trụ lớn trong tương lai.

Nhưng cũng có những hành tinh như vậy, đôi khi rất lớn, lớn gấp chục lần Trái đất mà ngay cả kính thiên văn tốt nhất cũng không thể phân biệt được. Đây là những hành tinh của các thế giới khác, chúng không quay quanh Mặt trời mà quay quanh các ngôi sao sáng khác - những ngôi sao xa xôi. Khoảng cách đến các ngôi sao gần nhất - vài năm ánh sáng - lớn hơn hàng nghìn lần khoảng cách từ Trái đất đến hành tinh xa nhất trong hệ mặt trời của chúng ta - Sao Diêm Vương. Ánh sáng truyền đi 300.000 km mỗi giây, trong một năm con số này lên tới 9,46·10¹² km, và đối với Sao Diêm Vương thì “chỉ” 5,9·10⁹ km. Bài viết này sẽ cho bạn biết cách xác định các hành tinh này và xác định các thông số của chúng.

Tiểu hành tinh

Ý tưởng bay đến các hành tinh nhỏ và điều kiện trên những hành tinh nhỏ này đã được nhà tiên phong về du hành vũ trụ K. E. Tsiolkovsky phát triển một cách chi tiết cách đây 50 năm. Tsiolkovsky bị thu hút bởi lực hấp dẫn thấp của mùa thu trước, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hạ cánh và cất cánh của tàu vũ trụ cũng như chuyển động của con người trên bề mặt của thiên văn. Chúng ta hãy lấy, như Tsiolkovsky, làm ví dụ về một tiểu hành tinh có đường kính 6 km, nhỏ hơn tiểu hành tinh của Trái đất khoảng 2000 lần. Có hàng nghìn hành tinh như vậy được xếp theo thứ tự astroid.

Chúng ta hãy xem lực hấp dẫn trên một thiên thể như vậy là bao nhiêu. Gia tốc trọng trường $g = \gamma M/R^2$, trong đó $M = \frac{4\pi}{3}\rho R^3$ là khối lượng của hành tinh, $\rho$ là mật độ, $R$ là bán kính, $\gamma = 6,68 \cdot 10^{-11} m^3/кгс^2$ là hằng số hấp dẫn phổ quát. Hoặc $g = \frac{4\pi}{3}\gamma\rho R$. Giống như Tsiolkovsky đã làm, họ sử dụng một astroid bằng $\rho = 5,3 \times 10^3$ kg/m³, tức là gần bằng mật độ trung bình của Trái đất ($\rho_3 = 5,5 \times 10^3$ kg/m³). Giá trị này phụ thuộc phần nào vào lõi hiện có, như Trái đất, và mật độ trung bình của chúng là khoảng $3 \cdot 10^3$ kg/m³. Nhưng đối với ước tính sơ bộ thì this.res rất có ý nghĩa. Gia tốc $g$ tỷ lệ thuận với bán kính $R$, nghĩa là trên thiên văn, gia tốc trọng trường nhỏ hơn trên Trái đất khoảng 2000 lần: $g = 4,9 \cdot 10^{-3} m/c^2$.

6

Người đàn ông trên tiểu hành tinh giống như một chiếc xe đạp trong truyện cổ tích. Nó sẽ dễ dàng nâng và hạ một con tàu vũ trụ nặng 10 tấn (trên tiểu hành tinh của chúng ta con tàu nặng 50 N). Người khổng lồ này cũng có những bước nhảy vọt dài bảy dặm đáng kinh ngạc - anh ta thực hiện những bước nhảy khổng lồ mà không hề căng thẳng (cơ thể anh ta nặng không phải 900 n mà là 0,45 n).

Hãy nhảy trên Trái đất lên độ cao $S = 0,5$ m. Đường đi và gia tốc của kết nối được tính theo công thức $S = gt^2/2$, $g = 9,81 \text{ m/c}^2$. Do đó $t = \sqrt{2S/g} = 0,315$s. Tốc độ ban đầu cần thiết $v_0 = gt = 3,08 \text{ m/c}$.

Theo phép tính gần đúng đầu tiên, chúng ta có thể coi các xung truyền tới cơ thể trên Trái đất và trên tiểu hành tinh là giống nhau - chúng được xác định chủ yếu bởi các cơ của chân chứ không phải bởi trọng lực (sự khác biệt về cơ chế nâng lên, trong thời gian tương tác của chân với bề mặt sẽ phải bỏ qua, không bỏ qua thì không thể giải bất kỳ bài toán vật lý nào bài toán). Do đó, tốc độ ban đầu là như nhau. Chúng ta cũng sẽ giả định rằng gia tốc $g$ không thay đổi trong quá trình nhảy. Tại $v_0 = 3 \text{ m/c}$ trên một tiểu hành tinh $S = v_0^2/2g = 1000 \text{ m} = 1 \text{ км}$. Nhảy thời gian $t = v_0/g = 7 \cdot 10^3 \text{ c} = 110 \text{ мин}^*$).

Bây giờ chúng ta hãy nhường chỗ cho Tsiolkovsky**).

《Bạn đang đứng thẳng trên bề mặt của tiểu hành tinh, giống như trái đất, nhưng chuyển động nhẹ nhất của bạn sẽ nâng bạn lên không trung như một chiếc lò xo. Độ tăng cần thiết để nhảy lên ngưỡng trái đất là 2 inch sẽ nâng bạn ở đây lên độ cao 120 sải, tức là thấp hơn một chút so với chân đế Eiffel***). Trọng lực thấp đến mức từ độ cao đạt được bạn sẽ

*) Chúng tôi tin rằng các công thức hợp lệ cho các bước nhảy trên Trái đất cũng có thể áp dụng cho các tiểu hành tinh. Trên thực tế, điều này đúng khi độ cao nhô lên không lớn so với bán kính của hành tinh.

**) K. E. Tsiolkovsky. Đường tới các vì sao. Ed. Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, 1960.

***) 1 sahen = 48 vershkov = 2,13 mét.

Trẻ ngã trong 22 giây - gần như rụng lông!

Nếu bạn cố tình cúi xuống và muốn ngã xuống đất như một thân cây bị xẻ, thì bạn sẽ đợi cho đến khi niềm vui này kết thúc trong vài phút và tất nhiên, bạn sẽ không cảm thấy bất kỳ tác động nào từ cú ngã. Nếu bạn ép chân để ăn, chân của bạn sẽ ở trong không gian mà không cần hỗ trợ trong 10 giây, trong thời gian đó bạn sẽ có thời gian để cuộn điếu thuốc…

Bạn có thể nằm và đứng trên những tảng đá sắc nhọn mà bạn sẽ không bị cắt vào cơ thể, bạn sẽ không bị lệch hông…

Chạy vòng quanh hành tinh và thậm chí đi bộ đều rất bất tiện: chỉ cần cố gắng một chút, bạn sẽ bay lên trên. Tuy nhiên, bạn có thể sải những bước khổng lồ dài vài mét nhưng phải tác động bằng đôi chân cực kỳ nhẹ nhàng. Khó hơn một chút - và bạn bắt đầu lộn nhào trong không gian ngay từ bước đầu tiên, để bước tiếp theo không được thực hiện bằng chân mà bằng đầu, cánh tay, bên sườn, bất cứ thứ gì bạn phải làm. Bất tiện, bất tiện! - nhưng hãy tự mình thử xem.

Tất cả những sự thật này không chỉ là lý thuyết mà còn là thực tiễn của các nhà du hành vũ trụ. Đây là những gì nhà du hành vũ trụ Neil Armstrong viết về hải cẩu beta trên Mặt trăng*): “Nhún vai tương tự như nhảy mà không nhảy, nhưng khi nhảy trên Lu-

*) Xem tạp chí “Trái Đất và Vũ Trụ”, số 5, 1970.

8

bầu khí quyển, không có từ trường mạnh và con người phải có khả năng tự bảo vệ mình khỏi bức xạ mặt trời (roentgen, tia cực tím), các hạt nhanh (tia vũ trụ) và micromet. Nhưng trong 15 năm của thời đại vũ trụ, con người đã học được điều này ở một mức độ nào đó.

Hãy tưởng tượng về những chủ đề cụ thể hơn: chúng ta sẽ hỏi những người trên hành tinh nào sẽ bay tới trong tương lai gần. Trước hết, đây là Eros astroid (xem Hình trang 4). Nó tiếp cận Emla ở khoảng cách 2,3·10⁷ km (chỉ có thiên thể nhỏ Icarus đến gần chúng ta hơn, nó tiếp cận ở khoảng cách 5,7·10⁵ km). Một “cuộc gặp” như vậy giữa Eros và Emley sẽ diễn ra vào tháng 6 năm 1975.

Rất lâu trước chuyến bay, các phi hành gia và kỹ sư phải biết rõ tốc độ và gia tốc được phép trên tàu vũ trụ này để một bộ phận nào đó hoặc thậm chí phi hành gia không bay vào vũ trụ. Chiều dài của Eros là 35 km, đường kính của nó là 10 km. Eros quay quanh trục ngắn của nó, vuông góc với hướng kéo dài của nó, với thời gian 5 giờ.

Đối với các ước tính bằng số, có thể chấp nhận hai mô hình Eros đơn giản hóa: a) hình trụ, b) thân hình điếu xì gà. Đối với hai mô hình này, trước tiên, người ta có thể ước tính lực hấp dẫn $F_g$, lực này khác nhau ở các điểm khác nhau trên bề mặt và có giá trị nhỏ nhất ở hai đầu của hình sao, và thứ hai, người ta có thể tìm gia tốc hướng tâm từ vận tốc góc quay đã biết. Gia tốc hướng tâm cao ở hai đầu điếu xì gà. Bảng 1 cho thấy kết quả của phép tính như vậy ở điểm cuối của các thiên thể Eros và Geographos.

| Giá trị ước tính | tình yêu | Sigraa | địa lý |
| :— | :— | :— | :— |
| Chu kỳ quay (h) | 5,2 | 5,2 | 5,2 |
| Chiều dài (km) | 35 | 31 | 31 |
| Đường kính (km) | 10 | 0,7 | 0,7 |
| Gia tốc trọng lực ($\times 10^3$ m/s²) | 6,64 | 0,414 | 0,121 |
| Gia tốc hướng tâm trong quá trình quay hàng ngày ($\times 10^3$ m/s²) | 1,92 | 0,173 | 0,173 |
| Gia tốc trọng trường tương đối (đo bề mặt) ($\times 10^3$ m/s²) | 4,72 | 0,241 | -0,052 |

Như chúng ta thấy trong ví dụ của Geographos, thiên thể có thể quay nhanh đến mức lực hấp dẫn quá nhỏ để cung cấp gia tốc hướng tâm cần thiết cho các vật thể nằm trên bề mặt của thiên thạch. Do đó, đá và các vật thể khác sẽ bay khỏi bề mặt của thiên văn vào không gian xung quanh. Trọng lượng của các vật thể là âm *).

Năm 1976, Geographos sẽ tiếp cận Emla ở khoảng cách 40·10⁶ km. Năm 1972, thiên văn Toro (đường kính 10 km) đi qua gần Emly (21·10⁶ km).

Sẽ rất tốt nếu sử dụng một tàu vũ trụ nhỏ có đường kính 1 km làm tên lửa vũ trụ

9

Icarus. Hình 2 cho thấy quỹ đạo của Icarus: ở điểm cận nhật, nó tiếp cận Mặt trời ở khoảng cách $28 \cdot 10^6$ km, tức là gần gấp đôi Sao Thủy, và ở điểm viễn nhật, nó vượt ra ngoài quỹ đạo của Sao Hỏa.

Tại điểm cận nhật và điểm viễn nhật—hai điểm cực trị của quỹ đạo—gia tốc vuông góc với vận tốc. Tại hai thời điểm này (điểm 1 và 2 trong Hình 2), lực hấp dẫn hướng về Mặt trời truyền cho Icarus một gia tốc hướng tâm $a = v^2/R$, nhưng mặt khác,

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

Điểm cận nhật của Icarus di chuyển rất nhanh và dành phần lớn thời gian ở xa Mặt trời nên nhiệt độ trung bình của nó khá thấp.

Thực tế là các vệ tinh có quỹ đạo có độ dài lớn dành phần lớn thời gian của chúng không ở điểm cận nhật, không ở các điểm sáng gần, mà ngược lại, ở điểm viễn nhật, cách xa nó, được sử dụng khi phóng các vệ tinh khoa học của Trái đất. Quỹ đạo của chúng kéo dài, vì vậy phần thú vị nhất của con đường - cách xa Trái đất - chúng di chuyển chậm và đưa ra những thông số chi tiết về các đặc tính của môi trường.

Tuy nhiên, chuyến bay đến Icarus có những khó khăn riêng - đó là kích thước nhỏ và tốc độ cao của thiên văn so với Trái đất.

Rất khó để “vào cuộc” Icarus.

Không cần thiết phải nghiên cứu vấn đề về các thiên thể ở “quê hương” của chúng - ngoài quỹ đạo của Sao Hỏa. Kế hoạch thay đổi quỹ đạo một cách nhân tạo đang được thảo luận. Một trong những cách này là một vụ nổ trên tàu vũ trụ. Khí nổ sẽ bay theo một hướng, và thiên văn (theo định luật bảo toàn động lượng) sẽ bay theo hướng khác, đồng thời nó sẽ thay đổi quỹ đạo một chút (Hình 3), đạt thêm tốc độ $\Delta v$. Trái đất, với lực hấp dẫn của nó, sẽ hoàn thành phần còn lại - thiên văn sẽ trở thành vệ tinh của Trái đất, thuận tiện cho việc nghiên cứu.

Hành tinh của các ngôi sao khác

Các hành tinh của các ngôi sao khác không thể nhìn thấy được bằng kính thiên văn. Tuy nhiên, những hành tinh này đã được phát hiện.

Ngôi sao có thể nhìn thấy rõ ràng và chuyển động của ngôi sao bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn của nó bởi vệ tinh vô hình của nó - hành tinh. Các hành tinh được phát hiện bởi độ lệch của ngôi sao so với chuyển động tuyến tính. Các ngoại lực tác dụng lên hệ sao - hành tinh - không tác dụng (các ngôi sao khác ở rất xa), do đó khối tâm chuyển động rõ ràng theo đường thẳng và hơn nữa là đều. Một ngôi sao có một hành tinh có khối lượng lớn chuyển động

10

các đường ngoằn ngoèo (Hình 4), vì ngôi sao và hành tinh nằm ở các phía đối diện với khối tâm của chúng.

Hình 5 cho thấy đường đi biểu kiến ​​của một ngôi sao trong chòm sao Eridanus. Nó là một ngôi sao màu vàng cam tương tự Mặt trời của chúng ta, nhưng có khối lượng nhỏ hơn (khối lượng của nó bằng 0,7 khối lượng Mặt trời) và độ sáng kém hơn (30% độ sáng của Mặt trời). Nó vắng mặt ở khoảng cách 10,7 năm ánh sáng với chúng ta. Dựa vào độ lệch đường đi nhìn thấy của sao so với đường thẳng, có thể xác định đặc điểm của hành tinh: chu kỳ quay là 25 năm, khoảng cách trung bình tới sao là 8 đơn vị thiên văn (1 AU = 149.000.000 km - khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất). Các quỹ đạo nhân tạo tương tự gần đây đã được phát hiện gần ngôi sao Lalande 21185 (khoảng cách từ Trái đất - 8 năm ánh sáng); có lẽ nó cũng có các hành tinh.

Các ngôi sao, do ở xa nên là nguồn ánh sáng chính xác cho chúng ta. Nhưng bầu khí quyển của trái đất dẫn đến sự lấp lánh, vị trí của ngôi sao và các điểm trên tấm nhựa chụp ảnh có bán kính tròn. (Có một lý do khác để đặt hình ảnh ngôi sao - lỗi kính thiên văn. Nhưng sai số của kính thiên văn hiện đại nhỏ hơn so với kính thiên văn khí quyển.) Đường kính tối thiểu của hình ảnh ngôi sao là 0,5 giây cung.

Vị trí của các ngôi sao trong Hình 5 được thể hiện bằng các vòng tròn có đường kính 0,05 inch (4 mm—0,1 inch). Và trong danh mục, tọa độ của các ngôi sao được đưa ra với độ chính xác 0,1”. Sự gia tăng độ chính xác này (từ 0,5 inch đến 0,05 inch) đạt được thông qua các phép đo lặp lại và xử lý thống kê kết quả. Nhưng độ lệch quỹ đạo do các hành tinh gây ra không vượt quá 0,05”, tức là chúng “ở giới hạn độ chính xác” của phép đo. Do đó, Bảng 2 trình bày kết quả đo chuyển động của các ngôi sao lân cận do vệ tinh tối của chúng gây ra

11

với khối lượng cỡ Sao Mộc, có thể gọi đây là: “Những ngôi sao gần nhất có vệ tinh tối hoặc bị nghi ngờ có chúng”.

Bảng 2

Tên sao | Chu kỳ quỹ đạo vệ tinh tính theo năm | Bán trục quỹ đạo tính bằng cung giây
—|—|—
η trong chòm sao Cassopel | 24 | 0,019
614 theo danh mục tiếng Nga | 16,5 | 0,306
Ci 1244 | 26,5 | 0,11
Lalanda 21 185 | 8.0 | 0,034
70 trong chòm sao Xà Phu | 17 | 0,015
61 trong chòm sao Cygnus | 4,9 | 0,010

Khó khăn thử nghiệm trong việc phát hiện các hành tinh được thể hiện qua ví dụ về ngôi sao của Barnard.

Có một ngôi sao gần Mặt trời của chúng ta rất phù hợp với các hành tinh của nó. Đây là Sao Barnard, được đặt theo tên của nhà thiên văn nghiệp dư đã phát hiện ra nó. Ngôi sao này mờ nhạt nhưng nó di chuyển với tốc độ khá cao - 10,3 inch mỗi năm (1/360 độ). Khoảng cách của nó với Trái đất là 5,9 năm ánh sáng. Gần nó hơn chỉ có một ngôi sao đôi trong chòm sao Nhân Mã. Hình 6 cho thấy quỹ đạo của ngôi sao Barnard được nhà thiên văn học Vande Kamp sửa đổi và quỹ đạo của các hành tinh của nó được tính toán từ quỹ đạo này.

Cơm. 5.

30 năm (từ 1937 đến 1967) đã được quan sát. Trong nhiều năm, van de Kamp đã nghiên cứu và đo được hơn 3.000 bức ảnh về ngôi sao này với độ chính xác 0,01”, tức là lên tới 3 phần triệu độ. Trong các bức ảnh, sự pha trộn theo góc cũng tạo ra sự pha trộn tuyến tính có kích thước 6 micron.

Ban đầu người ta cho rằng Sao Barnard có một hành tinh có chu kỳ quỹ đạo là 25 năm, khối lượng của hành tinh này gấp khoảng 1,5 lần khối lượng Sao Mộc. Một phân tích cẩn thận hơn về quỹ đạo của ngôi sao đã đưa đến giả thuyết vào năm 1969 về hai hành tinh có chu kỳ quỹ đạo là 26 năm và 12 năm và có khối lượng xấp xỉ bằng khối lượng của Sao Mộc. Quỹ đạo của các hành tinh gần như tròn, khoảng cách tới ngôi sao là 2,8 và 4,7 đơn vị thiên văn. Để so sánh, hãy nhớ lại rằng Sao Mộc cách Mặt trời 5,2 AU. đ. và có thời gian lưu hành