Своїм могутнім притяганням Сонце утримує біля себе багато менш масивні небесні тіла - планети, астероїди, комети, метеорні потоки і т. П. Всі вони рухаються по орбітах навколо Сонця, утворюючи Сонячну систему, і їх руху підкоряються трьом законам Кеплера, які були узагальнені Ньютоном на основі його теорії тяжіння.
Перший закон Кеплера стверджує, що рух притягиваемого Сонцем небесного тіла відбувається по одному з конічних перетинів. Як відомо, криві, звані конічними перетинами, виходять при перетині поверхні прямого кругового конуса площинами. Якщо конус перетнути площиною, перпендикулярної до його осі (рис. 80), то виходить коло. Нахиляючи цю площину, ми перетворимо окружність в еліпс - витягнуту замкнуту криву. У міру збільшення нахилу площини еліпс буде все більше витягуватися. Нарешті, при деякому певному нахилі замкнута крива розірветься і ми отримаємо параболу - криву, що складається з однієї гілки, що приходить з нескінченності і йде в нескінченність. При великих нахилах січної площини будуть виходити ще більш розгорнуті нескінченні криві - гіперболи, причому їх буде при кожному перетині дві; іншими словами, гіпербола складається з двох гілок. Таким чином, орбіти небесних тіл можуть бути замкнутими - круговими або еліптичними, і рух по ним буде проис-
()
Треба відзначити, що комета Енке спостерігалася понад ніж в 40 наближеннях до Сонця, а комета Галлея, незважаючи на 76-річний період обертання, - 28 разів!
Зауважимо, що комета Галлея, проходячи через перигелій, входить всередину земної орбіти, а поблизу Офелія відходить за орбіту Нептуна! Звернемо також увагу на комету Джакобини - Ціннера, у якій перигелийное відстань дорівнює одній астрономічній одиниці.
Небесні тіла Сонячної системи рухаються навколо Сонця під дією його тяжіння. Якби не було взаємного тяжіння цих тіл, то елементи орбіти будь-якої планети або комети залишалися б незмінними. Ці «додаткові» сили діють возмущающе на елементи орбіт, змушуючи їх повільно змінюватися. Найсильніше впливає тяжіння Юпітера, якщо він володіє найбільшою масою, у порівнянні з іншими планетами, як це видно з таблиці III.
Притягання Юпітера позначається насамперед на русі астероїдів і комет. По-перше, Юпітер може «захопити» астероїд і змусити його у якійсь точці рухатися не навколо Сонця, а навколо нього. Такий астероїд перетворюється в супутник
Юпітера. По-друге, тяжіння, діючи тривало, може внести зміни в орбіти багатьох астероїдів. Дійсно, як це видно з рис. 83, на якому зображені орбіти астероїдів, тяжіння Юпітера «розсортувати» малі планети на «сімейства» подібних орбіт. З'явилися «згущення» орбіт і «провали» між ними. Деякі орбіти стали нестійкими і відповідним чином, під впливом тяжіння Юпітера, змінилися.
По-третє, було виявлено дуже цікаве сімейство астероїдів, які були названі іменами героїв легендарної Троянської війни і отримали загальну назву «троянців». Задовго до їх відкриття Лагранж, розглядаючи проблему руху трьох тіл під впливом їх взаємного тяжіння, довів, що конфігурація рівностороннього трикутника стійка. Це означає, що якщо в одній з вершин рівностороннього трикутника знаходиться Сонце, а в другій вершині Юпітер, то в третій вершині може виявитися астероїд і буде рухатися, залишаючись в цьому положенні, т. Е. Майже за такою ж орбіті, яку описує навколо Сонця Юпітер, але попереду нього (або позаду, так як можуть бути утворені два трикутника).
Відкриття троянців підтвердило математичне пророкування Лагранжа. Ці «особливі» точки - - вершини трикутників називаються точками лібрації.
По-четверте, якщо комета пройде досить близько до Юпітера, то його тяжіння може істотно змінити її орбіту. Довгоперіодична комета може перетворитися в коротко-періодичну. Може бути і зворотне, а саме, що обурює тяжіння Юпітера може так змінити орбіту комети, що вона покине Сонячну систему. На рух комет великий вплив робить також обурює тяжіння Сатурна, Урана і Нептуна. До складу Сонячної системи входять також і супутники планет. У Землі один супутник - Місяць, у Марса - два, у Юпітера - 12, у Сатурна - 10, у Урана - 5 і у Нептуна - 2. Деякі з супутників Юпітера - мабуть, захоплені його тяжінням астероїди.
Зупинимося тепер на умовах спостережень планет. Розглянемо спочатку нижні планети - Меркурій і Венеру, у яких радіуси орбіт менше радіуса орбіти Землі. Особливості їх спостережень легко збагнути з рис. 84, на якому зображені різні положення планети на її орбіті, МХ, М3, М2 і М4, і положення Землі Т. Буавен S позначено положення Сонця; TS-променів зору, що з'єднує спостерігача і Сонце. Якщо планета знаходиться в точці Mlt то відбувається її верхнє з'єднання з Сонцем. Припустимо, що Земля нерухома, що не відіб'ється на подальших міркуваннях. Луч зору ТМ, спрямований від спостерігача до планети, буде, в міру пересування планети по орбіті, відхилятися від променя TS, а так як Земля обертається проти годинникової стрілки (що показано на малюнку 84), Сонце зайде за горизонт раніше, ніж планета. Настає вечірня пора видимості планети. Кутова відстань променя ТМ від TS буде зростати до положення М3, яке називається найбільшою східною елонгацією планети. Планета досягає найбільшого можливого видалення на небі від Сонця. Після цього промінь ТМ починає наближатися до променю TS і умови вечірньої видимості планети погіршуються.
Коли планета приходить в стан М2, настає її нижнє з'єднання з Сонцем. В цей час планету спостерігати не можна -Вона прихована в променях Сонця. При деяких положеннях Землі і планети, які можна заздалегідь обчислити, диск планети проектується на яскравий диск Сонця. Відбувається рідкісне явище проходження планети по диску Сонця. У Меркурія такі проходження бувають порівняно часто, в середньому одне за 15 років. У Венери проходження по диску Сонця трапляються набагато рідше. Найближче проходження Венери відбудеться в 2004 р Відомості про проходженнях зазвичай даються в астрономічних календарях.
Простежимо за подальшим рухом променя зору ТМ. Він знову відхиляється від променя TS, але тепер в іншу сторону. Настає пора ранкової видимості планети: вона спостерігається в східній стороні неба перед сходом Сонця. Найбільше відхилення настає в положенні М4, яке називається найбільшою західній елонгацією.
Можливе максимальне видалення планети від Сонця залежить від ставлення радіусів орбіт планети і Землі. З рис. 84 випливає, що sin a = M3S / ST. Меркурій може відходити від Сонця на 28 °, а Венера - на 48 °. Такі особливості видимого руху нижніх планет.
З іншими властивостями ми зустрічаємося при розгляді руху верхніх планет - Марса, Юпітера і т. Д. На рис. 85 зображені орбіти Землі (Земля відзначена буквою Т) і верхньої планети, наприклад, Марса - М. Положення М1, при якому Марс і Земля знаходяться по різні боки oт Сонця і відстань між ними максимально, називається верхнім з'єднанням планети з Сонцем (у цей момент повинні бути рівні астрономічні екліптікальние довготи Сонця і планети).
Щоб простежити за видимим рухом верхньої планети і виділити її характерні конфігурації, ми повинні взяти до уваги орбітальні руху планети і Землі. На рис. 85 стрілками показані напрямки орбітальних рухів. Так як період обертання верхньої планети навколо Сонця більш тривалий, ніж період обертання Землі, то кутова швидкість руху планети менше кутової швидкості руху Землі. Це означає, що за деякий проміжок часу Земля проходить по орбіті кут Т1SТ2, більший, ніж верхня планета (кут M1SM2).
Якщо розташування Т1 і M1 відповідали верхньому з'єднанню, то коли Земля прийде в положення Т2, а верхня планета в положення М2, промінь зору Т2М2 відхилиться на захід від напрямку T3S. Це означає, що після верхнього з'єднання планета буде видна вранці, перед сходом Сонця.
При подальшому русі промінь зору, що з'єднує спостерігача з планетою, все більше буде відхилятися на захід від напрямку, що з'єднує спостерігача з Сонцем. В деякий момент настане така конфігурація, при якій промінь Т3М3 відхилиться від променя T3S на 90 °. Це положення називається західною квадратурою (різниця екліптікальних довгот планети і Сонця повинна бути в даний момент дорівнює 270 °).
Поблизу цього моменту взаємні розташування Землі і планети стають такими, що при подальшому їх переміщенні по орбітах промінь ТМ переміщається паралельно самому собі. Спостерігач бачить, що планета «зупинилася». Такий стан називається стоянням. Починаючи з цього моменту Земля «обганяє» верхню планету і спостерігач бачить, що планета стала рухатися у зворотний бік, зворотним рухом.
Через деякий час настає такий момент, коли промені Т4М4 і Т4S діаметрально протилежні (різниця екліптікальних довгот планети і Сонця становить 180 °). Ця конфігурація називається протистоянням. У цей момент планета кульминирует опівночі, а відстань планети від Землі найменше - це найкраща пора для спостережень верхньої планети () Через деякий час планета приходить в другу точку стояння, її рух знову стає прямим і вона наближається до такої конфігурації, коли вона видалена на 90 ° від напрямку на Сонце. Це положення ми відзначили променями Т5М5 і T5S. Taкое положення планети називається східною квадратурою (різниця екліптікальних довгот планети і Сонця повинна бути дорівнює 90 °).
Пройшовши через східну квадратуру, планета поступово наближається до свого нового верхнього з'єднанню. На рис. 86 зображений видимий шлях Юпітера на небесній сфері, який пояснює сказане.
Видиме петлеобразное рух планет було відомо ще астрономам античних часів, але правильне його пояснення було знайдено Коперником. Розмір петлі залежить від ставлення радіусів орбіт планети і Землі. У Юпітера кутовий розмір петлі близько 11 °, а у Плутона всього 3 °.
Описані особливості руху планет зажадали введення двох періодів обертання планети. Повний обхід планети навколо Сонця по відношенню до зірок отримав назву сидерического періоду обігу; ми до сих пір його позначали через Р. Проміжок часу між послідовними протистояннями (або з'єднаннями) називається синодичним періодом обертання Т. Якщо позначити тривалість року через Е, то виявляється справедливою формула:
З малюнків 84 і 85 також випливає, що вид планети повинен залежати від її положення на орбіті: у планети повинні спостерігатися фази, подібні місячним. Особливо вони виражені у нижніх планет - Меркурія і Венери. Коли нижня планета знаходиться поблизу верхнього з'єднання (точки М1), ми могли б бачити всі її півкуля, освітлене променями Сонця. Поблизу нижнього з'єднання (точки М2) планета звернена до нас темною, що не освітленій Сонцем стороною. В цей час планета стає невидимою, але поблизу нижнього сполучення ми бачимо великий вузький серп планети, звернений опуклістю в бік Сонця. У положеннях М3 і М4 видно половина диска планети. Кордон світла і тіні, термінатор, ділить диск планети навпіл.
Верхні планети також мають фази, але ми надаємо самому читачеві самостійно переконатися в тому, що ці фази не настільки різко виражені і що вид верхньої планети завжди мало відрізняється від повного диска.
Після всіх цих вступних зауважень ми могли б приступити до опису фізичних властивостей планет. Однак для того щоб краще розуміти ці властивості, часом досить своєрідні, ми хочемо описати нашу Землю як одну з планет Сонячної системи.