Солнечная система. Видимые движения небесных тел: законы движения планет. Как движется наша солнечная система

Вы сидите, стоите или лежите, читая эту статью, и не ощущаете, что Земля вращается вокруг своей оси с бешеной скоростью - примерно 1 700 км/ч на экваторе. Однако скорость вращения не кажется такой уж быстрой, если перевести ее в км/с. Получится 0,5 км/с - едва заметная вспышка на радаре, в сравнении с другими окружающими нас скоростями.

Так же, как и другие планеты Солнечной системы, Земля вращается вокруг Солнца. И чтобы удерживаться на своей орбите, она двигается со скоростью 30 км/с. Венера и Меркурий, находящиеся ближе к Солнцу, двигаются быстрее, Марс, орбита которого проходит за орбитой Земли, движется намного медленнее нее.

Но даже Солнце не стоит на одном месте. Наша галактика Млечный Путь - огромная, массивная и тоже подвижная! Все звезды, планеты, газовые облака, частицы пыли, черные дыры, темная материя - все это движется относительно общего центра масс.

По предположениям ученых, Солнце находится на расстоянии 25 000 световых лет от центра нашей галактики и двигается по эллиптической орбите, совершая полный оборот каждые 220–250 млн лет. Получается, что скорость Солнца - около 200–220 км/с, что в сотни раз выше скорости движения Земли вокруг оси и в десятки раз выше скорости ее движения вокруг Солнца. Вот так выглядит движение нашей Солнечной системы.

Стационарна ли галактика? Снова нет. Гигантские космические объекты обладают большой массой, а следовательно, создают сильные гравитационные поля. Дайте Вселенной немного времени (а оно у нас было - примерно 13,8 миллиардов лет), и все начнет двигаться в направлении наибольшего притяжения. Вот почему Вселенная не однородна, а представляет собой галактики и группы галактик.

Что это означает для нас?

Это означает, что Млечный Путь тянут к себе другие галактики и группы галактик, расположенные поблизости. Это означает, что доминируют в этом процессе массивные объекты. И это означает, что не только наша галактика, но и все окружающие испытывают влияние этих «тягачей». Мы все ближе подходим к пониманию того, что происходит с нами в космическом пространстве, но нам все еще не хватает фактов, например:

• каковы были начальные условия, при которых зародилась Вселенная;
• как различные массы в галактике двигаются и изменяются со временем;
• как образовывался Млечный Путь и окружающие галактики и скопления;
• и как это происходит сейчас.

Однако есть трюк, который поможет нам разобраться.

Вселенную наполняет реликтовое излучение с температурой 2,725 К, которое сохранилось со времен Большого Взрыва. Кое-где есть крошечные отклонения - около 100 мкК, но общий температурный фон постоянен.

Это происходит потому, что Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад и до сих пор расширяется и охлаждается.

Через 380 000 лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась до такой температуры, что стало возможным образование атомов водорода. До этого фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы: сталкивались с ними и обменивались энергией. По мере остывания Вселенной заряженных частиц стало меньше, а пространства между ними - больше. Фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве. Реликтовое излучение - это фотоны, которые были излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, но избежали рассеяния, так как рекомбинация уже началась. Они достигают Землю сквозь пространство Вселенной, которая продолжает расширяться.

Вы сами можете «увидеть» это излучение. Помехи, которые возникают на пустом канале телевизора, если вы используете простую антенну, похожую на заячьи уши, на 1% вызваны реликтовым излучением.

И все-таки температура реликтового фона не одинакова во всех направлениях. По результатам исследований миссии Planck, температура несколько различается в противоположных полушариях небесной сферы: она немного выше на участках неба южнее эклиптики - около 2,728 K, и ниже в другой половине - около 2,722 K.

Эта разница почти в 100 раз больше остальных наблюдаемых колебаний температуры реликтового фона, и это вводит в заблуждение. Почему так происходит? Ответ очевиден - эта разница происходит не из-за флуктуаций реликтового излучения, она появляется, потому что есть движение!

Когда вы приближаетесь к источнику света или он приближается к вам, спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону коротких волн (фиолетовое смещение), когда отдаляетесь от него или он от вас - спектральные линии смещаются в сторону длинных волн (красное смещение).

Реликтовое излучение не может быть более или менее энергичным, значит, мы движемся сквозь пространство. Эффект Доплера помогает определить, что наша Солнечная система движется относительно реликтового излучения со скоростью 368 ± 2 км/с, а местная группа галактик, включающая Млечный Путь, галактику Андромеды и галактику Треугольника, движется со скоростью 627 ± 22 км/с относительно реликтового излучения. Это так называемые пекулярные скорости галактик, которые составляют несколько сотен км/с. Помимо них существуют еще космологические скорости, обусловленные расширением Вселенной и рассчитываемые по закону Хаббла.

Благодаря остаточному излучению от Большого Взрыва мы можем наблюдать, что во Вселенной постоянно все движется и изменяется. И наша галактика - лишь часть этого процесса.

Еще в стародавние времена ученые мужи начали понимать, что не Солнце вращается вокруг нашей планеты, а все происходит с точностью наоборот. Точку в этом спорном для человечества факте поставил Николай Коперник. Польский астроном создал свою гелиоцентрическую систему, в которой убедительно доказал, что Земля не является центром Вселенной, а все планеты, по его твердому убеждению, вращаются по орбитам вокруг Солнца. Работа польского ученого «О вращении небесных сфер», была издана в немецком Нюрнберге в 1543 году.

Представления о том, как расположены планеты на небосводе первым в своем трактате «Великое математическое построение по астрономии», высказал древнегреческий астроном Птолемей. Он первым предположил, что они совершают свои движения по кругу. Но Птолемей ошибочно считал, что все планеты, а также Луна и Солнце движутся вокруг Земли. До работы Коперника его трактат считался общепринятым как в арабском, так и западном мире.

От Браге до Кеплера

После смерти Коперника его труды продолжил датчанин Тихо Браге. Астроном, являющийся весьма состоятельным человеком, оборудовал принадлежащий ему остров, внушительными бронзовыми кругами, на которые наносил результаты наблюдения за небесными телами. Результаты, полученные Браге, помогли в исследовании математику Иоганну Кеплеру. Движение планет Солнечной системы именно немец систематизировал и вывел три своих знаменитых закона.

От Кеплера до Ньютона

Кеплер впервые доказал, что все 6 известных к тому времени планет двигаются вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсам. Англичанин Исаак Ньютон, открыв закон всемирного тяготения, существенно продвинул представления человечества об эллиптических орбитах небесных тел. Его объяснения, что приливы и отливы на Земле происходят под влиянием Луны, оказались убедительными для научного мира.

Вокруг Солнца

Сравнительные размеры крупнейших спутников Солнечной системы и планет Земной группы.

Срок, за который планеты совершают полный оборот вокруг Солнца, естественно различный. У Меркурия, самой ближней к звезде, он составляет 88 земных суток. Наша Земля проходит цикл за 365 дней и 6 часов. Самая крупная в Солнечной системе планета Юпитер завершает свой оборот за 11,9 земных лет. Ну а у Плутона, — наиболее удаленной от Солнца планеты оборот и вовсе составляет 247,7 года.

Следует также учесть, что все планеты в нашей Солнечной системе движутся, не вокруг светила, а вокруг так называемого центра масс. Каждая при этом, вращаясь вокруг своей оси, слегка раскачиваются (подобно юле). К тому же и сама ось может ненамного смещаться.

Любой человек, даже лежа на диване или сидя возле компьютера, находится в постоянном движении. Это непрерывное перемещение в космическом пространстве имеет самые разные направления и огромные скорости. В первую очередь, происходит перемещение Земли вокруг оси. Кроме того, совершается оборот планеты вокруг Солнца. Но и это еще не все. Куда более внушительные расстояния мы преодолеваем вместе с Солнечной системой.

Солнце является одной из звезд, находящихся в плоскости Млечного пути, или просто Галактики. Оно отдалено от центра на 8 кпк, а расстояние от плоскости Галактики составляет 25 пк. Звездная плотность в нашей области Галактики – примерно 0,12 звезд на 1 пк3. Положение Солнечной системы не является постоянным: она находится в постоянном перемещении относительно ближних звезд, межзвездного газа, и наконец, вокруг центра Млечного пути. Впервые движение Солнечной системы в Галактике было замечено Уильямом Гершелем.

Перемещение относительно ближних звезд

Скорость передвижения Солнца к границе созвездий Геркулеса и Лиры составляет 4 а.с. в год, или 20 км/с. Вектор скорости направлен к так называемому апексу – точке, к которой также направлено движение других близлежащих звезд. Направления скоростей звезд, в т.ч. Солнца, пересекаются в противоположной апексу точке, называемой антиапексом.

Перемещение относительно видимых звезд

Отдельно измеряется передвижение Солнца по отношению к ярким звездам, которые можно увидеть без телескопа. Это — показатель стандартного передвижения Солнца. Скорость такого передвижения составляет 3 а.е. в год или 15 км/с.

Перемещение относительно межзвездного пространства

По отношению к межзвездному пространству Солнечная система двигается уже быстрее, скорость составляет 22-25 км/с. При этом, под действием «межзвездного ветра», который «дует» из южной области Галактики, апекс смещается в созвездие Змееносец. Сдвиг оценивается примерно в 50.

Перемещение вокруг центра Млечного пути

Солнечная система находится в движении относительно центра нашей Галактики. Она перемещается по направлению к созвездию Лебедя. Скорость составляет около 40 а.е. в год, или 200 км/с. Для полного оборота необходимо 220 млн. лет. Точную скорость определить невозможно, ведь апекс (центр Галактики) скрыт от нас за плотными облаками межзвездной пыли. Апекс смещается на 1,5° каждый миллион лет, и совершает полный круг за 250 млн. лет, или за 1 «галактический год.

Даже сидя на стуле перед экраном компьютера и кликая по ссылкам, мы физически участвуем во множестве движений. Куда же мы движемся? Где находится "вершина" движения, его апекс ?

Во-первых, мы участвуем в вращении Земли вокруг оси. Это суточное движение направлено на точку востока на горизонте. Скорость движения зависит от широты; она равна 465*cos(φ) м/сек. Таким образом, если вы находитесь на северном или южном полюсе Земли, то вы не участвуете в этом движении. А скажем, в Москве суточная линейная скорость примерно 260 м/сек. Угловую скорость апекса суточного движения относительно звезд легко посчитать: 360° / 24 часа = 15° / час.

Во-вторых, Земля, и мы вместе с ней, движется вокруг Солнца. (Мы пренебрежем маленьким ежемесячным покачиванием вокруг центра масс системы Земля-Луна.) Средняя скорость годового движения по орбите - 30 км/сек. В перигелии в начале января она чуть выше, в афелии в начале июля - чуть ниже, но поскольку орбита Земли почти точный круг, разница скоростей составляет всего 1 км/сек. Апекс орбитального движения, естественно, смещается и совершает полный круг за год. Его эклиптическая широта 0 градусов, а долгота равна долготе Солнца плюс примерно 90 градусов - λ=λ ☉ +90°, β=0. Другими словами, апекс лежит на эклиптике, опережая Солнце на 90 градусов. Соответственно, угловая скорость апекса равна угловой скорости движения Солнца: 360° / год, чуть меньше градуса в сутки.

Более масштабные движения мы осуществляем уже вместе с нашим Солнцем в составе Солнечной системы.

Во-первых, Солнце движется относительно ближайших звезд (т.н. локальный стандарт покоя ). Скорость перемещения примерно 20 км / сек (чуть больше 4 а.е. / год). Обратите внимание: это даже меньше, чем скорость Земли по орбите. Движение направлено в сторону созвездия Геркулес , а экваториальные координаты апекса α = 270°, δ = 30°. Однако, если мы померяем скорость относительно всех ярких звезд , видимым невооруженным глазом, то получим стандартное движение Солнца, оно несколько другое, меньшее по скорости 15 км / сек ~ 3 а.е. / год). Это тоже созвездие Геркулес, хотя апекс чуть смещен (α = 265°, δ = 21°). А вот относительно межзвездного газа Солнечная система движется слегка быстрее (22-25 км / сек), но апекс значительно сдвинут и попадает в созвездие Змееносец (α = 258°, δ = -17°). Этот сдвиг апекса примерно в 50° связан с т.н. "межзвездным ветром", "дующим с юга" Галактики.

Все три описанные движения это, так сказать, местные перемещения, "прогулки во дворе". Но Солнце вместе с ближайшими и вообще видимыми звездами (ведь мы практически не видим слишком уж далеких звезд), вместе с облаками межзвездного газа обращается вокруг центра Галактики - и это совсем другие скорости!

Скорость движения Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет 200 км / сек (больше 40 а.е. / год). Впрочем, указанное значение неточное, определить галактическую скорость Солнца трудно; мы ведь даже не видим, относительно чего меряем движение: центр Галактики скрыт плотными межзвездными облаками пыли. Величина постоянно уточняется и склонна к уменьшению; не так давно она принималась за 230 км / сек (часто можно встретить именно это значение), а последние исследования дают результаты даже меньше 200 км / сек. Галактическое движение происходит перпендикулярно направлению на центр Галактики и потому апекс имеет галактические координаты l = 90°, b = 0° или в более привычных экваториальных координатах - α = 318°, δ = 48°; это точка находится в Лебеде . Поскольку это движение обращения, апекс смещается и совершает полный круг за "галактический год", примерно 250 миллионов лет; угловая его скорость ~5" / 1000 лет, полтора градуса за миллион лет.

Дальнейшие движения включает уже движение целой Галактики. Измерить такое движение тоже не просто, слишком уж велики расстояния, и погрешность в цифрах еще довольно велика.

Так, наша Галактика и галактика Андромеды, два массивных объекта Местной группы галактик, гравитационно притягиваются и движутся навстречу друг к другу со скоростью около 100-150 км/сек, причем основной компонент скорости принадлежит нашей галактике. Поперечная составляющая движения точно не известна, и беспокойства о столкновении преждевременны. Дополнительный вклад в это движение вносит и массивная галактика M33, находящаяся примерно в том же направлении, что и галактика Андромеды. В целом скорость движения нашей Галактики относительно барицентра Местной группы галактик около 100 км / сек примерно в направлении Андромеда / Ящерица (l = 100, b = -4, α = 333, δ = 52), однако эти данные еще весьма приблизительны. Это весьма скромная относительная скорость: Галактика смещается на собственный диаметр за две-три сотни миллионов лет или, очень примерно, за галактический год .

Если измерить скорость Галактики относительно удаленных скоплений галактик , мы увидим иную картину: и наша галактика, и остальные галактики Местной группы совместно как некоторое целое движутся в направлении большого скопления Девы примерно со скоростью 400 км/сек. Это движение также обусловлено гравитационными силами.

Фоновое реликтовое излучение определяет некоторую выделенную систему отсчёта, связанную с всей барионной материей в наблюдаемой части Вселенной. В каком-то смысле движение относительно этого микроволнового фона - это движение относительно Вселенной в целом (не нужно путать это движение с разбеганием галактик!). Определить это движение возможно, измерив дипольную температурную анизотропию неравномерность реликтового излучения в разных направлениях . Такие измерения показали неожиданную и важную вещь: все галактики в ближайшей к нам части Вселенной, включая не только нашу Местную группу, но и скопление Девы и другие скопления, движется относительно фонового реликтового излучения с неожиданно большой скоростью. Для Местной группы галактик она составляет 600-650 км / сек с апексом в созвездии Гидра (α=166, δ=-27). Выглядит это так, что где-то в глубинах Вселенной существует еще необнаруженный огромный кластер многих сверхскоплений, притягивающий материю нашей части Вселенной. Этот гипотетический кластер был назван Великим Аттрактором .

Как определили скорость Местной группы галактик? Конечно, фактически астрономы измерили скорость Солнца относительно микроволнового реликтового фона: она оказалась ~390 км / с с апексом с координатами l = 265°, b = 50° (α=168, δ=-7) на границе созвездий Лев и Чаша . Потом определи скорость Солнца относительно галактик Местной группы (300 км/с, созвездие Ящерица). Вычислить скорость Местной группы уже не составило труда.

Может ли быть колесо, у которого втулка вращается быстрее, чем обод? Посмотрите как вращается автомобильное колесо. Вы увидите, что все точки, расположенные по одному радиусу (на разных расстояниях от оси), поворачиваются на одинаковый угол и делают одно и то же число оборотов. У всего колеса, как говорят, одинаковая угловая скорость. Что же касается линейной скорости каждой точки, то вы ясно увидите, что чем дальше от оси, тем с большей скоростью движется она по своей окружности.

Да иначе и быть не может – ведь за то же время (за каждый оборот) точки пробегают пути по меньшей или по большей окружности. И, казалось бы, не имеет смысла думать, будто втулка колеса может вращаться быстрее, чем его обод, - таких колес, конечно, не бывает. (Добавим, однако, - твердых, сплошных колес.)

• О скорости движения Солнца в Галактике и Галактики во Вселенной читаем в статье: Скорость движения Солнца и Галактики во Вселенной.

И все-таки подобные «колеса» нашлись – правда, не сплошные и не твердые. Чье внимание не привлекали интересные кольца Сатурна, окружающие огромную необыкновенную планету? Кольца Сатурна громадны – общая ширина их 65 000 км – в пять раз больше поперечника земного шара. Правда, толщина колец очень невелика – всего каких-нибудь 15-20 км. При этом кольца «висят» в пространстве, не прикасаясь к поверхности планеты, - они вращаются вокруг нее от действия огромной силы ее притяжения (по закону тяготения).

Ученых давно интересовал вопрос: какова природа колец Сатурна? Долго шли споры о том, что это: сплошное твердое кольцо или поток отдельных кусков, камней? Гениальная русская женщина-математик Софья Ковалевская теоретически доказала, что кольца Сатурна состоят из отдельных небольших тел и что они не могут быть сплошным твердым кольцом . Иначе такое кольцо разорвалось бы на части от неодинакового действия силы притяжения, которая на внутреннем крае колец (ближе к планете) гораздо больше, чем на внешнем крае (дальше от нее). Чтобы уравновесить это различие в притяжении, внутренний край колец должен вращаться быстрее, чем внешний, а это может быть только в том случае, если кольца не сплошные, а состоят из отдельных кусков – камней или глыб. Каждый из этих кусков самостоятельно движется вокруг планеты по законам небесной механики, как крошечное небесное тело.

Другой выдающийся русский ученый – А. А. Белопольский сложными наблюдениями открыл, что внутренний край колец действительно вращается быстрее, чем внешний. Скорость внутреннего края 20 км/сек, а скорость внешнего – всего 15 км/сек. Значит, перед нами действительно «колесо», у которого «втулка» вращается быстрее, чем «обод».

И таких странных колес во Вселенной оказалось очень много. Еще «законодатель неба» Кеплер открыл, что гигантским «колесом» такого рода является вся наша солнечная система. Посмотрите на ее схему. Получается любопытная картина:

чем ближе к Солнцу находится планета, тем с большей скоростью она движется и делает свой оборот за меньшее время;

Какой-то непреложный закон природы с железной необходимостью управляет движениями этих гигантских космических тел. «Втулкой» этого замечательного «колеса» служит Меркурий, который мчится со скоростью почти 50 км/сек, а «ободом» - Плутон, который в сравнении с ним медленно плывет со скоростью всего 4 км/сек (в 12 с лишним раз медленнее!).

Чем дальше планеты от Солнца, тем за большее время обращаются они вокруг него : Меркурий – за 88 наших дней, Венера – за 224,7 дня, Земля – за 365,25 дня, Марс – за 687 земных дней, Юпитер – почти за 12 наших лет, Сатурн – за 29 лет, а самый дальний от Солнца Плутон – за два с половиной столетия.

Кстати. Сколько бы вам было лет на разных планетах, если на Земле вам, скажем, 12? На Меркурии – около …50, на Венере – 20, на Марсе – лишь 6-7 лет, на Юпитере – 1 год. Ну, а на Плутоне – всего 1/20 года… Конечно, организм ваш развивался бы независимо от того, сколько раз облетели вы вокруг Солнца вместе с той или другой планетой.

Но вернемся к «планетному колесу» и посмотрим, чем объяснить ту строгую правильность, что чем ближе к Солнцу, тем больше скорость планет, а чем дальше, тем она меньше. Разгадку и здесь надо искать в действии притяжения Солнца. Скорость движения каждой планеты по определенной орбите должна строго соответствовать силе притяжения Солнца (на данном расстоянии). Ведь при недостаточной скорости планета будет приближаться к Солнцу и упадет на него, а при слишком большой скорости – улетит от него вдаль.

Вы, конечно, помните, что чем ближе к Солнцу, тем с большей силой оно притягивает. С увеличением же расстояния сила притяжения быстро убывает. Значит, для уравновешенного движения каждой планеты по своей орбите ближе к Солнцу необходима большая скорость, а дальше от него – достаточна скорость меньшая. Вот почему так быстро мчится Меркурий и в 12 раз медленнее «плывет» далекий Плутон.