Все, что нужно знать о нашей Солнечной системе

Очень немногие люди отдают себе полный отчет в том, как устроена наша планетарная система. И поскольку мы вот-вот окажемся в эпохе, когда космические корабли будут бороздить космические просторы (без шуток), пора заниматься космическим ликбезом.

Вселенная — очень большое место, в котором мы ютимся в небольшом уголочке. Он называется Солнечной системой и является не только крошечной долей известной нам Вселенной, но и очень небольшой частью наших галактических окрестностей — галактики Млечный Путь. Короче говоря, мы точка в бескрайнем космическом море.

Тем не менее, Солнечная система остается относительно большим местом, в котором (пока) скрывается множество тайн. Мы только недавно начали плотно заниматься изучением скрытой природы нашего маленького мира. В плане изучения Солнечной системы мы едва ли оцарапали поверхность этого ящика.

Понимание Солнечной системы

За малым исключением, до эпохи современной астрономии лишь немногие люди или цивилизации понимали, что такое Солнечная система. Подавляющее большинство астрономических систем постулировало, что Земля — неподвижный объект, вокруг которого вращаются все известные небесные объекты. Кроме того, она существенно отличалась от других звездных объектов, которые считались эфирными или божественными по своей природе.

Хотя во времена античного и средневекового периода были некоторые греческие, арабские и азиатские астрономы, которые верили, что Вселенная гелиоцентрична (то есть что Земля и другие тела вращаются вокруг Солнца), только когда Николай Коперник разработал математическую предиктивную модель гелиоцентрической системы в 16 веке, эта идея получила широкое распространение.

В течение 17 века ученые вроде Галилео Галилея, Иоганна Кеплера и Исаака Ньютона разработали понимание физики, которое постепенно привело к принятию того, что Земля вращается вокруг Солнца. Развитие теорий вроде гравитации также привело к осознанию того, что другие планеты подчиняются тем же физическим законам, что и Земля.

Широкое распространение телескопов также привело к революции в астрономии. После открытия Галилеем спутников Юпитера в 1610 году, Кристиан Гюйгенс обнаружил, что и Сатурн обладает лунами в 1655 году. Также были обнаружены новые планеты (Уран и Нептун), кометы (комета Галлея) и пояс астероидов.

К 19 веку три наблюдения, сделанные тремя отдельными астрономами, определили истинную природу Солнечной системы и ее место во Вселенной. Первое сделал в 1839 году немецкий астроном Фридрих Бессель, успешно измеривший кажущийся сдвиг в позиции звезды, созданный движением Земли вокруг Солнца (звездный параллакс). Это не только подтвердило гелиоцентрическую моедль, но и показало гигантское расстояние между Солнцем и звездами.

В 1859 году Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф (немецкие химик и физик) использовали недавно изобретенный спектроскоп для определения спектральной сигнатуры Солнца. Они обнаружили, что Солнце состоит из тех же элементов, что существуют на Земле, тем самым доказав, что твердь земная и твердь небесная сделаны из одной материи.

Затем отец Анджело Секки — итальянский астроном и директор Папского Григорианского университета — сравнил спектральную сигнатуру Солнца с сигнатурами других звезд и обнаружил, что те практически идентичны. Это убедительно показало, что наше Солнце состоит из тех же материалов, что и любая другая звезда во Вселенной.

Дальнейшие очевидные расхождения в орбитах внешних планет привели американского астронома Персиваля Лоуэлла к выводу, что за пределами Нептуна должна лежат «планета Х». После его смерти обсерватория Лоуэлла провела необходимые исследования, которые в конечном итоге привели Клайда Томбо к открытию Плутона в 1930 году.

В 1992 году астрономы Дэвид К. Джевитт из Гавайского университета и Джейн Луу из Массачусетского технологического института обнаружили транснептуновый объект (ТНО), известный как (15760) 1992 QB1. Он вошел в новую популяцию, известную как пояс Койпера, о котором долгое время говорили астрономы и который должен лежать на краю Солнечной системы.

Дальнейшее исследование пояса Койпера на рубеже веков привело к дополнительным открытиям. Открытие Эриды и другие «плутоидов» Майком Брауном, Чадом Трухильо, Давидом Рабиновичем и другими астрономами привело к суровой дискуссии между Международным астрономическим союзом и некоторыми астрономами на тему обозначения планет, больших и малых.

Структура и состав Солнечной системы

В ядре Солнечной системы расположено Солнце (звезда главной последовательности типа G2), которое окружено четырьмя планетами земной группы (внутренние планеты), главным поясом астероидов, четырьмя газовыми гигантами (внешние планеты), массивным полем небольших тел, простирающимся от 30 а. е. до 50 а. е. от Солнца (пояс Койпера) и сферическим облаком ледяных планетезималей, которое, как полагают, вытянулось на расстояние до 100 000 а. е. от Солнца (облако Оорта).

Солнце содержит 99,86% известной массы системы, и его гравитация влияет на всю систему. Большинство крупных объектов на орбите вокруг Солнца лежат вблизи плоскости орбиты Земли (эклиптики), и большинство тел и планет вращаются вокруг него в одном направлении (против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса Земли). Планеты очень близки к эклиптике, тогда как кометы и объекты пояса Койпера часто находятся под большим углом к ней.

На четыре крупнейших вращающихся тела (газовые гиганты) приходится 99% оставшейся массы, причем на Юпитер и Сатурн в сумме приходится больше 90%. Остальные объекты Солнечной системы (включая четыре планеты земной группы, карликовые планеты, луны, астероиды и кометы) вместе составляют меньше 0,002% общей массы Солнечной системы.

Солнце и планеты

Иногда астрономы неформально делят эту структуру на отдельные регионы. Первый, внутренняя Солнечная система, включает четыре планеты земной группы и пояс астероидов. За ним лежит внешняя Солнечная система, которая включает четыре газовых гиганта. Между тем есть и крайние части Солнечной системы, которые считают отдельным регионом, содержащим транснептуновые объекты, то есть объекты за Нептуном.

Большинство планет Солнечной системы обладают собственными вторичными системами, вокруг них вращаются планетарные объекты — естественные спутники (луны). У четырех планет-гигантов также есть планетарные кольца — тонкие полосы мельчайших частиц, вращающихся в унисон. Большинство крупнейших естественных спутников находятся в синхронном вращении, будучи постоянно повернутыми одной стороной к своей планете.

Солнце, которое содержит почти всю материю Солнечной системы, на 98% состоит из водорода и гелия. Планеты земной группы внутренней Солнечной системы состоят в основном из силикатных пород, железа и никеля. За поясом астероидов планеты состоят в основном из газов (водорода, гелия) и льдов — метана, воды, аммиака, сероводорода и диоксида углерода.

Объекты подальше от Солнца состоят в основном из материалов с более низкими точками плавления. Ледяные вещества составляют большинство спутников планет-гигантов, а также Урана и Нептуна (поэтому иногда мы называем их «ледяными гигантами») и многочисленных объектов, лежащих за орбитой Нептуна.

Газы и льды считаются летучими веществами. Граница Солнечной системы, за которой эти летучие вещества конденсируются, известна как «снеговая линия», находится в 5 а. е. от Солнца. Объекты и планетезимали в поясе Койпера и облака Оорта состоят по большей части из этих материалов и камня.

Образование и эволюция Солнечной системы

Солнечная система образовалась 4,568 миллиарда лет назад в процессе гравитационного коллапса региона в гигантском молекулярном облаке из водорода, гелия и небольших количеств элементов потяжелее, синтезированных предыдущими поколениями звезд. Когда этот регион, который должен был стать Солнечной системой, коллапсировал, сохранение углового момента заставило его вращаться быстрее.

Центр, где собралась большая часть массы, начал становиться все горячее и горячее окружающего диска. По мере того как сжимающаяся туманность вращалась быстрее, она начала выравниваться в протопланетарный диск с горячей, плотной протозвездой в центре. Планеты образовались аккрецией этого диска, в котором пыль и газ стягивались вместе и объединялись, чтобы сформировать более крупные тела.

Из-за более высокой температуры кипения, только металлы и силикаты могут существовать в твердой форме близко к Солнцу и в конечном итоге образуют планеты земной группы — Меркурий, Венеру, Землю и Марс. Поскольку металлические элементы были лишь небольшой частью солнечной туманности, планеты земной группы не смогли стать очень большими.

В отличие от этого, планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) образовались за точкой между орбитами Марса и Юпитера, где материалы были достаточно холодными, чтобы летучие ледовитые компоненты оставались твердыми (на снеговой линии).

Льды, которые сформировали эти планеты, были более многочисленны, чем металлы и силикаты, которые сформировали внутренние планеты земной группы, что позволило им расти достаточно массивными, чтобы захватить крупные атмосферы из водорода и гелия. Оставшийся мусор, который никогда не станет планетами, собрался в регионах вроде пояса астероида, пояса Койпера и облака Оорта.

За 50 миллионов лет давление и плотность водорода в центре протозвезды стали достаточно высокими, чтобы начался термоядерный синтез. Температура, скорость реакции, давление и плотность увеличивались, пока не было достигнуто гидростатическое равновесие.

В этот момент Солнце стало звездой главной последовательности. Солнечный ветер от Солнца создал гелиосферу и смел оставшиеся газ и пыль протопланетарного диска в межзвездное пространство, заканчивая процесс формирования планет.

Солнечная система будет оставаться практически такой же, какой мы ее знаем, пока водород в ядре Солнца не будет полностью преобразован в гелий. Это произойдет примерно через 5 миллиардов лет и ознаменует конец главной последовательности жизни Солнца. В это время ядро Солнца коллапсирует и выход энергии будет значительно больше, чем сейчас.

Наружные слои Солнца расширятся примерно в 260 раз шире текущего диаметра, и Солнце станет красным гигантом. Расширение Солнца, как ожидается, испарит Меркурий и Венеру и сделает Землю непригодной для жизни, поскольку обитаемая зона выйдет за орбиту Марса. В конце концов, ядро станет достаточно горячим, чтобы начался гелиевый синтез, Солнце еще немного пожжет гелий, но потом ядро станет сокращаться.

В этот момент внешние слои Солнца направятся в космос, оставив позади белый карлик — чрезвычайно плотный объект, который будет иметь половину изначальной массы Солнца, но по размерам будет с Землю. Выброшенные внешние слои сформируют планетарную туманность, вернув часть материала, сформировавшего Солнце, в межзвездное пространство.

Внутренняя Солнечная система

Во внутренней Солнечной системе мы находим «внутренние планеты» — Меркурий, Венеру, Землю и Марс — которые названы так потому, что вращаются ближе к Солнцу. В дополнение к своей близости, эти планеты имеют ряд ключевых отличий от других планет в Солнечной системе.

Для начала: внутренние планеты твердые и землистые, состоят в основном из силикатов и металлов, тогда как внешние планеты — газовые гиганты. Внутренние планеты расположены ближе друг к другу, чем их внешние коллеги. Радиус всей это области меньше дистанции между орбитами Юпитера и Сатурна.

Как правило, внутренние планеты меньше и плотнее своих коллег и обладают небольшим числом лун. Внешние планеты имеют десятки спутников и кольца из льда и камня.

Внутренние планеты земной группы состоят по большей части из огнеупорных минералов вроде силикатов, которые образуют их кору и мантию, и металлов — железа и никеля — которые лежат в ядре. Три из четырех внутренних планет (Венера, Земля и Марс) имеют достаточно существенные атмосферы, чтобы формировать погоду. Все усеяны ударными кратерами и обладают поверхностной тектоникой, рифтовыми долинами и вулканами.

Из внутренних планет Меркурий является ближайшей к нашему Солнцу и наименьшей из планет земной группы. Его магнитное поле составляет лишь 1% от земного, и очень тонкая атмосфера диктует температуру в 430 градусов по Цельсию днем и -187 ночью, поскольку атмосфера не может удержать тепло. Он не имеет спутников и состоит по большей части из железа и никеля. Меркурий — одна из самых плотных планет Солнечной системы.

Венера, которая по размерам примерно с Землю, имеет плотную токсичную атмосферу, которая удерживает тепло и делает планету самой горячей в Солнечной системе. Ее атмосфера состоит на 96% из углекислого газа, а также азота и нескольких других газов. Плотные облака в пределах атмосферы Венеры состоят из серной кислоты и других агрессивных соединений, с малым добавлением воды. Большая часть поверхности Венеры отмечена вулканами и глубокими каньонами — самый большой свыше 6400 километров длиной.

Земля является третьей внутренней планетой и лучше всех изученной. Из четырех планет земной группы Земля самая крупная и единственная обладает жидкой водой, необходимой для жизни. Атмосфера Земли защищает планету от опасного излучения и помогает удержать ценный солнечный свет и тепло под оболочкой, что также необходимо для существования жизни.

Как и другие планеты земной группы, Земля имеет каменистую поверхность с горами и каньонами и тяжелое металлическое ядро. Атмосфера Земли содержит водяной пар, который помогает смягчить суточные температуры. Как и Меркурий, Земля обладает внутренним магнитным полем. А наша Луна, единственный спутник, состоит из смеси различных пород и минералов.

Марс — четвертая и последняя внутренняя планета, известная также как «Красная планета», благодаря окисленным богатым железом материалам, лежащим на поверхности планеты. Марс также обладает набором интереснейших свойств поверхности. На планете расположилась крупнейшая в Солнечной системе гора (Олимп) высотой в 21 229 метров над поверхностью и гигантский каньон Valles Marineris в 4000 км длиной и глубиной до 7 км.

Большая часть поверхности Марса очень стара и заполнена кратерами, но есть и геологически новые зоны. На марсианских полюсах расположены полярные шапки, которые уменьшаются в размерах во время марсианских весны и лета. Марс менее плотный, чем Земля, и располагает слабым магнитным полем, что говорит скорее о твердом ядре, нежели о жидком.

Тонкая атмосфера Марса привела некоторых астрономов к мысли о том, что на поверхности планеты существовала жидкая вода, только испарилась в космос. Планета имеет две небольшие луны — Фобос и Деймос.

Читайте продолжение статьи: Как устроена наша планетарная система. Часть 2

Источник