 |
https://dzen.ru/a/ZuHI9n10wl2ju4x1
Солнечная система и межзвёздная среда — шкала расстояний.
В Солнечной системе находится одна звезда, восемь планет, пять официально признанных карликовых планет, 293 спутника планет, около 1,4 миллиона астероидов и около 4000 известных комет, включая их фрагменты.
Солнечная система располагается в галактике Млечный Путь — спиральной галактике с перемычкой, в которой есть как минимум два главных и два вторичных рукава. Солнце находится в небольшом ответвлении одного из них, которое называют рукавом Ориона между рукавами Персея и Стрельца. Оно вращается вокруг центра Галактики со скоростью около 828 тысяч км/час. Один оборот вокруг Галактики (галактический год) занимает около 230 миллионов лет, а расстояние до центра Млечного Пути составляет 25 тысяч световых лет. «Центральный» пункт Солнечной системы, то есть одноимённая звезда, вопросов не вызывает, но что можно считать её границей?
Солнце, ближние звёзды и туманности и галактические рукава.
Солнечной системой Солнце и его спутники называются потому что она состоит из собственно звезды и объектов, связанных с ней силами притяжения. Размер Солнечной системы определяется объёмом пространства, внутри которого влияние Солнца «перевешивает» влияние ближайших звёзд Галактики. Кроме очевидного гравитационного взаимодействия, под «влиянием Солнца» нужно понимать ещё и воздействие его магнитного поля.
Каждое тело в Солнечной системе испытывает гравитационное влияние Солнца. Чем дальше от звезды, тем сила притяжения слабее. Во всех точках пространства, где притяжение Солнца сильнее окружающих звёзд, тела перемещаются с ускорением, которое притягивает их к Солнцу.
Для измерения расстояний в масштабе Солнечной системы удобно ввести специальную единицу расстояния — астрономическую единицу (а.е.). Это среднее расстояние между Землёй и Солнцем, примерно равное 150 миллионам километров. Все известные планеты, астероиды и почти все известные кометы гравитационно связаны с Солнцем и вращаются вокруг него. Чем дальше находится космическое тело, тем связь слабее и тем больше период обращения.
Земля на расстоянии 1 астрономической единицы совершает оборот за 1 земной год. Юпитер находится на расстоянии чуть больше 5 а.е., и его период обращения около 12 лет (кстати, на движении Юпитера по небесной сфере основывается 12-летний цикл китайского календаря). Исключённый из планет Плутон на расстоянии 40 а.е. имеет период обращения 238 лет. Со времени его открытия в 1930 году он не завершил даже половины оборота вокруг Солнца. Но за Плутоном располагаются более удалённые объекты. В частности, это тела, подобные Плутону — транснептуновые объекты, которые относят к области Солнечной системы под названием пояс Койпера.
Существует закономерность, связывающая периоды обращения космических тел вокруг Солнца и расстояния до него: отношение периодов обращения двух тел в квадрате равно отношению расстояний в кубе. Например, возьмём Юпитер (11,82 года, 5,2 а.е.) и Землю (соответственно 1 год и 1 а.е.): отношение юпитерианского и земного года в квадрате — (11,82/1)²=140; отношение расстояний до Солнца в кубе: (5,2/1)³=140. Поэтому, зная, например, период обращения некоторой планеты (эту величину легко получить из наблюдений), можно определить её расстояние до Солнца. Период обращения Марса составляет 687 земных суток, или примерно 1,88 года. Отсюда можно найти его расстояние до Солнца как ∛1,882 = 1,5 а.е.
Третий закон Кеплера для тел Солнечной системы: на осях в логарифмическом масштабе отложены периоды обращения и расстояния до Солнца.
Это соотношение открыли четыреста лет назад, и оно носит название третьего закона Кеплера. Его можно легко вывести для круговых орбит используя школьную физику (закон всемирного тяготения Ньютона и формулы кинематики для движения по кругу). Если подключить математический анализ, его так же можно доказать и для эллиптических орбит. Сам Кеплер получил его эмпирически, анализируя данные наблюдений за планетами.
Самые дальние космические тела, гравитационно связанные Солнцем — это апериодические кометы. «Апериодический» объект не означает, что у него «нет периода обращения». Это не очень удачный термин, но так сложилось. Синоним — долгопериодические кометы. Их период обращения вокруг Солнца составляет тысячи лет. И они все из известных совершили только один пролёт через внутреннюю Солнечную систему на памяти человечества, то есть на протяжении истории астрономических наблюдений.
Облако Оорта — возможно, окраина Солнечной системы.
Предполагается, что эти кометы прилетают из гипотетической области под названием Облака Оорта — примерно сферической(?) области космоса, в которой находятся миллиарды ледяных тел. Они дрейфуют по внешним окраинам Солнечной системы на расстояниях до 100-200 тысяч а.е., или примерно 2—3 световых года. Период их обращения на таких расстояниях составляет миллионы лет. Объекты облака Оорта находятся так далеко, что пока что разглядеть их не под силу никаким телескопам. Мы узнаём о них только когда они подлетают поближе, то есть делают виток вокруг Солнца, как апериодические кометы.
Ближайшие звёзды.
Внешняя граница облака Оорта и считается гравитационной границей Солнечной системы, или сферой Хилла. Её размер довольно условно принимают за 2 световых года. Объекты, находящиеся ещё дальше, вероятно, испытывают преобладающее гравитационное влияние уже соседних звёзд, поэтому технически принадлежат к их звёздным системам. С десяток ближайших звёзд располагается на расстояниях несколько световых лет, например, из самых известных — Сириус (9 св.лет), звезда Барнарда (6 св.лет) и система Альфа Центавра (4,2—4,3 св.л.)
Смещение ближайшей звезды Проксима Центавра на небесной сфере при виде с Земли и с аппарата New Horizons на расстоянии 46 а.е. от Земли (апрель 2020 года).
Для расстояний, уже охватывающих ближайшие звёзды, удобно ввести следующую единицу измерения. Парсек — это расстояние, с которого радиус земной орбиты, то есть отрезок Земля — Солнце виден под углом в одну угловую секунду, или 1/3600 часть градуса. Несложно подсчитать, что эта величина составляет примерно 206 000 астрономических единиц (подробнее можно прочитать во вставке к этой статье). Введение парсека как меры межзвёздных расстояний связано с геометрическим способом определения расстояния до ближайших звёзд методом годичного параллакса: наблюдают положение звезды на небесной сфере, то есть её небесные координаты в определённый момент времени и через полгода, когда Земля переместится на другую сторону солнечной орбиты. По видимому смещению звезды на небесной сфере в угловых единицах можно определить расстояние до звезды: чем смещение больше, тем звезда ближе. Как видно из приведённых характерных значений, это параллаксное смещение даже для ближайших звёзд составляет от силы проценты от угловой секунды, поэтому заметить его стало возможно только с развитием телескопов и возможностей точных измерений углов на небесной сфере — не раньше XIX века. Название единицы отражает этот метод измерения и расшифровывается как «параллакс-секунда». Один парсек составляет 3,26 световых года.
Измерение расстояний до звёзд при помощи параллакса и характерные расстояния, которые может определить этим методом телескоп Hubble.
Кроме сильного гравитационного поля Солнце и любая другая звезда обладает также магнитным полем. Оно как бы «выжигает» область пространства вокруг звезды, называемую гелиосферой (для произвольной звезды кроме Солнца используется ещё термин астросфера). В её пределах находятся все планеты и многие тела пояса Койпера. Также это область действия солнечного ветра — постоянного потока плазмы от Солнца в межзвёздное пространство.
Отсюда мы приходим к другому возможному определению «границы» Солнечной системы — области гелиопаузы. Это граница действия солнечного ветра, вернее, область, вне которой он уже не доминирует по сравнению с галактическим «ветром» космических частиц из-за пределов Солнечной системы. Расстояние до гелиопаузы значительно меньше, чем до облака Оорта, но пересечение её можно считать «выходом в межзвёздное пространство», то есть тоже за пределы Солнечной системы, если не очень цепляться к терминологии. Зонд «Вояджер 1», запущенный в 1977 году, в 2012 году стал первым аппаратом, достигшим этой границы на расстоянии 121 а.е. Его пара — «Вояджер 2», запущенный двумя неделями ранее (да, сначала запустили второй, потом первый), достиг этой отметки в 2018 году (см. об этом отдельную статью). Чтобы вылететь за границу Солнечной системы в «гравитационном» смысле термина, «Вояджерам» потребуется около 30 тысяч лет, хотя достичь внутренней границы облака Оорта они смогут значительно раньше — всего через 300 лет.
Но если бы сапиенсы-наши предки смогли запустить «Вояджеры» всего несколько миллионов лет назад, их путь до границы гелиосферы занял бы, вероятно, меньше времени. Пространство между звёздами заполнено облаками частиц пыли и газа. Звёздная система, путешествуя в своём орбитальном движении по Галактике, может попасть на участки межзвёздной среды, занятые аномально плотными облаками.
Космические аппараты вблизи границ гелиосферы. Не хватает пятого аппарата — зонда New Horizons, который достигнет этой границы через тридцать лет.
В недавнем исследовании астрофизики показали, что как раз 2-3 миллиона лет назад Солнечная система с хорошей вероятностью могла влететь в одно из таких плотных облаков. Плотность среды в них на 4-5 порядков выше концентрации частиц в «обычных» межзвёздных облаках. Так, в кубическом сантиметре межзвёздной среды в окрестностях гелиосферы находится 0,2 атома водорода, а в типичном плотном облаке неподалёку — 3000. Такое давление холодного межзвёздного газа могло сжать тогдашнюю гелиосферу до размера 0,2 а.е., то есть втиснуть её в пределы орбиты Меркурия. В этот период все планеты должны были находиться под непосредственным воздействием межзвёздного ветра, от которого бы уже не защищал собственный солнечный ветер. Как следствие, Земля должна была получить увеличенный поток космических лучей; наблюдатели в этот период не смогли бы любоваться полярным сиянием — потому что поток частиц солнечного ветра просто не достигал Земли. И, что важнее — в этот период на Земле должен был царить более изменчивый климат (из-за изменения состава атмосферы и неизбежного повреждения озонового слоя космическим излучением), что отразилось бы и на эволюции видов. Поскольку наш собственный вид формировался примерно тогда же, заманчиво приписать заслугу в сотворении человека «космическим облакам», но пока что это всего лишь непонятно как верифицируемая, то есть пока ненаучная гипотеза.
Автор — Сергей Шапиро,«XX2 век»
