- Насколько велика наша Солнечная система? Можно ли представить её размеры? Космические расстояния, даже в пределах гравитации одной звезды – неизмеримо велики по сравнению с земными, и человеку, даже одаренному богатым воображением, трудно их оценить.
- Мы привыкли смотреть на картинки вот такого плана, где на одном листе формата А4, максимум А3 – художники рисуют Солнце и все восемь основных планет:
Картинка Солнечной системы.
- Конечно, нам известно, что это – чертеж планетных путей, схема, где масштаб не соблюден, но далеко не все знают, насколько изображенная схема далека от реального масштаба и как велики космические расстояния на самом деле.
Если Землю нарисовать размером с шарик всего в 1 мм поперечником, то поместить её от Солнца (которое в этом случае будет размером примерно мячик диаметром 10 см) при точном соблюдении масштаба придется на расстоянии 10 метров! Между ними в 4 метрах от мячика будет крупинка манки (Меркурий) и в 7 метрах - еще одна булавочная головка (Венера). Еще одна крупинка - Марс - окажется в 16 метрах от Солнца-мяча.
Уже по этой маленькой модели видно, насколько в космосе больше пустоты, чем вещества. Пространства между ними куда больше, чем мы привыкли видеть на картинках, а уж корабль, с трудом пробирающийся через кольцо астероидов, уворачиваясь от столкновений - это лишь красочная фантастика. Среднее расстояние между астероидами превышает дистанцию от Земли до Луны, и в нашей модели мы их пропустим, т.к. им придется придать размеры бактерий.
В 52 метрах от мячика-Солнца будет находится Юпитер диаметром с грецкий орех. Шарик чуть меньше - Сатурн - придется расположить уже в 100 метрах от импровизированного Солнца. Уран и Нептун приобретут в нашей модели размеры горошин и поместить их надо будет от центра на расстоянии 196 и 300 метров соответственно.
Как видим, даже для изображения в весьма скромных размерах Солнца и основных восьми планет нашей системы с соблюдением масштаба расстояний между ними - понадобится целый стадион, на самом краешке которого будет начинаться пояс Койпера - и то при условии, что мячик-Солнце будет не посередине, а на другом краю.
При таком сравнении, становится понятней, почему «Вояджер-1», стартовавший аж в 1977 году, пересек пояс Койпера только в 2004-м. На сегодня этот аппарат и его близнец «Вояджер-2» являются самыми далекими путешественниками, созданными руками человека.
Как далеко улетели "Вояджеры". На схеме показаны векторы их полетов, траектории не были прямыми, т.к. аппараты попутно изучали планеты. Расстояния указаны на 2022 год.
Самый быстрый зонд - «Вояджер-1» сейчас находится в 157-158 а.е. от Земли, или около 23,5 млрд. км. Насколько же это далеко? И что - там, где сейчас летит аппарат?
- Там – уже межзвездное пространство, на пути к гипотетическому облаку Оорта. Пояс Койпера – еще не граница Солнечной системы. Нашу звезду окружает огромное пространство, называемое гелиосферой. Это - область, где плазма солнечного ветра (заряженных частиц, исходящих от светила) движется со сверхзвуковой скоростью и вытесняет гелиево-водородные облака межзвездной среды.
На расстоянии 90-100 а.е. от Солнца солнечный ветер резко ослабевает, и его скорость (изначально равная 300 – 1200 км/сек) становится меньше скорости звука (300 км/сек), что приводит к формированию ударной волны (Termination Shock). Еще дальше – в 100-120 а.е. от Солнца находится гелиопауза – область, где сила солнечного ветра ослабевает настолько, что полностью уступает внешней среде. Там начинается межзвездное пространство.
Схема границы солнечной системы и межзвездного пространства. Картинка относится к 2017-му году - СЕЙЧАС ВОЯДЖЕРЫ НАХОДЯТСЯ ДАЛЬШЕ.
- «Вояджер-1» преодолел гелиопаузу в 2012 году – стало быть, на путь до границы солнечной системы у него ушло 35 лет. На нашей модели, где Земля – это булавочная головка, а Солнце – мячик диаметром 10 см, расстояние до гелиопаузы составит уже 1-1,2 км.
Сейчас «Вояджеры» направляются к гипотетическому облаку Оорта – скоплению мелких ледяных небесных тел, окружающих Солнечную систему.
Кометы и гипотеза о далеком облаке.
О кометах слышал, пожалуй, каждый. Наблюдать комету при её приближении к Солнцу – очень красивое зрелище:
Комета Хейла-Боппа (C/1995 O1), сфотографированная в Японии над вулканом Фудзияма 31 марта 1997 года.
- Комета Макнота (C/2006 P1) над Пуконом в Чили. Фото 19 января 2007 года.
- Однако прежде, чем показаться на нашем небе в виде звездочки с длинным и ярким хвостом, комета проделывает долгий путь. Астрономы делят кометы на 2 вида: короткопериодические (период обращение вокруг Солнца менее 200 лет) и долгопериодические (с периодом обращения более 200 лет). Далекое небесное тело, состоящее изо льда или изо льда и камня – подвергается воздействию гравитации Млечного Пути или проходящих звезд – и отправляется с окраин нашей системы в путешествие к светилу. На таком огромном расстоянии сила притяжения Солнца значительно ослабевает, уступая галактическим приливным силам.
Облако Оорта находится уже за пределами гелиопаузы, однако все еще на границе, хоть и на самой внешней – солнечной гравитации, поэтому многие космические тела, «выбитые» из Облака, направляются к Солнцу, хотя, вероятно, часть этих объектов теряется в космическом пространстве, навсегда покидая родную гавань.
Приближаясь с Солнцу, объект – ядро кометы – нагревается, и у него вырастает газо-пылевой хвост, который мы и наблюдаем в виде шлейфа, тянущего за ядром кометы:
Хвост кометы. Кадр с канала KOSMO.
- Иногда комета подходит с Солнцу настолько близко, что её ядро просто испаряется.
Орбиты комет, как правило, сильно вытянуты: их эксцентриситет доходит до 0,97 – например, комета Галлея:
Орбита кометы Галлея в сравнении с почти круговыми орбитами планет.
- Это - особенность комет: гравитационное воздействие планет меняет траекторию движения маленьких комет и делает их орбиты такими вытянутыми. Путь комет «вытягивает» и давление солнечного ветра, а также – потеря массы: когда ядро кометы нагревается и часть вещества улетает, образуя «хвост».
Второй закон Кеплера гласит, что небесные тела за равные промежутки времени описывают равновеликие площади. То есть - чем тело ближе к Солнцу, тем быстрее оно движется:
Второй закон Кеплера.
- Поэтому комета, быстро проходя свою орбиту вблизи от Солнца, в дальней точке своего пути – афелии – движется очень медленно. Среди долгопериодических комет ученым известны такие, которые совершают оборот вокруг нашего светила за десятки и даже сотни тысяч лет. Например, комета Хякутакэ (C/1996 B2) с орбитальным периодом 70 000 лет (первоначально он был 17 тыс. лет, потом под воздействием планет-гигантов увеличился до 70 тыс. лет), комета C/2006 P1 с периодом обращения около 92 000 лет и комета West (C/1975 V1) с периодом обращения около 250 000 лет.
Орбита кометы Хякутакэ (C/1996 B2) в сравнении с орбитой кометы Галлея и планет - огромная и чрезмерно вытянутая, при этом - далеко не самая большая.
- Откуда же берутся ядра этих комет, уходящий настолько далеко от Солнца? Из пояса Койпера они браться не могут – это слишком близко. Значит, должно существовать более далекое скопление мелких небесных тел, которое и является «поставщиком» комет с периодом обращения в целые тысячелетия.
Что представляет собой предполагаемое Облако Оорта.
В 1950 году голландский астрофизик Ян Хендрик Оорт выдвинул обоснованное предположение, что за пределами Солнечной системы существует сферическое облако ледяных плaнeтeзимaлeй (небесное тело на орбите вокруг протозвезды, образующееся в результате постепенного приращения более мелких тел), и именно оно является источником долгопериодических комет.
Ученые полагают, что Облако Оорта на самом деле состоит из двух частей - внутреннего Облака Оорта, которое представляет собой дискообразное Облако в форме диска, и внешнего сферического Облака Оорта:
Схема предполагаемого облака Оорта.
- Расстояние до внутреннего Облака оценивается от 2000 до 5000 а. е., а до внешней границы – от 50 до 200 тысяч астрономических единиц.
В нашей микромодели объекты внутреннего Облака Оорта пришлось бы поместить от мячика-Солнца на расстоянии от 20 до 50 км, а внешняя его граница оказалась бы в 500 - 2000 (!) километрах от него.
Внутреннее Облако Оорта также известно как облако Хиллса – в честь ученого Дж. Хиллса, предположившего его существование. Оно имеет форму бублика, тогда как внешнее Облако имеет форму сферы. Причем в этом внутреннем Облаке находится в 10-100 раз больше кометных ядер, чем во внешнем. А во внешнем Облаке должно находиться несколько триллионов (!) ядер комет с диаметром, превышающем 1 километр, и расположены они в миллионах километрах друг от друга.
Облако Оорта является гравитационной границей нашей Солнечной системы. За его пределами притяжение нашей звезды исчезает окончательно. Объекты Облака выбивает гравитационное притяжение Млечного Пути и проходящих звезд – и направляет их во внутреннюю часть нашей Системы, где они и превращаются в кометы.
Масса облака Оорта на сегодня не определена. Примерно подсчитано, что она может составлять З × 10 в 25 степени кг, что почти в 5 раз больше массы Земли.
Считается, что объекты в Облаке ледяные и состоят в основном из метана, аммиака, воды, окиси углерода и цианистого водорода. Не исключено, однако, что там есть и каменистые объекты.
Облако Оорта, вероятно, является остатком исходного протопланетного диска, который образовался вокруг Солнца примерно 4,5 млрд лет назад:
Протопланетный диск, из которого образовалась Солнечная система.
- Сколько же времени понадобиться «Вояджерам» на преодоление облака Оорта?
«Вояджер-1» движется со скоростью 17 км/сек и, согласно расчетам, через 300 лет он достигнет лишь внутренней границы облака Оорта. Чтобы преодолеть его, «Вояджеру» понадобится около 30 тысяч лет! 30 тысячелетий… После этой цифры становится ясно, что с двигателями, которыми человечество располагает сейчас, нечего и мечтать о полетах в другие звездные системы на поиски других, пригодных для жизни, планет-близнецов нашей Земли.
Только ближайшая к нам звезда – Проксима Центавра – находится в 4,24 световых годах от нас. В уменьшенной микромодели её пришлось бы поместить в 4,5 тысячах километрах от мячика-Солнца: то есть, находись мячик в Москве, система Проксима Центавры окажется в Восточной Сибири.
Более далеким звездам не хватит места и на Земле вообще, наша модель сама приобретет космические размеры: например, звезда Арктур – не такая уж далекая по космическим меркам, всего-то 37 световых лет – в уменьшенной модели, где, вспомним, Земля – это шарик всего в 1 мм диаметром – окажется на расстоянии Луны.
Чтобы вырваться за пределы Солнечной системы и иметь возможность добраться до какой-нибудь фантастической Пандоры или другой пригодной для жизни планеты, нужны принципиально иные двигатели, которые будут настолько же быстрее современных космических двигателей, насколько современные двигатели быстрее черепахи.
А пока – «Вояджеру-1» после преодоления облака Оорта понадобится еще 10 тысяч лет для приближения к звезде Глизе 445. Он пройдет от неё на расстоянии 1,7 светового года, после чего окончательно потеряется в глубинах космоса.
Звезда Глизе 445 в созвездии Жирафа находится в настоящее время в 17,6 световых годах от Солнца, но через 40 тысяч лет она будет гораздо ближе и "Вояджер-1" пройдет, по космическим меркам, невдалеке от неё.
- Его близнец – аппарат «Вояджер-2» сейчас находится ближе к нам, хотя гелиопаузу преодолел и он. В задачи аппарата входило изучение Урана и Нептуна, в результате траектория его полета получилась длиннее, чем у его собрата:
Траектория полета "Вояджера-2".
- Зонд летит к предполагаемому облаку Оорта на расстоянии примерно 312-133 а.е. от дома. Через 42 тысячи лет приблизится на 1,7 световых года к красному карлику Росс-248 в созвездии Андромеды:
Звезда Росс-248 в созвездии Андромеды.
- А примерно через 296 тысяч лет с момента запуска «Вояджер-2» должен пройти мимо Сириуса на расстоянии 4,3 светового года. Почти 300 тысяч лет полета – всего лишь до Сириуса в 8,6 световых годах от Земли… Правда, расстояние со временем меняется, но сейчас Сириус приближается к нам и только через 61 тысячу лет начнет снова удаляться. Звезда станет лишь немного дальше от нас к тому времени, как сравнительно близко от неё пройдет "Вояджер-2":
Путь "Вояджера-2".
Полетит ли человек к звездам?
Цифры времени полета "Вояджеров" впечатляют: целые тысячелетия, сотни тысяч лет нужны для достижения даже ближайших звездных систем. Правда, немецкий астрофизик Рене Хеллер утверждает, что возможно сконструировать мини-аппарат, которым можно будет управлять с помощью света звезд и таким образом достичь пятой световой скорости. По его словам, такой корабль может добраться до Сириуса за 69 лет, а до системы Центавра - всего за 20 лет. Правда, если нужно изучить звездную систему (что вполне естественно - иначе зачем туда отправлять зонд?), то придется постепенно замедлять ход, и тогда даже до Альфа Центавра полет займет 140 лет.
Конечно, если удастся построить такой аппарат, да еще способный унести на своем борту приборы и фотокамеры - это, несомненно, будет большим шагом вперед. Но, пока подобные зонды не построены и не отправлены, говорить о революции в космонавтике рано. А до строительства корабля, способного увезти людей, похоже, еще далеко.