Планеты
(1) Планета – это небесное тело, которое (a) обращается вокруг Солнца, (b) имеет достаточную массу, для того, чтобы самогравитация превосходила твердотельные силы и тело могло принять гидростатически равновесную (близкую к сферической) форму и (c) очищает окрестности своей орбиты (т.е. рядом с планетой нет других сравнимых с ней тел).
(2) "Карликовая планета" – небесное тело, которое (a) обращается вокруг Солнца, (b) имеет достаточную массу, для того, чтобы самогравитация превосходила твердотельные силы и тело могло принять гидростатически равновесную (близкую к сферической) форму2, (c) не очищает окрестности своей орбиты и (d) не является спутником (планеты).
(3) Все остальные объекты, обращающиеся вокруг Солнца, охватываются понятием "Малые тела Солнечной системы".
(1) Восемь (классических) планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
(2) IAU предстоит разработать критерии по которым карликовые планеты будут отделяться от других классов объектов.
(3) В настоящее время он включает в себя большинство астероидов, транс-Нептуновых объектов (TNOs), комет и других малых тел Солнечной системы, исключая спутники планет.
Разные астрономы предпочитают уделять внимание разным вариантам или их комбинациям. Кто-то считает, что можно выделить одну физическую характеристику, и лишь с ее помощью дать определение планеты. Кто-то считает, что одной характеристики мало. Кому-то важно учесть процесс формирования, и т.д.
Давайте пройдемся по физическим характеристикам. Одной из важнейших является масса. В достаточно тяжелых телах плотность и давление в центре достигает столь высоких значений, что могут идти термоядерные реакции. Поскольку во Вселенной наиболее распространен водород, то пределы устанавливают именно для реакции с его участием. Если массу Солнца уменьшить примерно в 12-13 раз, то реакции превращения водорода в гелий прекратятся. Солнце станет бурым (коричневым) карликом. В таких объектах могут идти термоядерные реакции, в которых "горит" дейтерий. Если массу уменьшить еще, то прекратятся и они. Происходит это примерно на 13 массах Юпитера. Именно тут обычно проводят границу между бурыми карликами и планетами. Есть, однако. еще один интересный момент.
Дело в том, что в недрах бурых карликов вещество, как говорят, вырождено. Давление обеспечивается вырожденными электронами. Это интересное состояние, описывающееся квантовыми законами. Действует принцип Паули: электроны в одинаковом состоянии не могут занимать малый объем пространства. Именно благодаря этому запрету мы имеем все химическое разнообразие. Для небесных тел наличие вырождение приводит к интересному следствию: при увеличении массы тела его размер уменьшается. Это верно для нейтронных звезд, белых карликов, бурых карликов и самых тяжелых планет. Так, планета в 10 раз тяжелее Юпитера будет несколько меньше него. Правда, можно разогреть внешние (невырожденные) слои светом близкой звезды, и тогда размер увеличится. Именно благодаря этому тяжелые "горячие юпитеры" зачастую "потолще" нашего Громовержца
(см. рисунок 1).
Рисунок 1. Зависимость радиуса планеты от ее массы в земных единицах. Показаны планеты-гиганты Солнечной системы, а также транзитные планеты. Из работы G. Basri, M. Brown
Т.о. масса позволяет более-менее дать верхний предел для планет.
С нижним сложнее. Никакой новой физики при уменьшении массы не появляется. Разве что объекты малой массы могут испытывать трудности с принятием сферической формы под действием собственной тяжести. Но предел этот достаточно низок и зависит от того, из какого материала объект состоит. Для железно-каменных тел предел соответствует размеру примерно 800 км, для ледяных объектов он ниже. Если бы мы воспользовались понятием сферичности, то число планет Солнечной системы сразу бы возросло в разы (а потом еще увеличивалось бы за счет открытия новых плутоноподобных тел). Кроме того, наблюдения показывают, что сферическую форму можно принять и без существенного действия гравитации, просто за счет столкновений.
Рисунок 2. Массы планет и астероидов Солнечной системы и размеры их орбит. Массы даны в единицах земной, размеры орбит - в астрономических единицах. Штриховая линия соответствует тому, что планета за время жизни системы успевает расчистить свою орбиту от постороннего мусора. Из работы S. Soter
Согласно определению МАС планета должна быть в одиночестве в смысле наличия других тел сравнимого размера. Именно из-за этого пункта Церера и Плутон оказались лишены доступа в высшее общество. Оказывается, что этот пункт непосредственно связан с массой объекта и с его орбитальным периодом. Чем больше масса и чем короче период (т.е., чем теснее орбита), тем легче массивному телу "раскидать" своих соседей (см. рисунок 2). Очевидно, что в случае Солнечной системы различие очень велико. Видно, что Меркурий - это планета, а Плутон вместе с Церерой и Эридой (т.е. объектом UB313, которые наконец-то получил официальное имя, напомню, что название "Зена" было неофициальным) - нет.
Планеты земной группы
Четыре планеты земной группы имеют много общего в своих характеристиках. Почти все вещество сосредоточено в литосфере. Массы находятся в пределах от 1,5×10-7 до 3 × 10-6 M¤ и радиусы, примерно, от 3,5×10-3 до 9,0×10-3 R¤. Средние плотности лежат в еще более узких пределах — от 4,0 (Марс) до 5,4-5,5 г/см3 (остальные три планеты). По-видимому, в недрах всех планет этой группы имеется химическая дифференциация: тяжелые элементы (в частности, Fe) концентрируются к центру, легкие и вместе с тем более легкоплавкие — в наружных оболочках; кора и мантия состоят из силикатных пород. Возможно, все четыре планеты обладают жидким ядром. По крайней мере на двух планетах (Земля и Марс) имеются вулканы. На поверхности всех четырех планет имеются в тех или иных масштабах следы тектонической деятельности (процессов горообразования). Все подвергались сильной метеоритной бомбардировке, которая явилась одним из основных факторов в формировании поверхности Марса и Меркурия. На Земле метеоритные кратеры почти целиком стерты тектоническими и эрозионными процессами, на Венере они, по-видимому, сохранились гораздо лучше.
Единственным энергетическим источником, определяющим температуру и климат планет земной группы, является солнечное излучение. Поток внутреннего тепла пренебрежимо мал по сравнению с потоком солнечного излучения.
Три планеты из четырех имеют атмосферу. Венера и Марс по составу атмосферы похожи: углекислый газ является главной составляющей в обоих случаях, но количества его очень разные. Состав земной атмосферы совсем другой: азот, кислород, углекислого газа очень мало, и, кроме того, у Земли имеется гидросфера — огромное количество воды (которой, наоборот, очень. мало на Венере и Марсе). Различия велики, но есть очень важные общие черты: легкие газы — водород и гелий, наиболее обильные элементы (входящие в состав Солнца, звезд и межзвездного газа) присутствуют только как малые составляющие; все газы, которые являются основными компонентами атмосфер — (СO2, N2) и вода оказываются продуктами газовыделения вулканов. Кислород на Земле является вторичным продуктом, возникшим при разложении H2O в результате фотохимических и биологических процессов. Современные атмосферы планет земной группы (и гидросфера Земли) определенно имеют вторичное происхождение — в том смысле, что они были выделены литосферой уже после того, как она сформировалась. Первичная атмосфера, состоявшая главным образом из легких газов, оставшихся от протопланетной туманности, могла сохраниться (если такая атмосфера вообще существовала) лишь очень короткое время и должна была быстро диссипировать.
Количество СО2 и N2, выделившееся за время существования планет (4,5×109 лет), примерно одинаково на Земле и на Венере, а воды, по-видимому, выделилось гораздо больше на Земле. Жидкая вода очень хорошо растворяет СО2 и переводит в карбонатные породы. Гидросфера на Земле удалила в результате почти весь углекислый газ, а на Венере она не образовалась, и СО2 полностью остался в атмосфере. На Марсе общая скорость газовыделения, видимо, на два порядка меньше, чем на Венере, и, кроме того, основная часть выделившегося количества СО2 и Н2О связана в полярных шапках и в грунте (в результате процессов адсорбции и образования вечной мерзлоты).
Практически полностью лишен атмосферы Меркурий. Между тем ускорение силы тяжести на его поверхности почти такое же, как у Марса, и он мог бы, вероятно, удержать СО2, если бы его накопилось столько же, сколько на Марсе. Многое в процессах формирования и эволюции планетных атмосфер еще не понято, это одна из интереснейших проблем физики планет, разработка которой только начинается. Заметим, что она имеет определенное практическое значение, так как должна дать прогноз дальнейшей эволюции атмосферы и климата Земли.
Планеты-гиганты
Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун образуют группу планет-гигантов (или планет типа Юпитера). По массе и размерам они значительно превосходят планеты земной группы. Все они быстро вращаются, имеют большое количество спутников. Резко отличаются планеты-гиганты от планет типа Земли по химическому составу. Юпитер и Сатурн содержат водород, гелий и другие элементы, видимо, в той же пропорции, что и Солнце, Уран и Нептун более богаты тяжелыми элементами, но водород и гелий все же преобладают. По-видимому, в центральной части протопланетного облака легкие газы были потеряны вследствие термической диссипации, здесь образовались планеты типа Земли, а на периферии, где температура была ниже, водород и гелий остались и вошли в состав планет-гигантов
Спутники планет
К началу 2004 г. у больших планет известны 136 спутников. Земля имеет один спутник - Луну, Марс - 2 спутника, Юпитер - 61, Сатурн - 31, Уран - 27, Нептун - 13, Плутон - 1.
Самым главным из всех спутников планет является Луна. Она движется вокруг Земли на среднем расстоянии 380000 км. Радиус Луны равен 1700 км. Ее масса составляет 1/81 часть массы Земли. У Меркурия и Венеры спутников не обнаружено.
Вокруг Марса на почти круговых орбитах в плоскости экватора планеты обращаются два спутника - Фобос и Деймос. Фобос - весьма вытянутое тело, имеющее размеры 262218 км. Деймос тоже вытянут, его размеры 1512.410.8 км. Радиус орбиты Фобоса - 9400 км, Деймоса - 23500 км. Для сравнения напомним, что радиус Марса составляет 3400 км.
У планет-гигантов Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна обнаружено большое количество спутников. По расположению в планетных системах спутники можно условно разбить на три основные группы. Это главные спутники, внутренние спутники, находящиеся ближе к планете, чем главные спутники, и внешние спутники в системе планеты.
Внутренние спутники - это малые тела неправильной формы и размерами несколько километров, которые образовались в результате столкновений или бомбардировки астероидами более крупных спутников. Они расположены во внутренних областях планетных систем, часто в области колец, иногда попадая в область главных спутников до расстояний 20000 км. К ним относятся
4 внутренних спутника Юпитера (Метида, Адрастея, Амальтея и Теба),
9 малых внутренних спутников Сатурна (Пан, Атлас, Прометей, Пандора, Эпиметей, Янус, Телесто, Калипсо и Елена),
13 внутренних спутников Урана (Корделия, Офелия, Бианка, Крессида, Дездемона, Джульетта, Портия, Розалинда, Белинда, Пак, а также S/2003 U1 и U2 и S/1986 U10) и
6 спутников Нептуна (Наяда, Таласса, Деспина, Галатея, Ларисса и Протей).
Главные спутники располагаются в области от 20000 км до 2 млн км, их размеры от 500 до 5000 км. Они образовались одновременно с планетами из протопланетного облака и имеют регулярные орбиты - почти круговые, расположенные в плоскости экватора планеты.
В системе Юпитера это 4 Галилеевы спутника (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто), 8 главных спутников системы Сатурна (Мимас, Энцелад, Тефия, Диона, Рея, Титан, Гиперион и Япет),
у Урана 5 основных спутников (Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон). Самый крупный спутник Нептуна - Тритон - движется по круговой орбите в плоскости экватора Нептуна, но в обратном направлении по отношению к вращению планеты.
Малые тела Солнечной системы
Правило Тициуса – Боде
Значительная часть астероидов находится в Главном астероидном поясе, который представляет собой тор, растянувшийся от 2.2 до 3.6 а. е. Большинство орбит астероидов Главного пояса имеют эксцентриситеты порядка 0.1-0.2. Однако некоторые астероиды движутся по сильно вытянутым орбитам и имеют значительные эксцентриситеты до 0.8, так что их орбиты пересекают орбиты Марса и Земли.
1 января 1801 г. Пиацци открывает Цереру. (Паллада, Веста, Юнона)
Среди малых планет имеются семейства астероидов – треки и троянцы
(1906 г. Ахилл, Патрокл, Гектор).
Для этого частного случая задачи трех тел Лагранж нашел точное решение, показав, что движение, находящихся вблизи этих точек, устойчиво по отношению к возмущающим влияниям больших планет.
Семейство троянцев Юпитера к началу 2004 г. составляет 1640 объектов, причем группа ведущих троянцев, движущихся впереди Юпитера, примерно в полтора раза больше группы ведомых.
Пояс Койпера
Второй пояс малых тел находится в занептунной области Солнечной системы и носит название пояса Койпера. Точное распределение астероидов в поясе Койпера пока неизвестно. Объекты пояса Койпера делятся на две группы: классические объекты пояса Койпера (КВО) и резонансные объекты.
В 2002 г. был открыт самый большой астероид пояса Койпера 2002 LM60, который имеет диаметр 1280 км, то есть примерно половину от размера Плутона. Открыватели предложили дать ему название «Квавар» (Quaoar).
В отличие от Плутона, Квавар движется по круговой орбите с наклоном к плоскости эклиптики на расстоянии 43.4 а. е. от Солнца, что составляет примерно 6 млрд км. Период его обращения вокруг Солнца равен 284 годам. Хотя Квавар меньше Плутона почти вдвое, по массе он, возможно, составляет только одну треть, так как состоит изо льда с примесью камня, причем различных типов льда - водяного, метанового, метанола, сухого льда, углекислоты. Альбедо тела составляет 12 %. Космический телескоп Хаббла наблюдал диск этого объекта, что дало возможность первого прямого определения размера тела пояса Койпера.
Семейство Кентавров
Еще одна популяция тел имеет вытянутые орбиты с большими наклонами и большими полуосями от 50 до 500 а.е., то есть почти все они находятся за орбитой Нептуна. Их назвали объектами рассыпающегося пояса (Scattered-Disk Objects), которые вместе с семейством Кентавров можно объединить в один динамический класс. По-видимому, все они являются потенциальными источниками короткопериодических комет, которые под воздействием Нептуна в перигелии могли перейти на орбиты, пересекающие орбиты других планет.
Приближение к Солнцу приводит к появлению процессов возгонки и испарению льдов, входящих в состав этих астероидов, что и заставляет причислять их к семейству Кентавров, то есть объектов, которые проявляют свойства, как астероидов, так и комет, но отличаются от комет своими большими размерами.
В настоящее время к этому общему семейству Кентавров и объектов рассыпающегося пояса относятся уже почти 150 объектов. Все они в ближайшей от Солнца точке (перигелии) находятся за орбитой Юпитера - их перигелийные расстояния больше 5 а. е. Самый далекий объект этого семейства удаляется на расстояние свыше 1000 а. е. Первым из Кентавров был открыт Хирон, который первоначально рассматривался как астероид, но его орбита располагалась значительно дальше всех известных астероидов. При подходе к перигелию он проявил кометную активность и был причислен к кометам. Однако эта комета далеко превосходила по своим размерам все известные до сих пор кометы, ее диаметр равен 170 км. Это заставило выделить подобные объекты в особый класс Кентавров.
Кометы
По характеру движения все кометы делятся на короткопериодические, долгопериодические и сангрейзеры. Кометы, многократно наблюдаемые во внутренних областях Солнечной системы с периодом обращения вокруг Солнца меньше 200 лет, называются короткопериодическими. В основном это кометы семейства Юпитера, характеризующиеся периодом меньше 20 лет, и семейства Галлея с периодом примерно 70 лет. Долгопериодическими называют кометы с периодом обращения вокруг Солнца свыше 200 лет.
Существует семейство комет, которые близко подходят к Солнцу и пропадают в его лучах. Их назвали сангрейзерами или касающимися кометами. Примерно 94 % слабых комет вблизи Солнца принадлежат одной группе Крейтца. Близкие прохождения комет вблизи Солнца были известны еще 100 лет назад. Крейтц обнаружил, что некоторые кометы, очень близко подходящие к Солнцу, имеют общее происхождение, потому что они приходят из одного и того же направления среди звезд. Вероятно, эти кометы являются видимыми фрагментами последовательного распада большой кометы. Кроме комет семейства Крейтца уже обнаружены другие группы сближающихся с Солнцем комет.
Заключение
Разделение малых тел на астероиды и кометы очень условно, и существование промежуточного семейства Кентавров подтверждает это. Объекты пояса Койпера, Кентавры, кометы представляют собой различные стадии одной динамической эволюционной последовательности малых тел при миграции объектов из пояса Койпера во внутренние области Солнечной системы.