§ 116. Видимые движения небесных тел
Астрономия
В этом разделе мы изучим строение Солнечной системы, законы, описывающие движение планет, проявления гравитационного взаимодействия в системе Земля — Луна, физические свойства Солнца и звезд. Используя известные законы физики, заглянем в недра звезд, обсудим их жизнь и смерть. Узнаем, что останется после смерти Солнца и более массивных звезд. Изучение мира галактик позволит нам узнать, как устроен Млечный Путь и где образуются звезды. Мы посмотрим, как наблюдаемое красное смещение в спектрах галактик указывает на расширение Вселенной в целом и что наблюдаемое реликтовое излучение, заполняющее всю Вселенную, указывает на то, что в прошлом Вселенная была не только плотной, но и горячей. Увидим, как знание законов небесной механики позволяет смоделировать движение не только планет, но и искусственных небесных тел.
Глава 15. Солнечная система
Из текста этой главы мы узнаем, что сложные видимые петлеобразные движения планет среди звезд объясняются движением Земли и планет вокруг Солнца. Узнаем, что сложный характер движения Луны вокруг Земли и Земли вокруг Солнца объясняет смену лунных фаз, явление приливов и отливов, а также закономерности солнечных и лунных затмений. Изучим состав Солнечной системы.
§ 116 Видимые движения небесных тел
Темной ночью мы можем увидеть на небе около 2500 звезд (с учетом невидимого полушария 5000), которые отличаются по блеску и цвету. Кажется, что они прикреплены к небесной сфере и вместе с ней обращаются вокруг Земли. Чтобы ориентироваться среди них, небо разбили на 88 созвездий. Во II в. до н. э. Гиппарх разделил звезды по блеску на звездные величины, самые яркие он отнес к звездам первой величины (1 m ), а самые слабые, едва видимые невооруженным глазом, — к 6 m . В созвездии звезды обозначаются греческими буквами, некоторые самые яркие звезды имеют собственные названия. Так, Полярная звезда — α Малой Медведицы имеет блеск 2 m . Самая яркая звезда северного неба Вега — α Лиры имеет блеск около 0 m .
Особое место среди созвездий занимали 12 зодиакальных созвездий, через которые проходит годичный путь Солнца — эклиптика. Так, в марте Солнце движется по созвездию Рыб, в мае — Тельца, в августе — Льва, в ноябре — Скорпиона.
В настоящее время для ориентации среди звезд астрономы используют различные системы небесных координат. Одна из них — экваториальная система координат (рис. 15.1). В ее основе лежит небесный экватор — проекция земного экватора на небесную сферу.
Эклиптика и экватор пересекаются в двух точках: весеннего (ϒ) и осеннего (
) равноденствия.
Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыбы, и она служит начальной точкой, от которой в направлении против часовой стрелки отсчитывается координата прямое восхождение, которую обычно обозначают буквой α. Эта координата является аналогом долготы в географических координатах. В астрономии принято прямое восхождение измерять в часовой мере, а не в градусной. При этом исходят из того, что полная окружность составляет 24 ч. Вторая координата светила δ — склонение — является аналогом широты, ее измеряют в градусной мере. Так, звезда Альтаир (α Орла) имеет координаты α = 19 ч 48 м 18 с , склонение δ = +8°44’ Измеренные координаты звезд хранят в каталогах, по ним строят звездные карты (рис. 15.2), которые используют астрономы при поиске нужных светил.
Взаимное расположение звезд на небе не меняется, они совершают суточное вращение вместе с небесной сферой. Планеты наряду с суточным вращением совершают медленное движение среди звезд, оправдывая свое название (planetas в переводе с греческого — блуждающая звезда).
Видимый путь планет на небе петлеобразен. Размеры описываемых планетами петель различны. На рисунке 15.3 показано видимое петлеобразное движение Марса, которое длится 79 дней.
Наиболее просто видимое движение планет и Солнца описывается в системе отсчета, связанной с Солнцем. Такой подход получил название гелиоцентрической системы мира и был предложен польским астрономом Николаем Коперником (1473—1543).
В этой системе суточное движение небесного свода объясняется вращением Земли вокруг оси, годичное движение Солнца по эклиптике — движением Земли вокруг Солнца, а описываемые планетами петли — сложением движений Земли и планет (см. рис. 15.3). Вокруг Земли движется только Луна. Коперник рассчитал расстояния планет до Солнца.
В астрономии среднее расстояние от Земли до Солнца принято за единицу расстояния и называется астрономической единицей (а. е.), 1 а. е. = 150 • 10 6 км. Так, Меркурий находится от Земли на расстоянии 0,39 а. е., а Сатурн — на расстоянии 9,54 а. е.
В античные времена и вплоть до Коперника полагали, что в центре Вселенной расположена Земля и все небесные тела обращаются по сложным траекториям вокруг нее. Эта система мира называется геоцентрической системой мира.
Доказательство движения Земли вокруг Солнца и определение расстояний до звезд.
Если Земля обращается вокруг Солнца, то близкие звезды должны периодически смещаться на фоне более далеких звезд. Это смещение называется параллактическим, а угол π, под которым со звезды виден радиус земной орбиты, называется параллаксом. Как видно из рисунка 15.4, расстояние до звезды
Так как параллакс звезд мал, мы заменили синус малого угла самим углом, выраженным в радианной мере, а затем перешли от радианной меры к градусной, учтя, что 1 рад = 206 265″. В астрономии принято измерять расстояние до звезд в парсеках (пк).
1 пк = 206 265 • а0 = 206 265 • 150 • 10 6 км = 3 • 10 13 км.
Итак, если параллакс измерять в угловых секундах, а расстояние до звезды — в парсеках, то связью между ними будет равенство
Только во второй половине XIX в. удалось измерить параллаксы и расстояния до звезд и тем самым подтвердить теорию Коперника наблюдениями. Так, ближайшая к нам звезда а Центавра имеет параллакс π = 0,751″, поэтому расстояние до нее r = 1,33 пк = 4 • 10 13 км.
Для определения положения звезд используются небесные экваториальные координаты. Сложное петлеобразное движение планет объясняется движением Земли и планет вокруг Солнца, а наблюдение годичного параллакса у звезд не только подтверждает обращение Земли вокруг Солнца, но и позволяет определять расстояния до них.
Вопросы к параграфу
1. Что называется небесным экватором?
2. Что такое эклиптика?
3. Чем отличается геоцентрическая система мира от гелиоцентрической?
Источник
Солнечная система. Видимые движения небесных тел: законы движения планет
С самых древних времен человечество интересовали видимые движения небесных тел: Солнца, Луны и звезд. Трудно представить себе размеры Вселенной. Наша собственная Солнечная система кажется слишком большой, протянувшись более чем на 4 триллиона миль от Солнца. А между тем Солнце – это всего лишь одна сотая миллиарда от других звезд, которые составляют галактику Млечный Путь.
Млечный Путь
Сама галактика представляет собой громаднейшее колесо, которое вращается, из газа, пыли и более 200 миллиардов звезд. Между ними простираются триллионы миль пустого пространства. Солнце закрепилось на окраине галактики, по форме напоминающей спираль: сверху Млечный Путь смотрится как огромный вращающийся ураган из звезд. По сравнению с размерами галактики, Солнечная система чрезвычайно мала. Если представить, что Млечный Путь величиной с Европу, то Солнечная система будет не больше по размерам, чем грецкий орех.
Солнечная система
Солнце и его 9 планет — спутников разбросаны в одном направлении от центра галактики. Как планеты совершают обороты вокруг своих звезд, так же и звезды обращаются вокруг галактик.
Солнцу понадобится около 200 миллионов лет при скорости 588000 миль в час для того, чтобы сделать полный оборот вокруг этой галактической карусели. Ничем особенным наше Солнце не отличается от других звезд, кроме того, что у него есть спутник, планета под названием Земля, населенная жизнью. Вокруг Солнца по своим орбитам вращаются планеты и небесные тела поменьше, которые называются астероидами.
Первые наблюдения светил
Человек наблюдает видимые движения небесных тел и космические явления уже как минимум 10000 лет. Впервые записи в летописях о небесных телах появились в древнем Египте и Шумере. Египтяне умели различать на небе три типа тел: звезды, планеты и «звезды с хвостами». Тогда же были обнаружены небесные тела: Сатурн, Юпитер, Марс, Венера, Меркурий и, конечно, Солнце, и Луна. Видимые движения небесных тел — это созерцаемое с Земли передвижение этих объектов относительно системы координат, независимо от суточного вращения. Настоящее движение космических тел — движение их в космическом пространстве, определяемое действующими на эти тела силами.
Видимые галактики
Глядя в ночное небо, можно увидеть нашу ближайшую соседку — галактику Андромеду — в виде спирали. Млечный путь, несмотря на его размеры, всего лишь одна из 100 миллиардов галактик в космосе. Без использования телескопа можно увидеть три галактики и часть нашей. Две из них имеют названия Большое и Малое Магелланово облако. Впервые они были увидены в южных водах в 1519 году экспедицией португальского исследователя Магеллана. Эти небольшие галактики совершают обороты вокруг Млечного пути, поэтому являются нашими самыми близкими космическими соседями.
Третья видимая с Земли галактика, Андромеда, отдалена от нас примерно 2 миллионами световых лет. Это значит, что звездный свет Андромеды проходит миллионы лет, чтобы приблизиться к нашей Земле. Таким образом, мы созерцаем эту галактику такой, какой она была 2 миллиона лет назад.
Помимо этих трех галактик ночью можно увидеть часть Млечного пути, представленного множеством звезд. По мнению древних греков, эта группа звезд – молоко из груди богини Геры, отсюда и происходит название.
Видимые планеты с Земли
Планеты – это небесные тела, обращающиеся вокруг Солнца. Когда мы наблюдаем Венеру, светящуюся в небе, то это происходит от того, что она освещается Солнцем и отбивает часть солнечного света. Венера – это Вечерняя звезда или Утренняя звезда. Люди называют ее по-разному, потому что вечером и утром она находится в разных местах.
Как планета Венера вращается вокруг Солнца и меняет свое местонахождение. На протяжении суток происходит видимое движение небесных тел. Система небесных координат не только помогает разобраться в местоположении светил, но и позволяет составлять звездные карты, ориентироваться в ночном небе по созвездиям и изучать поведение небесных объектов.
Законы движения планет
Соединяя воедино наблюдения и теории о движении небесных тел, люди вывели закономерности нашей галактики. Открытия ученых помогли расшифровать видимые движения небесных тел. Законы движения планет, открытые Иоганном Кеплером, были одними из первых астрономических законов.
Немецкий математик и астроном стал первооткрывателем данной темы. Кеплер, изучив работы Коперника, вычислил для орбит самую лучшую форму, разъясняющую видимые движения небесных тел – эллипс, и довел закономерности передвижения планет, известные в научном мире как законы Кеплера. Два из них характеризуют передвижение планеты по орбите. Они гласят:
Любая планета вращается по эллипсу. В одном из фокусов его присутствует Солнце.
Каждая из них передвигается в плоскости, проходящей сквозь середину Солнца, при этом за одинаковые периоды радиус-вектор между Солнцем и планетой, очерчивает равновеликие площади.
Третий закон соединяет орбитальные данные планет в пределах системы.
Нижние и верхние планеты
Изучая видимые движения небесных тел, физика подразделяет их на две группы: нижние, куда относятся Венера, Меркурий, и верхние — Сатурн, Марс, Юпитер, Нептун, Уран и Плутон. Передвижение этих небесных тел в сфере совершается по-разному. В процессе наблюдаемого перемещения нижних планет у них отмечается смена фаз как у Луны. При перемещении верхних планет можно заметить, что смена фаз у них не происходит, они постоянно обращены к людям своей светлой стороной.
Земля, наравне с Меркурием, Венерой и Марсом, принадлежит к группе так называемых внутренних планет. Они совершают обороты вокруг Солнца внутренними орбитами, в отличие от больших планет, которые вращаются внешними орбитами. Например, Меркурий, который в 20 раз меньше Земли, вращается вокруг Солнца по крайней внутренней орбите.
Кометы и метеориты
Вокруг Солнца вертятся, кроме планет, еще миллиарды ледяных глыб, состоящие из замерзшего твердого газа, мелкого камня и пыли, – кометы, которыми заполнена Солнечная система. Видимые движения небесных тел, представленные кометами, можно увидеть только тогда, когда они приближаются к Солнцу. Тогда их хвост начинает гореть и светится в небе.
Самая знаменитая из них – комета Галлея. Каждые 76 лет она сходит со своей орбиты и приближается к Солнцу. В это время ее можно наблюдать с Земли. Еще в ночном небе можно созерцать метеориты в виде летящих звезд – это сгустки материи, которые движутся по Вселенной с огромной скоростью. Когда они попадают в поле притяжения Земли, почти всегда сгорают. Из-за чрезвычайной скорости и трения с воздушной оболочкой Земли метеориты раскаляются и распадаются на мелкие частицы. Процесс их сгорания можно наблюдать в ночном небе в виде светящейся ленты.
Учебная программа по астрономии описывает видимые движения небесных тел. 11 класс уже ознакомлен с закономерностями, по которым происходит сложное движение планет, сменой лунных фаз и законами затмений.
Источник