фізика 1.20

 30.01.2023

Урок 37

Тема. Розвиток космонавтики. Космогонія Сонячної системи

Завдання:

1. Опрацювати теоретичний матеріал, нище за посиланням (відео)
2. Переглянути нище матеріал
3. Записати конспект в зошит
4. Відповісти на запитання в зошиті

https://www.youtube.com/watch?v=5TLcEGFCZ6I

Космонавтика для астрономії дала змогу винести телескопи за межі Землі й позбутися впливу атмосфери, яка є суттєвою завадою для астрономічних спостережень з поверхні нашої планети. Крім того, космічні польоти до інших тіл Сонячної системи зробили врешті-решт астрономію експериментальною наукою.

ДОСЛІДЖЕННЯ ТІЛ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ ЗА ДОПОМОГОЮ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ. Майже відразу після початку ери космонавтики розпочалися космічні дослідження найближчих до Землі небесних тіл (Місяця, планет земної групи).

Місяць, як найближче до Землі небесне тіло, став першим, до якого людство спрямувало космічні апарати (1958 р.). Згодом космічні зонди доставили на Землю зразки місячних порід, а на поверхню супутника Землі ступили 12 астронавтів. Першими людьми на Місяці були астронавти Нейл Армстронг (рис. 34.1) та Едвін Олдрін, які висадилися в море Спокою 20 липня 1969 р.

Рис. 34.1. Нейл Армстронг, командир космічного корабля «Аполлон-11» — перший землянин, який ступив на поверхню Місяця

У ХХІ ст. до Місяця спрямовували автоматичні космічні апарати США, Китай, Індія, Японія. Китай, окрім доставки місяцеходу й відправки ґрунту на Землю, навіть планує будівництво населених місячних баз. А США оголосили про плани створення космічної станції на орбіті Місяця.

На Марс земляни спрямували десятки космічних апаратів з метою докладного вивчення планети — її поверхні, атмосфери, пошуків води і навіть ознак життя. Космічні апарати на Марсі працюють майже безперервно. Вже повністю здійснено детальне картографування поверхні планети, вивчено хімічний склад атмосфери і ґрунту, досліджено погодні умови, знайдено великі запаси водяного льоду тощо.

Марс привертає увагу не тільки астрономів та аерокосмічних агенцій провідних країн світу, а й приватних фірм, які працюють у галузі космонавтики. Наприклад, Ілон Маск, засновник компанії SpaceX (Space Exploration Technologies Corporation), виношує плани про колонізацію Марса землянами.

Рис. 34.2. Марсіанська база землян в уявленні художника-фантаста

Космічна техніка допомогла астрономам побачити зблизька поверхню Меркурія і скласти майже повну карту планети. Таку саму роботу виконано і для Венери. У дослідженні цієї планети космічні апарати відіграли вирішальну роль, адже щільна атмосфера не дає змоги бачити поверхню Венери навіть з її орбіти. Тому тільки спускні АМС «Венера-9» (1975 р.), а далі «Венера-13 і -14» (1982 р.), вперше показали землянам краєвиди цього небесного тіла (рис. 34.3).

Рис. 34.3. Поверхня Венери в місці посадки АМС «Венера-13»

Американські АМС «Піонер-10» і «Піонер-11» (запущені в 1972 і 1973 рр.), що мали на меті вивчення поясу астероїдів і Юпітера, були першими дослідниками планет-гігантів. Після них до планет-гігантів були спрямовані «Вояджер-1», «Вояджер-2», «Ґалілео», «Кассіні» та «Юнона». Особливо важливими для астрономії стали два останніх космічних апарати, адже «Юнона» є штучним супутником Юпітера, а «Кассіні» протягом 2004—2017 р. був супутником Сатурна. Вони, на відміну від попередників, вивчали планети тривалий час. Понад те, космічний зонд «Гюйгенс», що відокремився від «Кассіні», здійснив посадку на Титан, супутник Сатурна, й докладно дослідив його атмосферу та поверхню.

Автоматична міжпланетна станція «Нові Горизонти» (англ. New Horizons), пролітаючи повз Плутон, виконала в 2015 р. дослідження його системи (карликової планети та її супутників). На початку 2019 р. космічний зонд пройшов на відстані приблизно 3500 км від поверхні Ultima Thule — одного з об'єктів поясу Койпера. Уперше отримано докладну інформацію про небесний об'єкт, який лежить на відстані 6,5 млрд км від Сонця. Цікаво, що на борту космічного апарата встановлено капсулу з частиною праху астронома Клайда Томбо, першовідкривача Плутона.

Космічні апарати дали змогу доставити на Землю зразки астероїдної та кометної речовини, побачити з близької відстані ядра комет і поверхні астероїдів. У 2014 р. космічний зонд «Розетта» вивчав комету Чурюмова — Герасименко (названа іменами її першовідкривачів — українських астрономів) і став першим космічним апаратом, що вийшов на її орбіту. Зонд спрямував на поверхню ядра комети спускний апарат «Філи» для вивчення хімічного складу небесного тіла.

Нині в космічному просторі працює багато автоматичних апаратів, які вивчають Всесвіт у всьому діапазоні електромагнітного спектра.

Рух штучних небесних тіл-супутників по орбіті й космічних апаратів у просторі описують ті самі закони небесної механіки, що й рух природних небесних тіл. Не вдаючись до формул, наведемо деякі особливості руху штучних супутників Землі. Коли супутник рухається на висоті 35 800 км, період його обертання становить 23 год 56 хв 4 с. Це час, за який Земля здійснює оберт навколо власної осі відносно зір. Тому, якщо орбіта такого супутника лежить у площині земного екватора і він рухається в напрямку обертання Землі, то весь час перебуває «нерухомо» над певною точкою земного екватора. Таку орбіту називають геостаціонарною.

Найбільша відстань, на якій супутник все ще буде обертатися навколо Землі, — 1,5 млн км. Опинившись на більшій відстані, він через збурення з боку Сонця або повернеться на менші висоти, або перетвориться на штучну планету.

Траєкторії і тривалість польоту космічних апаратів до інших тіл Сонячної системи визначають за законами небесної механіки. Її основою є закон всесвітнього тяжіння і закони Кеплера. Розрахунки показують, що, наприклад, політ до Венери триває 146 діб, до Марса — 259 діб. Для міжпланетних польотів використовують сприятливі періоди у взаємному розміщення Землі та планети в космічному просторі. Тобто існують як «вікна» старту космічного апарата, так і «вікна» його повернення на Землю. Очікування сприятливого положення планет Венери і Землі триває 480 діб, Марса і Землі — 438 діб. Це означає, що загалом експедиція до Венери триватиме 772 доби, а до Марса — 956 діб.

ПОХОДЖЕННЯ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ. Нині більшість науковців, які досліджують це питання, дотримуються теорії, створеної в 1950-х роках О. Ю. Шмідтом і модифікованої його послідовниками.

Згідно із сучасними уявленнями, вісім планет та майже всі інші тіла утворилися навколо молодого Сонця внаслідок фрагментації газопилової хмари (з її центральної частини 5 млрд років тому утворилося саме Сонце), що мала форму диска. Фрагментація диска відбувалася поступово. При цьому в центральних частинах диска внаслідок високої температури та видування летких елементів збереглися важкі тугоплавкі частинки, з яких сформувалися планети земної групи, а у віддаленіших зонах, де залишалось багато газів і води, утворилися планети-гіганти та їхні супутники (рис. 34.4).

Рис. 34.4. Формування Сонячної системи (схема)

Загальний вік нашої планетної сім'ї, визначений за метеоритами та зразками місячного ґрунту, становить близько 4,6 млрд років.

Якщо за часів Шмідта існування газопилового диска було тільки припущенням, то в останні десятиріччя ХХ ст. такі диски відкрито біля багатьох молодих зір, а тепер відкрито і планети біля інших зір.

Астероїди внутрішнього поясу та об'єкти поясу Койпера також утворені з первинної речовини газопилової хмари, що через різні обставини не була увібрана великими планетами під час їх формування. Причому тверді кам'янисті тіла поясу астероїдів, що формувалися за орбітою Марса, густинами ближчі до планет земної групи. А об'єкти поясу Койпера з великим вмістом різних льодів формувались у віддаленій зоні Сонячної системи і споріднені з карликовою планетою Плутон.

Без космічних досліджень нині годі уявити вивчення тіл Сонячної системи. Згідно із сучасними уявленнями, всі тіла нашої планетної системи, серед них і Сонце, утворилися з велетенської газопилової хмари приблизно 4,6 млрд років тому.

Космогонія Сонячної системи та відкриття екзопланет

1. Гіпотези і теорії виникнення Сонячної системи, утворення планет

З найдавніших теорій походження Сонячної системи відоме вчення Рене Декарта (1644 р.). Його космогонічна гіпотеза — теорія вихорів — протягом певного часу конкурувала з теорією всесвітнього тяжіння. Декарт вважав, що Сонце, як і інші зорі, оточене ефірною речовиною, що розповсюджується на великі відстані у всіх напрямках. Обертаючись, Сонце спричиняє обертальний рух прилеглих областей цієї речовини, потім вони, зі свого боку, передають його наступним областям, так що, нарешті, вся маса приходить в обертання. У цьому ефірному вихорі планети мчать навколо Сонця. Проте Декарт не зміг сформулювати закони планетних рухів, тому його гіпотеза не отримала подальшого розвитку. Тільки з другої половини XVIII ст. були запропоновані еволюційні космогонічні гіпотези такими вченими, як Бюффон, Кант, Лаплас, Рош, Мейєр, Лоньєр, Бікертон.

Нині загальноприйнятою є гіпотеза, що формування Сонячної системи почалося близько 4,6 млрд років тому з гравітаційного стиснення невеликої частини гігантської міжзоряної газопилової хмари (рис. 1.1). Ця початкова хмара, ймовірно, сягала за розмірами кількох світлових років і була прародителькою кількох зір.

У процесі стиснення розміри газопилової хмари зменшувались, і, за законом збереження моменту імпульсу, швидкість обертання хмари зростала. Центр, де зібралася більша частина маси, ставав усе гарячішим у порівнянні з навколишнім диском. Через обертання хмари швидкості її стиснення паралельно і перпендикулярно осі обертання відрізнялися. Це призвело до ущільнення хмари, формування характерного протопланетного диска діаметром близько 200 а. о. і гарячої, щільної протозорі в центрі (рис. 1.2).

Комп’ютерне моделювання дозволяє виділити кілька характерних етапів цього процесу. На першій фазі баланс між гравітацією, тиском і обертанням речовини призвів до утворення спочатку товстого, а потім все тоншого диску. Потім у диску відбулася фрагментація речовини на згустки пилу. Приблизно за 1 млн років пилові згустки злиплися в компактні тіла астероїдних розмірів з близьким до них фізико-хімічним складом. Після цього приблизно ще 100 млн років рій астероїдів відчував інтенсивне перемішування, що супроводжувалося подрібненням крупних об’єктів і об’єднанням (злипанням) дрібних. На цій фазі, власне, і сформувалися зародки планет земної групи — Меркурія, Венери, Марса і Землі. Потім приблизно ще за 200 млн років сформувалися планети групи

Рис. 1.1. Формування Сонячної системи почалося близько 4,6 млрд років тому з гравітаційного стиснення невеликої частини гігантської міжзоряної газопилової хмари

Протопланетний диск — диск щільного газу, що обертається навколо молодої, нещодавно сформованої протозірки, з якого згодом утворюються планети

Рис. 1.2. Протопланетний диск

Рис. 1.3. Екзопланета Проксима Кентавра b

Юпітера, увібравши в себе газ, що не увійшов до менш масивних планет земної групи. І, нарешті, ще за 1 млрд років утворилися найвіддаленіші від Сонця планети — Нептун і Плутон, завершивши процес формування Сонячної системи.

З цього стає зрозуміло, що астероїди і комети — це залишки рою протопланетних тіл, причому астероїди — це кам’янисті утворення внутрішньої зони, яка породила планети земної групи, а комети — це кам’яно-крижані утворення, генетично пов’язані з зоною планет-гігантів. Але найпримітніше, що в процесі формування планет-гігантів Юпітер і Сатурн виконали роль своєрідних «чистильників» Сонячної системи, своїм гравітаційним полем викинувши малі протопланетні згустки на далеку периферію Сонячної системи.

2. Відкриття екзопланет, їхні фізичні характеристики

Станом на січень 2015 р. достеменно встановлене існування 1900 екзопланет у 1202 планетних системах, у 480 з яких більше однієї планети, на сьогодні астрономами відкрито вже понад 4000 екзопланет.

Загальна кількість екзопланет у нашій Галактиці може сягати сотень мільярдів. Звичних орбітальних планет, ймовірно, понад 100 млрд, з них від 5 до 20 млрд — землеподібні. Також за поточним оцінюванням 22% сонцеподібних зір мають на орбітах подібні до Землі планети, що перебувають у придатних для життя зонах (рис. 1.4).

Тривалий час виявлення планет поблизу інших зір було невирішуваним завданням, оскільки ці небесні тіла малі й тьмяні порівняно із зорями, а їхні світила розташовані далеко від Землі (відстань до сусідніх зір вимірюється світловими роками). У XXI ст. такі планети почали відкривати завдяки вдосконаленим методам, часто — на межі можливостей. Прикладом може слугувати екзопланета Проксима Кентавра b розташована на відстані близько 4,25 св. років від Землі, у сузір’ї Кентавра (рис. 1.3).

У квітні 2004 р. міжнародна команда спеціалістів, яка працювала на чолі з Ґаелем Шовеном, отримала в інфрачервоному діапазоні перше зображення ймовірної екзопланети, що оберталася за 55 а. о. навколо коричневого карлика 2М1207 у сузір’ї Гідри (рис. 1.6). Об’єкт, названий 2М1207 b, який розташований приблизно за 172 ± 3 св. роки від Землі і має масу 8 ± 2МЮп (деякі дослідники зменшують її до однієї-двох юпітеріанських).

Екзопланета (грец. ехо — поза, ззовні), або позасонцева планета, — планета, що обертається навколо іншої зорі або дрейфує космічним простором (тобто не належить до планетарної системи).

Рис. 1.4. Зони, придатні до життя у різних планетних системах на прикладі Сонця і Землі

Рис. 1.5. Зоря 2М1207 (блакитного кольору) і об'єкт 2М1207 b (червоного кольору). Перший знімок екзопланети

Приблизно в цей час космічний телескоп «Габбл» зробив знімки зорі Фомальгаут, віддаленої від Землі на 25 св. років (рис. 1.5). Їх зіставлення дозволило в листопаді 2008 р. отримати зображення планети Фомальгаут b. Її відкриття в оптичному діапазоні стало несподіванкою, адже відбулося воно лише завдяки винятковій яскравості планети (судячи з усього, об’єкт має дуже високе альбедо).

Того ж року за допомогою найбільших наземних телескопів Keck II і Gemini North, що здатні працювати в інфрачервоному діапазоні, групі астрономів вдалося отримати знімки одразу трьох планет біля іншої велетенської зорі — HR 8799 в сузір’ї Пегаса. Це було перше зображення мультипланетної системи іншої зорі (рис. 1.6).

Найбільш відому на сьогодні планетну систему (не враховуючи Сонячну систему) має зоря HD 10 180. Навколо неї обертаються сім планет, зоря віддалена від нас на відстань 127 св. років і розташовується у сузір’ї Південної Гідри. Достовірно відомо про п’ять планет, а для доведення наявності ще двох потрібні додаткові спостереження.

Рис. 1.6. Знімок планетної системи HD 10 180

Головний напрям пошуку екзопланет — це пошук планет земного типу. На розв’язання цієї задачі спрямовані різні космічні проекти. Серед відомих можна назвати проекти KEPLER (NASA) — космічний телескоп Шмідта, здатний одночасно відслідковувати 100 тис. зір; COROT (ESA) спеціалізований космічний телескоп діаметром 30 см, здатний відкривати планети земного типу. Сучасні астрономи вважають, що відкриття подібних до Землі планет є актуальним науковим питанням, вирішення якого може бути досягнуто в недалекому майбутньому.

Контрольні запитання

• 1. Опишіть сутність гіпотез щодо походження Сонячної системи.
• 2. Що таке екзопланета?
• 3. Коли були зроблені перші знімки екзопланет?