§ 19. Далёкие планеты

Определения и обозначения

Уран — седьмая от Солнца планета, открытая в телескоп в XVIII веке. До этого её принимали за слабую звезду, потому что она медленно перемещается на фоне далёких звёзд. Уран стал первой планетой, обнаруженной при помощи телескопических наблюдений, а не известной с древности. Его открытие показало, что границы известной Солнечной системы шире, чем предполагали.

Нептун — восьмая планета от Солнца, существование которой сначала предсказали математически. Расчёты объяснили отклонения движения Урана влиянием неизвестного тела, и наблюдатели нашли планету в рассчитанной области неба. Этот пример показывает, что небесное тело можно обнаружить не только прямым поиском, но и по его воздействию на другие тела. Поэтому Нептун особенно важен для истории астрономии.

Плутон — небесное тело за орбитой Нептуна, которое долго включали в число планет. Его открыли в 1930 году, а размеры и масса оказались гораздо меньше, чем первоначально предполагали. Когда обнаружили другие похожие объекты, стало необходимо точнее определить, что считать планетой. Сейчас Плутон классифицируют как карликовую планету.

Транснептуновые объекты — тела, обращающиеся вокруг Солнца за орбитой Нептуна. К ним относятся Плутон и множество более мелких объектов, многие из которых находятся в поясе Койпера. Их наблюдения помогают исследовать холодные окраины Солнечной системы и остатки вещества, из которого формировались планеты. Поэтому изучение таких тел дополняет сведения о крупных планетах.

Как это устроено

Уран сначала наблюдали как звёздоподобную точку, но повторные измерения показали, что её положение меняется относительно звёзд. Это движение означало, что объект находится гораздо ближе звёзд и обращается вокруг Солнца. Так наблюдатель Уильям Гершель распознал новую планету в 1781 году. Она оказалась дальше Сатурна — самой удалённой из известных тогда планет, поэтому её открытие расширило границы изученной Солнечной системы.

После открытия Урана астрономы долго и точно измеряли его положение. Его орбита не вполне совпадала с расчётами, учитывавшими влияние известных планет. Если законы движения и измерения верны, такое расхождение может означать, что на Уран действует ещё одно, пока неизвестное тело. Урбен Леверье и Джон Адамс независимо рассчитали, где следует искать эту планету, а в 1846 году наблюдения подтвердили предсказание и обнаружили Нептун.

Уран и Нептун намного крупнее Земли, но устроены не так, как каменистые планеты земной группы. Их относят к планетам-гигантам, а точнее — к ледяным гигантам: внутри есть водород и гелий, а под плотными атмосферами находятся вещества вроде воды, аммиака и метана при высоких температуре и давлении. Метан в атмосферах поглощает красный свет и влияет на голубоватый оттенок планет. Большая удалённость от Солнца означает, что они получают мало солнечной энергии и очень холодны.

Главная особенность вращения Урана — наклон оси почти на 98° к перпендикуляру к плоскости орбиты. Поэтому в разные периоды его полюса по очереди долго освещаются Солнцем, что приводит к необычной смене сезонов. Уран окружён системой узких колец, которые темны и плохо заметны с Земли. У него также есть спутники; их движение и свойства колец помогают учёным изучать строение и историю системы планеты.

Плутон обнаружили в 1930 году в ходе поиска далёкой планеты, которую тогда предполагали из-за особенностей движения Урана и Нептуна. Позже выяснилось, что Плутон гораздо меньше крупных планет, а его орбита вытянута и наклонена к плоскости орбит большинства планет. Открытие других тел за Нептуном показало, что Плутон входит в обширную группу объектов, а не занимает исключительное положение. В 2006 году его отнесли к карликовым планетам: в частности, он не очистил окрестности своей орбиты от других тел.

Сравнение далёких планет и Плутона

Таблица помогает сопоставить порядок планет, историю их открытия и основные физические различия. Расстояния в астрономических единицах показывают масштаб внешней части Солнечной системы: 1 а.е. — среднее расстояние от Земли до Солнца. Значения являются средними, поэтому они не описывают точное положение тела в каждый момент.

Разбор задач

Задача 1. Уран обращается вокруг Солнца примерно за 84 года. Оцените большую полуось его орбиты в астрономических единицах, считая орбиту круговой. Большая полуось — половина длинной оси эллиптической орбиты, а для круговой орбиты она равна радиусу. Используем третий закон Кеплера в земных единицах: T² = a³.

1. Подставим период в годах: T = 84, значит a³ = 84² = 7056.
2. Извлечём кубический корень: a = ∛7056 ≈ 19,2.
3. Проверим масштаб: результат больше орбит земных планет и соответствует положению Урана дальше Сатурна.

Ответ: большая полуось орбиты Урана составляет примерно 19,2 а.е. Оценка приближённая, поскольку период задан округлённо. Значение показывает средний масштаб орбиты, а не расстояние до Солнца в любой выбранный день.

Задача 2. Период обращения Нептуна составляет около 165 лет. Найдём среднее расстояние от Солнца в а.е. Снова применим T² = a³, потому что для планет Солнечной системы период в годах и большая полуось в а.е. связаны этим соотношением. Сначала возведём период в квадрат, затем извлечём кубический корень.

1. Подставим T = 165: a³ = 165² = 27 225.
2. Вычислим кубический корень: a = ∛27 225 ≈ 30,1 а.е.
3. Сравним с результатом для Урана: 30,1 а.е. больше примерно 19,2 а.е., как и должно быть для более далёкой планеты.

Ответ: среднее расстояние Нептуна от Солнца — около 30 а.е. Полученная оценка согласуется с его положением восьмой планеты. Сравнение с Ураном служит быстрой проверкой вычисления и порядка величины.

Задача 3. Плутон обращается вокруг Солнца примерно за 248 лет. Оцените его большую полуось и сравните с орбитой Нептуна. Затем объясните, почему сравнение больших полуосей не определяет расстояние между планетами в любой момент. Плутон движется по вытянутой орбите, поэтому его удалённость от Солнца изменяется.

1. По третьему закону Кеплера a³ = 248² = 61 504.
2. Извлекаем кубический корень: a = ∛61 504 ≈ 39,5 а.е.
3. Сравниваем с оценкой Нептуна около 30,1 а.е.: большая полуось Плутона больше, но это средняя характеристика орбиты.

Ответ: большая полуось Плутона — примерно 39,5 а.е. На вытянутом участке орбиты Плутон может оказаться ближе к Солнцу, чем Нептун, хотя его большая полуось больше. Поэтому нельзя считать, что две орбиты всегда расположены строго одна за другой по расстоянию до Солнца.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что Нептун нашли случайно. Так думают, потому что при рассказе об открытии часто упоминают только телескопическое наблюдение. Проверьте себя: сначала были расчёты, объяснявшие возмущения орбиты Урана, и лишь затем поиск в указанном районе неба.

• Ошибка — относить Уран и Нептун к планетам земной группы. Их большие размеры могут навести на мысль, что они похожи на Землю, но состав и строение у них иные. Проверка простая: земные планеты каменистые и расположены ближе к Солнцу, а Уран и Нептун — далёкие гиганты с плотными атмосферами.

• Ошибка — называть Плутон одной из восьми больших планет. Это представление сохраняется из старых учебных схем, где Плутон включали в список планет. Сверяйтесь с современной классификацией: Плутон — карликовая планета, потому что не очистил окрестности своей орбиты от других тел.

• Ошибка — определять расстояние до планеты только по её текущему положению на небе. Видимое положение само по себе не сообщает, насколько далеко тело от Солнца, а вытянутая орбита меняет его расстояние. Для сравнения орбит используйте большую полуось и отличайте её от текущего расстояния до Солнца.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны порядок планет, понятия орбиты и периода обращения, а также астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца. Третий закон Кеплера связывает период обращения с размером орбиты, а гравитационные возмущения позволяют находить невидимые тела по их влиянию на движение известных планет. Эти идеи пригодятся при изучении карликовых планет, пояса Койпера и способов исследования планет космическими аппаратами.

Что запомнить

• Уран — седьмая, Нептун — восьмая планета от Солнца.
• Нептун предсказали по возмущениям движения Урана и затем обнаружили наблюдениями.
• Уран и Нептун — далёкие планеты-гиганты.
• Ось вращения Урана наклонена необычно сильно.
• Плутон обращается за орбитой Нептуна и движется по вытянутой орбите.
• Плутон — карликовая планета, а не одна из восьми больших планет.