Планеты и их наблюдение

DjVu

      Предисловие редакционной коллегий серии книг
      «БИБЛИОТЕКА ЛЮБИТЕЛЯ АСТРОНОМИИ»
      Этой книгой начинается публикация книг серии «Библиотека любителя астрономии», которую начинают издавать Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука» и Всесоюзное астрономо-геодезическое общество. Задача серии — не только сообщить любителю астрономии основные сведения о предмете (небесном светиле, группе небесных тел, небесном явлении), но и дать ему руководство для ведения, научно-ценных наблюдений этих объектов и для обработки этиж наблюдений.
      В соответствии с этой задачей каждая книга делится на две части: описательную, где приводятся современные сведения о данных небесных телах или явлениях, и инструктивную, где описываются приемы и методы их наблюдений и обработки.
      Всесоюзное астрономо-геодезическое общество получает множество писем от любителей астрономии с просьбой дать им те или иные руководства для наблюдений небесных объектов с научной целью. Частично эти запросы удовлетворялись серией инструкций в «Постоянной части Астрономического календаря», в «Справочнике любителя астрономии» П. Г. Куликовского, в книге В. П. Цесевича «Что и как наблюдать на небе». Однако инструкции для наблюдений, приводимые в этих книгах, по необходимости написаны весьма сжато и не всегда удовлетворяют любите нанаблюдателя.
      В 50-е годы в издании Физматгиза был выпущен ряд книш со сходными названиями: «Солнце и его наблюдение» (автор В. В. Шаронов), «Луна и ее наблюдение» (автор Н. Н. Сытинская), «Планеты и их наблюдение» (автор В. А. Бронштэн), «Переменные звезды и способы их наблюдений» (авторы П. II. Паренаго и Б. В. Кукаркин). Эти книги имели успех в среде любителей астрономии, ими многие пользовались.
      В настоящее время Всесоюзное астрономо-геодезическое общество и издательство «Наука» начинают выпуск аналогичной серии книг для любителей астрономии. Среди них будут и переиздания (как предлагаемая вниманию читателей книга В. А. Бронштэна), и книги, написанные совершенно заново. После книги «Планеты и их наблюдение» редколлегия надеется выпустить книгу В. П. Цесевича «Переменные звезды и их наблюдение». В плане серии выйдут также следующие книги:
      В. В. Шевченко — Луна и ее наблюдение.
      К. И. Чурюмов — Кометы и их наблюдение.
      И. Т. Зоткин — Метеоры и их наблюдение.
      Э. В. Кононович — Солнце и его наблюдение.
      Редакционная коллегия просит всех читателей присылать свои замечания и предложения по изданию книг серии, а также другой литературы для любителей астрономии по адресу: 103009, Москва, К-9, а/я 918, Всесоюзное астрономо-геоде-зическое общество, Редакционно-издательская секция.
      Книги серии «Библиотека любителя астрономии» и другие книги по астрономии можно заказать в отделах «Книга — почтой» в следующих московских книжных магазинах: № 3 Академкниги по адресу: 117464, Москва В-464, Мичуринский проспект, д. 12, и № 8 Москниги по адресу: 103050, Москва К-50, ул. Медведева, д. 1, по мере их выхода в свет.
      Редакционная коллегия
     
      Двадцать с лишним лет, прошедших после выхода в свет первого издания этой книги, ознаменовались настоящим переворотом в планетных исследованиях. Развитие космических методов изучения планет, а также целого ряда наземных методов: радиоастрономии, радиолокации, инфракрасной спектроскопии, фу-рье-спектроскопии, поляриметрии и других привели к колоссальному повышению уровня наших знаний о природе планет, их спутников и астероидов. Теперь поверхности Меркурия и Марса, Фобоса и Деймоса нам так же хорошо известны, как поверхность Луны. Получены снимки с близкого расстояния Венеры, Юпитера и некоторых его спутников, советские автоматические межпланетные станции передали нам снимки поверхности Венеры, проведены детальные измерения параметров атмосфер Венеры и Марса, магнитных полей Меркурия, Венеры, Марса и Юпитера, на очереди — планета Сатурн.
      Такой небывалый рост технической вооруженности исследователей планет и накопленной информации способствует в то же время укреплению мнения о бесполезности любительских наблюдений планет. Действительно, некоторые виды наблюдений, проводившихся любителями астрономии двадцать лет назад, потеряли всякое научное значение и могут проводиться лишь для удовлетворения любознательности самого любителя или для приобщения его к методике научных наблюдений (и то не всяких). Однако некоторое поле деятельности для любителей астрономии все же осталось. С нашей точки зрения, главная задача любителей.
      располагающих хорошими телескопами (например, самодельными рефлекторами в 200 — 300 мм диаметром), — изучение изменений в атмосферах и иногда на поверхностях планет. Поэтому наблюдения деталей в облачных слоях Юпитера, Сатурна и даже Венеры, появлений облаков в атмосфере Марса, зарождения и развития марсианских пылевых бурь, наблюдения сезонных изменений на Марсе — все это, безусловно, может иринести пользу науке. Систематические, целеустремленные фотоэлектрические наблюдения астероидов и спутников планет также будут полезны, но для этого нашим любителям астрономии следует начать осваивать новую для них технику фотоэлектрических измерений, что, впрочем, с успехом начато любителями Новосибирска, Златоуста и других городов.
      При переработке книги автор руководствовался необходимостью дать читателям современные представления о методах научных исследований планет и рекомендовать им те виды наблюдений, которые могут принести науке некоторую пользу.
      Общий план книги сохранен прежним. Однако §§10 И, 12 гл. II и вся глава III написаны заново. Существенной переработке подверглись §§ 9, 24, 25. По просьбе автора А. Э. Гурьянов написал новый § 30 «Фотоэлектрическая фотометрия планет». Список литературы составлен заново. Те или иные изменения внесены по всему тексту книги. Введен ряд новых иллюстраций.
      В целях сохранения прежнего объема книги исключены параграфы «Место планет во Вселенной» и «Об атмосферах планет», а также «Планетоискатель» (в разделе приложений).
      Автор выражает глубокую благодарность профессору Д Я. Мартынову за полезные замечания, сделанные после чтения книги в рукописи. В заключение мы выражаем надежду, что это издание окажется полезным пособием для любителей астрономии — наблюдателей планет, а некоторых побудит заняться этим увлекательным видом самостоятельных астрономических наблюдений.
      В. А. Бронштэн
      Москва, январь 1978 г.
     
      ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАНЕТАХ
     
      § 1. ЧТО ТАКОЕ ПЛАНЕТЫ
      Среди многочисленных небесных светил, изучаемых современной астрономией, особое место занимают планеты. Ведь все мы хорошо знаем, что Земля, на котором мы живем, является планетой, так что планеты — тела, в основном подобные нашей Земле.
      Но в мире планет мы не встретим даже двух, совершенно похожих друг на друга. Разнообразие физических условий на планетах очень велико. Расстояние планеты от Солнца (а значит, и количество солнечного тепла, и температура поверхности), ее размеры, напряжение силы тяжести на поверхности, ориентировке оси вращения, определяющая смену времен года наличие и состав атмосферы, внутреннее строение ж многие другие свойства различны у всех девяти больших планет Солнечной системы.
      Изучая это разнообразие условий на планетах мы можем глубже познать законы их развития и выяснить взаимосвязь между теми или иными свойствами планет. Так, например, от размеров, массы и температуры планеты зависит ее способность удерживать атмосферу того или иного состава, а наличие атмосферы в свою очередь влияет на тепловой режим планеты.
      Как показывает изучение условий, при которых возможно зарождение и дальнейшее развитие живой материи, только на планетах мы можем искать признаки существования органической жизни. Вот почему изучение планет, помимо общего познавательного интереса, имеет важное значение с точки зрения космической биологии.
      Поучение планет имеет большое значение, кроме астрономии, и для других областей науки, в первую очередь для наук о Земле — геологии и геофизики, а также для космогонии — науки о происхождении и развитии небесных тел, в том числе и нашей Земли. Мы уже не говорим о том, что сведения о планетах необходимы для планирования полетов к ним космических аппаратов.
      Современные представления о планетах сложились не сразу. Для этого понадобилось много веков накопления и развития знаний и упорной борьбы новых, прогрессивных взглядов со взглядами старыми, отживающими.
      В древних представлениях о Вселенной Земля считалась плоской, а планеты рассматривались лишь как светящиеся точки на небесном своде, отличавшиеся от звезд только тем, что они перемещались между ними, переходя из созвездия в созвездие. За это планеты и получили свое название, означающее «блуждающие». Наблюдателям древности было известно пять планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн.
      Даже после того как была установлена шарообразная форма Земли и были впервые определены ее размеры (Эратосфеном в III в. до н. э.), после того как стала очевидна ограниченность Земли в пространстве, о природе планет ничего не было известно. И все же во взглядах ряда выдающихся мыслителей древности: Анаксагора (V в. до н. э.), Демокрита (V — IV вв. дон. э.), Эпикура (IV — III вв. до н. э.), Лукреция (I в. до н. э.) мы встречаем идеи о материальности и бесконечности Вселенной, заполненной бесчисленным количеством миров, подобных нашему, причем многие из них могут быть населены живыми существами. Эти мыслители высказывали весьма интересные идеи и о природе небесных тел.
      Так, например, Анаксагор считал Солнце раскаленной каменной или железной массой, а звезды — телами, состоящими из той же материи, что и Земля, причем одни из них подобно Солнцу накалены и светят, а другие холодны и темны. В своем сочинении «О природе» он высказал догадку о том, что Луна светит не собственным светом, а отраженным от Солнца, что на ней имеются горы и долины и что на ней, как и на Земле, могут быть живые существа.
      Демокрит, известный как создатель атомистической теории мира, согласно которой все тела во Вселенной состоят из атомов, последовательно развил эти представления Анаксагора.
      «Миры бесчисленны и различны по величине. — писал Демокрит. — В некоторых мирах нет ни солнца, ни луны, в некоторых солнце и луна больше по размерам наших и в некоторых их большее число. Расстояния между мирами неравны, между некоторыми больше, между некоторыми меньше, и одни миры еще растут, другие находятся уже в расцвете, третьи разрушаются... Некоторые миры не имеют животных и растений и вовсе лишены влаги» ).
      Эпикур в своих сочинениях дал весьма последовательное логическое доказательство бесконечности Вселенной и бесчисленности небесных тел. Очень важной явилась высказанная им мысль о закономерности движения небесных тел и, в частности, их вращения. Закономерным явлением Эпикур считал и перемещение планет среди звезд и даже пытался найти естественное объяснение этому явлению.
      Горячим последователем Анаксагора, Демокрита и Эпикура был римский, поэт и философ Лукреций, изложивший в своей поэме «О природе вещей» основные идеи этих великих материалистов древности. Но эти идеи не были подкреплены данными наблюдений и не могли в ту эпоху получить широкого распространения.
      Начиная с IV в. до н. э. господствующим в науке стало мировоззрение Аристотеля, согласно которому Земля находится неподвижно в центре мира, а Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются вокруг нее. Такое представление получило название геоцентрического («ге» по-гречески означает «Земля»).
      Геоцентрическая система мира просуществовала в науке почти 2000 лет. Это объясняется не только тем, что она соответствовала примитивным непосредственным представлениям людей о центральном положений Земли и о ее неподвижности, но и тем, что эта система «оставляла неотъемлемую часть господствующей идеологии как рабовладельческого, так и феодального общества, нашедшей свое выражение в различных религиях, в том числе и в христианской религии.
      Геоцентрическая система мира полностью соответствовала положениям христианской религии, согласно которой жизнь была создана богом только на Земле и, стало быть, основное, центральное место во Вселенной занимает Земля, а на Земле — человек, «венец творения».
      Но не так просто было примирить примитивные геоцентрические представления с наблюдениями.
      Как известно, любая из планет перемещается по небу среди звезд вдоль эклиптики — большого круга небесной сферы, который описывает центр солнечного диска в течение года. Большую часть времени планеты движутся в ту же сторону, что и Солнце (прямым движением). Но время от времени планеты изменяют прямое движение на попятное, направленное в сторону, противоположную видимому годичному движению Солнца. Попятное движение продолжается от трех недель (для Меркурия) до 4/2 месяцев (для Сатурна) и затем снова сменяется прямым движением, так что планета как бы описывает на небе петлю.
      Еще Аристотель отмечал сложность видимых движений планет, которые «движутся не только вправо, но и влево, и притом по орбитам, наклоненным к орбитам неподвижных звезд». Для объяснения столь сложного характера планетных движений мыслитель древности Птолемей (II в. н. э.) разработал систему мира, согласно которой планеты движутся по малым кругам (эпициклам), центры которых в свою очередь обращаются вокруг Земли по большим кругам (деферентам). Из сложения этих двух круговых движений и получаются, по Птолемею, те петлеобразные движения планет среди звезд, которые непосредственно наблюдаются.
      Для представления этих движений с необходимой точностью пришлось допустить, что движение каждой планеты связано с несколькими эпициклами разных порядков, ибо иначе не удавалось объяснить весь сложный характер наблюдаемых движений планет.
      Лишь в середине XVI в. великий польский ученый Николай Коперник высказал замечательную идею о том, что Земля вовсе не является центром мира, а обращается вокруг Солнца так же, какн другие планеты. Гениальная книга Коперника «Об обращении небесных сфер», вышедшая в 1543 г., в корне изменила представления об устройстве Солнечной системы и о движении планет и Земли.
      Энгельс высоко оценил революционное значение системы Коперника. «Революционным актом, которым исследование природы заявило о своей независимости... было издание бессмертного творения, в котором Коперник бросил, — хотя и робко и, так сказать, лишь на смертном одре — вызов церковному авторитету в вопросах природы. Отсюда начинает свое летосчисление освобождение естествознания от теологии, хотя выяснение между ними отдельных взаимных претензий затянулось до наших дней и в иных головах далеко еще не завершилось даже и теперь» ). Хотя эти слова написаны Энгельсом около 100 лет назад, их можно с полным правом применять и в нашей современности.
      Рассматривая Землю как небесное тело, которое наряду с другими планетами обращается вокруг Солнца, Коперник своими трудами подготовил логический вывод о том, что не только характер движения, но и сама природа планет и Земли должна быть одинакова. Этот вывод был сделан выдающимся последователем Коперника итальянским мыслителем Джордано Бруно и подтвержден в результате телескопических открытий Галилея, о которых будет рассказано в следующем параграфе.
      Так постепенно складывалось правильное представление о природе планет. Теперь мы знаем, что планеты, в том числе и Земля, представляют собой темные, не-самосветящиеся тела, освещаемые Солнцем и отражающие его лучи. Такое определение этого типа йебесных тел можно распространить не только на планеты нашей Солнечной системы, но и на системы других звезд, ибо каждая звезда тоже представляет собой солнце и около нее также могут обращаться планеты.
      Отличить на небе планету от звезды можно по целому ряду признаков. Прежде всего, планеты перемещаются между звездами, однако их перемещение можно заметить лишь проводя наблюдения в течение нескольких вечеров. Такие планеты, как Венера и Юпитер, легко распознать, так как по блеску они намного превосходят самые яркие из звезд. Отличительным признаком каждой планеты является ее цвет: у Венеры он белый, у Марса — красноватый, у Юпитера — желтовато-белый, у Сатурна — желтый.
      Отличить планету от звезды мощно еще благодаря тому, что все звезды мерцают, а планеты обычно светят ровным, почти немигающим блеском. Как известно, мерцание звезд вызывается колебаниями воздуха, сквозь который проходят лучи на пути к глазу наблюдателя. Но звезды даже в самые сильные телескопы представляются точками, а планеты имеют заметные видимые размеры, так как они гораздо ближе к нам, чем звезды. Каждая точка диска планеты тоже как бы мерцает, т. е. изменяет свой блеск, но при этом усиление блеска в одной точке сопровождается ослаблением его в другой. В результате эти «мерцания» отдельных точек планетного диска, складываясь, создают постоянную во времени яркость каждого участка диска, и свет от диска в целом тоже получается неизменным.
      Но чтобы не только уметь отличать планеты от звезд, но и различать их друг от друга и находить на небе, надо хорошо знать звездное небо — основные созвездия и яркие звезды, особенно так называемые зодиакальные созвездия, по которым передвигаются Солнце, Луна и планеты. Таких созвездий двенадцать (их список дан в конце книги). Положения планет на каждый год вперед даются в астрономических календарях и ежегодниках.
      Планеты делятся на нижние и верхние. К нижним планетам относятся Меркурий и Венера, которые в своем видимом движении по небу никогда не отходят далеко от Солнца (Меркурий — не далее чем на 29°, Венера — на 48°). Угол наибольшего видимого удаления (элонгация) нижней планеты от Солнца зависит от соотношения радиусов орбит планеты и Земли. Эпохи наибольших элонгаций — лучшее время для наблюдения Меркурия и Венеры.
      Верхние планеты (Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон) могут наблюдаться на любом угловом расстоянии от Солнца — до 180° включительно.
      Деление планет на нижние и верхние было сделано сначала на основе различия их видимого движения по небу. Но уже Коперник объяснил это различие тем, что нижние планеты расположены ближе к Солнцу, чем Земля, а верхние планеты — дальше.
      Для верхних планет наиболее удобное время для наблюдения наступает тогда, когда планета приходит в противостояние (оппозицию) с Солнцем, т. е. отстоит от него примерно на 180°. В это время планета бывает расположена ближе всего к Земле и видна в течение всей ночи, восходя в момент захода Солнца и заходя к его восходу. Именно вблизи эпохи противостояния верхние планеты описывают на небе «петли».
      Самое неблагоприятное положение планеты бывает во время ее соединения с Солнцем, когда долгота планеты (в эклиптикальной системе небесных координат) равна долготе Солнца.
      Напомним, что эклиптикальная система координат представляет собой одну из систем небесных координат, определяющих положение светила на небесной сфере. В этой системе основной плоскостью является плоскость эклиптики, т. е. видимого годичного пути центра диска Солнца, параллельная плоскости земной орбиты. Положение светил на небесной сфере в этой системе измеряется долготой и широтой (как положение любого пункта на Земле — географической долготой и широтой). Долгота светила измеряется дугой эклиптики от точки весеннего равноденствия (пересечения эклиптики с экватором) до точки пересечения эклиптики с большим кругом, проходящим через полюс эклиптики и светило (т. е. с кругом широты светила). Направление отсчета долготы противоположно направлению суточного вращения неба. Широта отсчитывается по КРУГУ широты от эклиптики в обе стороны (от 0 до ±90°). Эклиптикальная система координат наиболее удобна для изучения видимых движений планет и Луны, так как они обычно недалеко отходят от эклиптики.
      Соединения бывают нижние, когда планета находится между Землей и Солнцем, и верхние, когда планета находится за Солнцем. Ясно, что в шикнем соединении могут бывать только нижние планеты, тогда как в верхнем — все планеты.
      Близ нижнего соединения, когда нижняя планета обгоняет Землю в ее движении вокруг Солнца, она движется по небу попятным движением, т. е. навстречу годовому движению Солнца, и также описывает «петлю».
      На рис. 1 показаны основные конфигурации (положения) нижних и верхних планет относительно Солнца и Земли. Для верхних планет указаны также квадратуры. Так называются положения планеты, когда она отстоит от Солнца на 90°. Нетрудно понять, что когда верзцяя планета находится в квадратуре. Земля для нее будет в наибольшей элонгации. Точно так же, если планета находится в противостоянии, то с точки зрения наблюдателя, находящегося на этой планете, Земля будет в нижнем соединении с Солнцем.
     
      § 2. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ ЗНАНИЙ О ПЛАНЕТАХ
      Начало изучению планет с физической точки зрения было положено Галилео Галилеем в 1609 г. Галилея по справедливости можно назвать первым планетоведом. Изобретение им телескопа сразу расширило круг возможностей исследователя и привело к ряду важных открытий.
      Галилей открыл на Луне горы и впадины, что подтверждало родственность природы Луны и Земли (до этого Луну многие считали совершенно гладкой). В октябре 1610 г. Галилей открыл фазы Венеры, доказав тем самым, что планеты — темные шарообразные тела, светящие за счет отражения света Солнца. Ему принадлежит открытие четырех спутников у Юпитера; то были первые тела нашей Солнечной системы открытые с помощью телескопа. Это открытие имело очень большое значение для подтверждения и иллюстрации теории Коперника, ибо система Юпитера представляла собой уменьшенное подобие Солнечной системы.
      Галилей наблюдал и Сатурн и, конечно, не мог не заметить его кольцо, однако из-за несовершенства своего телескопа он не разглядел его истинную форму. Ему представилось, что Сатурн — тройная планета, причем положение двух крайних планеток соответствовало «ушкам» кольца. Многие наблюдатели после Галилея пытались разгадать загадку этой планеты и рисовали ее в самых разнообразных видах (рис. 2). Но только голландскому ученому X. Гюйгенсу удалось в 1655 г. с несомненностью установить, что Сатурн окружен тонким плоским кольцом, нигде не соприкасающимся с планетой и наклоненным к эклиптике». В том же 1655 г. Гюйгенс открыл спутник Сатурна Титан.
      Дальнейший шаг вперед: в деле изучения планет и их спутников сделал французский астроном Ж. Д. Кассини, открывший в 1671 — 16845гг. еще четыре спутника Сатурна, а также темную щёль, разделявшую его кольцо на два концентрических кбльца и получившую названия «дё л ения Кассини». Кассини неоднократно наблюдал на дисках Юпитера и Марса темные и светлые пятна Наблюдения за их перемещением позволили ему в 1665 — 1666 гг. сделать вывод о вращении этих планет вокруг. оси. Дальнейщйм подтверждением этого факта явилось обнаруженное Кассини и теоретически объясненное Ньютоном полярное сжатие Юпитера.
      Кассини же приписывается первое наблюдение знаменитого Красного пятна на Юцитере (1064 г.), а также первая попытка определить период вращения Венеры по наблюдениям темных деталей на ее диске (1667 г.).
      Дальше наступает почти столетний период, не давший почти ничего нового в области изучения планет с физической точки Прения. Открытие Ньютоном закона всемирного тяготения и рост техники астрономических измерений направили основные усилия наблюдателей на точные определения положений планет — для создания наиболее совершенной теории их движения. Лишь во второй половине XVIII в. возобновились астрофизические наблюдения, ставившие задачей изучение физической природы планет.
      Пожалуй, наиболее важным научным событием этого периода явилось открытие Михаилом Васильевичем Ломоносовым атмосферы на Венере. Это открытие было сделано им во время наблюдения прохождения Венеры по диску Солнца 26 мая 1761 г. (ст. ст.). Наблюдения этого прохождения Венеры впервые предполагалось использовать для определения величины солнечного параллакса ) и расстояния от Земли до Солнца. Поэтому астрономы тщательно готовились к наблюдениям заранее. Ломоносов принимал деятельное участие в организации специальных экспедиций в Сибирь, а также в проведении аналогичных наблюдений в Петербурге. Наблюдая Венеру, когда она как бы «вступала» на диск Солнца, Ломоносов заметил, что незадолго до полного ее вступления вокруг противоположного Солнцу края черного диска планеты вдруг появилось «тонкое, как волос, сияние». Когда же Венера сходила с солнечного диска, на его краю появился светлый выступ, или «пупырь», по выражению Ломоносова (рис. 3). Венера как бы «приподнимала» солнечный край, пока вдруг светлый ободок с ее переднего края не разорвался и не исчез.
      Это явление видели в 1761 г. и другие наблюдатели. Но только Ломоносов сумел его правильно объяснить преломлением солнечных лучей в атмосфере Венеры. В своей брошюре «Явление Венеры на Солнце, наблюденное в Санкт-Петербургской Академии наук майя
      ) Параллакс — угол, под которым из центра Солнца или планеты виден экваториальный радиус Земли. Параллакс обратно пропорционален расстоянию до светила и используется для его исчисления.
      26 дня 1761 года», вышедшей в июле 1761 г., Ломоносов дает вполне правильную картину явления и законченную схему хода солнечных лучей через атмосферу Венеры (рис. 4). Ломоносов сделал вывод, что «планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою, таковою (лишь бы не большею), какова обливается около нашего шара земного».
      «Явление Ломоносова» наблюдалось и при последующих прохождениях Венеры по диску Солнца в 1769, 1874 и 1882 гг.
      Открытие Ломоносова имеет в истории изучения планет большое значение, так как оно явилось первым прямым доказательством существования атмосферы на другой планете Солнечной системы. Тем самым еще раз было показано физическое родство планет и Земли.
      До конца XVIII в. границей нашей планетной системы считалась орбита Сатурна. Но в 1781 г. эта граница отодвинулась почти на двойное расстояние. Английский астроном Вильям Гершель, наблюдая звезды в свой 7-футовый рефлектор, заметил 13 марта 1781 г. в созвездии Близнецов светило, имевшее вид диска. Сперва Гершель принял его за комету, но дальнейшие наблюдения и вычисление орбиты показали, что это новая планета. Она была названа Ураном. Уран, по-видимому, не раз наблюдался и раньше, но благодаря небольшому блеску (6-я звездная величина) его принимали за звезду.
      С помощью 20-футового рефлектора Гершель в 1787 г. открыл два спутника Урана: Титанию и Оберон, а в 1789 г., использовав 40-футовый рефлектор, — два новых спутника Сатурна (Мимас и Энцелад). Гер-шель установил также период вращения Сатурна, измерил его сжатие, обнаружил колебания блеска спутника Сатурна Япета и четырех галилеевых спутников Юпитера, заметил сезонные изменения размеров полярных шапок Марса.
      XIX век в астрономии начался с открытия еще одной планеты — Цереры, которая была обнаружена 1 января 1801 г. Дж. Пиацци. Ее орбита оказалась лежащей между орбитами Марса и Юпитера. В 1802 — 1807 гг. были открыты еще три планеты, орбиты которых находились в той же области: Паллада, Юнона и Веста. Все четыре планеты оказались очень малых размеров (200 — 1000 км в диаметре), благодаря чему их стали называть малыми планетами. Изображения малых планет почти не отличались от звезд, почему их называют также астероидами (звездоподобными).
      Начиная с 1845 г., «население» нашей планетной системы стало непрерывно пополняться за счет новых открытий малых планет. Рост инструментальной техники и применение фотографии привели к открытию во второй половине XIX в. более 450 астероидов. Размеры вновь открывавшихся малых планет, как правило, были значительно меньше первых четырех и составляли несколько десятков километров в диаметре.
      В 1846 г. границы планетной системы вновь расширились. На этот раз причиной этому явилась не случайная находка, а долгое кропотливое исследование. Точные измерения положений Урана за 65 лет, прошедших со времени его открытия, указали на наличие систематических расхождений с положениями, которые давала вычисленная орбита (при ее определении притяжение Юпитера, Сатурна и всех других известных планет было учтено). Это привело французского ученого Урбена Леверье и английского астронома Джона Адамса к мысли о том, что отклонения в движении Урана вызываются воздействием неизвестной планеты, находящейся за Ураном.
      Оба ученых независимо друг от друга поставили и решили задачу: по наблюдаемым отклонениям в движении Урана найти положение и массу неизвестной планеты. Она была найдена астрономом Галле в Берливе 23 сентября 1846 г. на основании указаний Леверье. Так был открыт Нептун.
      Значение открытия Нептуна выходит за рамки одной лишь астрономии. В своем произведении «Людвиг Фейербах» Энгельс подчеркивает значение этого открытия как одного из самых ярких примеров познаваемости мира и достоверности научных знаний.
      Две недели спустя после открытия Нептуна у него был открыт спутник, который (значительно позже) назвали Тритоном. В 1848 г. был открыт 8-й спутник Сатурна — Гиперион и тогда же внутри двух ярких колец Сатурна было обнаружено третье — темное, получившее название «крепового». В 1851 г. были открыты еще два спутника Урана: Ариэль и Умбриэль. В 1877 г. были найдены два спутника Марса: Фобос и Деймос, в 1892 г. был открыт пятый спутник Юпитера, а в 1898 г. — девятый спутник Сатурна (Феба).
      В XX в. открытия планет и их спутников продолжались: была открыта 1 большая планета, 12 спутников и более 1500 малых планет (астероидов). Такое увеличение числа открываемых астероидов (втрое больше, чем за весь XIX в.) связано целиком с применением фотографии и усовершенствованием аппаратуры и методики поисков. Свыше 100 малых планет было открыто на обсерватории в Симеизе (Крым) Г. Н. Неуйминым, С. И. Белявским, В. А. Альбицким и другими советскими астрономами. Симеизская обсерватория долгое время занимала в области открытия малых планет одно из ведущих мест среди всех обсерваторий мира, а теперь почетная роль в этом деле принадлежит Крымской астрофизической обсерватории АН СССР.
      Последняя из известных нам больших планет — Плутон — была открыта в 1930 г. американским астрономом Клайдом Томбо после долгих поисков занеп-тунной планеты. Эти поиски были предприняты на основании вычислений П. Ловелла, сделанных за 15 лет до этого. Ловелл, подобно Леверье и АдаМсу, исследовал движение Урана (ибо Нептун к тому времени не прошел еще и половины своей орбиты с момента открытия). Ему удалось также обнаружить небольшие систематические отклонения в движении Урана, которые были в 20 раз меньше, чем те, которые привели к открытию Нептуна. Но хотя Плутон был обнаружен недалеко от того места, которое было указано вычислениями, его масса оказалась настолько мала, что вопрос о значении теоретических расчетов в истории его открытия остается спорным.
      Новые спутники были открыты у Юпитера: VI и VII в 1904-1905 гг., VIII - в 1908 г., IX - в 1914 г., X и XI - в 1938 г., XII - в 1951 г., XIII - в 1974 г. В 1948 г. был открыт пятый спутник Урана, названный Мирандой, в 1949 г. — второй спутник Нептуна, получивший название Нереида, в 1966 г. был открыт десятый спутник Сатурна Янус, и, наконец, в 1978 г. был обнаружен спутник Плутона.
      Изучение поверхностей планет не дало заметных успехов от времен Ломоносова до 70-х годов XIX в. Наличие атмосферы на Венере было подтверждено рядом исследователей, но попытки построить карту планеты и определить период ее вращения оставались безуспешными ввиду неясности и размытости пятен, изредка наблюдавшихся на ее поверхности. Долго не был известен и период вращения Меркурия. В 1882 г. Скиапарелли нашел его равным периоду обращения планеты вокруг Солнца, т. е. 88 суткам, что считалось общепринятым до 60-х годов XX в., когда применение радиолокации позволило определить периоды вращения обеих планет.
      Изменчивость деталей на поверхностях Юпитера и Сатурна привела некоторых ученых к выводу о том, что эти планеты не твердые, а огненно-жидкие и излучают свой собственный свет, помимо отраженного от Солнца. Такая точка зрения держалась до 20-х годов нашего века, т. е. до измерения планетных температур. Но уже в наше время с помощью космических методов было подтверждено собственное излучение Юпитера.
      В 70-х годах XIX в. начались более тщательные наблюдения планет. Исследования Марса Дж. Скиапарелли, а затем П. Ловеллом, приведшие к созданию заманчивой гипотезы «каналов» на Марсе, точные наблюдения полос Юпитера (Ф. А. Бредихин и др.), открытие в 1878 г. Красного пятна на Юпитере, наблюдения полос на Сатурне, — вот что производилось исследователями планет конца XIX в.
      Применение астрофизических методов исследования: фотометрии, спектроскопии, радиометрии и дру
      гих, начавшееся уже в нашем веке, дало гораздо более значительные результаты, которые будут изложены в следующих главах.
     
      § 3. ОБЗОР СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
      Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по своим размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, 9 больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеорных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. В настоящее время (1979 г.) нам известны 34 спутника и 2000 астероидов.
      Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела — Солнца. В Солнце сосредоточено 99,87% общей массы всех тел Солнечной системы, и все остальные тела — планеты с их спутниками, астероиды, кометы и метеоры — обращаются вокруг него.
      Если сопоставить различные тела Солнечной системы, выбрав за основной признак их массу, то получится как бы непрерывная последовательность, что хорошо видно из табл. 1.
      Заметим, что данные о массе астероидов, а также метеоритов Аризонского и Каали носят только предположительный характер.
      Таким образом, в Солнечной системе наблюдается огромный диапазон масс, особенно если учесть наличие в межпланетном пространстве космической пыли. Различие в массах между Солнцем и какой-нибудь пылинкой в тысячную долю миллиграмма будет составлять около 40 порядков, иначе говоря, отношение их масс будет выражаться числом с 40 нулями.
      Планеты на этой «шкале масс» (которую можно уподобить шкале длин волн) занимают область, охватывающую 15 порядков, — от крупнейшей планеты Юпитер До самого малого из известных нам астероидов — Адониса (рИс. 5).
      При ознакомлении с планетами бросается в глаза резкое разделение их на три группы как по массе и Другим физическим признакам, так и по расстояниям от Солнца. Эти группы: планеты-гиганты, или планеты ипа Юпитера, планеты типа Земли и астероиды (маню планеты).
      К группе планет-гигантов принадлежат Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты, обращающиеся на значительных расстояниях от Солнца, имеют большие массы, малые плотности и быстрое вращение вокруг оси. Даже наименьшая планета из этой группы, Уран, по массе почти в пять раз превосходит все планеты «земной» группы, спутники и астероиды, вместе взятые. Наибольшая же планета, Юпитер, превосходит общую массу всех планет Солнечной системы, включая и своих «собратьев» по группе, в два с лишним раза. Средняя плотность этих планет близка к плотности воды, а периоды вращения составляют 10 — 15 часов. Такое быстрое вращение порождает значительную центробежную силу в экваториальных областях этих планет (где линейная скорость вращения наибольшая), что приводит к образованию у них экваториального «горба» и к значительному сжатию этих планет у полюсов, как видно из таблицы в Приложении 2.
      Планеты «земной» группы, наоборот, имеют при сравнительно небольшой массе высокую среднюю плотность (3,8 — 5,5 г/см3) и значительно большие периоды вращения: от 24 часов до 243 суток. Особое место занимает Плутон, по своим физическим свойствам, по-видимому, близкий к планетам «земной» группы, но находящийся от Солнца на очень большом расстоянии.
      Третью группу составляют астероиды. Хотя их в настоящее время известно свыше 2000, общее число этих планет должно составлять несколько десятков тысяч. Несмотря на такое большое количество, общая масса астероидов по подсчетам акад. В. Г. Фесенкова и проф.
      С. В. Орлова не превосходит 0,001 массы Земли.
      Большинство известных нам астероидов обращается между орбитами Марса и Юпитера, но целый ряд их, имея сильно вытянутые эллиптические орбиты, заходит внутрь орбиты Марса (Эрот, Амур) и даже Земли и Венеры (Аполлон, Адонис), а некоторые, наоборот, выходят за пределы орбиты Юпитера (Гидальго). В 1949 г. был открыт астероид Икар, который в перигелии заходит внутрь орбиты Меркурия (!), приближаясь к Солнцу на 28 млн. км.
      1 ноября 1977 г. астроном обсерваторий Хейла в США (ранее известных как Маунт Вилсон и Маунт Па-ломар) Чарльз Коуэл открыл астероид с очень медленным видимым движением. Вычисления его орбиты показали, что она лежит между орбитами Сатурна и Урана, лишь на небольшом участке заходя внутрь орбиты Сатурна. Альбедо и точные размеры этого астероида, названного Хироном, неизвестны; его диаметр заключен в пределах от 160 до 640 км. Не исключено, что в этой части Солнечной системы движется не только Хирон, но и другие астероиды.
      Спутники планет по массе и размерам образуют как бы «переходную группу» между планетами земной группы и астероидами.
      Для Солнечной системы характерен ряд закономерностей. Орбиты больших планет имеют почти круговую форму и лежат почти в одной плоскости (некоторое отклонение имеется у Плутона и Меркурия), все планеты вращаются в одном направлении, совпадающем с направлением вращения Солнца и почти всех планет (исключения — Венера и Уран). Наконец, распределение расстояний планет от Солнца также, по-видимому, следует определенной закономерности. Это было подмечено еще в конце XVIII в., когда Тициусом и Боде был предложен эмпирический «закон» планетных расстояний, выражаемый формулой
      где п — порядковый номер планеты, a Rn — ее расстояние от Солнца в астрономических единицах.