Книга: Ориентировка по звездам

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЛАКТИКЕ, СОЛНЦЕ, ПЛАНЕТАХ И ЛУНЕ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЛАКТИКЕ, СОЛНЦЕ, ПЛАНЕТАХ И ЛУНЕ

Голубое дневное небо и темный ночной небосвод, усыпанный множеством мерцающих звезд, — интересное зрелище для наблюдателя. Один из философов прошлого сказал, что если бы звездное небо было видно только в каком-нибудь одном месте Земли, то к этому месту непрерывно двигались бы толпы людей, чтобы полюбоваться редкостным зрелищем. И действительно, трудно не залюбоваться своеобразными и яркими красками на небе при восходе и заходе Солнца или золотистой россыпью звезд в ясную безлунную ночь.

Окружающее нас пространство представляется нам в виде небесного свода — огромного купола, опрокинутого над нами, на котором днем мы видим Солнце, а иногда и Луну, а ночью — звезды, Луну, планеты.

Особенно много звезд видно в той части небосвода, где находится светлая, туманная полоса, как бы опоясывающая небо. Если рассматривать ее в телескоп, то можно различить здесь множество расположенных близко одна к другой слабых звездочек. Это гигантское звездное скопление образует звездную систему, называемую Галактикой, куда входит и Солнце как одна из рядовых, ничем особенно не Примечательных звезд (рис. 1).

Рис. 1. Схема строения Галактики

Галактика довольно хорошо изучена. Установлено, что она имеет сложный состав и структуру. Ее составляют приблизительно 150 миллиардов звезд. Значительная часть из них образует дискообразную (в форме чечевицы) систему, отдельные члены которой обращаются по почти круговым орбитам вокруг центра Галактики. Эти звезды из-за своей удаленности не различаются раздельно невооруженным глазом и создают хорошо видимую в ясные безлунные ночи картину Млечного Пути. Не менее значительное количество звезд, по-видимому, обращается вокруг центра Галактики по вытянутым орбитам, сильно наклоненным к главной плоскости Млечного Пути. Эти звезды образуют ядро Галактики, вокруг которого обращаются все остальные звезды, в том числе и Солнце.

 Кроме отдельных звезд, Галактика содержит звездные скопления и звездные ассоциации, планетарные и диффузные туманности, а также межзвездное вещество, состоящее из газов (главным образом водорода) и мелких частиц (космической пыли). Межзвездный газ заполняет, как предполагают, всю сферическую и плоскую составляющие Галактики, а твердые частицы располагаются лишь в плоской составляющей, для которой характерна спиральная структура, наблюдаемая и у множества других спиральных галактик (рис. 2).

Рис. 2. Туманность (галактика) в созвездии Андромеды

Размеры Галактики огромны. Ее наибольший поперечник равен примерно 85 000 световых лет. Это значит, что расстояние от одного до другого края Галактики можно преодолеть со скоростью света (300 000 км/сек) за 85 000 лет.

Солнце расположено ближе к краю Галактики, чем к центру, который виден нам в направлении созвездия Стрельца, одного из наиболее ярких участков Млечного Пути. На этом расстоянии от центра (23 000 световых лет) скорость обращения составляет примерно 250 км/сек, а один оборот вокруг центра Галактики Солнце завершает примерно в 185 млн. лет. И хотя оно обращается с колоссальной скоростью, во много раз превышающей скорость полета пули, снаряда и ракеты, за полтора часа Солнце успевает пройти лишь расстояние, равное своему поперечнику. На других расстояниях от центра Галактики скорости обращения звезд иные. Возраст звезд Галактики, как установлено, неодинаковый. Но и самые «молодые» насчитывают сотни тысяч и миллионы лет.

Галактика не единственная звездная система Вселенной. За пределами нашей Галактики астрономы обнаружили множество подобных по своему строению звездных систем. Это другие галактики, или, как их еще называют, внегалактические туманности.

Ближайшая к нам спиральная туманность видна в созвездии Андромеды (рис. 2). Она находится от нас на расстоянии более миллиона световых лет и по своим размерам больше нашей Галактики.

Сейчас ученым известны миллионы галактик, целые скопления и облака галактик. Предполагают, что все видимые в настоящее время галактики составляют лишь небольшую часть более грандиозной космической системы — Метагалактики. До ее границ пока не могут проникнуть даже самые мощные телескопы.

Взаимное положение звезд на небе не является неизменным. Все звезды, в том числе и наше Солнце, перемещаются в различных направлениях со скоростями в десятки и сотни километров в секунду. Угловое перемещение звезды на небесной сфере за один год называется собственным движением звезды. Правда, изменение видимых с Земли положений звезд происходит очень медленно, так как расстояния до звезд чрезвычайно большие, и перемещение становится заметным через многие тысячелетия (рис. 3).

Рис. 3. Собственное движение ярких звезд созвездия Большой Медведицы:

а — вид ковша несколько десятков тысяч лет назад; б — в настоящее время; в — через несколько десятков тысяч лет

Рис. 4. Движение Земли и других планет вокруг Солнца

Собственное движение звезд в течение одного года обычно измеряется дугой в доли секунды. Однако за длительное время это перемещение увеличивается,  поэтому координаты звезд со временем уточняют.  

Солнце вместе со всей солнечной системой движется относительно окружающих звезд по направлению к точке, находящейся  на границе созвездий Лиры и Геркулеса,  со скоростью около 20 км/сек. Увлекаемая движением Солнца Земля описывает в пространстве винтовую линию.

Движение солнечной системы впервые было установлено В. Гершелем в 1783 г.

Вокруг Солнца на различных от него расстояниях под действием силы притяжения обращаются девять планет, девять больших темных шарообразных тел, одним из которых является наша Земля (рис. 4).

Каждая планета имеет свое название: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Предполагают, что далеко за орбитой Плутона вокруг Солнца обращается еще одна планета — Трансплутон, но пока ее еще никто не видел.

Земля находится от Солнца на расстоянии в среднем 150 млн. км. Меркурий и Венера ближе к Солнцу, чем Земля, а остальные планеты дальше. Самая дальняя планета — Плутон, она примерно в 40 раз дальше от Солнца, чем Земля. Некоторые планеты имеют свои спутники.

Между орбитами Марса и Юпитера вокруг Солнца обращается множество малых планет, называемых астероидами. К настоящему времени известно более 1800 таких астероидов. Диаметр большинства астероидов 15—75 км. Самый крупный из них — Церера имеет диаметр до 770 км.

Самые мелкие — неправильной формы глыбы диаметром около 1 км.

Космическая ракета, запущенная в Советском Союзе в январе 1959 г. на орбиту вокруг Солнца, стала первой искусственной планетой солнечной системы. Ее иногда называют «десятой планетой», хотя по размерам она несравненно меньше естественных планет. Орбита космической ракеты проходит между орбитой Земли и орбитой Марса.

Планеты различны по размерам, плотности, количеству спутников и другим данным. Примерно такими же по размеру, как Земля, являются Меркурий, Венера, Марс. У этих планет плотность значительно больше, чем плотность воды. Предполагают, что такого же типа планета Плутон. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — планеты значительно больших размеров. Все они имеют среднюю плотность, близкую к плотности воды.

Сравнительные размеры Солнца и планет показаны на рис. 5.

Так как размеры орбит планет различны, различны и их периоды обращения вокруг Солнца. Если Земля делает полный оборот вокруг Солнца за год, то Меркурий примерно за 1/4 года, Юпитер — за 12, а Плутон — почти за 250 земных лет.

Невооруженным глазом на небе можно увидеть шесть планет: Уран, Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн; для воздушной навигации применяются последние четыре. От звезд планеты отличаются яркостью. Хотя света они не излучают, но, как и Земля, освещаются Солнцем и отражают солнечные лучи, почему и становятся видимыми.

В отличие от звезд, непрестанно мерцающих и меняющих яркость, особенно морозной ночью, в ветреную погоду и после дождя, планеты всегда сияют ровным светом. Это объясняется тем, что лучи света от звезд, воспринимаемых глазом, как светящиеся точки, проходя через слои атмосферы различной плотности, претерпевают множество отклонений от прямого пути, в результате чего они приходят к нам то ослабленными, то усиленными, и свет звезд как бы вспыхивает, дрожит. Планеты же находятся к нам значительно ближе звезд и представляются нам не светящимися точками, а небольшими дисками, различные точки которых мерцают в разное время, и общая сумма света, отраженного ими, остается почти постоянной. Поэтому их свет воспринимается глазом как ровный и спокойный.

Рис. 5. Сравнительные размеры Солнца и планет

Видимое положение планет относительно звезд непостоянно. Планеты как бы «блуждают» среди звезд. Собственно, и слово планета в переводе с греческого языка означает «блуждаю». В результате сочетания обращения планет вокруг Солнца и движения Земли с движением каждой планеты это перемещение планет относительно звезд происходит то быстрее, то медленнее, то оно направлено в сторону суточного вращения небесной сферы, то в противоположную сторону. Движение планет среди звезд может казаться нам и петлеобразным, так как мы наблюдаем его с Земли, которая сама обращается вокруг Солнца.

Все планеты совершают свой видимый путь вблизи эклиптики, в области так называемого пояса Зодиака. Видимое перемещение планет, как и Солнца, среди звезд происходит в направлении с запада на восток.

На рис. 6 показана схема перемещений по звездному небу планеты Венеры с начала января до 15 августа 1961 г. Как видно из этой схемы, Венера в первой половине января проходит созвездие Водолей, затем в феврале проходит южнее созвездия Пегас и с начала марта до 15 мая совершает петлеобразный путь между созвездиями Андромеды и Кита. В середине июля Венера видна южнее созвездия Овен, в июле проходит через созвездие Тельца, а в августе— через созвездие Близнецы.

Рис. 6. Схема перемещения по звездному небу планеты Венеры с 1.1 по 15.8 1961 г.

В истории развития познаний о планетах большое значение имело открытие немецким ученым Иоганном Кеплером в начале XVII века трех законов движения планет, ставших основой теоретической астрономии. Путем вычислений он доказал, что, во-первых, каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Отсюда следует, что расстояние между планетой и Солнцем меняется. Ближайшую к Солнцу точку орбиты называют перигелием, а самую отдаленную — афелием.

Во-вторых, Кеплер нашел, что скорость движения планеты вокруг Солнца не всегда одинакова: подходя ближе к Солнцу, планета движется быстрее, а отходя дальше от него — медленнее.

В-третьих, Кеплер установил зависимость между временем обращения планет и их расстоянием от Солнца: квадраты периодов обращения любых двух планет относятся между собой, как кубы их средних расстояний от Солнца. Следовательно, зная из наблюдений периоды обращения планет, можно определить большие полуоси орбит планет и расстояния планет от Солнца.

При движении планет их взаимное расположение все время меняется. Например, внутренняя по отношению к Земле планета, т. е. более близкая к Солнцу, чем Земля, может быть между Землей и Солнцем или за Солнцем. Планеты, находящиеся за Солнцем и между Землей и Солнцем на одной линии, с Земли не видны, так как они скрываются в лучах Солнца.

Условия наблюдения планет зависят от угла между направлением на Солнце и на планету: чем больше угол, тем лучше условия для наблюдения. Для внешних планет этот угол может быть от 0 до 180° в обе стороны от Солнца. У внутренних планет — Меркурий, Венера — эти углы не превышают 28° для Меркурия и 48° для Венеры.

Внутренние планеты имеют относительно небольшие угловые расстояния от Солнца, поэтому они и наблюдаются или перед восходом Солнца, или вскоре после его захода в зависимости от того, с какой стороны от Солнца находится планета. Вид таких планет меняется в зависимости от освещения Солнцем, подобно тому как меняется вид Луны.

Для наблюдения за внешней планетой (Марс, Юпитер и др.) наилучшим является время, когда она находится в стороне, противоположной Солнцу. В это время планета ближе всего к Земле и видна в течение почти всей ночи. Такое положение планеты называется противостоянием. Из-за вытянутости орбит планет в периоды противостояний они бывают то ближе, то дальше от Земли. Противостояние планет с наиболее близким расстоянием от Земли называют великим.

Когда Земля и один из ближайших наших космических соседей Марс расположены с разных сторон от Солнца, расстояние между ними около 400 млн. км, когда же Марс находится в противостоянии, он приближается к Земле на расстояние от 56 до 101 млн. км. Противостояния Марса повторяются через каждые два года и пятьдесят дней, но великие противостояния Марса, когда он находится от Земли на расстоянии 56 млн. км, повторяются только через 15—17 лет. Большинство открытий на Марсе было сделано в годы его великих противостояний.

Наиболее яркие и хорошо видимые планеты — Венера, Марс, Юпитер и Сатурн.

Венера светит серебристо-беловатым светом, она ярче всех планет и тем более звезд. Венера никогда не уходит далеко от Солнца. В ясную погоду ее можно наблюдать либо на западе вскоре после захода Солнца, либо на востоке незадолго до его восхода. Поэтому Венеру иногда называют «зарницей», «вечерней и утренней звездой». 19—20 мая 1961 г. на расстоянии менее 100 000 км от Венеры, по расчетам, должна пройти межпланетная автоматическая станция, запущенная в нашей стране 12 февраля 1961 г.

Марс — следующая за Венерой по яркости планета красноватого цвета, во время наибольшего блеска гораздо ярче Звезд первой величины. Юпитер — планета желтоватого цвета, примерно такой же яркости, как Марс. Сатурн — желтовато-сероватого цвета, по яркости примерно такой же, как звезды первой величины. Интересно отметить, что при наблюдении в хороший телескоп Сатурн представляет собой волшебное зрелище. Это единственная планета солнечной системы, украшенная кольцом. Кольцо это плоское, очень широкое, его внутренний край удален от планеты на несколько десятков тысяч километров. Кольцо Сатурна не сплошное, оно состоит из отдельных мелких обломков, вращающихся вокруг планеты.

Марс, Юпитер и Сатурн можно наблюдать в различное время ночи.

Луна — единственный естественный спутник Земли, ближайшее к ней небесное светило. Луна так же, как и планеты, светит отраженным светом Солнца.

По отношению к звездам Луна непрерывно перемещается, смещаясь за сутки к востоку примерно на 13°.

Полный оборот по орбите вокруг Земли Луна совершает в течение 27 1/3 суток. Этот промежуток времени называется сидерическим или звездным месяцем. За это время Луна, описав по небесной сфере полный круг, возвращается к первоначальному положению относительно звезд.

Промежуток времени между двумя последовательными новолуниями называется синодическим месяцем. Продолжительность синодического месяца — 2972 суток. То, что продолжительность синодического месяца больше, чем продолжительность звездного месяца более чем на двое суток, объясняется запаздыванием каждого последующего новолуния из-за движения Земли по своей орбите вокруг Солнца. Луна за время между новолуниями проходит больше чем полный оборот (360°) вокруг Земли на величину перемещения Земли вокруг Солнца за это же время. Это перемещение Земли составляет примерно 27°. Таким образом, Луна проходит по своей орбите за синодический месяц 360° + 27° = 387°.

При своем движении вокруг Земли Луна все время обращена к Земле одной стороной, так как период вращения Луны вокруг своей оси равняется периоду ее обращения вокруг Земли.

В зависимости от положения Луны относительно Солнца и Земли мы наблюдаем меньшую или большую часть освещенного лунного диска, т. е. наблюдаем различные фазы Луны.

 Рис. 7. Фазы Луны

Когда Луна находится между Солнцем и Землей, к нам обращена неосвещенная часть Луны, и мы ее не видим. Эта фаза называется новолунием. Когда же Луна находится с противоположной стороны от Солнца, т. е. когда Земля находится между Солнцем и Луной, все обращенное к нам полушарие Луны ярко освещено. Эта фаза называется полнолунием. В промежуточных положениях нам видна та или другая часть освещенной Луны, поэтому она имеет вид полудиска или серпа (рис. 7).

Основных фаз Луны четыре: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть; следовательно, промежуток времени между фазами Луны немного больше 7 суток.

Возрастом Луны называется промежуток времени, протекший от новолуния. Например, возраст Луны в первой четверти примерно 7 суток, а в полнолуние 15 суток.

При определенных взаимных положениях Солнца, Земли и Луны происходят лунные и солнечные затмения. Когда Луна попадает в тень Земли, происходит лунное затмение, когда же Луна находится между Солнцем и Землей и загораживает собой Солнце, происходит солнечное затмение.

Если бы плоскость лунной орбиты точно совпадала с плоскостью эклиптики, в которой происходит видимое годовое перемещение Солнца, то затмения Солнца и Луны происходили бы ежемесячно: во время новолуния — солнечные затмения, а во время полнолуния — лунные затмения. Но этого не происходит, так как лунная орбита наклонена относительно эклиптики на 5°08'. Луна в новолуние ив полнолуние чаще всего проходит выше или ниже эклиптики, и затмения не происходит. В году бывает не менее двух солнечных и максимум два лунных затмения. Но бывают годы совсем без лунных затмений.

Лунное затмение, полное и частное, когда только часть Луны попадает в тень Земли, можно наблюдать одновременно на всем полушарии, обращенном в это время к Луне.

Солнечное затмение наблюдается только внутри сравнительно небольшого пространства, которое образуется лунной тенью на поверхности Земли. Ввиду того что Луна движется вокруг Земли, вращающейся вокруг своей оси, тень Луны перемещается по поверхности Земли со скоростью 1 км/сек, и солнечное затмение наблюдается последовательно на различных участках земной поверхности.

15 февраля 1961 г. на территории Советского Союза наблюдалось полное затмение Солнца. Это интереснейшее явление природы было последним в XX веке над Европейской частью нашей страны.

Картина полного солнечного затмения весьма эффектна. Когда последний узкий серп Солнца закрывается Луной, 2—3 мин бывает темно. Вместо Солнца виден черный диск Луны, окруженный сиянием серебристой солнечной короны и красноватыми выступами раскаленных протуберанцев. На темном небе становятся видимыми яркие звезды и планеты.

Наблюдение солнечных затмений имеет большое научное значение. В это время можно изучать внешние слои Солнца, невидимые с Земли в обычных условиях. Как известно, пятна, вспышки и другие проявления деятельности Солнца вызывают на Земле магнитные бури, полярные сияния и другие явления. Наблюдая затмения Солнца, астрономы уточняют также данные о его строении, о физических и химических процессах, происходящих на его поверхности, исследуют различные излучения.

В одном и том же пункте полные затмения Солнца бывают примерно один раз в 400 лет. Москвичи, например, ближайшим полным солнечным затмением могут любоваться только 16 октября 2126 года в 10 ч 58 мин.

Движение Луны вызывает еще одно интересное явление на Земле — приливы и отливы. Природу этого явления и регулярность повторения разъяснил в XVII веке великий английский ученый Ньютон.

Луна притягивает к себе все точки земного шара по-разному: более близкие—сильнее, более далекие — слабее. Поэтому тела на той части земной поверхности, которая обращена к Луне, притягиваются сильнее, чем тела, находящиеся внутри Земли или на противоположной стороне ее поверхности.

Приливная волна возникает не только на той стороне Земли, которая обращена к Луне, но и на прямо противоположной в результате проявления центробежной силы, равной силе притяжения Луны, но обратной по направлению. Поэтому в течение суток (точнее, за 24 ч 50 мин) на берегах открытых морей и океанов бывает по два прилива и два отлива, чередующихся примерно через 6 ч.

Приливные силы действуют также на твердую оболочку Земли, вызывая ее деформацию. Эти «приливы» были замерены с помощью чувствительных гравиметров (прибор для определения силы тяжести). Например, в Москве они достигают 30—35 см.

Приливы в атмосфере выражаются в незначительных колебаниях атмосферного давления, а также в периодических изменениях некоторых свойств верхних слоев атмосферы.

Приливы вызывает не только Луна, но и Солнце своим притяжением. Но его приливное действие слабее, потому что Солнце почти в 400 раз дальше от Земли, чем Луна.