Текст книги "Очерки о Вселенной"

Автор книги: Борис Воронцов-Вельяминов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 36 страниц)

Ловля лучей высоких энергий

Земная атмосфера на наше счастье задерживает губительные для жизни лучи высоких энергий, приходящие на Землю извне. Чем короче длина волны, тем большую энергию несут с собой кванты электромагнитного излучения. Такими являются, в частности, рентгеновские лучи, обладающие, как вы знаете, огромной проницающей энергией. Однако и они на длинном пути в земной атмосфере теряют свою энергию при столкновениях с молекулами и атомами и, по крайней мере в своем первоначальном виде, до поверхности Земли не доходят. Между тем они представляют громадный интерес, так как связаны с внутриатомными процессами, и изучение их эмиссии помогает понять процессы в излучающих их телах, вскрыть глубже их природу. Еще более коротковолновые лучи, несущие еще больше энергии, выделяются, например, при радиоактивном распаде. Они называются гамма-лучами.

В 1962 г. счетчик квантов таких лучей, установленный на высотной ракете, обнаружил рентгеновский источник в созвездии Скорпиона. С конца 1970 г. до начала 1975 г., всего за 5 лет, было открыто около 200 космических источников рентгеновского излучения. Эта новая область изучения электромагнитных лучей, идущих из Космоса, бурно развивается. В рентгеновских лучах изучается и наше Солнце.

Таким образом, вести из Космоса мы получаем теперь по всему диапазону электромагнитных волн. От оптических лучей к тепловым и далее к радиоволнам, а в другую сторону – через ультрафиолетовые лучи к рентгеновским лучам.

Другой вид лучей высоких энергий представляют собой «космические лучи», понимаемые сейчас более узко как «корпускулярные лучи» из Космоса. Это элементарные частицы, преимущественно протоны и электроны, выбрасываемые при каких-то мощных процессах со скоростями, приближающимися к скорости света. Поэтому их кинетическая энергия и пробивная сила колоссальны. Как известно, уже у границ земной атмосферы они представляют большую опасность для космонавтов при долгом облучении.

Частицы космических лучей за пределами земной атмосферы, как и рентгеновские лучи, изучаются теперь с искусственных спутников Земли.

Еще один способ изучения космических тел и процессов опирается на более старую технику. Это так называемая баллонная астрономия. При помощи связок воздушных шаров-баллонов удается поднимать в стратосферу и там стабилизировать довольно большие телескопы, преимущественно для наблюдения Солнца без атмосферных помех.

По родным обсерваториям

Русская астрономия, по праву гордящаяся своими выдающимися представителями, в прошлом имела скромную материальную базу, если оставить в стороне первоклассную широко известную Пулковскую обсерваторию.

На огромной территории Российской империи, кроме Пулковской обсерватории, изучали небо лишь несколько небольших университетских обсерваторий, на которых редко работало больше чем по два-три специалиста – царское правительство не баловало науку и астрономию в частности.

Социалистический строй в корне изменил положение, и наша страна покрылась целою сетью крепостей, штурмующих тайны неба. Форпосты этих тип меридианного круга Сухарева, спектральные Фотоэлектрические приборы, мощные радиотелескопы и т. д. Вспомогательные лаборатории обсерватории необычайно разрослись.

Обсерватория старейшего Московского университета (иначе Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга, или ГАИШ), в котором крепостей, выдвинутые в социалистическую эпоху далеко на юг старейшими ветеранами астрономической науки в Ленинграде и Москве, быстро превратились в хорошо оборудованные обсерватории братских республик. В бывших царских колониях и полуколониях, где зачастую не было ни одного астронома-специалиста, местные национальные кадры стали равноправными творцами науки о небесных глубинах.

Рис. 23. Общий вид Пулковской обсерватории

Теперь Пулковская обсерватория обогатилась новыми приборами отечественной конструкции.

Здесь мы находим телескопы новых систем, изобретенные Максутовым и Слюсаревым, большой горизонтальный телескоп для изучения Солнца, новый свыше полустолетия (с 1924 г.) протекала моя научная деятельность, в 1954 г. переехала в новое обширное помещение на Ленинских горах, расположенное юдалеку от замечательного высотного здания Московского университета. В Крыму, под темным южным ом с 1958 г. вступила в строй южная база МГУ где установлены новые, большие телескопы до 125 см

Рис. 24. Новое здание ГАИШ на Ленинских горах. Вдали высотное здание МГУ

Разрушенная фашистами Крымская обсерватория Академии наук СССР в Симеизе восстановлена гораздо более обширная обсерватория выстроена вновь под Бахчисараем. Обе они объединены в Крымскую астрофизическую обсерваторию. С одной из них открывается широкий вид на море и на утесы южного склона горного хребта Яйлы, а с другой – взором охватываются цепи гор северных склонов этого же горного массива. Там установлен рефлектор с зеркалом 2,6 м. Установлены прибор для киносъемки Солнца, светосильные мощные камеры и приборы для фотографирования ночного неба, радиотелескопы и многие-многие другие приспособления для «хирургического вскрытия» атмосфер не бесных тел.

Рис. 25. 70-сантиметровый отражательный телескоп на обсерватории ГАИШ

В предгорьях величест венного Алагеза (иначе Арагаца) в Бюракане над Армянской долиной вырос ла обсерватория Акаде мии наук Армянской ССР Хорошо оборудованная расположенная в южных широтах и на большой вы соте, она является одной из лучших наших обсервато рий. Она также обладает рефлекторами с зеркалам диаметром в 1 и в 2,6 м Последний, как и его близ нец, – крымский, – наибольшие в Европе. Основным профилем этой обсерватории являются звездно-астрономические работы.

Рис. 26. Крымская астрофизическая обсерватория. На переднем плане – башня двойного астрографа; слева – башня 120-сантиметрового рефлектора

Также в горах, на горном хребте Канобили, над знаменитым курортом Абастумани, недалеко от Боржоми, в Грузии, с каждым годом расширяется астрофизическая обсерватория, больше всего сделавшая для изучения цвета далеких небесных тел и для изучения пыли в пространстве между звездами. Тут находится самый большой из телескопов системы Максутова с диаметром 70 см.

В Азербайджане, вблизи Шемахи, в 1967 г. вступила в строй новая обсерватория с двухметровым рефлектором и другими приборами.

На высоком горном хребте строится обсерватория, на которой установлен крупнейший в мире 6-метровый рефлектор, а внизу, в долине – огромный радиотелескоп.

Горная обсерватория у г. Алма-Аты в Казахстане успешно использовала телескоп Максутова с диаметром 50 см для установления тончайших деталей в облаках межзвездного газа.

Рис. 27. Бюраканская астрофизическая обсерватория АН Армянской ССР

Сильно разрослись или выстроены впервые университетские и другие обсерватории около Риги, Тарту, Харькова, Киева, Одессы, Казани, Николаева, Ташкента, Львова и другие. Многие из них имеют хорошие загородные филиалы. Базой для них является молодая, но бурно развивающаяся отечественная оптико-механическая промышленность, опирающаяся на рост тяжелой индустрии в нашей стране.

Умные» планеты и луны

Человек уже научился делать планеты, притом планеты не такие, как создала природа. Планеты, созданные природой, носятся в пространстве глухие, немые, невидящие.

Человек же создал планеты, более всего сходные с астероидами по размеру и по характеру движения, но планеты «умные». Они «видят» и «говорят». Планеты, созданные человеком, и «слушают», так как принимают радиоизлучение небесных тел и радиосигналы, посылаемые к этим планетам с Земли.

В СССР и в США после второй мировой войны начались запуски высотных ракет с разными автоматическими приборами и с телеметрической передачей.

Такие ракеты, поднимающиеся в самые разреженные слои атмосферы, оставляют под собой не только все облака, но и слой газа озона, который поглощает далекое ультрафиолетовое излучение светил и не позволяет изучать его. Даже эти кратковременные полеты ракет, снабженных автоматическими спектрографами и другими приборами, доставили нам много ценных сведений. Помимо данных о строении самой атмосферы, они, в частности, позволили впервые изучить далекий ультрафиолетовый спектр Солнца, его рентгеновское излучение и этим лучше понять его природу.

4 октября 1957 г. в СССР был запущен первый в истории человечества искусственный спутник Земли. Это было триумфом советской науки и техники, так как тут человек впервые преодолел тяготение Земли и создал искусственную луну,– не падающую вскоре вниз высотную ракету, а маленькую лабораторию, несколько месяцев кружившуюся вокруг Земли. За первой искусственной луной последовали дальнейшие, все возраставшего веса и все более богато оборудованные. Радиопередачи на Землю показаний приборов, установленных на спутниках, доставили много ценных сведений о строении верхних слоев земной атмосферы, о составе и энергии космических лучей, об излучении Солнцем ультрафиолетовых лучей и частиц вещества, несущихся с огромной скоростью.

В Советском Союзе 2 января 1959 г. впервые в мире был осуществлен запуск космической ракеты со станцией «Луна-1» на борту; последней ступени ракеты вместе со станцией была сообщена скорость около 11,2 км/сек, и она полностью вышла из области земного тяготения.

Освободившись от земного тяготения, станция продолжала движение уже под действием тяготения Солнца и стала описывать орбиту вокруг него как самостоятельная планета. Эта станция – планета более всего сходна с астероидами, особенно с теми малыми планетами, которые пересекают орбиту Земли. Ее период обращения 15 месяцев. Она будет теперь вечно обращаться вокруг Солнца, невидимая для нас, так как будет встречаться с Землей на расстояниях не менее миллиона километров.

4 октября 1959 г. третья космическая ракета СССР вывела на орбиту автоматическую межпланетную станцию «Луна-3», которая впервые сфотографировала невидимое с Земли полушарие Луны и передала эти фотографии на Землю после облета Луны.

Бурное развитие космонавтики – полетов в Космос, путь к которым указал наш великий соотечественник К. Э. Циолковский, тем станет поразительнее, чем лучше мы будем знать все технические трудности космических полетов. Только подумать, что всего лишь в 1957 г. был запущен первый искусственный спутник Земли. С тех пор за два десятилетия в Космос запущены сложные автоматические лаборатории и обсерватории. Найден способ благополучного спуска их на Землю.

Автоматические межпланетные обсерватории летают, получив начальный импульс при помощи многоступенчатых ракет. Чем больше сообщенная им начальная скорость (а сообщить ее тем труднее чем больше ее масса), тем дальше от Земли они могут быть «заброшены», летя вперед и возвращаясь по эллиптической орбите.. К 1975 г. межпланетные автоматические станции огибали планеты Венеру, Меркурий, Марс и даже Юпитер. Снабженные сложной аппаратурой, производящей различные измерения и фотографирование, такие станции доставили много сведений о планетах, частично перевернувших наши прежние представления о них. Некоторые межпланетные станции спускают на поверхность других небесных тел или выводят на орбиту искусственных спутников Луны и планет для длительного их изучения. Передача с них информации на Землю, с огромного расстояния, производится по команде с Земли путем телевидения. Наибольшими достижениями к моменту написания этих строк следует считать автоматическое взятие проб лунного грунта и его возвращение на Землю без человека, путешествия по Луне длительное время самоходных станций «Луноход-1» и «Луноход-2», также созданных в СССР, несколько высадок на Луну американских космонавтов и их поездки по Луне на луномобиле.

О научных результатах, полученных при различных запусках в Космос, мы расскажем дальше, а здесь отмечаем лишь сказочное развитие этого нового метода астрономических исследований, превращающего астрономию в частично экспериментальную науку. Это факт большого философского и практического значения.

Литература о том, как запускаются, управляются и летают космические станции и корабли, как они оборудованы, очень обширна, и мы отсылаем к ней наших читателей. Подчеркнем здесь только, что теория запуска и полета космических аппаратов прямо опирается на ранее изученные астрономией законы движения небесных тел. Это еще одно из практических применений астрономии к нуждам человечества.

Наблюдайте и изучайте Вселенную сами

Хотя большинство современных научных исследований и открытий требует обширной специальной подготовки человека, сложных и дорогих инструментов и обширной научной литературы на разных языках, на которых надо поэтому уметь читать, это не значит, что для творческой работы у любителя астрономии не осталось никаких возможностей. Тем более доступно каждому следить за небесными явлениями и на основе прочитанного в книгах уметь находить на небе интересные явления, замечать их подробности, а также правильно их понимать. Нужно только выбирать себе задачи по силам, соответствующие знаниям и возможностям.

Мне приходится очень много отвечать на письма читателей. Приятно бывает отвечать любознательному читателю, который хочет знать больше или описывает грамотно какое-либо явление, которое затрудняется понять правильно сам. Но бывают, к сожалению, случаи, когда человек горделиво заявляет, например, что закон тяготения неверен, а вот придуманный им (именно придуманный) закон является-де истиной. Удивительным образом такие люди забывают, что закон тяготения проверен на протяжении веков множеством людей и проверен на практике. Например, наши космические корабли запускаются и достигают своего назначения, как все знают, на основе этого закона тяготения и его точной математической разработки. Законы же, выдуманные несведущим человеком, не позволяют ничего рассчитать и не подтверждаются никакой практикой.

Словом, самодеятельность любителя без необходимых знаний не может дать ничего в области теории. Грустно бывает читать письма, начинающиеся так: «Я имею только четырех– (или семи-) классное образование, НО я считаю, что такие-то теории неверны, а что дело обстоит так-то». Каждому понятно, что человек в пожилом возрасте не может вдруг взяться за исполнение роли в балете и не может сделать лучшую электронно-счетную машину, если никогда этим не занимался и не имеет для этого знаний и опыта. Но вот потому, что авторы популярных книг о сложных физических проблемах стараются рассказать понятно, некоторые думают, что они сами так же просто могут создать нфвую науку.

Но довольно о тех, кто становится на неверный путь и не отдает себе трезвого отчета о своих возможностях, а труд человечества недооценивает.

Каждый любитель может в телескоп, бинокль и даже невооруженным глазом увидеть и проследить то, о чем мы здесь рассказываем. Если нет телескопа, каждый может его сделать, имея терпение и желание. Небесные светила можно не только рассматривать, но и фотографировать. Можно фотографировать Луну, Солнце, затмения, кометы, перемещения планет, созвездия. Можно самому сделать фотографическую карту неба.

Многие любители получили за последние годы великолепные фотографии комет, имеющие огромную научную ценность. Среди любителей стало развиваться даже изготовление радиотелескопов, конечно, небольших. Некоторые любители, знакомые с радиотехникой, смогли даже осуществить посылку радиосигнала на Луну и получить от нее отраженный сигнал.

Серьезную научную ценность могут иметь наблюдения так называемых серебристых, или ночных, светящихся облаков, визуальные, фотографические и радионаблюдения «падающих звезд» – метеоров. При наличии телескопа средней силы, даже самодельного, можно с пользой зарисовывать изменения на планетах. Можно наблюдать изменения блеска переменных звезд или открыть новую звезду, что обычно именно любителям и удается. Например, они открыли новую звезду в созвездии Лебедя в августе 1975 года. Это все области, для которых у специалистов-астрономов «не хватает рук» или времени.

Как все это делать, какую выбирать программу, мы, конечно, не можем здесь описать. И без того слишком о многом нам предстоит рассказывать. Но для этого есть специальные руководства и инструкции. Назовем для примера следующие книги: П. Г. Куликовский, Справочник любителя астрономии, изд. 4-е, «Наука», 1971; В. П. Цесевич, Что и как наблюдать на небе, изд. 4-е, Физ-матгиз, 1973; Астрономический календарь, Постоянная часть, изд. 6-е, «Наука», 1973.

Старайтесь и сами читать звездное небо – великую книгу природы, без чего ваше чтение не даст вам полного и правильного понимания прочитанного.

Как делаются и как не делаются астрономические открытия

Ни один научный факт или теория не получают окончательного, общего признания до того, как они будут проверены разными учеными. Наука отличается от ненаучного праздного фантазирования тем, что ее выводы каждый человек при желании может проверить сам. Есть тут, правда, два затруднения. Иногда какое-либо явление может наблюдаться только с помощью сложных и дорогих инструментов, и без них ничего не сделаешь. В других случаях, для того чтобы самому проверить до конца все расчеты, надо иметь соответствующую научную подготовку. Надо, например, знать другие, твердо установленные астрономические факты, надо знать механику и химию, надо знать законы физики и уметь производить иногда очень сложные математические вычисления.

В нашей книге мы постараемся помочь любознательным людям познакомиться с тем, как ученые пришли к тем или другим выводам, но для этого не раз придется напрячь свою мысль, разобраться в чертеже, самому подумать. Тут уже ничего не поделаешь. Науки, основанные на математике и физике, нельзя, конечно, воспринять так же легко и без подготовки, как науку описательного характера, например, как популярную историю войны или как краткую географию СССР. Будем надеяться, что представители этих наук не обидятся на нас за это сравнение. Во всяком случае, они согласятся с тем, что их описания и выводы понятнее потому, что они имеют дело с явлениями, более знакомыми каждому и более очевидными, не требующими расчетов.

Многие представляют себе, что астрономические открытия делаются так: сидит человек у телескопа и вдруг видит в него новое йветило с необычными свойствами, с какими-то движениями. Бывает, действительно, и так. Этим путем удается, чаще в результате специальных поисков, открыть внезапно вспыхнувшую «новую» звезду или комету, приблизившуюся к нам из глубин пространства. Часто это делается теперь в лаборатории по фотографиям неба. Но таким путем наука продвигается мало, а важные для науки открытия вытекают из систематического, иногда многолетнего изучения как этих, так и давно уже известных объектов.

Возьмем, например, открытие «быстро летящей» звезды. Такое открытие может быть сделано (а может и не быть сделано!) в процессе систематических исследований видимого перемещения звезд по небу. Здесь есть два пути: один из них – составлять в результате многолетних наблюдений на телескопе каталог звездных координат с максимальной точностью. Часами в ясные безлунные ночи отмечать (с точностью до сотых долей секунды) момент прохождения звезды через вертикальную нить, видимую в поле зрения телескопа, а затем забираться в темноте на лесенку, чтобы отсчитать в несколько микроскопов по градуированному кругу угол между направлением телескопа и горизонтом. Несколько микроскопов нужны для исключения ошибок, вносимых не идеально точным изготовлением круга, разделенного на градусы и их доли, и крохотной неточностью делительной машины. А для фиксации момента делается отметка на непрерывно движущейся телеграфной ленте, на которой точнейшие часы, стоящие в подвале, электрически записывают секунды в виде черточек. Нужный нам момент определяется измерением под микроскопом точного положения отметки на ленте. Но ведь существует и ошибка в показаниях часов, и она постепенно меняется! Вот эту ошибку постоянно надо определять из наблюдений звезд.

Наконец каталог координат тысяч звезд составлен. Теперь надо сравнить его с каталогом, составленным столь же точно десятки лет назад, чтобы найти звезды с заметно изменившимися координатами – «летящие». Этот каталог составляли люди, которых, может быть, уже нет в живых. Они еще не могли использовать свой каталог для данной цели. Таким образом, астрономия в немалой мере живет прошлым и работает для будущего.

Более легкий путь: можно сравнивать не каталоги, а фотографии одних и тех же участков неба, полученные на одном большом телескопе. Но и здесь промежуток времени между снимками должен составлять десятки лет.

Всякое открытие опирается в большей или меньшей степени на труды других людей, на их успехи, на их неудачи, на их мысли. В наше время, чтобы сделать открытие, надо много учиться, много знать. В области наблюдений нужна обычно современная астрономическая техника, а в области теории – глубокое знание физики и математики.

О науке написано много популярных книг. В них коротко и как можно проще стараются рассказать о сложных, иногда трудно понимаемых вещах, и потому некоторым читателям кажется, что научный результат получается так же легко и просто, как о нем написано, стоит лишь порассуждать за чайным столом. Такое же впечатление могут произвести популярные рассказы о том, что по поводу некоторых недостаточно изученных вопросов один ученый думает так, другой иначе, третий – еще по-своему. Хотя такое различие мнений и бывает, они все научны. Но нельзя думать, что любой человек может высказать свое мнение и оно будет столь же цейно.

Надо внимательно разобраться, что в науке является установленным фактом и что является предположением. Например, законы движения небесных тел – это надежно установленные законы, позволяющие точно вычислять заранее положение и скорость каждого тела. Эти законы проверены множеством людей в разных странах на протяжении трех веков. Сейчас лучшей их проверкой является то, что по этим законам рассчитывают скорости запуска космических ракет и попадают ими в далекие, движущиеся планеты, в строго заданное место Луны.

К сожалению, наряду с миллионами людей, правильно понимающими развитие науки, есть еще сотни читателей, не понимаюп^их этого.

Как правило, авторы таких безграмотных рукописей никогда не соглашаются с указанием ошибок и пересылают их от одного несчастного специалиста, вынужденного отвечать, к другому, а сами испытывают только разочарование...

Часть 1. Мир твердого вещества

С твердым веществом мы у себя на Земле знакомы больше всего, но в мировом пространстве оно встречается в гораздо меньшем количестве, чем газ. Однако твердое вещество сложнее по своей структуре, и жизнь требует под собой «твердой почвы».

Твердую кору имеют планеты (возможно, что не все и не всегда), твердыми являются маленькие ядра огромных газовых комет и мелкие небесные тела (вплоть до пылинок), носящиеся в мировом пространстве.

Перейдем же к знакомству с ними.

Глава 1. Главные члены солнечной семьи

Далекие земли – спутники Солнца

Земля – спутник Солнца в мировом пространстве, вечно кружащийся около этого источника тепла и света, делающего возможной жизнь на Земле. Вокруг Солнца кружатся и другие спутники – планеты Солнечной системы; на каждую из них солнечного тепла и света приходится больше или меньше, в зависимости от ее расстояния от Солнца, а расположены они в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Мы к Солнцу в сорок раз ближе, чем Плутон, и в 2 1/2 раза дальше, чем Меркурий. Почти в каждой книжке по астрономии есть описание наглядной модели Солнечной системы, где Солнце и планеты изображаются разными фруктами всевозможных размеров, а орбиты, т. е. пути планет вокруг центрального светила, – кругами разной величины. Нет нужды описывать всю такую модель снова. Главное ее назначение – показать сравнительные размеры планет и Солнца и помочь представить себе огромность расстояний между планетами в сравнении с их размерами. Ограничимся напоминанием, что если 149 600 000 км, представляющих (округленно) расстояние Земли от Солнца, и составляющих астрономическую единицу расстояний, изобразить в нашей модели длиной одного метра, то Солнце будет изображаться вишней, Земля изобразится пылинкой, меньше десятой доли миллиметра, наибольшая из планет Юпитер – булавочной головкой, а наименьшие из планет Меркурий и Марс – пылинками, вдвое-втрое меньшими по диаметру, чем пылинка-модель Земли. Их даже не будет видно глазом. Кроме главных членов Солнечной системы, перечисленных выше, в солнечную семью входят спутники планет, в том числе Луна, сопровождающая земной шар и любезно его освещающая по ночам. Входит в нее и множество малых планет – астероидов, мелких и крупных комет, о которых речь будет впереди. Но еще меньше, чем астероиды, метеориты. Это камни всевозможной величины, преимущественно мелкие, носящиеся в мировом пространстве. Ежегодно некоторые из них падают на Землю.

В этой главе мы расскажем немного о больших планетах, но зато дальше мы расскажем много о малых планетах.

Бег планет вокруг Солнца и спутников вокруг своих планет близок к равномерному движению по кругу, но немного отличается от него, как нашел еще три столетия назад Кеплер, уточнивший великое открытие гениалыфго польского ученого Коперника.

Законы Кеплера

Кеплер открыл три закона движения планет, которые это движение вполне определяют. Он указал в первом законе, что планеты обегают Солнце по эллипсам, у которых один из двух фокусов непременно совпадает с Солнцем (Как известно, эллипсом называется кривая, сумма расстояний до любой точки которой от двух заданных точек (их называют фокусами эллипса) одна и та же)). Во втором законе Кеплер говорит, что при движении планеты отрезок прямой, соединяющей планету с Солнцем, в единицу времени всегда описывает одну и ту же площадь. Третьим законом Кеплер установил, что квадраты времен обращения планет Р пропорциональны кубам их средних расстояний от Солнца а, т. е.

P21/P22=a31/a32

где значки 1 и 2 относятся к двум любым планетам.

Рис. 28. Порядок расстояний планет от Солнца и их сравнительные размеры. Размеры планет по сравнению с расстояниями и между ними увеличены в 10 000 раз. Маленькими кружками схематически показаны спутники планет

Все эти три закона – следствие всемирного тяготения, как показал Ньютон. Они справедливы и для движения спутников вокруг своих планет и для движения любого тела под действием притяжения к другому. Только в некоторых случаях движение может происходить не по эллипсам, а по другим, уже незамкнутым кривым – параболе или гиперболе (см. рис. 30). Они также имеют фокусы, и главное тело всегда будет в фокусе такой орбиты. Если тело движется не по замкнутой орбите, то тогда, конечно, о периоде обращения нельзя говорить и третий закон Кеплера для таких орбит не имеет смысла. В случае же движения по эллипсу, как показал Ньютон, третий закон правильнее писать так:

P21(M1+m1)/P22(M2+m2)=a31/a32

Его можно применить к любым двум массам M1 и М2, из которых первая имеет спутник с массой m1, обращающийся вокруг нее с периодом Р1 на среднем расстоянии a1, a вторая масса М2 имеет свой спутник массы m2 с периодом обращения Р2 на среднем расстоянии а2. По этой формуле можно сравнить, например, движение Луны около Земли с движением Земли около Солнца или с движением спутника Нептуна около своей планеты. Если массы спутников ничтожно малы в сравнении с массами своих центральных тел, то ими в формуле можно пренебречь. Тогда, применяя ее, например, к двум планетам – спутникам Солнца, мы можем сократить массу Солнца в числителе и в знаменателе, и формула получит тот вид, в каком ее и дал сам Кеплер. Его формула – приближенная, но она достаточно точна для планет Солнечной системы, так как масса их всех, вместе взятых, в 750 раз меньше массы Солнца. Уточнение же, приданное ей Ньютоном, необычайно важно тем, что позволяет определять массы небесных тел, введенные им в формулу третьего закона Кеплера.

Притяжение планет друг другом невелико по сравнению с их притяжением к Солнцу, но оно вызывает отклонения в движении, несколько меняет вид и положение орбит. Эти отклонения называются возмущениями. На много лет вперед величину возмущений можно вычислить, зная массы взаимодействующих тел и их орбиты в некоторый момент.

Движение планеты легко себе представить, если знать форму и положение ее орбиты в пространстве, а также положение планеты на орбите в какой-нибудь момент. Величин; характеризующих эти данные, шесть, они называются элементами орбиты. Но для нас достаточно будет познакомиться только с четырьмя из этих элементов.

Элементы орбит

Размер орбиты характеризуется величиной большой полуоси эллипса а, выражаемой в астрономических единицах. На рис. 29 – это отрезок ОА или ОН, от центра эллипса до его вершины. Вершина эллипса 17, ближайшая к Солнцу S, называется перигелием; здесь планета ближе всего к Солнцу и движется всего быстрее. Противоположная, самая далекая от Солнца точка называется афелием.

Чем больше вытянут эллипс, тем больше различие между расстояниями планеты от Солнца в перигелии и афелии, тем дальше фокус эллипса отстоит от его центра О. Эту вытянутость эллипса характеризуют эксцентриситетом е, представляющим отношение расстояния от фокуса до центра к длине большой полуоси.

Рис. 29. Эллиптическая орбита планеты и второй закон Кеплера. Солнце находится в точке S

Для окружности е=0, а когда е достигает единицы, то центр эллипса уходит в бесконечность. Иначе говоря, эллипс бесконечно растягивается, так что его ветви стремятся стать параллельными друг другу, и получается незамкнутая кривая, называемая параболой. Еще более разомкнутая кривая называется гиперболой; у нее е больше 1.

Кратчайшее расстояние от Солнца до орбиты, т. е. до ее перигелия, называется пери-гелъным расстоянием.

Рис. 30. Типы орбит

Третий элемент i – это угол, под которым плоскость орбиты светила наклонена к плоскости земной орбиты (к эклиптике); он называется наклонением. Для планет, которые все движутся около Солнца в одинаковом направлении, наклонения орбит очень невелики. Если наклонение больше 90° (например, для некоторых комет), то это означает, что направление обращения тела противоположно направлению обращения планет.

Четвертым элементом мы назовем какой-нибудь из моментов, когда светило проходит через перигелий. Его обозначим через Т.

Эксцентриситеты орбит больших планет невелики, наибольшие у Плутона: 0,249, затем у Меркурия: 0,206. У Земли эксцентриситет орбиты всего 0,017, или 1/60, и если начертить орбиту Земли с большой полуосью в целый метр, то малая полуось будет всего на 1/7 мм меньше.