Планета Земля и наша Солнечная система уникальные во всей галактике

Наверняка, многие из вас видели гифку или смотрели видео, показывающее движение Солнечной системы.

Ролик, вышедший в 2012 году, стал вирусным и наделал много шума. Мне он попался вскоре после его появления, когда я знал о космосе гораздо меньше, чем сейчас. И больше всего меня смутила перпендикулярность плоскости орбит планет направлению движения. Не то, чтобы это было невозможно, но Солнечная система может двигаться под любым углом к плоскости Галактики. Вы спросите, зачем вспоминать давно забытые истории? Дело в том, что именно сейчас, при желании и наличии хорошей погоды, каждый может увидеть на небе настоящий угол между плоскостями эклиптики и Галактики.

Проверяем ученых

Астрономия говорит, что угол между плоскостями эклиптики и Галактики составляет 63°.

Но сама по себе цифра скучна, да и сейчас, когда на обочине науки устраивают шабаш адепты плоской Земли, хочется иметь простую и наглядную иллюстрацию. Давайте подумаем, как мы можем увидеть плоскости Галактики и эклиптики на небе, желательно невооруженным взглядом и не отдаляясь далеко от города? Плоскость Галактики — это Млечный путь, но сейчас, с изобилием светового загрязнения, увидеть его не так просто. Есть ли какая-то линия, примерно близкая к плоскости Галактики? Есть — это созвездие Лебедя. Оно хорошо видно даже в городе, а найти его просто, опираясь на яркие звезды: Денеб (альфа Лебедя), Вегу (альфа Лиры) и Альтаир (альфа Орла). «Туловище» Лебедя примерно совпадает с галактической плоскостью.

Хорошо, одна плоскость у нас есть. Но как получить наглядную линию эклиптики? Давайте подумаем, что такое вообще эклиптика? По современному строгому определению эклиптика — это сечение небесной сферы плоскостью орбиты барицентра (центра массы) Земля-Луна. По эклиптике в среднем движется Солнце, но у нас нет двух Солнц, по которым удобно построить линию, да и созвездие Лебедя при солнечном свете не будет видно. Но если вспомнить, что планеты Солнечной системы тоже движутся приблизительно в той же плоскости, то, получается, что парад планет как раз примерно покажет нам плоскость эклиптики. И сейчас в утреннем небе как раз можно наблюдать Марс, Юпитер и Сатурн.

В результате, в ближайшие недели утром до восхода Солнца можно будет очень наглядно видеть вот такую картину:

Которая, как это ни удивительно, прекрасно согласуется с учебниками астрономии.

А гифку правильнее рисовать так:

Источник: сайт астронома Rhys Taylor rhysy.net
Вопрос может вызвать взаимное положение плоскостей. Летим ли мы <-/ или же <-\ (если смотреть с внешней стороны Галактики, северный полюс вверху)? Астрономия говорит, что Солнечная система движется относительно ближайших звезд в направлении созвездия Геркулеса, в точку, расположенную недалеко от Веги и Альбирео (бета Лебедя), то есть правильное положение <-/.

Но этот факт, увы, «на пальцах» не проверить, потому что, пусть и сделали это двести тридцать пять лет назад, но использовали результаты многолетних астрономических наблюдений и математику.

Положение Земли в Галактике и в Солнечной системе

Согласно последним научным оценкам, расстояние от Солнца до галактического центра составляет 26 000 ± 1 400 световых лет, в то время как согласно предварительным оценкам наша звезда должна находиться на расстоянии около 35 000 световых лет от перемычки. Это означает, что Солнце расположено ближе к краю диска, чем к его центру. Вместе с другими звездами Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 220—240 км/с, делая один оборот примерно за 200 млн лет. Таким образом, за все время существования Земля облетела вокруг центра Галактики не более 30 раз.

В окрестностях Солнца удается отследить участки двух спиральных рукавов, которые удалены от нас примерно на 3 тыс. световых лет. По созвездиям, где наблюдаются эти участки, им дали название рукав Стрельца и рукав Персея. Солнце расположено почти посередине между этими спиральными ветвями. Но сравнительно близко от нас (по галактическим меркам), в созвездии Ориона, проходит ещё один, не очень четко выраженный рукав — рукав Ориона, который считается ответвлением одного из основных спиральных рукавов Галактики.

Скорость вращения Солнца вокруг центра Галактики почти совпадает со скоростью волны уплотнения, образующей спиральный рукав. Такая ситуация является нетипичной для Галактики в целом: спиральные рукава вращаются с постоянной угловой скоростью, как спицы в колесах, а движение звезд происходит с другой закономерностью, поэтому почти все звездное население диска то попадает внутрь спиральных рукавов, то выпадает из них. Единственное место, где скорости звезд и спиральных рукавов совпадают — это так называемый коротационный круг, и именно на нём расположено Солнце.

Для Земли это обстоятельство чрезвычайно важно, поскольку в спиральных рукавах происходят бурные процессы, образующие мощное излучение, губительное для всего живого. И никакая атмосфера не смогла бы от него защитить. Но наша планета существует в сравнительно спокойном месте Галактики и в течение сотен миллионов (или даже миллиардов) лет не подвергалась воздействию этих космических катаклизмов. Возможно, именно поэтому на Земле смогла родиться и сохраниться жизнь.

Земля вращается вокруг Солнца в среднем на расстоянии 150 млн. км. Среди всех планет Солнечной системы лишь на Земле развита жизнь, что напрямую связано с ее месторасположением на таком расстоянии. Ученые считают, что необходимое для существования жизни количество солнечного тепла имеется только в пространстве между орбитами Венеры и Марса. По сравнению с Землей орбита Венеры расположена к Солнцу на 40 млн. км ближе, а Марс, наоборот, на 78 млн. км дальше.

Почему Луна повернута к Земле планете одной стороной?

Прежде чем ответить на этот вопрос, следует охарактеризовать влияние, которое Луна оказывает на Землю, а именно явление морских приливов. В закрытых морях, как, например, Черном и Средиземном, заметных приливов не наблюдается. Поэтому народы древности, жившие у берегов таких морей, с подобным явлением не встречались.

С этим замечательным явлением природы познакомились воины Александра Македонского в IV веке до нашей эры во время похода в Индию.

Морские приливы состоят из периодических, обычно двух в течение суток (точнее, 21 часов и 50 минут) поднятий и опусканий воды в океане. В открытом океане эти колебания уровня воды невелики и составляют меньше метра. Но у берегов, в зависимости от их очертаний и глубин прибрежных вод, приливы и отливы могут достигать большой высоты. Классическими примерами таких мест служат восточный берег Ла-Манша у Нормандии и устье реки Св. Лаврентия, где колебания уровня поды временами доходят до 14 – 16 метров.

В морях, омывающих территорию России, приливы весьма заметны на Дальнем Востоке и на Мурманском побережье.

В астрономических новостях отмечалось, что поднятие и опускание воды, вызванные приливами, зависят от положения на небе и фаз Луны. Во время новолуний и полнолуний приливы бывают больше, а во время первой и последней четверти Луны меньше. Кроме того, на приливы влияет положение Луны относительно меридиана данного места. Эту на первый взгляд странную зависимость объяснил Ньютон на основании закона всемирного тяготения. После него ряд выдающихся математиков занимался теорией приливов. Особенно много сделал в этом отношении французский математик Лаплас, а затем — сын великого английского натуралиста Джордж Дарвин.

Теперь мы знаем, что приливы вызываются притяжением воды в океанах Луной и в меньшей мере Солнцем.

Земля вращается вокруг оси, но приливные вздутия все время привязаны к Луне невидимыми силами тяготения. В результате приливные волны обегают кругом нашей планеты в направлении, обратном ее вращению, с востока на запад. Вследствие этого происходит трение приливных выступов о дно океана, а также набегание волн на берега материков, препятствующих свободному их распространению. Все это тормозит вращение Земли и удлиняет продолжительность суток.

Математическое исследование приливных сил показывает, что они пропорциональны массе притягивающего тела, в данном случае Луны, и обратно пропорциональны кубу расстояния до нее. Имеются веские аргументы в пользу того, что Луна в далеком прошлом была, по крайней мере частично, в жидком состоянии, иначе нельзя объяснить ее достаточно правильную шарообразную форму. Возможно, что после охлаждения на лунной поверхности в течение некоторого времени существовали моря, и она была окружена атмосферой. В таком случае притяжение Земли вызывало в ее жидкой оболочке приливы, и притом во много раз большей высоты, чем нынешние земные приливы, объясняющиеся притяжением Луны. Действительно, масса Земли в 81 раз больше массы Луны. Несомненно также, что в то отдаленное время Земля и Луна были друг к другу значительно ближе. К тому же сила тяжести на Луне в шесть раз меньше земной, а это также способствует увеличению высоты приливов. Инерция вращения спутника вследствие его малого объема и плотности гораздо меньше инерции вращения Земли. Поэтому затормозить вращение Луны значительно легче, чем затормозить нашу планету. Наконец, если приливы происходили не в водной оболочке, а в расплавленной магме, то вследствие ее большой вязкости торможение было очень сильным. Приливное трение тормозило вращение Луны до тех пор, пока она не перестала вращаться относительно Земли, то есть пока не оказалась обращенной к нам всегда одной стороной. Приливные выступы застыли на Луне, и, по-видимому, она удлинена в направлении к Земле. Однако, смотря на Луну всегда только «спереди», это установить трудно.

Не только Луна к Земле, но и Меркурий к Солнцу всегда повернут одной стороной и тоже в результате приливов, вызываемых на нем Солнцем. Такое же явление имеет место и у некоторых спутников Юпитера и Сатурна, утративших вращение по отношению к своей планете.

Лунное затмение

Лу́нное затме́ние — затмение, которое наступает, когда Луна входит в конус тени, отбрасываемой Землёй. Диаметр пятна тени Земли на расстоянии 363 000 км (минимальное расстояние Луны от Земли) составляет около 2,5 диаметров Луны, поэтому Луна может быть затенена целиком. В каждый момент затмения степень покрытия диска Луны земной тенью выражается фазой затмения Ф. Величина фазы определяется расстоянием 0 от центра Луны до центра тени. В астрономических календарях приводятся величины Ф и 0 для разных моментов затмения.

Когда Луна во время затмения полностью входит в тень Земли, говорят о полном лунном затмении

, когда частично — о
частном затмении
. Двумя необходимыми и достаточными условиями наступления лунного затмения являются полнолуние и близость Земли к лунному узлу.

Лунное затмение может наблюдаться на половине территории Земли (там, где на момент затмения Луна находится над горизонтом). Вид затемнённой Луны с любой точки наблюдения пренебрежимо мало отличается от другой точки, и одинаков. Максимальная теоретически возможная продолжительность полной фазы лунного затмения составляет 108 минут; такими были, например, лунные затмения 26 июля 1953 года, 16 июля 2000 года. При этом Луна проходит через центр земной тени; полные лунные затмения такого типа называют центральными

, они отличаются от нецентральных большей продолжительностью и меньшей яркостью Луны во время полной фазы затмения.

Во время затмения (даже полного) Луна не исчезает полностью, а становится тёмно-красной. Этот факт объясняется тем, что Луна даже в фазе полного затмения продолжает освещаться. Солнечные лучи, проходящие по касательной к земной поверхности, рассеиваются в атмосфере Земли и за счёт этого рассеяния частично достигают Луны. Поскольку земная атмосфера наиболее прозрачна для лучей красно-оранжевой части спектра, именно эти лучи в большей мере достигают поверхности Луны при затмении, что и объясняет окраску лунного диска. По сути, это тот же эффект, что и оранжево-красное свечение неба у горизонта (заря) перед восходом или сразу после заката. Для оценки яркости затмения используется шкала Данжона.

Если Луна попадает в полную тень Земли только частично, наблюдается частное затмение

. При нём часть Луны является тёмной, а часть, даже в максимальной фазе, остаётся в полутени и освещается солнечными лучами.

Разбегающиеся звезды

Как вообще можно определить, куда движется Солнечная система относительно близких звезд? Если мы можем на протяжении десятков лет фиксировать перемещение звезды по небесной сфере, то направление движения нескольких звезд скажет нам, куда мы движемся относительно них. Назовем точку, в которую мы движемся, апексом. Звезды, которые находятся недалеко от него, а также от противоположной точки (антиапекса), будут двигаться слабо, потому что они летят на нас или от нас. А чем дальше звезда находится от апекса и антиапекса, тем больше будет ее собственное движение. Представьте, что вы едете по дороге. Светофоры на перекрестках впереди и позади не будут сильно смещаться в стороны. А вот фонарные столбы вдоль дороги так и будут мелькать (иметь большое собственное движение) за окном.
На гифке показано перемещение звезды Барнарда, имеющей самое большое собственное движение. Уже в 18 веке у астрономов появились записи положения звезд на промежутке в 40-50 лет, которые позволили определить направление движения более медленных звезд. Тогда английский астроном Уильям Гершель взял звездные каталоги и, не подходя к телескопу, стал вычислять. Уже первые расчеты по каталогу Майера показали, что звезды движутся не хаотично, и апекс можно определить.

Источник: Hoskin, M. Herschel’s Determination of the Solar Apex, Journal for the History of Astronomy, Vol. 11, P. 153, 1980
А с данными каталога Лаланда область удалось серьезно уменьшить.

Дальше пошла нормальная научная работа — уточнение данных, расчеты, споры, но Гершель использовал правильный принцип и ошибся всего на десять градусов. Информацию собирают до сих пор, например, всего тридцать лет назад скорость движения уменьшили с 20 до 13 км/с. Важно: эту скорость нельзя путать со скоростью солнечной системы и других ближайших звезд относительно центра Галактики, которая равна примерно 220 км/с.

Планеты Солнечной системы

В нашей Солнечной системе помимо Земли вращается еще семь планет. Девятую планету Плутон в $2006$ г. причислили к планетам-карликам, понизив её в статусе. В Солнечной системе это единственный карлик, стоявший в ряду основных планет.

Понятие «планета» в прошлом применялось к девяти космическим объектам, вращающимся вокруг Солнца, а сегодня астрономы уверены, что такие небесные тела есть и за пределами Солнечной системы.

Определение 1

Международный Астрономический Союз в $2006$ г. дал четкое определение, что планеты Солнечной системы – это шаровидные космические тела, вращающиеся вокруг звезды (Солнца).

Планеты исследуются специалистами в течение длительного времени и о них собрана обширная информация, несмотря на которую они по-прежнему остаются большой загадкой. Планеты Солнечной системы делятся на планеты земной группы и газовые гиганты:

• Планеты земной группы. Они, как правило, состоят из камня и металла, имеют высокую плотность, слабое магнитное поле, небольшие размеры и вращаются вокруг своей оси с небольшой скоростью. Таких планет четыре – Меркурий, Венера, Земля, Марс. Спутники есть только у двух из них – у Земли и Марса. У всех планет этой группы отсутствуют планетарные кольца, а атмосфера может варьироваться от мощной как у Венеры, представленной диоксидом углерода до полного её отсутствия как у Меркурия;
• Газовые гиганты. Это планеты самые удаленные от Солнца. Их тоже четыре – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Они, в отличие от планет земной группы, имеют огромные размеры и состоят из водорода и гелия. Планеты имеют относительно низкую плотность, но, зато чрезвычайно большую скорость вращения, имеют много спутников и астероидные кольца вокруг себя. Наличие спутников объясняется мощным гравитационным полем, способным притянуть большое количество космических объектов. Астероидные кольца, как предполагают ученые, являются остатками лун, размельченных гравитационными силами этих планет.

Еще дальше

Ну и, раз мы упомянули скорость движения относительно центра Галактики, необходимо разобраться и тут. Галактический северный полюс выбран так же, как и земной — произвольно по соглашению. Он находится недалеко от звезды Арктур (альфа Волопаса), примерно вверх по направлению крыла созвездия Лебедя. А в целом проекция созвездий на карту Галактики выглядит так:

Т.е. Солнечная система движется относительно центра Галактики в направлении созвездия Лебедя, а относительно местных звезд в направлении созвездия Геркулеса, под углом 63° к галактической плоскости, <-/, если смотреть с внешней стороны Галактики, северный полюс сверху.

Космический хвост

А вот сравнение Солнечной системы с кометой в видео совершенно корректно. Аппарат NASA IBEX был специально создан для определения взаимодействия границы Солнечной системы и межзвездного пространства. И по его данным хвост есть.

Для других звезд мы можем видеть астросферы (пузыри звездного ветра) непосредственно.