Малки тела в Слънчевата система
🗳️ Прага, 24 август 2006 г. Стотици астрономи от целия свят вдигат жълти картончета и гласуват. Година по-рано е открито ледено тяло отвъд Плутон, по-масивно от него – Ерида. Ако Плутон е планета, трябва ли и Ерида да е? А десетките подобни тела, които телескопите тепърва ще намерят? Гласуването завършва с първото научно определение на думата „планета“ – и Слънчевата система изведнъж има не девет, а осем планети. Плутон не е изчезнал. Просто сме разбрали, че е член на цяло население от светове, за което до 1992 г. не сме подозирали.
1. Остатъците от строежа
Преди 4,6 млрд. години планетите са се сглобили от милиарди по-малки тела – планетезимали с размери от метри до стотици километри. Не всички са влезли в планетите. Тези, които са останали, днес наричаме малки тела: астероиди, комети, обекти от пояса на Кайпер, джуджести планети. Повечето са твърде малки, за да се разтопят и разслоят, затова са запазили веществото, от което сме направени, почти непроменено. Те са „капсули на времето“ от раждането на Слънчевата система.
Къде живеят малките тела
Разстояние от Слънцето в логаритмична скала: всяко деление е 10 пъти по-далеч от предишното. Щракнете върху област.
Главен пояс на астероидите (2,1–3,3 AU · светлината идва за 17 min–27 min · над 1 милион известни)
Скалисти и метални тела между Марс и Юпитер. Гравитацията на Юпитер не им е позволила да се слепят в планета. Въпреки огромния брой общата им маса е само ~3% от масата на Луната, а една трета от нея е в Церера. Средното разстояние между съседни астероиди е около милион километра – сондите прелитат без никакъв риск.
Пример
Външният ръб на облака на Оорт е на ~100 000 AU. Колко светлинни години е това? Какъв е орбиталният период на комета, която идва оттам (афелий 100 000 AU, перихелий ~1 AU)?
- 1 светлинна година = – повече от една трета от пътя до Проксима (4,24 ly).
- Голямата полуос е .
- По третия закон на Кеплер: години – комета от облака на Оорт минава край Слънцето веднъж на ~11 милиона години.
2. Какво е планета?
Плутон не е първата „понижена“ планета. Церера, открита на 1 януари 1801 г., половин век е вписвана в учебниците като планета – заедно с Палада, Юнона и Веста. Когато такива тела стават стотици, астрономите ги наричат астероиди. Историята се повтаря след 1992 г., когато Дейвид Джуит и Джейн Лу откриват първия обект от пояса на Кайпер след Плутон. За 13 години намират хиляда.
Планета (МАС, 2006)
Планета ли е?
Изберете тяло и проверете трите условия на МАС. Графиката показва колко пъти тялото е по-масивно от всичко останало около неговата орбита.
- ✅ 1. Обикаля около Слънцето
- ✅ 2. Достатъчно масивно, за да е кръгло (хидростатично равновесие)
- ❌ 3. Изчистило е околността на орбитата си
Плутон е само ~8% от масата на телата в своята зона на пояса на Кайпер. Той е голям член на пояса, а не негов господар.
Третото условие звучи неясно, но в природата границата е много рязка. Всяка от осемте планети е поне 20 000 пъти по-масивна от всичко останало около орбитата ѝ. Всяка от джуджестите планети е по-лека от телата около нея. Между двете групи няма нито едно тяло.
3. Защо големите тела са кръгли
Малките астероиди приличат на картофи, а Церера и Плутон – на топки. Причината е надпреварата между гравитацията и здравината на материала. Гравитацията тегли всяко парче към центъра. Ако налягането, което тя създава в недрата, е по-голямо от якостта на скалата или леда, веществото започва бавно да тече и „изпълва“ вдлъбнатините, докато тялото стане кълбо.
Налягане в центъра
Пример
Оценете налягането в центъра на Церера ().
- Това е ~1400 пъти атмосферното налягане – десетки пъти над якостта на леда, от който е изградена горната част на Церера. Тя няма как да не е кръгла.
Кога едно тяло става кълбо
Увеличете радиуса. Щом налягането в центъра надхвърли якостта на материала, гравитацията „смачква“ неравностите и тялото става кръгло.
Границата не е рязка: зависи от температурата (топлият лед тече по-лесно), от състава и от историята на тялото – удари могат да деформират и голямо кълбо. Грубо: ледените тела стават кръгли при радиус ~200 km, а скалистите – при ~250–300 km.
4. Джуджестите планети
Официално признатите джуджести планети са пет. Още поне десетина тела в пояса на Кайпер (Гонгонг, Куаоар, Седна, Оркус…) вероятно също са кръгли и чакат да бъдат признати. Една е в пояса на астероидите, останалите – отвъд Нептун.
| Тяло | D (km) | a (AU) | Година | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Церера | 939 | 0,94 | 2,16 | 2,8 | 0,08 | 11° | 4,6 г. |
| Плутон | 2377 | 13,03 | 1,85 | 39,5 | 0,25 | 17° | 247,9 г. |
| Ерида | 2326 | 16,6 | 2,43 | 67,9 | 0,44 | 44° | 559 г. |
| Хаумеа | ~2300 × 1700 × 1000 | 4 | 2 | 43,1 | 0,19 | 28° | 283 г. |
| Макемаке | ~1430 | 3,1 | 1,9 | 45,4 | 0,16 | 29° | 306 г. |
За сравнение: Луната е с диаметър 3474 km и маса – по-масивна от всички тях взети заедно.
Церера · открита 1801, Джузепе Пиаци · спътници: няма · денонощие: 9 h 4 min
Най-голямото тяло в пояса на астероидите – около една трета от масата му. Половин век е смятана за планета. Сондата Dawn (2015–2018) откри ярки петна в кратера Окатор – соли, изнесени от солена вода под повърхността – и 4 km висока ледена планина Ахуна.
Плутон · открита 1930, Клайд Томбо · спътници: 5 (Харон, Никта, Хидра, Кербер, Стикс) · денонощие: 6,39 дни (обратно)
По-малък от Луната, но изненадващо жив. New Horizons (2015) видя „сърце“ – равнината Спутник, ледник от азотен лед, широк 1000 km, който бавно кипи на клетки. Има планини от воден лед, високи 3–4 km, синя мъгла в тънката азотна атмосфера и вероятно океан под леда.
Ерида · открита 2005, М. Браун, Ч. Трухильо, Д. Рабиновиц · спътници: 1 (Дисномия) · денонощие: ~16 дни
Почти колкото Плутон, но с 27% по-масивна. Именно откриването ѝ принуди астрономите да решат какво е планета. Една от най-белите повърхности в Слънчевата система – отразява ~96% от светлината: вероятно е покрита със скреж от атмосфера, замръзнала далеч от Слънцето.
Хаумеа · открита 2004–2005 · спътници: 2 (Хиайка, Намака) · денонощие: 3 h 55 min
Върти се толкова бързо – за под 4 часа, – че е разтеглена като топка за ръгби. Има пръстен (открит през 2017 г.) и цяло „семейство“ ледени тела по подобни орбити – отломки от древен сблъсък, който вероятно я е и завъртял.
Макемаке · открита 2005 · спътници: 1 (засечена през 2016 г.) · денонощие: 22,8 h
Червеникава заради органични молекули, образувани от лъчението върху метанов лед. Открита малко след Великден – затова първоначално е наречена „Великденското зайче“, а после получава името на бога-създател от Великденския остров.
Как знаем масите на толкова далечни тела? Само ако имат спътници! От периода и разстоянието на спътника дава общата маса. Затова масата на Ерида е известна точно, а на Седна (без спътник) – не.
Център на масите
Пример
Харон обикаля Плутон на за дни. Намерете общата маса на системата. Масата на Плутон е – каква е масата на Харон и къде е центърът на масите?
- ;
- – около от Плутон
- – центърът е в празното пространство над Плутон!
Около кого обикаля Харон?
Двете тела обикалят около общия център на масите (+). Вдясно главното тяло е увеличено: вътре ли е центърът, или навън?
Харон е половината от размера на Плутон и 1/8 от масата му – най-големият спътник спрямо своята планета. Общият център на масите е извън Плутон, затова често говорим за двойна система. Приливите са синхронизирали и двете тела: Плутон и Харон винаги са обърнати един към друг с една и съща страна. От едното полукълбо на Плутон Харон виси неподвижно на небето, от другото никога не се вижда.
5. Плутон и поясът на Кайпер
Плутон е открит от Клайд Томбо през 1930 г. след година сравняване на фотографски плаки. Орбитата му е необичайна: силно издължена () и наклонена на 17°. В Плутон е по-близо до Слънцето от Нептун – така беше между 1979 и 1999 г. Защо тогава двете тела не се сблъскват?
Защо Плутон не се удря в Нептун
Орбитата на Плутон пресича тази на Нептун, но двете тела никога не се срещат. Пуснете времето (1 s = 25 години) и опитайте въртящата се система, в която Нептун стои на едно място.
За всеки 3 обиколки на Нептун Плутон прави точно 2. Когато Плутон е в перихелий и пресича орбитата на Нептун, Нептун винаги е далеч – на около четвърт обиколка. Във въртящата се система следата на Плутон е затворена примка, която никога не стига до Нептун. Двете тела не се приближават на по-малко от ~17 AU – Плутон минава по-близо до Уран, отколкото до Нептун!
Плутините. Плутон не е сам в – там има стотици известни обекти, наречени плутини. Други са в резонанси , и т.н. Най-правдоподобното обяснение е, че младият Нептун бавно е мигрирал навън и като снегорин е изтласкал телата пред себе си, „заключвайки“ ги в резонанси.
Класическият пояс (42–48 AU) съдържа тела с почти кръгови орбити, които никога не са били разбутвани. Едно от тях е Арокот – две меко слепени ледени топки, запазени непокътнати от раждането на Слънчевата система. Той показва, че планетезималите са се образували при плавно свиване на облаци от прах, а не при силни сблъсъци.
6. Посещения на малки светове
За кометите и ще говорим подробно в урока „Комети и метеори“, а за астероидите и поясите – в урока „Астероиди“. Ето мисиите, които промениха представата ни за малките тела:
🛰️ Dawn (2011–2018)
Обикаля последователно Веста и Церера – първата сонда в орбита около две различни тела.
🛰️ Rosetta и Philae (2014–2016)
Две години около кометата Чурюмов–Герасименко; първото кацане на ядро на комета (виж „Комети и метеори“).
🛰️ New Horizons (2015, 2019)
Прелита покрай Плутон, а после и покрай Арокот – най-далечното посетено тяло.
🛰️ Hayabusa2 и OSIRIS-REx (2020, 2023)
Донасят проби от астероидите Рюгу и Бену. В тях има аминокиселини и всички пет основи на ДНК и РНК.
🛰️ DART (2022)
Удря спътника на астероид Диморфос и скъсява орбитата му с 33 минути – първият опит за защита на планетата (виж „Астероиди“).
🛰️ Lucy и Psyche (2027–2033, 2029)
Lucy ще посети осем троянски астероида на Юпитер, а Psyche – метален астероид, вероятно оголено ядро на зародиш на планета.
7. 🎯 Бърз тест
Защо през 2006 г. Плутон престава да се смята за планета?
8. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
9. Обобщение
- ✓ Малките тела са останали планетезимали – почти непроменени от раждането на Слънчевата система
- ✓ Резервоари: пояс на астероидите, , пояс на Кайпер, разсеян диск, облак на Оорт (до ~1,6 ly)
- ✓ Планета: обикаля Слънцето, кръгла е, изчистила е орбитата си; джуджеста планета – само първите две
- ✓ Тяло става кръгло, когато надхвърли якостта: за лед, за скала
- ✓ Масата се определя само ако тялото има спътник:
- ✓ на Плутон и Харон е извън Плутон – двойна система, синхронизирана от приливите
- ✓ Резонансът с Нептун пази Плутон: двете тела не се приближават на по-малко от ~17 AU
💡Интересен факт
Името „Плутон“ предлага 11-годишната англичанка Венеция Бърни, която чете за откритието на закуска през 1930 г. От откриването си Плутон още не е направил нито една обиколка около Слънцето – първата ще завърши чак през 2178 г. А на борда на New Horizons, която прелетя покрай него, лети малко от праха на Клайд Томбо – човекът, който го откри.