Владимир Сурдин - Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Заочную благодарность Аристотеля заслужили те, кто подготовил почву для поиска общих законов движения небесных тел — астрономы эпохи Тихо и Галилея. Сами же эти законы были установлены в 1609-18 гг. талантливым математиком Иоганном Кеплером, который использовал точнейшие данные о движениях планет, полученные Тихо Браге. Кеплер установил три закона движения планет по эллиптическим траекториям вокруг Солнца, но причина такого движения была неясна. И только закон всемирного тяготения и законы механики, окончательно сформулированные Иссаком Ньютоном в 1687 г., дали этому научное объяснение.

Расчеты, произведенные Ньютоном по просьбе английского астронома Эдмонда Галлея (1656—1742), доказали, что яркая комета 1682 г. движется по эллиптической орбите. На основе собственных наблюдений этой кометы и анализа достоверных исторических записей о наблюдениях комет за предшествовавшие 300 лет Галлей составил первый каталог 24 комет, включавший рассчитанные им элементы их орбит. Анализируя эти данные, Галлей заметил близкое совпадение орбитальных элементов у трех комет, появлявшихся в 1531, 1607 и 1682 гг. Он предположил, что это может быть одна и та же комета. Ее период обращения вокруг Солнца оказался 75,5 года, так что следующее появление должно было произойти в 1758 г. Предсказание Галлея подтвердилось: в начале 1759 г. появилась яркая комета, утвердив доверие к законам механики, на основе которых были выполнены расчеты кометных траекторий. К сожалению, Галлей не дожил до этого дня. Открытую им периодическую комету назвали кометой Галлея. Так начались научные исследования комет.

Согласно законам механики, движение тела под действием гравитационного притяжения к другому телу — к Солнцу — происходит по одному из конических сечений — окружности, эллипсу, параболе или гиперболе. Коническими сечениями они названы не случайно: еще древние греки знали, что если плоскостью рассечь круговой конус перпендикулярно его оси, то получится круг; под небольшими углами к оси — эллипсы; параллельно образующей конуса — парабола, а далее, с уменьшением угла между плоскостью и ось конуса будем получать гиперболы. Не случайно слова эллипс, парабола и гипербола имеют греческое происхождение. Любопытства ради заметим, что возможны еще два конических сечения, также представляющих поведение тела в поле тяготения: это прямая линия и точка.

В уравнениях движения за форму орбиты отвечает эксцентриситет ( е ), физический смысл которого в том, что он указывает отношение кинетической энергии тела к его потенциальной энергии в гравитационном поле Солнца. Если е <1, тело не может преодолеть притяжение Солнца и движется вокруг него по замкнутой орбите — эллипсу или, в частном случае, окружности. При е ⩾1 орбита разомкнута; это гипербола или, в частном случае, парабола. К сожалению, в небесной механике столь изящное решение имеет только задача двух тел, например, Солнце + планета. При взаимодействии трех и более тел простого аналитического выражения для их орбит не существует.

К счастью, Солнце гораздо массивнее любой планеты; поэтому каждая из них движется почти по эллиптической орбите, пока не испытает тесного сближения с другой планетой. За миллиарды лет эволюции более или менее массивные члены Солнечной системы «разобрались» друг с другом и устроились на почти круговых орбитах, гарантирующих отсутствие тесных сближений. Большинство малых тел — астероидов, обитающих между орбитами больших планет, пытаясь избежать их влияния, также устроились на стабильных эллиптических орбитах, поэтому их движение вполне предсказуемо (для надежного расчета такой орбиты достаточно измерить небесные координаты тела всего в трех точках его траектории).

С кометами дело обстоит сложнее. По своему статусу — «хвостатое светило» — они должны большую часть жизни проводить в холодных провинциях Солнечной системы (чтобы сохранить летучие элементы), изредка приближаясь к Солнцу (чтобы согреться и показать хвост). Поэтому они вынуждены пересекать орбиты планет и подвергаться их влиянию. В пределах планетной системы ни одна комета не движется по идеальному коническому сечению, поскольку гравитационное воздействие планет постоянно искажает ее «правильную» траекторию.