Планеталардың қозғалысы
Коперник пен Кеплер: орбитаның шынайы пішіні
Поляк ғалымы Николай Коперник (1473–1543) Күн жүйесінің гелиоцентрлік моделін жасағанда, ежелден орныққан қағиданы сақтап қалды: планеталар шеңбер бойымен тұрақты жылдамдықпен қозғалады деп есептелді. Алайда XVII ғасырдың басында аспан денелерінің орбиталары шын мәнінде шеңберден өзгеше екені анықталды.
Бұл аса маңызды жаңалық неміс астрономы Иоганн Кеплерге (1571–1630) тиесілі. Ол Коперник ілімі бойынша алдын ала есептелген планеталардың орындары мен нақты бақылауда алынған орындардың арасында айырмашылық бар екенін байқады. Демек «траектория шеңбер болуы тиіс» деген көзқарастан бас тарту қажет болды.
Кеплер гелиоцентрлік орбиталардың пішінін анықтау үшін Дания астрономы Тихо Брагенің (1546–1601) Марстың қозғалысына қатысты өте дәл бақылау деректеріне сүйенді. Көп жылғы еңбектің нәтижесі — 1609–1619 жылдары планеталар қозғалысының үш негізгі заңын ашуы. Бұл заңдар Кеплер заңдары деп аталады.
Кеплердің үш заңы
I заң: орбитаның пішіні — эллипс
Кеплердің бірінші заңы планета орбитасының пішінін анықтайды: барлық планеталар Күнді эллипс бойымен айналады, ал эллипстің фокустарының бірінде Күн орналасады.
Эллипстің симметрия центрі — O. Оның екі симметрия осі бар:
- үлкен ось: AA₁ = 2a (мұндағы a — үлкен жарты ось)
- кіші ось: BB₁ = 2b (мұндағы b — кіші жарты ось)
Эллипстің негізгі қасиеті: кез келген M нүктесі үшін фокустарға дейінгі қашықтықтардың қосындысы тұрақты:
MF₁ + MF₂ = 2a
Фокустардың центрден қашықтығы: OF₁ = OF₂ = c, мұнда c² = a² − b².
Эллипстің эксцентриситеті оның «сопақтығын» сипаттайды:
e = c / a
e неғұрлым үлкен болса, эллипстің шеңберден айырмашылығы соғұрлым көп. Егер c = 0 болса, онда e = 0 және эллипс радиусы a болатын шеңберге айналады.
Шолпан мен Жер орбиталары шеңберге өте жақын:
- Шолпан e = 0.0068
- Жер e = 0.0167
Орбитадағы ерекше нүктелер:
- Перигелий — Күнге ең жақын нүкте (peri — «таяу», helios — «Күн»).
- Афелий — Күннен ең алыс нүкте (apo — «алыс»).
Эллипстің үлкен жарты осі a планетаның Күннен орташа қашықтығына шамалас. Астрономияда Жердің Күннен орташа қашықтығы қашықтық өлшем бірлігі ретінде қабылданған — астрономиялық бірлік (а.б.):
1 а.б. = 149 600 000 км
Айдың және жасанды серіктердің Жерге ең жақын нүктесі — перигей, ал ең алыс нүктесі — апогей (Гея — «Жер»).
II заң: аудандар заңы — қозғалыс бірқалыпты емес
Кеплердің екінші заңы планета қозғалысының бірқалыпты еместігін көрсетеді: планетаның радиус-векторы бірдей уақыт аралығында тең аудандар сызып өтеді.
Осыдан мына қорытынды шығады: планета перигелийде ең үлкен жылдамдықпен, ал афелийде ең кіші жылдамдықпен қозғалады.
III заң: период пен қашықтықтың байланысы
Кеплердің үшінші заңы планеталардың орбиталық периодтары мен Күнге дейінгі орташа қашықтықтары арасындағы байланысты анықтайды: периодтың квадраты үлкен жарты осьтің кубына пропорционал.
Егер екі планетаның үлкен жарты осьтері a₁ және a₂, ал айналу периодтары T₁ және T₂ болса, онда заңды қатынас түрінде жазады:
T₁² / T₂² = a₁³ / a₂³
Кейін Ньютон бүкіләлемдік тартылыс заңын ашқан соң, осы тәуелділікті жалпы түрге келтірді. Екі дене массалары M₁ және M₂ болып, ауырлық центрін a қашықтықта T периодпен айналса, белгілі бір әмбебап қатынас орындалатынын дәлелдеді. Бұл қатынас аспан денелерінің массаларын есептеуге мүмкіндік берді.
Күн жүйесіндегі планеталардың қозғалысы
Күн жүйесінде тоғыз планета бар деп қарастырылған классикалық тізім бойынша, олар Күннен алыстауына қарай былай орналасады: Меркурий, Шолпан, Жер (Айымен), Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Планеталар Күнді эллипстік орбиталар бойымен айналады.
Құралсыз көзбен бес планетаны көруге болады: Меркурий, Шолпан, Марс, Юпитер және Сатурн. Олар жұлдыздармен бірге тәуліктік көрінерлік қозғалысқа қатысады, әрі шоқжұлдыздар аясында баяу ығысатын «қыдырма шырақтар» ретінде байқалады. «Планета» атауы да осы ерекшелікпен байланысты (ежелгі гректер «қыдырма шырақ» деп атаған).
Жеке планеталарға қысқаша шолу
Меркурий
Күнге ең жақын планета — Меркурий (қазақша атауы: Болпан немесе Кіші Шолпан). Күнге тым жақын болғандықтан оны бақылау қиын. Радиобақылаулар Меркурийдің өте баяу айналатынын көрсетті: бұл планетадағы күндік тәулік шамамен Жердегі 176 тәулікке тең.
Меркурийдің өлшемі мен массасы шағын болғандықтан, ол атмосфераны ұстап тұра алмайды. Күнге жақындығы және елеулі атмосферасының болмауы салдарынан температура күрт өзгереді: күндіз шамамен +300°C, түнде −200°C. Бұлт жоқ, аспан қап-қара, жұлдыздар жарқырап, Күн тәжі айқын көрінеді.
Шолпан
Шолпан көлемі мен массасы жағынан Жерге жуық. Бірақ оны тұтас ақ бұлт қабаты қоршайтындықтан, оптикалық бақылаулар арқылы табиғаты мен қозғалысын нақтылау ұзақ уақыт қиын болды.
Радиобақылаулар күтпеген қорытынды берді: Шолпан (Уранды қоспағанда) өз осінен көпшілік планеталарға кері бағытта айналады. Ондағы күндік тәулік шамамен Жердегі 118 тәулікке тең.
Жер
Жер — Күннен қашықтығы бойынша үшінші планета. Ол бір тәулікте өз осін бір рет айналады, ал бір жылда Күнді толық бір айналып шығады. Жердің өз осінен айналуы табиғи құбылыстарға әсер етеді: өзен сулары жағалауды мүжіп шайып отырады, ал ауа ағындары солтүстік жарты шарда оңға, оңтүстік жарты шарда солға ауытқиды.
Жер Күнді эллипстік орбита бойымен айналады. Оның Күнді айнала қозғалатынының бір дәлелі — бізге жақын жұлдыздардың көрінерлік ығысуы; мұндай ығысулар алғаш рет XIX ғасырдың 30-жылдарында бақыланды.
Жыл мезгілдерінің ауысуы үш жағдаймен түсіндіріледі: Жер осінің орбита жазықтығына көлбеулігі, Жердің Күнді айнала қозғалысы және осы қозғалыс кезінде ось бағытының өзіне-өзі параллель болып сақталуы. Соның нәтижесінде жарты шарларға түсетін күн сәулесінің бұрышы мен жылу мөлшері өзгереді: оңтүстікте жаз болғанда, солтүстікте қыс болады.
Марс
Марс (қазақша атауы: Аңырақай немесе Қызыл жұлдыз) диаметрі бойынша Жерден шамамен екі есе кіші. Соңғы онжылдықтарда Марсқа автоматты станциялар жіберіліп, олардың көмегімен планета беті суретке түсірілді, өлшеулер жүргізілді және мәліметтер радио мен теледидар арқылы Жерге жеткізілді.
Қазіргі деректер бойынша Марстағы жыл Жердегіден шамамен екі есе ұзақ. Онда да жыл мезгілдері ауысады, себебі айналу осі Жердікіндей орбита жазықтығына көлбеу. Марстағы тәулік ұзақтығы 24 сағат 37 минут 23 секунд. Жазда күндіз ең жылы жерлерінде +20°C-қа дейін жетсе, қыста түнде −125°C-қа дейін төмендейді. Атмосферасы көбіне көмірқышқыл газдан тұрады және Жердікінен шамамен жүз есе сирек.
Юпитер
Алып планеталардың ішіндегі ең жақсы зерттелгені — Юпитер (қазақша атауы: Есекқырған). Ол диаметрі бойынша Жерден 11 есе, массасы жағынан шамамен 300 есе үлкен. Күнді айналу периоды — шамамен 12 жыл.
Юпитердің айналу осі орбита жазықтығына жуық перпендикуляр болғандықтан, онда жыл мезгілдері айқын ауыспайды. Тәулігі небары 9 сағат 50 минут: өз осінен өте жылдам айналады.
Сатурн
Күн жүйесіндегі ерекше нысандардың бірі — Сатурн (қазақша атауы: Қоңырқай). Оны айнала қоршаған жалпақ сақинаның қалыңдығы бірнеше километр ғана. Сақина планетаның экватор жазықтығында орналасқан, ал бұл жазықтықтың орбита жазықтығына көлбеулігі шамамен 27°.
Сатурн Күнді шамамен 30 жылда бір айналып шыққанда, сақина бізге кейде кең ашылып, кейде тура қырынан көрінеді. Қырынан келгенде, оны үлкен телескоппен жіңішке сызық түрінде байқауға болады.
Уран
Қызықты деректердің бірі — Уранның өз осінен айналу бағыты көптеген планеталардан (Шолпаннан басқа) кері. Оның осі орбита жазықтығымен небары 8° бұрыш жасайды, сондықтан ол «бүйірінен қисайып» айналатындай әсер қалдырады.
Осының салдарынан Уранда жыл мезгілдері күрт ауысады. Урандағы бір жыл Жердегі шамамен 84 жылға созылады. Уран мен Шолпан — өз осінен көпшілік планеталарға қарама-қарсы айналатын бірегей екі планета.
Нептун және теориялық болжамның дәлдігі
Ғылым жетістігінің жарқын мысалы — Нептун планетасының бар екенін телескоппен табылмай тұрып-ақ, теориялық есептеулер арқылы болжау. Францияда Урбен Леверье мен Англияда Джон Адамс Уран орбитасындағы ауытқуларды талдап, белгісіз планетаның орнын, өлшемін және орбитасын математикалық жолмен өте дәл анықтады.
1846 жылы телескоп көмегімен дәл сол болжанған аймақтан жаңа планета табылып, ол Нептун деп аталды. Кейін Нептун қозғалысын мұқият бақылау барысында оның бақылаудан алынған орбитасы мен теориялық орбитасы арасында елеулі айырмашылық байқалды. Мұны Нептуннан әрі тағы бір планетаның ықпалымен түсіндіруге болатын еді.
Плутон
Ақырында жас астроном Клайд Томбо 1930 жылғы 18 ақпанда АҚШ-тағы Ловелл обсерваториясында Күн жүйесінің тағы бір планетасын тапты. Ол Плутон деп аталды.
Плутон — классикалық тізім бойынша тоғыз планетаның ең кішісі. Ірі телескоптармен түсірілген фотосуреттерде ол әлсіз кішкентай жұлдызға ұқсайды. Диаметрі шамамен 3000 км. Ол Күннен шамамен 6 млрд км қашықтықта орналасып, Күнді 248 жылда бір айналып шығады.
Қорытынды ой
Соңғы зерттеу әдістері бізге планеталар әлемі туралы барған сайын дәл мәлімет береді. Қазіргі кезде Күн жүйесінің планеталарын зерттеу тоқтаған жоқ: ғалымдар әлі де жаңа нысандарды іздестіруді жалғастыруда. Тұңғиық ғаламның кереметтерін тануға деген құштарлық — адамзаттың ең тұрақты талпыныстарының бірі.