Układ Słoneczny Juliusz Domański Do 1610 roku Układ Słoneczny stanowiły Słońce, Ziemia z Księżycem oraz 5 gwiazd błądzących (planet). Widoczne niekiedy na niebie komety bardzo długo uważano za zjawiska atmosferyczne (wyziewy atmosfery). Dopiero Tycho de Brahe (1546 1601) wykazał, że kometa z roku 1577 znajdowała się w odległości większej niż Księżyc. Z kolei Edmund Halley wysunął przypuszczenie, że przynajmniej część z nich pojawia się okresowo. Sprawdziło się to dla komety z lat 1456, 1531, 1607 i 1682. Przyjęte założenia potwierdziły się w pełni, kometa pojawiła się w 1758 roku. Później została nazwana kometą Halleya. Poza planetami (i ewentualnymi kometami) miała być tylko bliżej nieokreślona sfera gwiazd stałych. Odległości planet od Słońca obliczył już Kopernik (a także inni badacze). Jednak były to odległości względne, wyrażone w odległościach Ziemia Słońce. Największa kątowa odległość Wenus od Słońca wynosi 46 o. Kierunki Ziemia Wenus i Wenus Słońce tworzą wówczas kąt prosty (rys. 1). Jak widać: r W = r Z. sin 46 o = 1 j.a.. 0,719 = 0,719 j.a. (j.a. jednostka astronomiczna to odległość Ziemia Słońce) Rys. 1 Odległość Merkurego od Słońca obliczono w ten sam sposób. Odległości planet zewnętrznych obliczono nieco inaczej, wykorzystując dwa inne szczególne położenia planet. Kwadratura Marsa występuje 106 dni po opozycji. Okres obiegu Ziemi wokół Słońca wynosi 365 dni, Marsa 687 dni (rys. 2). Jaka jest odległość Słońca od Marsa? Promień wodzący Ziemi zakreśla w ciągu 106 dni kąt a = 360 o. 106/365 = 104,5 o. Promień wodzący Marsa kąt b = 55,5 o. r M rz rz 1 j.a. cos( ) cos,, a b 49 0 6561 152 j.a. Rys. 2 Strona 1 Dokument został pobrany z serwisu.
Fot. 1 W obu przypadkach były to odległości względne. Klucz do znalezienia odległości bezwzględnych stanowiło wyznaczenie odległości Ziemia Słońce. Zadanie to okazało się niezwykle trudne. Co prawda próbę tę podjął już w III wieku p.n.e. Arystarch, jednak wyznaczona przez niego odległość była ok. 20 razy mniejsza od rzeczywistej. Odległość tę udało się ustalić dopiero w 1672 roku dzięki jednoczesnemu wyznaczeniu położenia Marsa z dwóch różnych, odległych miejsc (Paryż i Cayenne w Ameryce Południowej). Dopiero wówczas zorientowaliśmy się w prawdziwych rozmiarach Układu. A są one, w naszej skali, olbrzymie. Przelot ze Słońca do najdalszej planety układu, Neptuna, samolotem naddźwiękowym Concorde lecącym z szybkością 2150 km/h trwałby prawie 240 lat! Jednak jest to bardzo niewiele, jeśli porównamy tę odległość z odległością do najbliższej nam gwiazdy Proxima Centauri. Światło tej gwiazdy, poruszając się z zawrotną szybkością 300 000 km/s, dociera na Ziemię dopiero po ponad 4 latach! Zbudowanie lunety pozwoliło Galileuszowi na dostrzeżenie 4 największych satelitów Jowisza, nazywanych często księżycami galileuszowymi. Było to pierwsze powiększenie liczby ciał tworzących Układ Słoneczny. Dziś znamy 63 księżyce Jowisza. Galileusz zaobserwował też dziwne wybrzuszenia na Saturnie. Swoje odkrycia opisał w niewielkiej książeczce Siderus Nuncius już w marcu 1610 roku. Dziś wiemy, że jest to układ pierścieni. Pierścienie mają też Jowisz i Uran. Dopiero w 1781 roku W. Herschel, dysponując dość przyzwoitym teleskopem (fot. 1), odkrywa kolejną planetę o nazwie Uran. W 1801 roku G. Piazzi odkrywa niewielką planetę (Ceres) między orbitami Marsa i Jowisza. Z czasem okazuje się, że jest tam znacznie więcej małych ciał. Układ Słoneczny wzbogaca się o pas planetoid. Dziś znamy ich ok. 500 000. Jedna z nich, odkryta w 1990 roku, otrzymała nazwę Woszczyk od nazwiska toruńskiego astronoma. Rok 1846 rok odkrycia Neptuna to prawdziwy triumf mechaniki niutonowskiej. Zobaczył go J. Galle prawie dokładnie w miejscu obliczonym przez J. Leverriera (i niezależnie J. Adamsa). O wrażeniu, jakie to odkrycie wywarło nie tylko na astronomach i fizykach, może świadczyć list F. Chopina do rodziny. Zacytujmy fragment : Zapewne już wiecie o planecie nowej pana Leverrier. Leverrier, uważając pewne nieregularności w planecie Uranus, przypisał to innej planecie, jeszcze nieznanej, której opisał odległość, kierunek, wielkość, słowem wszystko... Co za tryumf dla nauki, żeby rachunkiem dojść do odkrycia podobnego. W 1877 roku A. Hall zauważa dwa małe księżyce Marsa Deimosa i Phobosa. W 1930 C. Tombaugh odkrywa dziewiątą planetę układu Plutona. Na odkrycie jego satelity, Charona, musieliśmy poczekać aż do roku 1978. Rok 1977 przynosi kolejną niespodziankę [1], [2]. Na 10 marca przewidywano zakrycie gwiazdy SAO 158 687 przez planetę Uran. Miało być ono widoczne z południowej półkuli (z rejonu Oceanu Indyjskiego). Ponieważ obserwacja zakrycia może dostarczyć istotnych danych o atmosferze planety, przygotowano się do wykonania pomiarów. W tym celu z Perth w Australii wystartowało Latające Obserwatorium Astronomicznne (Kuiper Airborne Observatory KAO) należące do NASA (fot. 2). Na pokładzie samolotu C-141 znajdował się m.in. 36-calowy (ok. 90 cm) teleskop, oczywiście żyroskopowo stabilizowany. Zasadniczym przeznaczeniem KAO są obserwacje w podczerwieni, w zakresie długości fal od 1 mm do 1000 mm. Bardzo silną absorbcję w tym zakresie powodują Strona 2 Dokument został pobrany z serwisu.
atmosferyczne pasma cząsteczek wody, tlenu i ozonu. Jeśli jednak wyniesiemy instrumenty na odpowiednią wysokość, wpływ atmosfery ziemskiej staje się minimalny. Fot. 2 Na pokładzie KAO pomiarami zajmowała się grupa astronomów z Cornell University. Obserwacje prowadzono w stratosferze na wysokości ok. 12 500 m. W rejonie lotu zakrycie miało nastąpić o 20h52m. Pomiary polegały na rejestracji prądu fotomnożnika zainstalowanego w ognisku teleskopu. O 20h11m43s samopiszący miernik zarejestrował stromy, kilkusekundowy spadek sygnału. Spowodowało to sprawdzenie dokładności śledzenia Urana i stanu zachmurzenia nieba. Postanowiono nieprzerwanie kontrolować układ śledzący, odciążając nieco tym samym Adamsa, czyli zainstalowany na pokładzie komputer. Podczas następnych 14 minut zarejestrowano 4 dalsze, nieco płytsze spadki sygnału (rys. 3). Wywołało to zainteresowanie, zdziwienie, a w końcu entuzjazm całej grupy. Podjęto próby formułowania hipotez mających wyjaśnić zaobserwowane zjawiska. Jedna z nich mówiła o przysłanianiu gwiazdy przez pierścienie Urana. Postanowiono to sprawdzić. Zakrycie gwiazdy rozpoczęło się o 20h52m i trwało 25 minut. Plan lotu przewidywał natychmiastowy powrót do Perth. Kontynuowano jednak obserwacje do 22h17m, gdy pojaśnienie nieba uniemożliwiło skuteczną pracę fotomnożników. W tym czasie zarejestrowano również 5 wtórnych zakryć. Stało się jasne odkryto pierścienie Urana. Kolejna seria odkryć nastąpiła dzięki misji [3], [4] Voyagerów (1977 1990), uruchomieniu orbitalnego teleskopu Huble a (1990) i teleskopu Kecka (1992). Uzyskano potwierdzenie istnienia pierścieni Urana, odkryto pierścienie u Jowisza i Neptuna, znacznie wydłużyła się lista znanych satelitów planet. Jowisz ma Rys. 3 Strona 3 Dokument został pobrany z serwisu.
63 księżyce, Saturn 60, Uran 27, Neptun 13. Bardzo wiele informacji o Jowiszu i Saturnie oraz ich satelitach uzyskaliśmy dzięki misji Voyagerów. Jeszcze w 1950 roku G. Kuiper wysunął przypuszczenie, że za orbitą Plutona może istnieć pas planetoid podobny do znanego od dawna pasa między orbitami Marsa i Jowisza. Ta hipoteza istniała do roku 1992, gdy teleskop Kecka wykrył niewielki obiekt w tym rejonie. Szybko nastąpiły dalsze odkrycia. Dziś znamy już ok. 1000 takich obiektów (rys. 4). Rys. 4 Fot. 3 Niedawno (marzec 2010 r.) polscy astronomowie, korzystając z największego polskiego teleskopu o średnicy 1,3 m (fot. 3) stojącego w Obserwatorium Las Campanas w Chile, odkryli 3 kolejne obiekty. Największy z nich 2010 EK139 ma średnicę ok. 1200 km. Dokładniejszych badań tego regionu dokona wysłana w 2006 roku sonda New Horizons. Dotrze ona do Plutona w 2015, a w latach 2016 2020 będzie badać pas Kuipera. Przypuszcza się, że może on zawierać nawet 70 000 obiektów. Układ Słoneczny znacznie powiększył swoje rozmiary. Jedna z transplutonowych planetoid Eris, okazała się nawet nieco większa od Plutona. Sprowokowało to astronomów do wprowadzenia pewnych zmian. W sierpniu 2006 roku Międzynarodowa Unia Astronomiczna zdegradowała Plutona do klasy planet karłowatych (nazwa tymczasowa). Do tej klasy zaliczono też Ceres (z pasa planetoid między orbitami Marsa i Jowisza). Być może do Układu Słonecznego zaliczymy też hipotetyczny Obłok Oorta. Według sformułowanej przez Jana Oorta hipotezy w odległości od 300 do 100 000 j.a. od Słońca rozciąga się obłok wypełniony przez drobne ciała (o średnicach rzędu kilometrów). Strona 4 Dokument został pobrany z serwisu.
Niekiedy siły pływowe pobliskich gwiazd wytrącają z obłoku taką bryłkę i kierują ją w stronę Słońca. Jeśli przechodzi ona dostatecznie blisko Słońca, widzimy ją jako kometę. Niewątpliwie najsłynniejszą kometą jest kometa Halleya (fot. 4) o okresie obiegu 76 lat. W czasie ostatniego przejścia w pobliżu Słońca w 1986 roku zbliżyła się do niej sonda Giotto, wykonała szereg zdjęć i podstawowych badań. Większość komet pojawia się w okolicy Słońca jednorazowo. Niekiedy jednak siły grawitacyjne tak zmieniają orbitę komety, że staje się ona stałym elementem Układu Słonecznego. Nazywamy je kometami okresowymi. Jest ich ok. 400. Fot. 4 Fot. 5 Dziś Układ Słoneczny liczy już kilkaset tysięcy obiektów. Ponadto, jeśli w pełni potwierdzi się istnienie obłoku Oorta, ich liczba może się nawet podwoić. Są to co prawda w większości obiekty bardzo małe, ale wiele z nich może stanowić zagrożenie dla Ziemi. Oddziaływania grawitacyjne często zmieniają orbity małych ciał i może dojść do ich zderzenia z którąś z planet. Nie tak dawno oglądaliśmy takie zderzenie. Jedno z małych ciał (kometa o średnicy zaledwie kilku kilometrów) zostało przechwycone przez Jowisza i stało się na krótko jego satelitą. Następnie w polu grawitacyjnym planety zostało rozerwane na 6 części i skierowane na kurs zderzeniowy. 16 lipca 1994 roku obserwowano z Ziemi kolejne 6 kolizji (fot. 6). Wiemy, że wiele podobnych zderzeń przytrafiło się w przeszłości Ziemi. Bardzo dobrze znany jest krater w Arizonie (fot. 5). Ma on 1200 m średnicy i 200 m głębokości. Powstał prawdopodobnie ok. 50 000 lat temu na skutek uderzenia meteorytu żelaznego o średnicy ok. 50 m. 30 czerwca 1908 roku niezidentyfikowana bryła (prawdopodobnie kometa) uderzyła Fot. 6 w tajgę w głębi Rosji. Drzewa zostały powalone w promieniu ok. 40 km. Jeden z najsłynniejszych kraterów, znany jako Chicxulub, to olbrzymie zagłębienie w powierzchni Ziemi mające 180 kilometrów średnicy. Znajduje się ono na północnym krańcu półwyspu Jukatan w Meksyku i jest uważane za ślad po upadku komety lub planetoidy o średnicy 10 kilometrów. Niektórzy sądzą, że zmiany klimatyczne wywołane tym uderzeniem były przyczyną wyginięcia dinozaurów oraz innych zwierząt lądowych i morskich. Strona 5 Dokument został pobrany z serwisu.
Znamy jeszcze kilka kraterów o zbliżonych rozmiarach. Większość śladów podobnych katastrof została skutecznie zatarta przez procesy erozyjne i tektoniczne. Powierzchnia Księżyca, na której procesy erozyjne nie występują, jest wprost upstrzona kraterami różnych rozmiarów (fot. 7). Przeważająca część z nich powstała bardzo dawno, w początkowym okresie formowania się Układu Słonecznego, gdy większe globy łatwo przechwytywały materiał niewykorzystany przy tworzeniu się planet. Fot. 7 Wiemy już, że 13 kwietnia 2029 roku planetoida Apophis, obiekt o średnicy 320 m, przeleci w odległości 36 500 km od Ziemi, a więc odległości bliskiej tej, na której krąży wiele satelitów telekomunikacyjnych. Jej następne przejście w pobliżu Ziemi w 2036 roku będzie jeszcze bliższe i dziś nie możemy wykluczyć jej zderzenia z Ziemią. Na szczęście mamy już środki prawdopodobnie pozwalające na zepchniecie planetoidy z kursu zderzeniowego. Na koniec warto sobie uświadomić, jak pusty jest nasz układ. W tym celu można wykonać (lub przynajmniej zaprojektować) model układu w przyjętej skali. Dla przykładu niech modelem Słońca będzie zegar słoneczny stojący na pl. Rapackiego w centrum Torunia (rys. 5). Ma on średnicę 3,5 m. W tej skali Merkurego w postaci kulki o średnicy 1,2 cm należy umieścić w odległości 145 m od zegara. Wenus to kulka o średnicy 3 cm w odległości 270 m. Ziemię w postaci nieco większej kulki o średnicy 3,2 cm umieszczamy w odległości prawie 380 m. Teraz kolej na Marsa. Będzie to kulka o średnicy zaledwie 1,7 cm położona w odległości 570 m. Jowisz będzie kulą o średnicy 35 cm ustawioną w odległości ok. 2 km (rys. 6). Z kulą o średnicy 29 cm Saturn musimy odejść na odległość 3,6 km. Urana, niewielką kulę o średnicy 14 cm, wynosimy Rys. 5 już poza miasto na odległość 7,2 km od zegara. I wreszcie Neptun, kulka o średnicy 12 cm, w odległości ponad 11 km. Być może gdzieś między orbitami Marsa i Jowisza warto jeszcze rozsypać garść pyłu i kilka ziarenek piasku (pas planetoid). I to już wszystko w olbrzymiej kuli o średnicy 11 km. Podobny model, w nieco innej skali zbudowali Szwedzi. Modelem Słońca jest w nim kulisty budynek Globe Arena w Sztokholmie o średnicy 85 m. Strona 6 Dokument został pobrany z serwisu.
Rys. 6 Inny model przedstawia program Skala.exe. Modelem Słońca jest w nim kopuła toruńskiego planetarium o średnicy 23 m. Program oblicza też średnice i odległości planet w innej, wybranej przez nas skali. Można go pobrać z naszej witryny. Literatura [1] Domański J., Entdeckung von Uranusringen, Astronomie in der Schule, 5/1979. [2] Domański J., Experiments in astronomy lessons, Newsletter, IUA 5/80. [3] Domański J., Niezwykła misja, Fizyka w Szkole, 3/1991. [4] Domański J., Astronomia i grawitacja, ZDN, Toruń 1993. Strona 7 Dokument został pobrany z serwisu.