Далеко от нас, на пустынных окраинах солнечной системы, в 2900 и 4500 млн. км от Солнца, находятся два «зеленых близнеца» — Уран и Нептун. Диаметр каждого приблизительно в четыре раза больше земного, а их диски, видимые в телескоп, имеют одинаковый зеленоватый оттенок. Они обладают общими для газовых гигантов свойствами — быстрым вращением (их сутки гораздо короче земных), протяженными атмосферами, состоящими из ядовитых газов, и небольшой средней плотностью.
Уран
Уран примечателен тем, что он был первой планетой, которую открыл Гершель при помощи усовершенствованного им телескопа в 1781 г. В течение всей истории человечества люди, обладавшие острым зрением, сами того не подозревая, видели Уран, но до Гершеля никто не заметил, что эта тусклая «звезда» медленно перемещалась среди «неподвижных» звезд. Поэтому в древности были известны только пять планет — «блуждающих звезд», которые легко было увидеть невооруженным глазом, — Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн.
Но шестой планетой, которую открыли ученые, стал отнюдь не Уран, а Земля! Задолго до 1781 г. Коперник и Кеплер окончательно доказали, что старая, геоцентрическая теория, согласно которой Земля является центром вращающейся вокруг нее Вселенной, ошибочна и что Земля наряду с пятью другими планетами вращается вокруг Солнца. Так еще за столетие до того, как Гершель обнаружил Уран, Земля официально была признана шестой планетой, обращающейся вокруг Солнца.
Уран — типичный газовый гигант — может встретить космонавтов испытаниями, а вот насколько они будут суровы — это зависит от толщины его атмосферы.
Загадка 1. Уменьшится ли вес космонавта, оказавшегося на Уране — огромном шаре диаметром 50 000 км.?
В большинстве астрономических таблиц приводится значение силы тяжести Урана, равное 9/10 земного. И опять надо оговориться, что оно относится к внешней границе атмосферы, определяющей размеры видимого диска планеты. Однако если учесть толщину атмосферы, которая сравнительно невелика — 3000–5000 км, сила тяжести почти не изменится. С уменьшением высоты над поверхностью, закрытой облачным покрывалом, сила тяжести слегка возрастет, но ускорение свободного падения все же останется меньше g или даже случайно окажется равным g, то есть в точности совпадет с земным.
Но, после того как космонавты будут приятно удивлены, ощутив на Уране свой земной вес, их поразят некоторые непривычные явления, сменяющие друг друга в зависимости от того, через какой квадрант (четверть) своей орбиты проходит Уран.
Неподвижное Солнце в течение нескольких лет остается прямо над северным полюсом; южный полюс погружен в ночную тьму. На экваторе все это время сумерки.
Приблизительно через 21 год, когда Уран переместиться на одну четверть своей орбиты, картина изменится.
Теперь Солнце висит как раз над вращающимся экватором, вызывая длинную вереницу дней и ночей с одинаковой продолжительностью в пять с половиной часов. Как на северном, так и на южном полюсе господствуют длящиеся годами сумерки.
Пройдет еще 21 год, и восстановится первоначальная картина, с той только разницей, что южный и северный полюсы поменяются ролями.
Такая причудливая последовательность времен года, изменяющая свой характер каждые 21 год, обусловлена самым необычным среди всех планет наклонением оси вращения, которое искажает также и привычный нам ритм смены дня и ночи.
Загадка 2. Почему из всех планет солнечной системы один только Уран оказался «лежащим на боку»?
Ось Урана наклонена не на несколько градусов, как у Земли (23°, 5′) или других планет, а на огромную величину — 98°, так что он вращается в обратную по сравнению с другими планетами сторону. Этот угол настолько близок к прямому, что через каждые 42 года полюса планеты направлены почти точно на Солнце (что объясняет положение Солнца в зените попеременно то над одним, то над другим полюсом). Но ось Урана, подобно оси вращающегося гироскопа, остается фиксированной в пространстве, то есть направленной всегда на одну и ту же звезду. Поэтому, после того как Уран оставит позади еще четверть орбиты, Солнце повиснет прямо над его экватором, вызывая смену времен года. Короче говоря, ось Урана ориентирована так, что она всегда параллельна, а не перпендикулярна плоскости его орбиты. Заодно напомним, что вращение Урана вокруг оси происходит в направлении, обратном движению по орбите.
Это движение планеты, которое на первый взгляд кажется весьма сложным, можно наглядно иллюстрировать, воспользовавшись круглым шаром, изображающим Уран и перемещаемым против часовой стрелки вокруг зажженной лампы — Солнца. Если наклонить шар к плоскости орбиты под углом, близким к прямому (98°), а вращение вокруг оси изменить на обратное (по часовой стрелке), мы сможем наблюдать на освещенной и темной сторонах шара все описанные выше явления, происходящие на Уране.
Почему Уран занимает особое положение — никому не известно. Он не укладывается ни в одну из теорий образования планет. Все теории исходят из общей предпосылки: планеты и спутники должны вращаться вокруг своей оси и вокруг Солнца в том же направлении, что и само Солнце — против часовой стрелки. Как могло случиться, что соответствующее Урану сгущение вещества (если рассматривать этот вопрос в рамках теории газо-пылевого облака) совершило столь невероятный переворот на 90° и «лежа на боку» завертелось в обратную сторону?
Но еще больше смущают астрономов спутники Урана.
Загадка 3. Почему все спутники Урана имеют обратное движение?
Действительно, обращаясь вокруг Урана в том же направлении, в котором вращается и он сам вокруг своей оси, его спутники тем самым имеют обратное движение по отношению к другим телам солнечной системы. И, конечно, следуя примеру материнской планеты, поворачивая свою ось то к Солнцу, то в сторону от него, спутники принимают участие в странном цикле продолжительностью в 21 год. Когда ось Урана обращена к Солнцу, в телескопы видно, что семейство спутников образует ожерелье, окружающее планету. Затем, через 21 год, когда ось Урана параллельна направлению его орбитального полета, спутники выстраиваются в ряд по обе стороны от него и вся система приобретает тот же вид, что и системы спутников всех других планет, но с одним отличием. Спутники Урана располагаются поперек плоскости эклиптики, тогда как спутники Юпитера и Сатурна обращаются в этой плоскости.
Все, что могут сказать астрономы об этом странном явлении, сводится к следующему: какова бы ни была причина, изменившая направление вращения, это произошло раньше, чем образовались спутники. Невозможно, чтобы планета и не связанные с ней жестко спутники могли повернуться как одно целое. А может быть, это возможно? Если уж вся система Урана столь «невероятна», то почему должна быть неприемлемой еще одна невероятная гипотеза?
Не исключено, что даже космонавты, посетившие Уран, не смогут решить эту задачу. Причиной, вероятно, была не внутренняя сила, а внешнее воздействие, которое имело место много веков назад и опрокинуло Уран, как черепаху.
Один Уран нарушает закон вращения в солнечной системе; другие 8 планет и 26 спутников имеют правильное вращение. Конечно, может оказаться, что «правильно» вращается именно Уран, а «неправильно» — все остальные тела.
Нептун
Нептун ведет себя значительно лучше — не в пример своему брату Урану. Настолько лучше, что дает очень мало материала для загадок. В истории Нептун знаменит тем, что был открыт дважды. Два небесных механика — Леверрье и Адамс — в 1845 г. предсказали положение невидимой планеты по возмущениям, которые она оказывает на движение Урана, и каждый из них открыл новую планету, не зная об удаче другого.
Нептун имеет только два спутника, но весьма возможно, что существуют и другие, недоступные нашим телескопам из-за большого расстояния от Земли.
Один из спутников, Тритон, является предметом нерешенного спора.
Загадка 1. Который из спутников планет самый крупный в солнечной системе — Тритон или Титан?
Часть астрономов делает вывод о больших размерах Тритона, основываясь на его высокой яркости при столь огромном расстоянии от Солнца. Они утверждают, что диаметр Тритона равен 5800 км, то есть он несколько больше, чем у Титана, — 5700 км. Есть и иные объяснения высокого коэффициента отражения: Тритон покрыт льдом или же окружен плотным облачным слоем и массивной атмосферой.
Другие астрономы не придают столь большого значения яркости Тритона и определяют более умеренную величину диаметра — 5300 км. Если это так, то Тритон окажется на втором месте после Титана, но впереди Ганимеда, спутника Юпитера. Некоторые ученые еще более «сжимают» Тритон — до 4800 км. Впрочем, и это не гак уж мало — таким же поперечником обладает Меркурий, так что в любом случае Тритон отнюдь не второразрядный спутник. По массе он явно превосходит Титан и занимает в этом отношении первое место.
Плутон — и все, что дальше него
Плутон не относится к числу газовых гигантов, но является внешней планетой, более того, самой внешней, и уже сама удаленность делает его удивительным. Среднее расстояние до Плутона — 5,92 млрд. км — в 100 раз больше, чем расстояние Земля — Марс, и в 15 000 раз больше радиуса орбиты Луны. Космический корабль, покидающий Землю с минимальной скоростью убегания (40 000 км/час), долетел бы до Плутона через 45 лет (ядерные двигатели значительно сократят этот срок).
При наблюдении невооруженным глазом с поверхности Плутона диск Солнца неразличим и оно похоже на яркую звезду, однако в 800 раз более яркую, чем полная Луна при наблюдении ее с Земли.
Чем больше накапливалось данных о Плутоне, тем очевиднее становилось, что планета существует без законных на то оснований. Плутон был открыт в 1930 г. Томбо, который руководствовался предсказаниями Ловелла, сделанными почти за 20 лет до этого. Ловелл исходил из того, что вычисленная орбита Урана, учитывающая притяжение со стороны Нептуна, отличалась от наблюдаемой. Было очевидно, что за Нептуном существует еще одна планета, и все же двадцатилетние поиски не увенчались успехом. Правда, после смерти Ловелла, когда были просмотрены сделанные им фотоснимки, оказалось, что он сфотографировал Плутон, но не заметил его, так как ожидал, что планета будет значительно ярче.
Наконец, Томбо нашел неуловимую планету, положение которой точно совпало с предсказанием Ловелла. Она была на пределе видимости самых больших телескопов того времени, превосходя по блеску лишь звезды 18-й звездной величины. Успех Томбо позволил разгадать одну загадку, но тут же породил новую, так как, хотя координаты планеты и совпадали с предсказанными, она имела слишком малые размеры и массу. Диаметр Плутона, 5800 км, и такая же, как у Марса, масса не соответствовали ожидавшимся характеристикам нового газового гиганта, на открытие которого рассчитывал Ловелл.
Другие астрономы, проверявшие расчеты Ловелла, не нашли ошибки, и это противоречие до сих пор ставит астрономов в тупик.
Загадка 1. Почему масса Плутона в шесть раз меньше, чем того требует величина возмущения в движении Урана?
После 1930 г. астрономы пытались найти объяснение этому непонятному явлению. Высказывались весьма остроумные, но, увы, совершенно неудовлетворительные предположения.
1. Поверхность Плутона, покрытая замерзшим льдом из метана и аммиака, настолько гладкая, что дает зеркальное отражение, создающее иллюзию малого изображения. Однако изменение альбедо Плутона, вероятно вызванное вращением и различием в отражающей способности его полушарий, не подтверждает теории гладкой, как у биллиардного шара, поверхности.
2. Поверхность планеты покрыта темным веществом, которое хорошо отражает только прямые солнечные лучи в центральной части и скрывает краевые зоны, освещенные косыми лучами Солнца. Но почему Плутон оказался равномерно покрытым черным как уголь веществом в отличие от других пятнистых, полосатых и разноцветных планет и спутников?
3. Плутон окружен особого вида облачным покровом, закрывающим весь диск и создающим оптическую иллюзию. Однако при низкой температуре — 250° ниже нуля (астрономы считают, что именно такая температура на этой планете) — все газы сжижаются, за исключением водорода и гелия, которые давно улетучились бы, диссипировали, в космическое пространство из-за низкой силы тяжести.
Недавно предложенная теория, хотя она и кажется весьма искусственной, все же, вероятно, ближе соответствует истине, чем другие.
Загадка 2. Может ли Плутон состоять из «тяжелого вещества», плотность которого в 110 раз превышает плотность воды?
Если бы плотность вещества Плутона была столь велика (в пять раз больше плотности самого тяжелого металла — осмия), «сфера гравитационного влияния» этой карликовой планеты была бы огромна. Тогда возмущения в движении Нептуна можно было бы объяснить мощным притяжением Плутона (если только они не вызваны десятой, «трансплутоновой» планетой). Такое тяжелое вещество само по себе отнюдь не является плодом фантазии: оно существует в недрах звезд. Однако только интенсивные ядерные реакции при высоких звездных температурах могут освободить атомы от внешних электронных оболочек и «сжать» их в ядерное вещество, масса кубического сантиметра которого измеряется тоннами. В угасших «выгоревших» звездах тоже могут существовать ядра из тяжелого вещества, но только при очень высоком давлении внешних слоев. Плутон слишком мал, чтобы его ядро было сжато столь сильно (признаков такого давления не обнаружено даже у Юпитера, который в тысячу раз массивнее). Однако нельзя исключить возможность того, что Плутон состоит из неизвестного и не обнаруженного еще в солнечной системе вещества сверхвысокой плотности.
Этому предположению придает некоторую правдоподобность еще одна удивительная особенность Плутона, единственной планеты, пересекающей орбиту другой планеты — Нептуна.
Загадка 3. Плутон — странник, забредший из-за пределов солнечной системы и захваченный Солнцем?
Эксцентриситет орбиты Плутона даже больше, чем у Меркурия, и поэтому расстояние от Земли до Плутона меняется от 7,2 до 4,5 млрд. км, то есть иногда становится меньше, чем расстояние между Землей и Нептуном. В настоящее время Плутон приближается к своему перигелию и в 1969 г. войдет внутрь орбиты Нептуна. Итак, вплоть до 2009 г. Плутон будет не девятой, а восьмой планетой солнечной системы. Это очень удобно для космонавтов, стартующих к наименее изученной планете.
Но факт пересечения планетных орбит не может объяснить ни одна теория образования планет. Эта особенность Плутона и его резкое отличие от четырех газовых гигантов на окраинах солнечной системы заставляют астрономов предполагать, что он уже с момента своего образования не был «настоящей» планетой.
Согласно одной из теорий, Плутон сначала был далеким спутником Нептуна, а затем освободился из-под влияния последнего и перешел на орбиту вокруг Солнца. Это представляется возможным, так как крошечный спутник Нептуна Нереида имеет «кометную» орбиту, а такая орбита могла бы облегчить «побег» из-под контроля материнской планеты еще более далекого спутника размером с Плутон.
Другая идея, изложенная в книге А. Азимова «Факты и фантазия», помогает объяснить недостаток вещества, оставшегося после взрыва Астероидии (см. гл. V) и сосредоточенного в современных астероидах. Возможно, рассуждает Азимов, один особенно большой осколок, возникший при разрушении гипотетической древней планеты, был выброшен из пояса астероидов. При определенных начальных скорости и направлении он ушел за Нептун, где сила солнечного притяжения «натянула поводья» и заставила Плутон ступить на эллиптическую орбиту. Если прибавить массу Плутона к полной массе малых планет, то древняя Астероидия примет вполне респектабельные и более правдоподобные размеры — средние между Марсом и Венерой.
По третьей теории Плутон действительно чужак, вообще не являющийся полноправным членом солнечной системы. Пришелец из темноты межзвездного пространства, он мог, как приемный сын, кинуться в теплые объятия Солнца. Предполагается, что кометы появляются из-за пределов солнечной системы, но Плутон слишком велик, чтобы быть головой кометы, средняя масса твердого ядра которой в миллионы раз меньше, чем у Плутона. Если Плутон — гость из межзвездного пространства, то появляется и новая загадка: как могло возникнуть в межзвездном пространстве самостоятельное тело планетных размеров? Этот пример прекрасно иллюстрирует то положение, что каждая разгаданная загадка загадывает множество новых.
Как бы ни была разрешена проблема происхождения Плутона, остается еще один вопрос: действительно ли эта далекая «беспризорная» планета определяет границы солнечной системы?
Загадка 4. Существуют ли планеты за орбитой Плутона?
Поскольку «девять» отнюдь не является магическим числом для планет, обращающихся вокруг Солнца, за Плутоном вполне может существовать планета номер десять. Но почему надо останавливаться на этом числе? Ведь вполне возможны планеты под номерами 11, 12 и более!
Плутон — объект 17-й звездной величины — довольно близок к пределу (23-я звездная величина) самых крупных современных оптических телескопов, так что десятая планета таких же размеров и с таким же альбедо была бы совершенно невидимой. Если бы трансплутоновая планета имела диаметр по меньшей мере 15 000 км и находилась не далее 12 млрд. км от Солнца, она могла бы оказаться в пределах досягаемости наших телескопов. Если же планета находится дальше, она должна иметь размеры порядка Юпитера, чтобы выделяться на фоне звезд. Еще больше затрудняет поиски то обстоятельство, что движение десятой планеты среди звезд происходило бы очень медленно — на величину порядка углового диаметра Луны в год.
Имеется весьма сильный довод в пользу существования по крайней мере десятой планеты. Дело в том, что Плутон оказался отнюдь не ожидаемой «планетой Ловелла» — газовым гигантом с массой в шесть раз большей, чем у обнаруженной «крошечной» планеты. Возмущения в движении Урана, оставшиеся после учета притяжения Плутона, могут исходить от более далекой планеты.
Однако вычисление огромной орбиты такого трансплутонового тела сопровождается столь большими ошибками, что почти невозможно предсказать точные координаты десятой планеты на данный момент или даже на данное столетие, так как ее «год», вероятно, составляет 500–1000 лет.
Остается надеяться на космонавтов и в этом вопросе: они расскажут нам, существуют ли планета номер десять и более далекие тела?
Правило Боде, хорошо представляющее расстояния планет от Солнца для ограниченного числа орбит, никогда не было доказано теоретически и не считается законом. Поэтому между Землей и Марсом, равно как и между двумя любыми другими планетами, могли бы находиться одно или несколько тел, не вызывая никаких разрушений и не создавая неустойчивости в нашей солнечной системе. Только при чрезмерном увеличении числа планет они слишком сильно притягивали бы друг друга и тогда их орбиты стали бы неустойчивыми, а это в свою очередь привело бы к столкновениям планет и автоматически ликвидировало бы «перенаселение» солнечной системы.
Если когда-нибудь нашим космонавтам придется участвовать в исследовании Млечного Пути или Метагалактики, то среди миллионов и миллиардов планетных систем они встретят немало не похожих друг на друга явлений. Число звезд с одной планетой исчисляется, вероятно, миллионами. Но не существует никакого гравитационного закона, который ограничивал бы число планет в системе девятью, как у нашего Солнца (которое тоже может иметь больше «спутников»). Планет может быть 19, 39, 99 и даже 999, если их система достаточно плотно «упакована».
Единственным ограничением способности звезды «содержать» большую свиту планет являются максимальные размеры системы. На слишком большом расстоянии (оно зависит от массы звезды) притяжение настолько слабо, что не сможет удержать даже медленно движущуюся планету и она покинет звезду (этим, возможно, объясняется, почему Плутон стал космическим беспризорником). Число планет, которое звезда в состоянии удержать на устойчивых орбитах, должно зависеть от их размеров: чем меньше планеты, тем более многочисленной свитой может обзавестись звезда. Что касается массы звезды (многие из них в тысячи раз массивнее нашего Солнца), то, чем больше эта масса, тем выше гравитационный потенциал звезды и тем больше «сфера влияния» — объем пространства, «отведенного» для планет.
