Солнечная система: ее состав, строение и положение в Галактике

Вселенная огромна, и человек занимает в ней очень скромное место. Мы живем на планете Земля, которая под действием силы притяжения движется в космическом пространстве по орбите вокруг Солнца. Вместе с Землей вокруг Солнца движутся еще 7 больших планет, множество их спутников, карликовые кометы, астероиды и кометы, а также межпланетная пыль. Все вместе они образуют Солнечную систему. Астрономы уже многое узнали о строении и составе Солнечной системы. Для нас она похожа на большой и просторный космический дом, отделенная от других звездных систем огромными расстояниями. Хотя Солнечная система — наш дом, мы еще не до конца его исследовали. Она все еще полна загадок и тайн; в ней столько всего интересного!

Что такое Солнечная система?

Солнечная система — это центральная звезда, Солнце, и совокупность небесных тел, движущихся вокруг Солнца под действием ее притяжения. Из чего состоит Солнечная система?

 

• Солнце — единственная звезда в Солнечной системе, ее центральное, самое большое и самое массивное тело.
• Восемь больших планет, включая Землю, а также их спутники.
• Пять карликовых планет, известных на сегодняшний день.
• Несколько миллионов астероидов, движущихся в основном между орбитами Марса и Юпитера (но не только!)
• Относительно небольшие по размерам ледяные тела за орбитой Нептуна, объединенные в так называемый пояс Койпера. (Таких тел может быть много миллионов.)
• Кометы.
• Метеорные тела. (Сюда входят как крупные валуны, летающие вокруг Солнца тут и там, так и тела поменьше — камни, камешки, песчинки и льдинки.)
• Межпланетная пыль.
• Ледяные планетезимали — ядра будущих комет, располагающиеся далеко на окраине Солнечной системы, образуя облако Оорта. Их размеры составляют от десятков метров до десятков километров в поперечнике.

Все эти объекты движутся вокруг Солнца по орбитам, и удерживаются на них силой притяжения светила. (Это та же самая сила, которая возвращает нас на землю, когда мы прыгаем вверх. Ее еще называют гравитацией или тяготением.)

В пределах Солнечной системы сила притяжения Солнца преобладает по сравнению с силой притяжения окружающих космических объектов — звезд, звездных скоплений, галактик. Можно сказать, что Солнечная система это царство Солнца — оно занимает центральное место, а все перечисленные выше объекты, как на привязи, ходят вокруг нашей родной звезды.

Солнечная система: строение и состав

Давайте чуть подробнее посмотрим, из чего состоит Солнечная система.

Солнце

Солнце — это звезда, занимающая, как уже говорилось, центральное место в Солнечной системе. В отличие от планет, которые светят отраженным светом, Солнце — самосветящееся тело. Масса Солнца составляет 99,86% от массы всех объектов Солнечной системы. Другими словами, наша родная звезда примерно в 1000 раз «тяжелее» всех планет Солнечной системы, вместе взятых! Солнце представляет собой огромный шар раскаленного газа, который излучает свет и тепло. Именно благодаря Солнцу на Земле создаются благоприятные условия для развития жизни.

 

Планеты

Следующие за Солнцем крупные объекты — планеты. На сегодняшний день известно восемь больших планет. Вот их названия в порядке удаления от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Все планеты — темные шарообразные тела, отражающие свет Солнца. Земля — одна из планет Солнечной системы, не самая большая, но и не самая маленькая.

Все планеты движутся по эллиптическим орбитам, лежащим в одной плоскости, называемой эклиптикой. Расстояния между планетами огромны и измеряются в астрономических единицах (сокращенно а. е.). Одна астрономическая единица — это среднее расстояние между Землей и Солнцем, равное примерно 150 миллионам километров. Итак, расстояние от Земли до Солнца равно 1 а. е. Планета Юпитер находится на расстоянии около 5 а. е. от Солнца, а Нептун — на расстоянии около 30 астрономических единиц. Это значит, что Юпитер находится в 5 раз, а Нептун в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля.

Шесть из восьми планет имеют спутники. У Земли один крупный спутник — Луна. Марс имеет два очень маленьких спутника, а вот у Юпитера уже около 80 спутников! Правда из них только четыре похожи по своим размерам на Луну, остальные гораздо меньше. Свыше 80 спутников имеет планета Сатурн. Еще около 40 спутников на двоих имеют Уран и Нептун.

Планеты относительно крупные объекты, хотя по сравнению с Солнцем они невелики. Самая большая планета Солнечной системы, Юпитер, примерно в 10 раз меньше Солнца в диаметре.

Группы планет

Планеты делятся на 2 группы:

1. Планеты земного типа. В эту группу входят 4 ближайших к Солнцу планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Эти планеты характеризуются твердой поверхностью и относительно небольшими размерами и массой.
2. Газовые гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают массивными атмосферами и крупными размерами. Юпитер и Сатурн — классические газовые гиганты, почти целиком состоящие из водорода и гелия. Уран и Нептун называют также ледяными гигантами, потому что под их толстыми атмосферами находятся оболочки, состоящие из льда.

Карликовые планеты

Кроме больших планет в состав Солнечной системы входят также карликовые планеты. На сегодняшний день известно 5 карликовых планет:

1. Церера — самый крупный объект пояса астероидов диаметром 960 км, который находится между орбитами Марса и Юпитера.
2. Плутон — до 2006 года считался 9 планетой Солнечной системы. Однако Плутон гораздо меньше любой из больших планет Солнечной системы и даже меньше по размерам и массе, чем Луна. Диаметр Плутона составляет 2370 км. Обладая небольшой массой, Плутон не в состоянии очистить свою орбиту от присутствия других небесных тел (небольших астероидов) пояса Койпера. Это стало поводом исключить его из списка больших планет и включить в специальный новый список карликовых планет. У Плутона 5 спутников: 1 крупный спутник, Харон, и 4 небольших спутника — Гидра, Никта, Кербер и Стикс.
3. Эрида, самый крупный объект рассеянного диска. Эрида чуть меньше Плутона по размерам — ее диаметр составляет 2326 км, — зато немного массивнее Плутона. У Эриды есть 1 спутник под названием Дисномия.
4. Хаумеа — очень интересное небесное тело. В отличие от других карликовых планет она не шарообразная, а похожа на дыню или мяч для регби. У Хаумеи есть 2 спутника и система колец.
5. Макемаке — объект пояса Койпера диаметром 1478 км. У Макемаке открыли 1 спутник, который пока не имеет названия, а только номер: S/2015 (136472) 1

Кроме 5 официальных карликовых планет, за орбитой Нептуна открыты десятки похожих по размеру небесных тел, которые, вероятно скоро будут также включены в список карликовых планет. Вот лишь некоторые из подобных объектов: Седна, Орк, Гун-Гун, Салация, Квавар. Все они находятся очень далеко от Солнца, а потому изучать их очень трудно.

Что еще входит в состав Солнечной системы?

Разнообразная мелочь — тела размером от сотых долей миллиметра до 2-3 тысяч километров. Самые крупные их представители — астероиды и кометы.

Астероиды

Астероиды — сравнительно небольшие твердые тела диаметром от нескольких сот метров до сотен километров. Иногда их называют малыми планетами. (Не путать с карликовыми!) Бо́льшая часть астероидов имеет неправильную форму. Как и планеты, астероиды сами не светятся, а только отражают солнечный свет. Хотя астероиды встречаются в разных местах Солнечной системы, подавляющее их большинство собрано между орбитами Марса и Юпитера, в так называемом поясе астероидов.

Кометы

Кометы — небольшие космические тела размером с город. По своему строению кометы похожи на огромные комья снега, покрытые твердой оболочкой из пыли и силикатов.

Представьте себе тающий весенний сугроб. Под действием тепла сугроб покрывается темной и твердой коркой, а внутри становится рыхлым и пористым. Теперь поместите его в космос и получите маленькую комету.

Находясь вдали от Солнца, кометы практически незаметны, но когда они подлетают к звезде поближе, то разогреваются под действием солнечного тепла и начинают таять. Вокруг ядер образуется обширная атмосфера или ко́ма, состоящая из испарившихся с поверхности кометы газов, водяного пара и пыли. Часть атмосферы отталкивается назад под действием давления солнечного света и солнечного ветра, образуя хвост. У многих комет наблюдаются два хвоста одновременно — ионный (газовый) и пылевой.

Метеорные тела

Наиболее многочисленные объекты Солнечной системы — метеороиды или метеорные тела.

Это мелкие камни, песчинки, льдинки и даже пылинки, беспорядочно летающие тут и там, снующие между орбитами планет. Когда такой объект сталкивается с Землей, то, как правило, сгорает в высоких слоях атмосферы, не долетая до поверхности. Тогда мы наблюдаем в небе метеор или, как говорят в народе, «падающую звезду».

Если же объект оказывается настолько крупным, что не успевает разрушиться в атмосфере, он долетает до поверхности Земли и становится метеоритом.

Метеорные тела имеют разное происхождение: часть из них образовалась в результате разрушения комет, другая при столкновении астероидов друг с другом, третья откололась от планет и их спутников при падении на них крупных метеоритов.

Солнечная система: строение и структура

Для своего удобства астрономы выделяют в Солнечной системе несколько областей или зон.

Внутренняя Солнечная система

Внутренняя Солнечная система — это зона внутри пояса астероидов, то место, где солнце дает достаточно тепла для того, чтобы вода могла существовать в виде жидкости или пара. Внутренние области Солнечной системы включают в себя Солнце и расположенные неподалеку четыре небольшие планеты — Меркурий, Венеру, Землю и Марс. Их называют планетами земной группы (или внутренними планетами). Они похожи друг на друга как по размерам, так и по массе. Кроме того похоже их внутреннее строение: ядра планет земной группы состоят из смеси железа и никеля, а поверхность и мантия — в основном из горных пород.

Наша Земля — самая крупная из внутренних планет.

За орбитой Марса есть место для еще одной небольшой планеты. Однако ее там нет. Вместо планеты здесь находится пояс астероидов, в состав которого входит больше миллиона небольших тел и 1 карликовая планета Церера. Когда-то среди астрономов была популярна гипотеза о существовании на этом месте планеты Фаэтон, которая по каким-то причинам разрушилась на множество осколков. Но впоследствии эта теория не подтвердилась.

Внешняя Солнечная система

Внешняя Солнечная система — это царство холодных планет гигантов.

Юпитер — следующая планета по удалению от Солнца после Марса. Это самая большая и массивная планета Солнечной системы. Масса Юпитера в 318 раз больше массы Земли. Планета обладает мощным полем тяготения. Считается, что именно притяжение Юпитера не позволило сформироваться планете в поясе астероидов.

Удивительно, но Юпитер не является твердым телом! В отличие от планет земной группы у него попросту нет твердой поверхности. Это так называемый газовый гигант. Юпитер почти целиком состоит из водорода и гелия с небольшими примесями других газов. Лишь в самом центре планеты находится относительно небольшое ядро, составленное из каменистых пород и металлов. В целом по своему химическому составу Юпитер очень похож на Солнце.

Вслед за Юпитером находится Сатурн, еще одна газовая планета-гигант. Сатурн немного меньше Юпитера и легче его, зато окружен яркими и красивыми кольцами, которые можно рассмотреть даже в небольшой телескоп. Кольца Сатурна состоят из множества льдинок и камешков размером от миллиметра до нескольких метров.

Еще дальше располагаются планеты Уран и Нептун. Иногда их называют планетами близнецами из-за большого сходства. В целом по своим характеристикам Уран и Нептун также довольно похожи на Юпитер и Сатурн — это тоже планеты гиганты, обладающие очень мощными атмосферами. Но есть и различия:  Уран и Нептун меньше по размерам и имеют в своем составе не только газ, но и лед. Уран и Нептун очень холодные планеты, температура верхних слоев их атмосфер едва достигает -200°С (с глубиной температура медленно растет).

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун часто называют просто внешними планетами. Также за Юпитером и Сатурном закрепилось название газовые гиганты, а за Ураном и Нептуном — ледяные гиганты.

Пояс Койпера

За орбитой Нептуна находится широкая область небольших ледяных тел — пояс Койпера. Пояс простирается на сотни миллиардов километров от Солнца и потому является отдельной большой зоной Солнечной системы. Астрономы делят ее на внутренний пояс Койпера и внешний рассеянный диск. Объекты, населяющие пояс Койпера, по своим размерам и форме похожи на астероиды главного пояса, но, в отличие от них, состоят не из камня и металлов, а в основном изо льда. Самый первый объект пояса Койпера — Плутон — был открыт в 1930 году. Как уже упоминалось, сегодня Плутон считается одной из шести карликовых планет.

Облако Оорта

Наконец, далеко за поясом Койпера находится резервуар ледяных планетезималей (Облако Оорта). Он окружает Солнечную систему со всех сторон подобно гигантской сфере и содержит порядка тысячи миллиардов кометных ядер, а возможно и больше. Астрономы полагают, что облако Оорта удалено от Солнца на расстояние до 100000 астрономических единиц, то есть находится почти на полпути к ближайшей звезде. На таком громадном расстоянии ни один объект облака Оорта нельзя увидеть даже в самый мощный телескоп. Но мы все же уверены в существовании облака благодаря тому, что время от времени оттуда прилетают новые кометы.

Как движутся объекты Солнечной системы вокруг Солнца?

Все планеты и астероиды движутся вокруг Солнца более или менее в одной плоскости (она называется эклиптикой) и в том же направлении, что и Земля. Если принять за «верх» северный полюс Земли, то планеты движутся против часовой стрелки. На нашем небе движение планет на фоне звезд происходит с запада на восток.

Другое дело кометы и объекты пояса Койпера — они могут двигаться как угодно (по часовой стрелке и против часовой) а также под большими углами к эклиптике.

Происхождение и эволюция Солнечной системы

Самые древние породы Солнечной системы были найдены в упавших на Землю метеоритах. Их возраст был определен с высокой точностью методом радиоизотопного датирования и составил 4 миллиарда 568 миллионов лет. Эта дата считается началом существования нашей системы. (Обычно говорят проще: Солнечная система возникла около 4,5 миллиардов лет тому назад.)

Но откуда она вообще взялась?

Гипотезы формирования Солнечной системы

За последние 3 века ученые выдвинули множество гипотез и теорий происхождения Солнечной системы. Вот лишь некоторые из них:

• Небулярная гипотеза, утверждающая, что Солнечная система сформировалась из космической туманности (туманность по латыни nebula). Эту гипотезу впервые предложил в 1734 году шведский ученый, мистик и философ Эммануил Сведенборг. Затем ее развивал выдающийся философ XVIII века Иммануил Кант, а вслед за ним теорию разработал французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Эта теория была общепринятой вплоть до второй половины XIX века, когда в ней были найдены серьезные недочеты.
• Приливная теория Д. Джинса. Английский астроном Джеймс Джинс предположил, что Солнечная система возникла путем отрыва вещества с поверхности Солнца во время случайного сближения Солнца с другой звездой. Так как вероятность такого сближения равна практически нулю, Джинс полагал, что Солнечная система уникальна во Вселенной.
• Аккреционная теория, выдвинутая советским математиком и географом Отто Юльевичем Шмидтом в 1930-х годах XX века. Она являлась продолжением небулярной гипотезы и пыталась объяснить моменты движения планет, которые не удавалось сделать в рамках теории Лапласа.

Наши сегодняшние знания, основанные на наблюдениях за рождением звезд и планетных систем в Галактике, позволяют утверждать, что небулярная гипотеза, в целом, верная, но требует уточнений.

Стадия сжатия

Исследования показывают, что Солнечная система возникла путем сжатия гигантского и очень холодного облака межзвездного газа и пыли.

Это облако состояло в основном из водорода, гелия и небольшого количества других химических элементов. На сегодняшний день в нашей Галактике открыто множество подобных облаков. На фотографиях они выглядят как темные провалы на фоне горячих светящихся туманностей. В некоторых из таких облаков (астрономы называют их молекулярными) прямо сейчас формируются новые звезды и планеты.

Обычно молекулярные облака достаточно велики для рождения не одной звезды, а сразу нескольких десятков и даже сотен звезд. Вероятно, и наше Солнце родилось в таком крупном облаке. Это значит, что где-то в Галактике есть братья и сестры Солнца — другие звезды и солнечные системы, родившиеся из одного материала примерно в одно и то же время. Однако за миллиарды лет они разлетелись по Галактике так далеко друг от друга, что мы их совершенно не знаем.

Когда сложились необходимые условия, облако остыло и начало сжиматься под действием собственной тяжести: внешние части притягивались центральными. Сжимаясь, оно постепенно разбивалось на фрагменты. Каждый фрагмент продолжал сжиматься, и со временем стал отдельной звездной системой. Случайное вращение облака при сжатии стало усиливаться по закону сохранения импульса (этим законом, кстати, с успехом пользуются фигуристы на льду). Вращение облака и влияние гравитации привело к тому, что фрагмент, ставший Солнечной системой, принял форму диска.

Протопланетная система

Большая часть массы собралась в центре диска. Здесь сформировалось сгущение — протозвезда. Сжимаясь, газ протозвезды разогревался, и она начала светиться. Так образовалось протосолнце и протопланетный диск. Планеты образовались внутри диска путем слипания мелких частичек вещества и аккумуляции газа из диска.

Из-за того, что температура протосолнца была высока, вблизи него из диска могли сконденсироваться только тяжелые вещества — металлы и силикаты. Летучие же вещества — газы и вода — были выметены во внешние области Солнечной системы, туда, где было холоднее.

Тяжелые вещества слипались в силикатные шарики — хондры, а затем в более крупные объекты — планетезимали. Из них впоследствии образовались протопланеты земной группы и астероиды пояса астероидов.

По другому формировались планеты, находившиеся дальше от Солнца, в зоне, где вода могла существовать в виде льда. Там было гораздо больше строительного материала для построения планет. Зародыши Юпитера и других планет-гигантов образовались также, как и зародыш Земли, но из-за большого количество доступного льда, их массы были в 10-20 раз больше массы Земли. Такие массивные протопланеты были в состоянии притягивать большое количество газа из окружающего диска. В какой-то момент «всасывание» газа стало лавинообразным. Считается, что большая часть массы Юпитера и Сатурна была набрана всего лишь за 10000 лет!

Эволюция Солнечной системы

Процесс формирования и эволюции Солнечной системы не завершён. Объекты в Поясе Койпера продолжают взаимодействовать друг с другом и с большими планетами. Ледяные тела из облака Оорта продолжают проникать во внутренние области Солнечной системы, образуя новые кометы. Кроме того, Солнце постепенно теряет свою массу и запасы водорода в ядре. Это приводит к медленному увеличению размеров и светимости нашей звезды. Примерно через 900 миллионов лет Солнце станет таким ярким, что на Земле испарятся океаны и жизнь исчезнет. А еще через 3,5 миллиарда лет запасы водорода в ядре Солнца окончательно иссякнут, и оно превратится в красный гигант.

Где находится Солнечная система?

Точно так же, как Земля являются частью Солнечной системы, сама наша Солнечная система является частью Галактики, огромного скопления звезд, пыли и межзвездного газа. Наша галактика называется Млечный Путь; мы можем наблюдать ее темной безлунной ночью в виде туманной дорожки, пересекающей небо.

Эта дорожка состоит из миллионов звезд, слишком далеких, чтобы быть видимыми по отдельности. Кроме того, Галактике принадлежат вообще все звезды, которые мы можем видеть на небе невооруженным глазом или в телескоп.

Солнечная система движется по орбите вокруг центра Млечного Пути подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Но если Земле для облета Солнца нужен ровно год, то Солнечной системе для совершения одного оборота вокруг центра Млечного Пути требуется 250 миллионов лет! Этот огромный промежуток времени астрономы называют галактическим годом.

Со стороны наша галактика имеет красивую спиралевидную фигуру. Каждая спираль называется рукавом. Солнечная система находится на краю одной из таких спиралей, которая называется рукав Ориона. (По созвездию Ориона, где находится наиболее яркая и плотная часть этого рукава.)

Уникальна ли Солнечная система?

Еще не так давно среди астрономов шли жаркие споры о том, существуют ли системы, аналогичные солнечной, у других звезд нашей Галактики? Еще в середине XX века сторонники гипотезы Д. Джинса были уверены, что Солнечная система — уникальное явление во Вселенной.

Но с развитием телескопов и методов наблюдений астрономы смогли заглянуть внутрь массивных космических облаков газа и пыли и увидеть формирование звезд. Многие протозвезды оказались окруженными газопылевыми дисками. Это значит, что прямо сейчас вокруг них формируются планетные системы. Другое фундаментальное открытие последних 30 лет — экзопланеты, или планеты у других звезд. К сентябрю 2024 года астрономы каталогизировали уже 7331 планету в 5000 планетных системах. Почему планет больше, чем планетных систем? Потому что в некоторых системах открыто больше одной планеты!

Рекордсменом является планетная система Kepler 90 из созвездия Дракона, в которой открыто 8 планет — столько же, сколько известно и в Солнечной системе! Еще одна планетная система у звезды HD 10180 из созвездия Южной Гидры состоит из 7 планет.

Хотя наблюдать и открывать экзопланеты чрезвычайно трудно, эти и другие открытия позволяют утверждать, что Солнечная система не уникальна. В нашей Галактике существуют многие миллиарды планет, некоторые из которых наверняка похожи на Землю.

---

Узнайте больше о Солнечной системе и ее особенностях в следующих статьях нашего сайта: