Номинальная траектория межзвёздного астероида 1I/Оумуамуа (он же A/2017 U1). Расчёт основан на наблюдениях, начиная с 19 октября 2017 года. Заметьте, как отличаются орбиты планет (вращающихся быстро и по кругу), объектов пояса Койпера (эллиптические, почти копланарные) и орбита этого межзвёздного астероида.
Правильный ответ на вопрос о том, как планеты движутся по орбитам в нашей Солнечной системе, был дан уже несколько сотен лет назад: сначала Кеплером, чьи законы движения их описывали, а затем Ньютоном, чьи законы всемирного тяготения позволяли вывести первые. Но кометы, как происходящие из Солнечной системы, так и залетевшие издалека, не двигаются по тем же самым, почти круговым, эллипсам. Почему так происходит? Наш читатель хочет узнать:
Почему кометы движутся вокруг Солнца по параболическим путям, в отличие от планет, движущихся по эллиптическим орбитам? Откуда у комет берётся энергия на пролёт такого большого расстояния, от облака Оорта до Солнца и обратно? И как межзвёздные кометы и астероиды вылетают из своих планетных систем и посещают другие?На этот вопрос можно ответить, однако существует более общий вопрос: почему вообще объекты двигаются по орбитам именно так?
Планеты Солнечной системы вместе с астероидами из пояса астероидов двигаются почти в одной и той же плоскости, по эллиптическим орбитам, близким к круговым. Но за пределами орбиты Нептуна всё становится менее надёжным.
В нашей Солнечной системе есть четыре внутренних скалистых мира, за которыми следует пояс астероидов, газовые гиганты с кучей лун и колец, а потом пояс Койпера. За поясом Койпера есть огромный рассеянный диск, после которого находится сферическое облако Оорта, простирающееся на огромное расстояние: возможно, на один или два световых года, почти на половину расстояния до ближайшей звезды.
Логарифмическая схема Солнечной системы, вплоть до ближайших звёзд, показывает распространение пояса Койпера с астероидами и облака Оорта.
В соответствии с законами гравитации, чтобы находиться на стабильной орбите определённого размера, объекту необходимо двигаться с определённой скоростью. Должен существовать баланс между потенциальной энергией системы (в виде гравитационной потенциальной энергии) и энергией движения (кинетической). Чем глубже вы находитесь в потенциальном гравитационном колодце Солнца (то есть, чем ближе вы к нему), тем меньше у вас энергии, и тем быстрее вам надо двигаться для сохранения стабильной орбиты.
Восемь планет Солнечной системы и Солнце, в масштабе размеров, но не в масштабе диаметров орбит. Из всех планет, видимых невооружённым глазом, сложнее всего увидеть Меркурий
Поэтому средняя скорость движения планет выглядит так:
- Меркурий: 48 км/с,
- Венера: 35 км/с,
- Земля: 30 км/с,
- Марс: 24 км/с,
- Юпитер: 13 км/с,
- Сатурн: 9.7 км/с,
- Уран: 6.8 км/с,
- Нептун: 5.4 км/с.
Благодаря обстановке, в которой формировалась Солнечная система – множество небольших масс, сливавшихся вместе, взаимодействовавших друг с другом, производивших множество выбросов массы – сегодняшняя ситуация довольно близка к круговой.
Орбиты планет внутренней Солнечной системы не совсем круговые, но достаточно близко к этому. Больше всего отклоняются от идеала Меркурий и Марс. Кроме того, чем ближе планета к Солнцу, тем быстрее ей надо двигаться.
Но необходимо учитывать и то гравитационное взаимодействие, что происходит позже! Если астероид или объект пояса Койпера проходят рядом с крупной массой вроде Юпитера или Нептуна, гравитационное взаимодействие может дать ему хорошего пинка. Это ощутимо изменит его скорость, добавив несколько км/с практически в любом направлении. И в случае астероида это может означать изменение орбиты с почти круговой до очень эллиптической; хорошим примером такого случая служит путь кометы Энке, которая могла произойти из пояса астероидов.
След кометы Энке, совершающей полный оборот за 3,3 года – чрезвычайно быстрое движение, распределённое по эксцентрическому эллипсу. Энке стала второй периодической кометой, найденной после кометы Галлея.
С другой стороны, если вы находитесь очень далеко, например, в поясе Койпера или в облаке Оорта, мы способны двигаться со скоростями от 4 км/с (внутренняя часть пояса Койпера) до нескольких сотен метров в секунду (для облака Оорта). Гравитационное взаимодействие с крупной планетой вроде Нептуна может поменять вашу орбиту одним из двух способов. Если Нептун забирает у вас энергию, вас вышвыривает во внутреннюю Солнечную систему, и появляется эллипс с долгим периодом, похожий на путь кометы Свифта — Таттла, той, что создала метеорный дождь Персеиды. Это может быть эллипс едва-едва гравитационно связанный с Солнцем, но всё же эллипс.
Орбита кометы Свифта — Таттла, проходящей в опасной близости к пути Земли вокруг Солнца, крайне эллиптическая по сравнению с любой планетарной орбитой. Предполагается, что давным-давно на её орбиту повлияло гравитационное взаимодействие либо с Нептуном, либо с другим массивным объектом, и в результате получилось то, что мы имеем сегодня.
Но если Нептун или любое другое тело (нам всё ещё неизвестно, что находится на краю Солнечной системы) придаёт вам дополнительную кинетическую энергию, оно может изменить вашу орбиту с гравитационно связанной эллиптической на непривязанную гиперболическую. (Параболическая орбита – это непривязанная орбита, находящаяся как раз на границе между эллиптической и гиперболической). Если кто помнит двигавшуюся близко к Солнцу комету ISON от 2013 года, распавшуюся при приближении к светилу, то она как раз была на гиперболической орбите. Обычно кометам, пришедшие с дальних краёв Солнечной системы, недостаёт нескольких километров в секунду до границы между связанной и несвязанной орбитами.
Комета ISON, войдя в Солнечную систему, приобрела хвосты, направленные в сторону от Солнца. Она «задела» Солнце, пройдя на расстоянии всего в 2 млн км, и позже из-за такой близости распалась.
Самый странный факт, кажущийся для большинства людей контринтуитивным, состоит в том, что кометам не нужно много энергии для того, чтобы ворваться во внутреннюю часть Солнечной системы! Если взять объект, находящийся пусть даже в световом годе от Солнца, и просто отпустить его, то за достаточно долгое время он просто упадёт на Солнце. Очень небольшое изменение вектора скорости далёких масс, движущихся по орбите вокруг Солнечной системы, может подтолкнуть их ближе. Такие гравитационные тычки происходят случайно, но мы видим только те объекты, которые начали двигаться быстрее, подошли ближе к Солнцу, выработали «хвосты» и стали достаточно яркими, чтобы их можно было видеть. Так и появляются кометы.
Пояс Койпера – место расположения огромного количества известных объектов Солнечной системы, но в облаке Оорта, более тусклом и расположенном гораздо дальше, объектов гораздо больше, и больше вероятность быть сбитым с обычной орбиты проходящей мимо массой, например, другой звездой. Скорость движения объектов пояса Койпера и облака Оорта относительно Солнца весьма мала.
Большая часть из них либо едва связана, либо немного не связана гравитационно, поэтому A/2017 U1 и стал таким удивительным открытием. В отличие от обычных комет и астероидов он был очень сильно несвязан гравитационно. И если объекты с краёв Солнечной системы движутся со скоростями не более, чем несколько км/с, то этот объект двигался со скоростью более 40 км/с. Он, должно быть, прибыл не из Солнечной системы, поскольку даже у Нептуна не хватило бы массы, чтобы придать ему подобное ускорение!
A/2017 U1 скорее всего происходит из межзвёздного пространства. Ближе всего к Солнцу он подошёл 9 сентября. Перемещаясь со скоростью 44 км/с, комета направляется в сторону от Земли и Солнца, за пределы Солнечной системы.
Что же заставляет комету, астероид, другой объект за пределами Солнечной системы переходить на подобную орбиту? Просто гравитация, и все гравитационные взаимодействия, происходившие за время его существования. Объекты Солнечной системы двигаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Но гравитационные взаимодействия могут это изменить, либо меняя форму эллипса, либо превращая его в несвязанную гравитационно гиперболу. В любом случае, мы увидим такой объект, если только его закинет близко к Солнцу – только так мы смогли узнать о существовании всех открытых нами комет.
Хвосты комет не повторяют траекторию движения в точности, а направляются по прямому или изогнутому пути, направленному от Солнца, в зависимости от того, что сдувается с объекта – ионы или пылинки. В любом случае кометы – их хвосты, комы, то, что отражает свет — видны нам только тогда, когда они находятся достаточно близко к Солнцу.
Кометы и астероиды, которых выкидывает из Солнечной системы, пролетают через межзвёздное пространство, и когда-нибудь они пройдут мимо других звёзд. Поскольку относительная скорость движения звёзд по галактике составляет порядка 10-30 км/с, эти межзвёздные камни будут двигаться именно так, что объясняет, почему открытый нами межзвёздный астероид двигался так быстро. Всё объясняет комбинация начальной орбиты, гравитационные взаимодействия и движение нашей Солнечной системы через галактику. Забирая энергию у объекта из пояса астероидов, пояса Койпера или облака Оорта, вы создаёте эллипс, сильнее привязанный к Солнцу. Когда вы придаёте объекту энергетическое ускорение, его может выкинуть наружу.
Сейчас мы считаем, что понимаем, как сформировалось Солнце и Солнечная система, а этот вид – иллюстрация ранних этапов формирования. Сегодня мы имеем только те объекты, что выжили в этом процессе.
Какой вывод можно сделать из этого? Со временем в нашей Солнечной системе остаётся всё меньше объектов, и количество объектов в поясе астероидов, поясе Койпера и облаке Оорта всё время уменьшается. Со временем эти образования становятся всё более разреженными. Кто знает, сколько объектов там было когда-то? Посчитать их невозможно. В Солнечной системе нам остаются доступными только выжившие.
Комментарии (19)
Tarson
10.04.2018 13:22Думается, что межзвездные перелеты с околосветовыми скоростями будут невозможны именно из-за таких объектов как облака Оорта. Нет никакой гарантии, что корабль по дороге не влетит в какой-нибудь объект оттуда размером от горошинки вплоть до нормального такого астероида. На околосветовой скорости в любом случае для корабля такое столкновение будет фатальным. А такие объекты щедро рассыпаны на расстояниях до нескольких световых лет от звезд.
akurilov
10.04.2018 19:02Плотность материи в ОО куда меньше плотности внутри СС, сравнима с плотностью материи в пространстве между галактиками
sotnikdv
11.04.2018 04:24Все эти «логарифмические» картинки и визуализации очень сильно искажают наше понимание реальной плотности материи в пространстве.
Шансы врезаться в такой обьект будут очень невелики. Масса облака Оорта по оценкам 3х10^25. Даже если предположить, что это все отдельные обьекты в килограмм, достаточно оценить обьем облака, 5x10^14 ае^3. Итого, 10^11 обьектов на кубический ае.
1 ае — 150 000 000 км, или 1,5х10^7, т.е. обьем около 2x10^21 км. Итого 1 обьект на на 2х10^10 кубокилометров.
Знаем диаметр корабля, размер облака оорта (от и до) получаем обьем «трубки», через которую летит корабль. Зная плотность обьекта получаем вероятность столкновения. Можете сами досчитать.
dot22
10.04.2018 14:14Я, конечно, могу ошибаться, но лично мне кажется, что приведенная почти на всех картинках в статье схема вращения планет вокруг солнца несколько упрощенна. Лично я склоняюсь к мнению, что, скорей всего, имеет место быть что-то подобное более другой модели,
like this
sotnikdv
11.04.2018 04:33Во-первых, Вам придется смириться с фактом, который потряс физиков больше века назад, а именно отсутствие истинной системы отсчета. Если Вам для этого нужна хорошая компания, могу предложить себя, т.к. для меня это тоже было непросто осознать, точнее все последствия.
Если я возьму землю точкой отсчета, то получится не менее логичная картина, полностью физически корректная, правда орбиты будут напоминать клубок очень пьющих змей.
Во-вторых, все зависит от того, чем мы пренебрегаем. Технически все орбиты ОЧЕНЬ непростые и изгибаются практически всем, что есть во Вселенной (ну вплоть до каких-то квантований, если эта теория верна).
Так что, формально Вы можете сказать, что Бруно сожгли не напрасно и он был неправ ;) (да, я знаю за что его сожгли, знаю)
trogg
11.04.2018 21:34Ваша схема это пример движения солнечной системы в галактике.
В большинстве случаев солнце берем за неподвижную точку отсчета. Ускорением связанным с тем, что траектория солнца в галактике — эллипс можно пренебречь. Так просто проще и думать и рисовать.
stepmex
parotikov
Начнете. Попадете. Может, не сразу, несколько витков. Но, в конце концов, всё упадёт на солнце.
Вот прикольный симулятор гравитации: hermann.is/gravity
yar3333
У меня тоже есть, самодельный, попроще: http://jsbin.com/wuharoyemi/edit?js,output
stepmex
Каких витков?!
Я же на землю падаю вертикально вниз, почему я вдруг на солнце должен падать под неким углом? О_о
sotnikdv
Потому что на Земле у вас Земля практически единственный источник гравитации, а гравитация других тел пренебрежимо мала. Но технически даже на земле вы падаете по очень нетривиально изогнутой кривой.
В солнечной системе все будет совсем по другому. У вас один удаленный сильный источник гравитации, Солнце, который неподвижен относительно Вас и куча мелких источников, которые движутся возле Вас, слабее, но ближе.
Поэтому исход будет начиная от падения на Солнце по слабо изогнутой кривой (начинаете путь на прямой, перпендикулярной плоскости эклиптики и проходящей через Солнце) и до выброса из Солнечной системы (включая варианты захвата другим телом, возможно попаданием в точку Лагранжа и падением на Солнце по такой кривой, что ни одна пьяная муха так бы не летала).
sotnikdv
Неа. Минимум два кейса навскидку.
1. Он неподвижен относительно Солнца, но рядом проходит планета, скорость относительно которой меньше первой космической.
2. Он неподвижен относительно Солнца, но рядом проходит планета, которая его разгоняет, а потом он попадает в цепочку гравитационных маневров и достигает 3-ю космическую. И все, сюрприз-сюрприз :)
bogotoff
Если нет сопротивления движению(т.е. плотность в вакууме считать нулевым), нет препятствий, которые поменяют траекторию и солнце не высохнет, то можно никогда не упасть.
DrZlodberg
Если без скорости относительно солнца, то скорее всего (если никакой другой объект не помешает) упадёте сразу (без доп. витков).
sotnikdv
Без какой либо скорости относительно чего? Вас просто начнет притягивать к гравитационной доминанте, а дальше все зависит от распределения скоростей масс и самих масс вокруг вас.
Совершенно спокойно может оказаться, что начав свое приключение будучи неподвижным относительно Солнца, которое для Вас гравитационная доминанта, вы испытаете серию гравитационных маневров от движущихся планет и будете вообще выброшены из системы.
В сферическом кейсе в вакууме, если вы висите неподвижно относительно Солнца и Солнце единственная гравитирующая масса, Вас притянет просто по прямой.
Если Солнце просто доминирующая гравитирующая масса в течение всего падения, а остальные массы двигаются относительно Вас, то Вы упадете на Солнце по спирали, от простой до очень нетривиальной.
stepmex
Да что вы все мыслите то в одной плоскости?!
Упростим задачу, я не в плоскости планет, я нахожусь перпендикулярно это плоскости, над солнечным экватором.
Хотя я уже получил ответ…
Victor_koly
Если будете тупо падать на Солнце (угловой момент = 0), то сможете упасть, без учета прочих масс. если грав. воздействие прочих масс даст Вам какой-то угловой моммент, то Ваша возможность упасть куда либо будет зависить от того, подойдете ли Вы достаточно близко к Солнцу для торможения в её атмосфере (центральной силой давленяи света и прочих частиц я пренебрегаю, магнитное поле Солнца для железного астероида не берусь описывать). Тут есть 3 варианта:
1. Вы сразу тормозитесь и выходите на орбиту с большой полуосью много меньше радиуса орбиты Меркурия.
2. Вы немного теряете скорость, совершаете несколько витков и лет за 5 возвращаетесь к пункту 1.
3. Вы теряете не так много скорости — у Вас осталась скорость для ухода на параболическую орбиту или эллипс с периодом 9 млрд. лет (равносильно большой полуоси чуть больше 15 св. лет — высокие шансы улететь к соседней звезде).