Орбиты небесных тел
Твой путь расскажет о тебе больше, чем ты или кто-то другой
В моей недавней публикации о комете Галлея проскользнула мысль о том, что основным критерием уникальности небесного тела является его орбита. Эта мысль проскочила для меня самого неожиданно — в каком-то потоковом формате, и нуждается в осмыслении.
Для моих читателей я должен кое-что уточнить.
Задавались ли Вы вопросами: «Что есть орбита, и может ли на одной орбите в один и тот же момент времени находиться более одного небесного тела?»
Для большинства людей понятие космической орбиты равно некоторой линии, чаще всего такая линия замкнутая, круглая, может быть овальная. Для астрономов понятие орбиты сложнее.
Орбита Луны в разных системах отсчета
- Во-первых, астрономы любую орбиту определяют в некоторой системе координат, и отдают себе в этом отчет, сразу допуская, что в другой системе координат эта же орбита может выглядеть принципиально иначе. Яркий тому пример — орбита Луны, которая в системе отсчета связанной с Землей является слегка вытянутым эллипсом, но с системе отсчета связанной с Солнцем она же представляет из себя волнистую змейку, словно «вьюнок» обвивающую орбиту Земли. Если оторваться от Солнца и рассмотреть орбиту Луны из системы отсчета максимально усредненной для ближайшего к нам звездного окружения, оттуда мы увидим мы увидим весьма растянутую и слегка волнистую пружинку — совершенно незамкнутую траекторию, устремленную к далеким звездам созвездия Геркулеса. Менять системы отсчета можно до бесконечности. Остановимся на той, которая для нас сейчас наиболее актуальна. И коль скоро мы говорим о телах Солнечной системы, пусть наша система отсчета будет связана с Солнцем.
- Во-вторых, астрономы, даже если они рисуют орбиты на листе бумаге, всегда представляют их в объеме — в 3-мерном пространстве (бумага — 2-мерное пространство). Орбиты имеют относительное наклонение — посмотришь с полюса солнечной системы — они могут совпадать, а взглянешь «с ребра» и видишь, как сильно их плоскости наклонены друг по отношению к другу.
- В-третьих, астрономы всегда рассматривают любую орбиту во времени, понимая, что любая орбита эволюционирует: меняется со временем тот самый наклон к плоскости эклиптики, медленно дрейфуют узлы (точки пересечения орбиты небесного тела с плоскостью эклиптики) и линия апсид (соединяющая ближайшую к Солнцу и наиболее удаленную от него точки орбиты). Фактически меняются все элементы орбиты. Происходит это из-за взаимного гравитационного влияния жителей Солнечной системы — в первую очередь наиболее массивных, таких как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Но и те, что поменьше, тоже вносят свою лепту. Важно понимать, что любая орбита определена не вообще, а лишь для некоторого момента времени. И в другой момент времени это уже немного другая орбита.
- В-четвертых, никакая орбита не расскажет нам о текущем положении небесного объекта, если на ней не задано отправное положение объекта на некоторый ключевой момент времени. И это исходное положение небесного тела на своей орбите фактически тоже является неотъемлемым свойством орбиты. В таблице элементов орбит планет, астероидов, комет такое опорное положение обычно указывают в самой последней графе — это эклиптическая долгота на момент T0 (раньше это было весеннее равноденствие 1950 года, потом его заменили на весеннее равноденствие 2000 года, а теперь эклиптическая долгота для T0 уточняется и указывается ежегодно — точность и значимость этого параметра растет).
Орбиты небесных тел не обязаны лежать в одной плоскости
Вот, теперь, когда мы немного прояснили понимание того, что вкладывается в понятие «орбита», давайте разберемся с тем, как астрономы отличают одно небесное тело от другого.
Конечно, Солнце с Луной не перепутаешь, но в отношении остального шанс запутаться есть.
Юпитер, Луна и Венера февральским вечером 2023 года. Как понять, что есть что?
Впервые за решение этой проблемы взялись волхвы и кудесники, жрецы и колдуны Бронзового века, когда необходимость планирования во времени стала критической, и люди обратили взор в небо за подсказками. Небосвод был разделен на созвездия, а «неподвижные звёзды» отделены от «блуждающих светил». Ярким примером путаницы была планета Венера, которая на протяжении тысяч лет воспринималась как два разных небесных объекта — «Утренняя звезда» и «Вечерняя звезда» — даже в научно продвинутой античной Элладе за 500 лет до начала Новой Эры рассматривались как два разных небесных объекта, или же как два разных божества — Эосфорос («Свет Утренней Зари») и Фосфорос (или Геспер — «Несущая свет») — в зависимости от времени суток. Пифагор, вероятно, был первым, кто сумел доказать идентичность обоих объектов, но общество той эпохи (даже научное общество) к подобным прозрениям не было готово, потому что не существовало критерия, по которому можно было бы однозначно судить об идентичности небесных объектов.
Кому-то это может показаться странным — ну, неужели не ясно — вот объект был виден вечером в заре, потом он погрузился в зарю и перестал быть видимым, а через несколько дней нечто похожее на него появилось уже в утренней заре. Интуиция подсказывает, что это одно и тоже «нечто». Но как исключить версию, что существуют два похожих, но физически раздельных объекта, которые в некоторой закономерности сменяют друг друга? Между прочим, до сих пор существуют люди, наивно верящие, что Луна (полная) и тонкий Месяц — два разных небесных тела, которые по некоторым правилам сменяют на небе друг друга, и даже в редких случаях видны одновременно.
Но если уж с Венерой и Луной возможна такая путаница, что говорить о множестве таких объектов, как астероиды и кометы, которые либо ничем не отличаются даже при наблюдении в телескоп с самым большим увеличением — звезда звездой и никаких подробностей (это астероиды, или — малые планеты), либо постоянно меняют облик: отращивают хвост, теряют хвост, распушают косматую голову, меняют яркость и в несколько ночей могут из слабого туманного пятнышка превратиться в нечто раскинувшееся на весь небосвод (это кометы). Как при этом быть уверенным, что мы видим тот же объект, который видели прошлой ночью, а не какой-то другой — просто похожий?
Венера и Меркурий при наблюдении в телескоп с увеличением около 150x
Действительно — небесные тела могут перемещаться и менять свой вид. Вид может быть обманчив. К примеру, Венеру и Меркурий нетрудно перепутать при наблюдении в телескоп — то и другое похожим образом меняет фазы, и не показывает явную детализацию поверхности. Конечно, Меркурий поменьше Венеры, но когда не можешь непосредственно сравнить, то настигает чувство неуверенности. Сатурн очень похож на Юпитер в моменты исчезновения колец (такое случается каждые 15 лет, когда кольца поворачиваются к нам ребром), и неискушенный наблюдатель запросто спутает одно с другим. Бывает очень непросто отличить Уран от Нептуна, а Уильям Гершель, когда впервые обнаружил Уран, принял его за комету — бывало и такое!
Юпитер и Сатурн (в эпоху «исчезновения колец») при наблюдении в телескоп с увеличением около 150x
И только одно знание помогает нам безошибочно определить, что перед нами именно этот объект, а не другой — это факт того, что объект находится на своей орбите, и расположен именно в той области неба, где ему и положено быть. Яркий тому пример: Нептун был обнаружен ровно на своей орбите — в той точке пространства, где и должен был располагаться, и хотя прежде его никто не видел, его положение в пространстве точно показало, что это именно та искомая планета. С Плутоном похожая история — он попал в список планет только потому, что оказался на некоторой заранее предвычисленной орбите. И вопреки своим скромным физическим свойствам он несколько десятилетий оставался в классе больших планет Солнечной системы лишь благодаря своей орбите.
«Орбита играет планету!»
Сейчас астрономы ведут поиски так называемой «Планеты X», орбита которой уже в некоторой степени определена (рассчитана Константином Батыгиным и Майклом Брауном). Осталось дело за малым — открыть физическое тело на этой орбите. Но опять орбита выступает как первичный идентификатор небесного тела — само тело еще не обнаружено, а орбита уже известна (в некотором допущении).
Майкл Браун и Константин Батыгин — ловцы Планеты X
Существуют особые случаи, когда может показаться, что на одной орбите «живут» сразу несколько небесных тел. В первую очередь надо вспомнить о точках Лагранжа — в особенности о L3, L4, L5, которые на картинке лежат (в значительной точности) на орбите первичного небесного тела. Но тут важно понимать, что это только на картинке так. В реальности все те объекты, которых угораздило попасть в гравитационное равновесие точек Лагранжа участвуют как минимум сразу в двух орбитальных движениях (или их орбиты можно рассматривать как по меньшей мере два слагаемых).
Точки Лагранжа — точки гравитационного равновесия в системе двух массивных тел
Первое — их радиус вектор всегда немного больше или немного меньше радиуса-вектора «родительской орбиты» (для точек L4, L5 — чуть больше; для L3 — чуть меньше), но для астрономии все эти «немного» и «чуть-чуть» очень существенны.
Гало-орбиты вблизи точек L4 и L5
Второе — только что речь шла о центре гало-орбиты, в котором нет ничего. Самое же тело совершает некоторое довольно сложное (можно сказать даже — диффузное — в первой степени приближения) движение вокруг точки Лагранжа. И распутывание этой траектории — это уже высший пилотаж исследования орбит небесных тел. Но без этого астрономия не была бы астрономией. Ярким примером того, насколько «глубока кроличья нора», могут служить два семейства астероидов — Греки и Троянцы. Это несколько тысяч малых планет, на первый взгляд хаотично дрейфующих вдоль орбиты Юпитера — вблизи точек L4, L5. Хаотичным их движения может показаться только на первый взгляд. Специалисты по небесной механике отлично изучили движение каждого из нескольких тысяч таких квази-спутников Юпитера. Для каждого из них определена уникальная орбита. И только благодаря точному знанию их орбит астрономы отличают одного Грека от другого, одного Троянца от такого же точно на вид, но физически отличающегося. И это настолько серьезно и прочно, что до сих пор астрономы ни разу не спутали в этих облаках из тысяч астероидов один объект с другим. Хотя по своему облику (при наблюдении с Земли) большинство из них не отличаются никак.
Более того, точное знание таких близких на первый взгляд орбит позволяет отправить в облако Троянских астероидов космический аппарат для их исследования. Собственно, аппарат уже запущен в 2021 году — это станция Люси, которая с 2027 по 2033 год намерена исследовать 4 астероида вблизи точки L4 системы «Солнце — Юпитер» (Греки) и два астероида вблизи точки L5 (Троянцы), которые представляют связанную гравитационную систему и обращаются вокруг общего центра масс, двигаясь каждый по своей особой орбите, что тоже учтено с самой высокой точностью, и астрономы не спутают два этих астероида, хоть их орбиты в системе отсчета связанной с Солнцем довольно близки (но все же разные).
Троянские астероиды вблизи точек L4 и L5 у орбиты Юпитера
В истории небесных тел бывали случаи, когда тела существенно меняли свои орбиты, ведь орбиты склонны к изменениям. В особенности это касается комет — кометы очень зависимы от влияния планет-гигантов. Иногда кометы попадали в плен некоторой массивной планеты и становились их спутниками. А потом вырывались из него и оказывались уже на совершенно иной околосолнечной орбите. Справедливо ли считать после таких орбитальных превращений комету той же самой?
Это вопрос открытый. Но часто при таких процессах комета терятся — астрономы ищут её на прежней орбите, найти не могут, и вход идут более глубокие вычисления, которые и показывают, что комета была «украдена», например, Юпитером. Но нельзя вот так просто всё посчитать и успокоиться. Комету обязательно надо отыскать на небе и убедиться, что расчеты верные и благодаря им комета визуально обнаружена. Если это удается, такое событие называют переоткрытием кометы.
Астрономическая история кометы начинается с открытия, и тогда она получает имя — как правило соответствующее фамилии первооткрывателя, или фамилиям, когда открыли одну и ту же комету независимо друг от друга два или более наблюдателей. Именем кометы может стать название автоматической наблюдательной системы — все больше комет открывается с использованием орбитальных телескопов. Когда же комета теряется, но находится вновь — переоткрывается, к её имени добавляется имя астронома, который её переоткрыл. То есть, фактически меняется имя кометы — она будто становится новой в той или иной степени, — другой. И часто это именно из-за того, что она сменила орбиту. Другая орбита — другое имя, другой небесный объект… хотя физически это может быть всё та же ледяная глыба.
Удивительно, не правда ли?!
Бывает, что небесное тело гибнет. Кометы сталкиваются с планетами. Несколько таких случаев астрономы наблюдали непосредственно, и даже предвычисляли их. Самым ярким примером можно считать падение кометы «Шумейкеров — Леви 9» на Юпитер. Это случилось в 1994 году, и кометы этой уже в природе не существует, а орбита её есть — некоторая траектория в пространстве, по которой в некоторое время двигалась комета. И это с трудом поддается осознанию: «Как орбита может существовать отдельно от небесного тела?!»
Падение кометы «Шумейкеров — Леви 9» на Юпитер. Рисунок художника
Давайте представим, что у наших далеких потомков появятся технологии, позволяющие отбуксировать некоторую планету на другую орбиту. Возможно, когда-то придется подобное применить и к нашей Земле, ведь Солнце с течением времени будет разогреваться всё сильнее, что сделает условия вблизи прежней орбиты непригодными для жизни.
Можно ли будет считать отбуксированное на другую орбиту небесное тело той же планетой, называть его тем же именем?
Это — вопрос соглашения. Как люди решат, так и будет. Но важно понимать, что именно современная орбита Земли делает условия на её поверхности приемлемыми для нас. Будь наша планета чуть ближе к Солнцу, или немного дальше от него, всё на её поверхности было бы иным — другой состав атмосферы, другой температурный режим, другая продолжительность суток, ведь тогда и Луны могло бы у нас не быть, а Луна во многом определяет современный период обращения Земли вокруг оси.
Та ли это будет планета? — совершенно иная!
Посмотрите на Венеру — на первый взгляд это «сестра Земли», но условия, царящие на её поверхности, делают невозможным существование близких к нашей форм жизни.
К слову о намеренном изменении орбит небесных тел — это не такая уж и фантастика. И в самом ближайшем будущем людям придется корректировать орбиты некоторых астероидов, чтобы избежать столкновения с ними. А какие-то малые планеты вполне можно разобрать на запчасти, используя их минеральную базу для строительства орбитальных поселений — космических городов, которые будут жить своей отдельной жизнью на своих собственных орбитах.
Недавно состоявшаяся коррекция орбиты системы двух гравитационно связанных астероидов «Дидим-Диморф»
В завершении рискну обратить Ваше внимание на философский аспект, имеющий параллель с нашей жизнью. Орбиту небесного тела можно уподобить линии его судьбы. Можно верить в судьбу или отрицать её как нечто предопределенное. Сейчас это не столь важно. Важно то, что судьба человека, его путь определяется не тем, как он выглядит, а тем, какие поступки он совершает. Именно это для людей первостепенно по важности. И часто бывает так, что если человек коренным образом меняет свою жизнь — начинает совершать другие по характеру поступки, кардинально меняется его окружение — его теряют из виду те, кто знал его прежде, а если даже встречают случайно, то не узнают — он как бы по другой орбите движется, на которой его никто уже не ожидает встретить.
И еще очень частое событие: Изменивший привычный ранее ход жизни человек скоро приходит к тому, что меняет и имя. Это может быть реальная смена имени и фамилии в паспорте, а может быть принятие творческого псевдонима. Но если изменения орбиты существенны, они с высокой вероятностью влекут за собой смену имени даже в мире людей. И это очень роднит небесное и земное. Иногда понимание этого помогает принять правильное сильное решение.
Автономный космический город будущего. Рисунок художника. Автор Samuel Nordius
Источник: NEANE Records | Автор Андрей Климковский
Забытая традиция музыкальных бонусов
Эта мелодия — Пять минут до отлета — была опубликована лишь в составе сингла (ни в каком альбоме её нет). Но недавно я сделал для неё видеоряд (за помощью обратился к нейросети BlueWillow). Пусть она станет иллюстрацией к заключительному эпизоду статьи, и окажется еще одной песчинкой на весах, склонивших в итоге наше будущее в светлую сторону.
