§ 14. Поиски новых планет и спутников

Солнечная система - это не только планеты, их спутники, кометы и астероиды, но и околосолнечное космическое пространство, заполненное межпланетной средой и неизвестными (пока) космическими телами. В связи с этим возникает естественный вопрос: как далеко простирается Солнечная система и где проходят ее границы?

Если бы во Вселенной существовала только наша Солнечная система, то, очевидно, ее границы находились бы на бесконечности. Ведь ньютонова сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния и она обратилась бы в пуль только на бесконечном расстоянии от Солнца. Но Солнце является рядовой звездой нашей Галактики, и, следовательно, оно движется в космическом пространстве под влиянием притяжения других звезд, которые создают, хотя и слабое (из-за колоссальных расстояний), но все-таки заметное гравитационное поле. Поэтому естественно считать, что Солнечная система простирается до таких расстояний, где сила притяжения Солнца становится равной силе притяжения ближайших к нам звезд.

Вычисления дают огромное число - 200 000 а. е. Значит, граница Солнечной системы в 200 000 раз дальше Земли и в 5000 раз дальше Плутона от Солнца. До границ Солнечней системы свет от Солнца доходит за 3 года 16 суток, а для воображаемого наблюдателя, живущего на окраине нашей системы, Солнце представляется едва заметной звездочкой третьей-четвертой величины. Таким образом, получается, что огромная часть пространства Солнечной системы как будто не «заселена» небесными телами, а заполнена лишь ничтожно малая ее часть.

Конечно, наши знания о Солнечной системе не были и никогда не будут окончательными и их уровень целиком определяется уровнем теоретических и наблюдательных исследовании. Что же касается расширения состава Солнечной системы, то астрономы пришли к выводу, что на данном этапе наряду с систематическим улучшением теории движения планет н комет, преследующим цель сведения к возможному минимуму расхождения между теориями и наблюдениями, весьма перспективным методом поиска неизвестных планет и спутников является систематическое фотографирование различных участков неба и детальная обработка большого числа фотографических снимков.

Фотографический метод поиска планет внутри орбиты Меркурия применим только во время полных солнечных затмений, так как в другое время слабые объекты в окрестности Солнца ненаблюдаемы. Да и Меркурий наблюдать не просто, хотя он и отходит от Солнца на расстояние до 23°. Если учесть, что орбита Меркурия имеет достаточно большой эксцентриситет (е=0,206), то, когда он находится в перигелии, его наибольшее расстояние от Солнца составляет 18° (речь идет об углах па небесной сфере, центр которой совпадает с центром Земли). Приведенные выше числа говорят о том, что поиски неизвестных планет, орбиты которых лежат внутри орбиты Меркурия, целесообразно производить до углового расстояния от Солнца 15°-16°. Во время солнечных затмений 1901, 1905, 1908 годов фотографировались околосолнечные участки неба размерами 15°Х15° и 8°Х25°. На этих фотографиях имеются сотни слабых звезд (вплоть до десятой звездной величины), но среди них планет не было найдено.

Более систематический характер имели поиски за-плутоновых планет, особенно после того, как Томбо открыл Плутон. Обширная программа фотографического обзора неба, разработанная на Ловелловской обсерватории с целью поиска новых планет, начала выполняться 1 апреля 1929 года. О масштабности программы говорят следующие числа. На фотографических пластинках размером 36X43 см, использованных на 33-ем телескопе Ловелловской обсерватории, содержалось огромное количество звездных изображений - от 100000 до 400000, так что на каждый квадратный градус попадало от 1000 до 4000звездных изображений. А ведь необходимо было не только получить фотографии, но и быстро их просмотреть, чтобы выявить среди изображений «кандидатов в планеты». Специально изобретенные приборы, называемые блинк-компараторами, позволяли обрабатывать на одном приборе ежедневно десятки тысяч изображений, что несколько облегчало решение поставленной задачи. К 1939 году Томбо вместе со своими помощниками обследовал сплошную зону около созвездий Зодиака шириной 35° и проанализировал все звездные изображения до 16-й звездной величины. С 1939 года Томбо на том же 33-см телескопе начал систематические наблюдения звездных объектов до 18-й величины и к маю 1943 года закончил фотографирование большой части неба, простирающейся от Полярной звезды до 50° южной широты. Четырнадцатилетняя программа фотографирования неба, успешно выполненная Томбо и его сотрудниками, охватила 45 млн. звезд, из которых были обследованы 30 млн. звезд. Среди этого колоссального количества звезд только 20000 подозревались как планеты, а среди последних, как мы уже знаем, только Плутон оказался настоящей планетой, Из своих многолетних наблюдений Томбо делает вывод, что дальше Плутона новых планет ярче 16-й величины не существует.

Представляет интерес рассмотреть вопрос о размерах небесных тел, могущих быть обнаруженными на окраине Солнечной системы. Полная Луна на орбите Плутона была бы видна с Земли в телескоп как звездочка 17-й величины. Вычисления показывают, что планета с диаметром 15000 км (напомним, что диаметр Земли равен 12700 км) нп расстоянии 100 а. е. была бы видна как звездочка 18-й величины. По подсчетам специалистов расширение фотографического обзора до 20-й звездной величины позволило бы наблюдать на расстоянии Сатурна небесный объект, отражающий аналогично планетам, диаметром всего в 40 км, а на расстоянии Плутона - в 600 км. С помощью таких телескопов мы могли бы фотографировать Землю на расстоянии в 290 а. е., а Юпитер на расстоянии в 1000 а. е.

Хотя, кроме Плутона, не были открыты другие большие планеты, программа Ловелловской обсерватории существенно обогатила паши знания о Вселенной. Не затрагивая здесь мир звезд, укажем лишь, что было зарегистрировано 775 новых астероидов и одна комета.

В заключение коснемся еще одного интересного вопроса, правда, непосредственно не связанного с поиском планет. Речь идет о поисках естественных спутников Земли, других планет и Луны. В этом направлении большую деятельность развернул все тот же Томбо со своими помощниками. Регулярные пятилетние наблюдения (с декабря 1953 года по октябрь 1958 года), выполненные на Ловелловской и других обсерваториях, показали, что в пределах лунной орбиты не существуют естественные спутники Земли с диаметром более 5 м и обладающие такой же отражательной способностью, что и Луна. Более того, весьма вероятно, что па расстояниях до 6400 км от поверхности Земля не имеет спутников с диаметром 30 см и более, а на расстояниях до 64000 км - спутников с диаметром 3 м и более. Попытки обнаружить естественные спутники Лупы во время полных лунных затмений тоже не увенчались успехом. Точнее, было показано, что Луна не имеет естественных спутников, диаметр которых более 30 м.

Заметим, что проблема поиска спутников планет в принципе менее трудна, чем проблема поиска планет. Дело в том, что, зная массы планет, мы можем найти сферу действия каждой планеты и в линейных и в угловых размерах, т. е. можем заранее знать, в какой области неба искать спутники той или иной планеты. Американский астроном Дж. Койпер вывел формулу для среднего радиуса действия R_g планет, которая имеет вид

lgR_g=lga+0,318lg(m/M+m)-0,327.

В этой формуле М - масса Солнца, m - масса планеты, а - большая полуось планетной орбиты.

Пользуясь этой формулой, можно вычислить R_g, задавая а, М, m. Теоретические исследования Коппера показали, что радиус области устойчивости спутниковых орбит в два раза меньше значения R_g. Это означает, что если какой-нибудь спутник окажется на расстоянии более 0,5 R_g от планеты, весьма вероятно, что после определенного количества оборотов он под действием солнечного притяжения покинет навсегда окрестность планеты и сам превратится в планету.

Как мы указывали выше, Томбо с помощниками занимался поиском естественных спутников Земли и Луны. На других обсерваториях с помощью более мощных инструментов, чем 33-ем телескоп Ловелловской обсерватории, после войны производились поиски спутников других планет. Поиски спутников Венеры и Марса в 50-х годах позволили заключить, что весьма маловероятно существование спутников у этих планет с размерами 3-5 км и более (за исключением известных спутников Марса, Фобоса и Деймоса), что соответствует 15-16-й звездным величинам или ярче.

Основной фотографический обзор окрестности Юпитера был начат С. Никольсоном в 1938 году на обсерватории Маунт Вилсон в США и был продолжен пм и другими астрономами в следующие годы. Этот обзор оказался более урожайным, нежели обзоры других планет. К 1938 году было известно девять спутников, обращающихся вокруг Юпитера, открытых Галилеем, Е. Барнардом, К. Перреном, П. Милоттом и С. Никольсоном. Телескоп-рефлектор Маунт Вилсоновской обсерватории позволяет фотографировать объекты до 19 и величины. Полугодовые наблюдения Юпитера и его окрестности позволили В. Бааде и С. Никольсопу впервые зафиксировать на фотопластинках X и XI спутники, имевшие звездные величины 18^m,8 и 18^m,4 соответственно. Никольсон, фотографируя X спутник, открыл новый, XII спутник Юпитера, звездная величина которого 19^m1,4. Обзор Никольсона ограничивался 19,5 величиной, что соответствует объекту с диаметром 18 км, наблюдаемому с Земли во время наибольшего приближения Юпитера к Земле. Из этого обзора вовсе не следует, что отсутствуют более яркие спутники, движущиеся внутри орбиты V спутника. Дело в том, что ближайшую к планете окрестность очень трудно фотографировать (В 1974 году, видимо, открыт и XIII спутник Юпитера. На фотографиях, полученных Ш. Ковалем при помощи 48-дюймового телескопа Шмидта на Паломарской обсерватории (США) 10, 11 и 12 сентября, был отмечен объект 20-й величины в окрестностях Юпитера Это открытие было подтверждено в ночь на 22 сентября на обсерватории Стюарда (Китт Пик, Аризона, США))).

Фотографирование окрестностей Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона, выполненное в послевоенные годы, позволило Койперу (США) открыть новые спутники: спутник Урана Миранду и спутник Нептуна Нереиду (1948 год). Поиск велся в пределах до 20-21-й звездной величины. Однако заметим, что этот поиск не был столь систематическим и полным, как программа Томбо 1929-1943 годов. В 1966 г. французcкий астроном Дольфюс открыл X спутник Сатурна - Янус.

Вместе с тем теоретический анализ построенных теорий движения больших (и прежде всего, внешних) планет указывает на тот факт, что существуют пока необъяснимые расхождения между теорией и наблюдениями, несмотря на то, что параметры теорий движения уточнялись с учетом всех наблюдений, сделанных на протяжении большого промежутка времени, вплоть до наших дней. Например, существуют широтные отклонения в движении Урана и Нептуна и отклонения в движении перигелия кометы Галлея, которые не могут быть объяснены действием сил гравитации известных тел Солнечной системы.

Эти обстоятельства привели к тому, что в 60-х годах нашего столетня появилась гипотеза о существовании десятой, заплутоновой планеты с массой, примерно равной массе Юпитера, удаленной от Солнца на расстояние 60 а. е., орбита которой имеет наклон i=120°. Совместное решение уравнений движения известных планет и десятой гипотетической планеты и последующий тщательный просмотр фотопластинок, на которых была сфотографирована «подозрительная» часть неба, не дали положительных результатов. Хотя, по предварительным расчетам, гипотетическая планета должна была иметь 13-14-ю звездную величину, а па фотопластинках рассматривались объекты до 16,5 звездной величины, но десятую планету обнаружить не удалось.