§ 65. Определение суточного и годичного параллаксов из наблюдений
Пусть из двух точек O1 и О2 (рис. 42) на поверхности Земли, лежащих на одном географическом меридиане, измерены зенитные расстояния z1 и z2 одного и того же светила М в момент прохождения его через небесный меридиан. Предположим далее, что оба пункта наблюдения находятся в северном полушарии и светило наблюдалось в каждом из них к югу от зенита. Следовательно, z1 = j 1 - d 1 и z2 = j 2 - d 2, где j 1 и j 2 - географические широты пунктов, a d 1 и d 2 - топоцентрические склонения светила, отличающиеся от его геоцентрического склонения d на величины (см. § 31)
и В четырехугольнике O1TO2M (рис. 42) угол O1МO2 равен (p1 - p2), угол MO2T тупой (больше 180°) и равен (180° + z2 ), угол O1TO2 равен (j 1 - j 2) и, наконец, угол ТO1М равен (180°- z1). Так как сумма внутренних углов четырехугольника равна четырем прямым, то 360° = p1 - р2 + 180° + z2 + j 1 - j 2 + 180° - z1 или p1 - p2 = (j 2 - z2) - (j 1 - z1).
Принимая во внимание соотношения, написанные выше, имеем р (sin z1 - sin z2) = [sin (j 1 - d 1) - sin (j 2 - d 2)] × p = d 2 - d 1, откуда горизонтальный параллакс светила
По значениям радиуса Земли R в месте наблюдения и экваториального радиуса Земли R0 вычисляется горизонтальный экваториальный параллакс
Горизонтальный параллакс светила можно определить и из измерений его прямого восхождения из одного и того же места на Земле, но в различные моменты времени. За промежуток времени между этими моментами вращение Земли переносит наблюдателя из одной точки пространства в другую, что дает соответствующее параллактическое смещение светила. Таким образом, горизонтальный параллакс светила определяется из его топоцентрических координат, полученных из соответствующих и целесообразно выполненных наблюдений. Аналогичным путем получается годичный параллакс звезд, только в этом случае определяются геоцентрические координаты звезды из наблюдений, произведенных в двух различных точках орбиты Земли и приблизительно через полгода одно после другого (см. § 92). Параллаксы, определенные по параллактическому смещению светила, называются тригонометрическими. Наилучшие современные угломерные инструменты позволяют надежно определять годичное параллактическое смещение звезд до расстояния не свыше 100 пс (p = 0",01). Поэтому тригонометрические годичные параллаксы известны лишь для сравнительно небольшого числа звезд (около 6000), наиболее близких к Солнцу. Расстояния до более далеких объектов определяются различными косвенными методами.
§ 66. Определение астрономической единицы (параллакса Солнца)
Если известны радиус Земли R и горизонтальный параллакс Солнца р¤, то по формуле (3.2) легко вычислить среднее расстояние Земли от Солнца, т. е. значение астрономической единицы в километрах. Точность определения астрономической единицы почти целиком зависит от точности горизонтального параллакса Солнца р¤. Однако непосредственное определение горизонтального параллакса Солнца способом, описанным в предыдущем параграфе, дает слишком грубые результаты вследствие удаленности Солнца и больших ошибок наблюдений, возникающих от нагревания инструмента солнечными лучами. Поэтому точное значение горизонтального параллакса Солнца определяется косвенным путем, по измеренному горизонтальному параллаксу планеты, которая подходит к Земле на расстояние меньшее, чем расстояние Земли от Солнца, и наблюдение которой удобно производить. До XX в. для этой цели использовали наблюдения Марса во время его великих противостояний, когда он находится от Земли на расстоянии около 55 млн. км. (Противостояние планеты называется великим, если она в это время находится вблизи перигелия своей орбиты. Последнее великое противостояние Марса наблюдалось в 1971 г., следующее произойдет в 1988 г.) Пусть для упрощения задачи в момент великого противостояния Марса (рис. 43) Солнце С, Земля Т и Марс М находятся на одной прямой, причем Земля - на среднем расстоянии а0 = 1 а.е. от Солнца, а Марс - в перигелии, на расстоянии q = a (1 е), где а - большая полуось и е - эксцентриситет орбиты Марса. Обозначим через р¤ горизонтальный экваториальный параллакс Солнца, через р горизонтальный экваториальный параллакс Марса и через D - его геоцентрическое расстояние (т.е. расстояние от Земли), а через R0 - экваториальный радиус Земли. Тогда R0 = a0 sin р¤ и R0 = D sin p = (q - a0) sin p = [a(l - е) - a0]: sin p. Приравняв правые части и заменив синусы малых углов самими углами, получим a0 р¤= [(1 - e) - a0] × p, откуда Отношение вычисляется с большой точностью из теории движения планет по третьему закону Кеплера, а параллакс Марса р и эксцентриситет е его орбиты определяется из наблюдений. В 1898 г. была открыта малая планета Эрос (или Эрот), которая в моменты своих великих противостояний, повторяющихся через 37 лет, иногда подходит к Земле в 2,5 раза ближе, чем Марс. Первое такое противостояние произошло в феврале 1931 г., когда Эрос приблизился к Земле на расстояние около 0,15 а.е. В это время его параллакс достиг 60". В результате тщательных наблюдений Эроса, произведенных на 24 обсерваториях разных стран по заранее разработанному плану, горизонтальный экваториальный параллакс Солнца получился равным р¤= 8",790 ± 0",001.
Определения солнечного параллакса производятся не только геометрическими методами, основанными на непосредственном измерении параллактического смещения, но широко применяются также и динамические методы, основанные на законе всемирного тяготения, и физические, основанные на скорости распространения радиоволн. Самые точные определения астрономической единицы были произведены в 1961-1963 гг. в СССР и США по радиолока ионным наблюдениям Меркурия и Венеры. В результате этих измерений было получено значение а.е., равное 149 598 500 км с ошибкой ±500 км.
В 1964 г. XII съезд Международного Астрономического союза (MAC) принял решение с 1970 г. использовать новые значения параллакса Солнца и а.е.: р¤ = 8",794 и 1 а.е. = 149,6 × 106 км взамен старых (р¤ = 8",80, 1 а.е. = 149,5 × 106 км), принятых в 1896 г.
§ 67. Определение размеров и формы светил
Угол, под которым с Земли виден диск светила, называется его угловым диаметром. Угловые диаметры некоторых небесных тел (Солнца, Луны, планет) можно определить непосредственно из наблюдений. Если известен угловой диаметр (или радиус) светила и его расстояние от Земли, то легко вычислить его истинный диаметр (или радиус) в линейных мерах. Действительно, если (рис. 44) r - угловой радиус светила М, D - расстояние между центрами светила и Земли, р0 - горизонтальный экваториальный параллакс светила, а R0 и r - линейные радиусы Земли Т и светила М, то r = D sin r, a R0 = D sin p0 , откуда
или, по малости углов r и p0 , Форму небесных тел можно определить, измеряя различные диаметры их дисков. Если тело сплющенное, то один из его диаметров окажется больше, а один - меньше всех других диаметров. Измерения диаметров планет показали, что помимо Земли сплющенную форму имеют Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Линейные размеры и форма небесных тел, угловые размеры которых непосредственно измерить нельзя (например, малые планеты и звезды), определяются специальными методами.
§ 68. Строение Солнечной системы
Солнце и совокупность космических тел, обращающихся вокруг него, образуют Солнечную систему. В Солнечную систему входят: Солнце, являющееся динамическим центром всей системы, 9 больших планет, 32 спутника планет, более 1800 малых планет или астероидов, много комет (наблюдались появления свыше 500 комет) и множество метеорных тел. Тщательные научные исследования дали обширную информацию о движении этих тел в пространстве, что позволяет составить достаточно точный план строения Солнечной системы. В приложениях к этой книге даны таблицы с числовыми характеристиками больших планет и их спутников - основных и наиболее массивных (после Солнца) членов Солнечной системы. Здесь же мы ограничимся лишь общим описанием ее строения. Все большие планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении, против часовой стрелки, если смотреть со стороны северного полюса эклиптики (прямое движение). Их невозмущенные орбиты - эллипсы, с небольшими эксцентриситетами и малыми наклонениями к эклиптике. Вращение почти всех больших планет, а также Солнца и Луны, вокруг осей происходит в том же направлении, в котором планеты движутся вокруг Солнца (прямое вращение). Исключением являются Уран и Венера (см. § 135), у которых вращение обратное. Расстояния планет от Солнца образуют закономерную последовательность: промежутки между орбитами увеличиваются с удалением от Солнца (см. § 140, правило Тициуса-Боде). Среднее расстояние от Солнца самой далекой планеты Плутон составляет 39,75 а.е. Если это расстояние принять за радиус Солнечной системы, то он окажется примерно в 700 раз меньше расстояния до ближайшей звезды Проксимы Центавра. Спутники обращаются вокруг планет, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Большинство спутников движется в прямом направлении, исключая 11 спутников с обратным движением, при этом 5 из них (спутники Урана) имеют, следовательно, то же направление движения, что и вращение планеты. Малые планеты, или астероиды, движутся вокруг Солнца, как и большие планеты, в прямом направлении. Их орбиты имеют в среднем большие эксцентриситеты и большие наклоны, чем орбиты больших планет. Большинство орбит астероидов расположено между орбитами Марса и Юпитера, однако некоторые из них могут заходить внутрь орбиты Меркурия (Икар) и удаляться до орбиты Сатурна (Гидальго). У некоторых астероидов обнаружено вращение вокруг осей, причем в ряде случаев оно оказывается обратным. Движение комет отличается большим разнообразием. Невозмущенные орбиты большинства комет - очень сильно вытянутые эллипсы с эксцентриситетами, близкими к 1. В редких случаях, в результате возмущений от планеты, кометы вблизи Солнца движутся по гиперболам (е > 1), но те же возмущения могут возвратить кометы на эллиптические орбиты. Расстояние в афелии у некоторых комет достигает 50 000-100 000 а.е., а период обращения - нескольких миллионов лет. У немногих короткопериодических комет орбиты почти круговые. Наклонения орбит комет также разнообразны и часто превышают 90°, т.е. кометы движутся вокруг Солнца как в прямом, так и в обратном направлении. Движение отдельных метеорных тел очень сложное, но многие из них образуют метеорные потоки, движущиеся по орбитам, подобным орбитам комет. Более детально характеристики тел Солнечной системы будут рассмотрены в гл. X.