Что такое Солнечная система и насколько она изучена?

На школьной схеме Солнечная система выглядит почти законченной: в центре находится Солнце, вокруг него движутся восемь планет, а за орбитой Нептуна начинается царство небольших ледяных тел. В действительности перед нами огромная и неоднородно изученная область. Люди высаживались на Луне, управляют марсоходами и доставляют на Землю грунт астероидов, но Уран и Нептун видели вблизи лишь во время одного короткого пролёта. Под ледяными оболочками нескольких спутников скрываются океаны, а на далёкой окраине системы может находиться ещё не обнаруженная планета.

Солнечная система — это Солнце и все естественные объекты, удерживаемые его гравитацией: восемь больших планет, их спутники, официально признанные карликовые планеты, астероиды, кометы, метеороиды, межпланетная пыль и газ. Она образовалась примерно 4,6 млрд лет назад из облака газа и пыли и находится в галактике Млечный Путь.

Метеороид — небольшое природное тело, движущееся в космическом пространстве. Метеором называют световое явление, возникающее при его входе в атмосферу, а метеоритом — фрагмент, достигший поверхности планеты или спутника.

Солнечная система особенно важна для науки потому, что это единственная известная нам планетная система, объекты которой можно исследовать не только с помощью телескопов. К планетам, спутникам, астероидам и кометам отправляются автоматические станции, способные фотографировать поверхность, измерять состав атмосферы и даже брать образцы вещества.

Что входит в Солнечную систему?

Центральным и самым массивным объектом системы является Солнце. На него приходится около 99,8% её общей массы. Солнечное притяжение удерживает планеты и другие тела на орбитах, а излучение, магнитное поле и поток заряженных частиц влияют на атмосферы и космическое пространство.

Вокруг Солнца движутся восемь больших планет. Кроме них, Международный астрономический союз официально признаёт пять карликовых планет: Цереру, Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эриду. Потенциальных карликовых планет значительно больше, однако свойства многих далёких тел пока изучены недостаточно, чтобы окончательно определить их статус.

Карликовая планета обращается вокруг Солнца, имеет достаточную массу, чтобы принять близкую к шарообразной форму, но не расчистила окрестности своей орбиты от других сопоставимых тел. Спутником другого объекта она при этом не является.

Между орбитами Марса и Юпитера расположен главный пояс астероидов. За Нептуном начинается пояс Койпера — область, населённая множеством ледяных объектов, к которым относится и Плутон. Ещё дальше, согласно существующим моделям, находится облако Оорта — гигантская оболочка из кометных ядер.

Пояс Койпера наблюдается непосредственно, тогда как существование облака Оорта выводится из орбит долгопериодических комет и моделей формирования Солнечной системы. Получить прямые изображения облака Оорта пока не удалось.

У Солнечной системы нет чёткой твёрдой границы. Можно говорить об орбите последней большой планеты, внешнем крае пояса Койпера, границе гелиосферы или области, в которой притяжение Солнца ещё удерживает тела. Эти рубежи находятся на совершенно разных расстояниях.

Гелиосфера — область пространства, заполненная солнечным ветром и связанная с магнитным влиянием Солнца. Её внешняя граница называется гелиопаузой. Аппараты Voyager 1 и Voyager 2 пересекли гелиопаузу и вышли в межзвёздную среду, но в широком гравитационном смысле они всё ещё не покинули Солнечную систему: для этого им потребовалось бы пройти за пределы облака Оорта.

Как устроены планеты Солнечной системы?

Планеты располагаются в следующем порядке по мере удаления от Солнца:

1. Меркурий;
2. Венера;
3. Земля;
4. Марс;
5. Юпитер;
6. Сатурн;
7. Уран;
8. Нептун.

Меркурий, Венера, Земля и Марс относятся к планетам земной группы. Они сравнительно невелики, имеют каменные оболочки и металлические ядра, но условия на их поверхностях различаются радикально.

Меркурий — самая близкая к Солнцу и самая маленькая большая планета. Полноценной плотной атмосферы у него нет, однако существует крайне разреженная экзосфера. Из-за этого поверхность почти не защищена от перепадов температуры и космического воздействия. Изучать Меркурий сложно не только из-за близости к Солнцу, но и потому, что аппарату необходимо существенно изменить скорость, чтобы выйти на его орбиту.

Экзосфера — настолько разреженная газовая оболочка, что её частицы редко сталкиваются друг с другом и могут уходить в космическое пространство.

Венера похожа на Землю по размеру и массе, но обладает чрезвычайно плотной атмосферой, состоящей главным образом из углекислого газа. Мощный парниковый эффект сделал её поверхность горячее поверхности Меркурия. Давление у грунта примерно в 90 раз превышает земное на уровне моря, поэтому спускаемые аппараты работают там недолго.

Земля — единственная планета, на которой существование жизни достоверно подтверждено. Её отличают устойчивые запасы жидкой воды на поверхности, кислородсодержащая атмосфера, активная геология и магнитное поле, частично защищающее планету от солнечного ветра.

Марс сегодня представляет собой холодный и сухой мир с разреженной атмосферой. Однако русла древних рек, озёрные отложения и минералы, образовавшиеся в присутствии воды, показывают, что миллиарды лет назад условия там были другими. Пока неизвестно, возникала ли на Марсе жизнь и могла ли она сохраниться под поверхностью.

Юпитер и Сатурн называют газовыми гигантами. В их составе преобладают водород и гелий. У этих планет нет твёрдой поверхности, на которую можно было бы посадить аппарат: по мере погружения газ становится всё плотнее и постепенно переходит в состояния вещества, возникающие при огромных давлениях.

Юпитер — самая большая и массивная планета системы. Его масса более чем в два раза превышает суммарную массу всех остальных планет. Иногда Юпитер ошибочно называют «неудавшейся звездой», но для запуска устойчивых термоядерных реакций обычного звёздного типа ему потребовалось бы быть примерно в 80 раз массивнее.

Сатурн уступает Юпитеру по массе, но выделяется системой ярких колец. Кольца есть у всех четырёх планет-гигантов, однако у Сатурна они наиболее заметны и протяжённы. В основном они состоят из частиц водяного льда разных размеров с примесью каменного вещества и пыли.

Уран и Нептун относят к ледяным гигантам. В их недрах доля соединений воды, аммиака и метана выше, чем у Юпитера и Сатурна. Уран вращается почти «лёжа на боку»: наклон его оси составляет около 98 градусов. Нептун известен исключительно сильными ветрами и динамичной атмосферой.

Название «ледяные гиганты» не означает, что Уран и Нептун представляют собой холодные шары обычного льда. В планетологии льдами называют воду, аммиак, метан и другие летучие соединения, которые при низкой температуре могут затвердевать. В недрах планет эти вещества находятся под огромным давлением и могут иметь необычные жидкие или сверхплотные состояния.

Почему астероиды, кометы и спутники так важны?

Астероиды и кометы часто называют остатками строительства планет. Многие из них сформировались на раннем этапе истории системы и сохранили вещество, возраст которого сопоставим с возрастом Солнца. По его составу учёные пытаются понять, как распределялись вода, органические соединения и химические элементы в протопланетном диске.

Протопланетный диск — вращающийся диск из газа и пыли вокруг молодой звезды, из вещества которого формируются планеты, спутники, астероиды и кометы.

Главный пояс астероидов не является остатком разрушенной большой планеты. Совокупная масса его тел намного меньше массы Луны. Скорее всего, веществу в этой области не позволило объединиться в полноценную планету сильное гравитационное влияние Юпитера и другие процессы ранней эволюции системы.

Особую ценность имеют образцы астероидного вещества, доставленные на Землю. Японские миссии Hayabusa и Hayabusa2 привезли частицы астероидов Итокава и Рюгу. В сентябре 2023 года американская миссия OSIRIS-REx доставила образцы с астероида Бенну. Лабораторные исследования обнаружили в них органические молекулы и минералы, связанные с древней водной средой. Это не доказательство существования жизни на астероиде, а свидетельство того, что необходимые для сложной химии вещества были распространены в молодой Солнечной системе.

OSIRIS-REx — автоматическая миссия NASA, созданная для исследования околоземного астероида Бенну, забора грунта и доставки образцов на Землю.

Спутники планет-гигантов могут оказаться не менее интересными, чем сами планеты. Под ледяной оболочкой Европы, спутника Юпитера, с высокой вероятностью существует глобальный солёный океан. Энцелад, спутник Сатурна, выбрасывает в космос струи водяного пара, частиц льда и органических соединений, поступающих из подповерхностного океана.

Титан, крупнейший спутник Сатурна, обладает плотной атмосферой. На его поверхности находятся реки, моря и озёра из жидкого метана и этана, а под ледяной корой, вероятно, скрывается водный океан. Ни на одном из этих тел жизнь пока не обнаружена, но они позволяют изучать среды, в которых могут сочетаться жидкость, органические соединения и источники энергии.

Насколько хорошо изучена Солнечная система?

На этот вопрос нельзя ответить одним процентом. Одни объекты исследованы с поверхности и с орбиты, другие аппараты видели только во время короткого пролёта, а существование некоторых областей определяется по косвенным признакам. Кроме того, подробная карта поверхности ещё не означает понимания внутреннего строения, происхождения атмосферы или геологической истории.

Степень изученности объектов можно условно оценить следующим образом:

• Наиболее подробно изучены Земля, околоземное пространство, Солнце и Луна;
• сравнительно хорошо исследованы Марс, Венера, Меркурий, Юпитер, Сатурн и некоторые крупные спутники;
• изучены фрагментарно Уран, Нептун, большинство астероидов, комет, карликовых планет и транснептуновых объектов;
• почти недоступны для прямого исследования подлёдные океаны, глубокие недра планет и внешняя область облака Оорта.

Транснептуновыми называют объекты, чьи орбиты в среднем находятся дальше от Солнца, чем орбита Нептуна. В эту группу входят Плутон и множество других ледяных тел.

Луна остаётся единственным небесным телом за пределами Земли, на котором побывали люди. На Землю доставлены сотни килограммов лунного вещества. Марс исследовали орбитальные аппараты, посадочные станции, марсоходы и небольшой вертолёт. Однако бурение там пока ограничивалось в основном несколькими сантиметрами. Ровер Perseverance собрал и запечатал образцы пород, но они всё ещё находятся на Марсе.

Венеру изучали орбитальные и спускаемые аппараты, включая советские станции серии «Венера». Тем не менее плотная облачность затрудняет наблюдение поверхности, а высокая температура и давление резко сокращают срок работы техники у грунта.

Меркурий исследовали аппараты Mariner 10 и MESSENGER. Совместная европейско-японская миссия BepiColombo должна выйти на орбиту планеты 21 ноября 2026 года, а её регулярная научная программа должна начаться в 2027 году.

BepiColombo — совместная миссия Европейского космического агентства и Японского агентства аэрокосмических исследований. Она включает два орбитальных аппарата, предназначенных для изучения поверхности, недр, магнитного поля и окружающего пространства Меркурия.

Юпитер и Сатурн посещали несколько миссий. Аппараты Galileo и Juno работали на орбите Юпитера, а Cassini более 13 лет исследовал Сатурн, его кольца и спутники. В то же время Уран и Нептун остаются наименее изученными большими планетами. Единственным аппаратом, наблюдавшим их вблизи, был Voyager 2, пролетевший мимо Урана в 1986 году и мимо Нептуна в 1989 году. Специализированных орбитальных станций у этих планет пока не было.

Карликовые планеты также изучены неравномерно. Аппарат Dawn работал на орбите Цереры, а New Horizons в 2015 году совершил пролёт возле Плутона. Остальные официально признанные карликовые планеты никогда не посещались космическими аппаратами и исследуются с Земли и околоземных телескопов.

Какие загадки ещё предстоит решить?

Учёные продолжают выяснять, как именно формировались планеты и менялись их орбиты. Согласно современным моделям, планеты-гиганты могли перемещаться на раннем этапе истории системы, рассеивая астероиды и кометы. Следы этих событий могли сохраниться в распределении малых тел.

Неизвестно, когда и каким путём вода и органические вещества попали на молодую Землю. Открытым остаётся вопрос о том, существовала ли жизнь на древнем Марсе и есть ли подходящие для неё условия в океанах Европы или Энцелада. Для уверенного ответа недостаточно фотографий: необходимы анализ образцов, точные химические измерения и исследование подповерхностных слоёв.

Сохраняется и гипотеза Девятой планеты. Необычное распределение орбит некоторых далёких транснептуновых тел можно объяснить воздействием ещё не обнаруженной планеты, которая в несколько раз массивнее Земли. Однако прямых наблюдательных доказательств её существования нет, а особенности орбит могут иметь другие объяснения. Поэтому Девятая планета остаётся гипотетическим объектом.

Новый этап исследований уже начался. Europa Clipper, запущенный NASA в октябре 2024 года, должен прибыть к Юпитеру в апреле 2030 года и совершить 49 близких пролётов возле Европы. Его задача — не непосредственный поиск организмов, а проверка того, существуют ли на спутнике условия, потенциально пригодные для жизни.

Миссия Европейского космического агентства JUICE должна прибыть к Юпитеру в июле 2031 года. Она будет исследовать атмосферу и магнитную среду планеты, а также ледяные спутники Европу, Каллисто и Ганимед. В дальнейшем аппарат должен выйти на орбиту Ганимеда.

JUICE расшифровывается как Jupiter Icy Moons Explorer — «исследователь ледяных спутников Юпитера».

Заключение.

Солнечная система — это не только Солнце и восемь планет, а огромная динамическая область, включающая спутники, карликовые планеты, астероиды, кометы, межпланетное вещество и далёкие ледяные тела. Её внутреннее устройство в общих чертах известно хорошо: учёные умеют точно рассчитывать орбиты, понимают основные различия между классами планет и получили изображения всех восьми больших планет.

Но подробность знаний быстро уменьшается по мере удаления от Земли и при переходе от поверхности к недрам. Мы не добрались до подлёдных океанов, не доставили на Землю марсианские породы, не выводили аппараты на орбиты Урана и Нептуна и не наблюдали облако Оорта напрямую. Даже знакомые планеты продолжают преподносить открытия.

Поэтому Солнечная система изучена достаточно хорошо, чтобы понимать её общее устройство, но недостаточно, чтобы считать исследования близкими к завершению. Новые миссии не просто заполняют пробелы на карте. Они помогают выяснить, как возникли планеты, откуда на Земле появилась вода и может ли жизнь существовать где-либо ещё в пределах нашего космического дома.

---