Планета

Материал из «Знание.Вики»
Меркурий Венера
Земля Марс
Юпитер Сатурн
Уран Нептун
Восемь планет[a] Солнечной системы:
Меркурий, Венера, Земля, Марс
Юпитер и Сатурн (газовые гиганты)
Уран и Нептун (ледяные гиганты)

Планеты показаны в порядке удаления от Солнца. Размеры не в масштабе.
Все фото сделаны в натуральных цветах

Плане́та (др.-греч. πλανήτης, альтернати́вная фо́рма др.-греч. πλάνης — «странник») — это небесное тело, движущееся по орбите вокруг звезды, обладающее достаточной массой для приобретения сферической формы под действием гравитации, но не способное начать термоядерный синтез[1]. В древности планетами называли видимые невооружённым глазом блуждающие по небу светила[2].

Модель мира Птолемея описывала движение планет вокруг неподвижной Земли с помощью эпициклов. Позднее возникла гелиоцентрическая система, доказанная наблюдениями Тихо Браге и Галилея. Кеплер установил, что планеты движутся по эллиптическим орбитам. Дальнейшие исследования выявили осевое вращение планет, сезонные изменения и геологические процессы на их поверхностях.

Различают планеты земной группы и газовые гиганты. МАС официально признаёт в Солнечной системе 8 планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и 5 карликовых планет (Плутон, Макемаке, Хаумеа, Эрида, Церера). Открытие экзопланет показало распространённость и разнообразие планет в Галактике. К июню 2022 года подтверждено 5098 экзопланет в 3770 системах, из них 825 многопланетных[3]. Размеры известных экзопланет варьируются от размеров планет земной группы до сверхгигантов[4].

Планетные системы

Солнечная система состоит из восьми классических планет: четырёх землеподобных (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и четырёх гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун)[5]. Юпитер — крупнейшая планета, в 318 раз массивнее Земли, а Меркурий — самая маленькая, всего 0.055 земных масс[6].

Планеты-гиганты, в отличие от землеподобных, имеют иной состав. Газовые гиганты Юпитер и Сатурн в основном состоят из водорода и гелия. Сатурн в три раза менее массивен, чем Юпитер (95 земных масс)[7]. Ледяные гиганты Уран и Нептун содержат много льда, метана, аммиака и имеют плотные водородно-гелиевые атмосферы. Их масса значительно меньше, чем у газовых гигантов (14-17 земных масс)[8].

Карликовые планеты, несмотря на округлую форму, не доминируют на своих орбитах. Самые известные из них: Церера (между Марсом и Юпитером), Плутон, Хаумеа, Квавар, Макемаке, Гонгонг, Эрида и Седна (за орбитой Нептуна)[9][10]. Они меньше Меркурия и состоят изо льда и камня, а не металла и камня как землеподобные планеты[7][8].

В Солнечной системе также есть как минимум 19 спутников планет или «планет-спутников» с размерами, достаточными для приобретения сферической формы[9]. Среди них — Луна (у Земли), Ио, Европа, Ганимед и Каллисто (у Юпитера), Мимас, Энцелад, Тефия, Диона, Рея, Титан и Япет (у Сатурна), Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон (у Урана), Тритон (у Нептуна) и Харон (у Плутона)[10]. Ганимед, Титан и Каллисто превосходят по размеру Меркурий, но имеют меньшую массу[11].

Экзопланеты

Экзопланеты — это планеты, находящиеся за пределами Солнечной системы. К июлю 2024 года астрономы подтвердили существование 6660 экзопланет в 4868 планетных системах, причём в 995 системах обнаружено более одной планеты[1]. Размеры известных экзопланет варьируются от газовых гигантов, примерно вдвое превышающих Юпитер, до объектов чуть больше Луны. Анализ данных гравитационного микролинзирования позволяет предположить, что в среднем на каждую звезду в Млечном Пути приходится минимум 1,6 планет на орбите[2].

Первое убедительное открытие экзопланет произошло в начале 1992 года, когда Александр Вольщан и Дейл Фрейл объявили об обнаружении двух планет, обращающихся вокруг пульсара PSR 1257+12[3]. Учёные полагают, что эти планеты сформировались из остатков диска, оставшегося после вспышки сверхновой, породившей пульсар[4].

Первая подтверждённая экзопланета у обычной звезды главной последовательности, 51 Пегаса b, была найдена Мишелем Майором и Дидье Кело 6 октября 1995 года[5]. С тех пор и до миссии «Кеплер» большинство известных экзопланет были газовыми гигантами, сравнимыми по массе с Юпитером или превосходящими его, поскольку их легче обнаружить. Каталог кандидатов в планеты, составленный «Кеплером», в основном состоит из планет размером с Нептун и меньше, вплоть до размеров, меньших, чем у Меркурия[12].

В 2011 году команда космического телескопа «Кеплер» сообщила об открытии первых экзопланет размером с Землю, обращающихся вокруг звезды, похожей на Солнце, — Kepler-20e и Kepler-20f[10]. С тех пор было обнаружено более 100 планет, приблизительно того же размера, что и Земля, 20 из которых находятся в обитаемой зоне своей звезды — диапазоне орбит, на которых планета земного типа могла бы поддерживать жидкую воду на своей поверхности при достаточном атмосферном давлении[13]. Считается, что у каждой пятой звезды, подобной Солнцу, есть планета размером с Землю в обитаемой зоне, что позволяет предположить, что ближайшая из них должна находиться в пределах 12 световых лет от Земли. Частота встречаемости таких землеподобных планет является одной из переменных в уравнении Дрейка, которое оценивает количество разумных, общающихся цивилизаций, существующих в Млечном Пути[14].

Существуют типы планет, которых нет в Солнечной системе: суперземли и мини-нептуны, масса которых находится между массой Земли и Нептуна. Ожидается, что объекты с массой менее чем в два раза превышающей массу Земли будут скалистыми, как Земля; за этим пределом они становятся смесью летучих веществ и газа, подобно Нептуну. Планета Gliese 581c с массой в 5,5-10,4 раза больше массы Земли привлекла внимание при её открытии из-за потенциальной обитаемости[15], хотя более поздние исследования пришли к выводу, что на самом деле она слишком близка к своей звезде, чтобы быть обитаемой. Известны планеты более массивные, чем Юпитер, плавно переходящие в область коричневых карликов[16].

Найдены экзопланеты, которые находятся гораздо ближе к своей звезде, чем любая планета Солнечной системы к Солнцу. Меркурий, самая близкая к Солнцу планета на расстоянии 0,4 а.е., совершает оборот за 88 дней, но планеты с ультракоротким периодом могут совершать оборот менее чем за день. В системе Kepler-11 пять планет находятся на более коротких орбитах, чем у Меркурия, и все они намного массивнее Меркурия. Существуют Горячие Юпитеры, такие как 51 Пегаса b, которые обращаются очень близко к своей звезде и могут испаряться, превращаясь в хтонические планеты — оставшиеся ядра. Есть также экзопланеты, которые находятся гораздо дальше от своей звезды. Нептун находится в 30 а.е. от Солнца и совершает оборот за 165 лет, но существуют экзопланеты, удалённые на тысячи а.е. от своей звезды и совершающие оборот более чем за миллион лет (например, COCONUTS-2b)[17].

Общие характеристики

Несмотря на уникальность каждой планеты, у них есть ряд общих черт. Некоторые из этих особенностей, такие как кольца или естественные спутники, пока наблюдались только у планет Солнечной системы, в то время как другие часто встречаются у экзопланет[1].

Экзопланеты по годам открытия.

Орбитальные параметры

Направление орбитального движения планет Солнечной системы совпадает с направлением вращения Солнца — против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса. Однако обнаружена как минимум одна экзопланета WASP-17b, обращающаяся в противоположном направлении. Период одного оборота планеты по орбите называется сидерическим периодом или годом[13]. Продолжительность года зависит от расстояния планеты до звезды: чем дальше планета, тем длиннее её орбита и меньше скорость движения из-за ослабления гравитации звезды.

Орбиты планет не являются идеально круговыми, поэтому расстояние до звезды меняется в течение года. Ближайшая к звезде точка называется периастром (перигелием в Солнечной системе), а самая удалённая — апоастром (афелием). При приближении к периастру скорость планеты увеличивается, а при удалении к апоастру — уменьшается, подобно падающему и брошенному вверх объекту на Земле[18].

Орбита планеты определяется набором элементов. Эксцентриситет описывает вытянутость эллиптической орбиты. У планет с малым эксцентриситетом орбиты близки к круговым, а с большим — сильно вытянуты. Планеты и крупные спутники Солнечной системы имеют относительно малый эксцентриситет, в отличие от комет, многих объектов пояса Койпера и некоторых экзопланет[16].

Большая полуось определяет размер орбиты как расстояние от центра до наиболее удалённой точки эллипса. Она не равна расстоянию до апоастра, так как звезда не находится в точном центре орбиты[13].

Наклонение показывает угол между плоскостью орбиты и опорной плоскостью. В Солнечной системе это плоскость земной орбиты — эклиптика. Для экзопланет опорной является картинная плоскость, перпендикулярная лучу зрения с Земли. Орбиты 8 планет Солнечной системы лежат близко к эклиптике, но некоторые малые тела, кометы имеют гораздо большие углы наклона. Крупные спутники обычно мало наклонены к экватору планеты, за исключением Луны, Япета и Тритона. Тритон уникален тем, что вращается в обратном направлении[19].

Восходящий и нисходящий узлы — точки пересечения орбитой опорной плоскости. Долгота восходящего узла — угол между нулевым меридианом и восходящим узлом. Аргумент перицентра — угол между восходящим узлом и ближайшей к звезде точкой орбиты[13].

Наклон оси вращения

Угол между осью вращения планеты и перпендикуляром к плоскости её орбиты называется наклоном оси. Из-за него полушария получают разное количество света в течение года, что приводит к сменам сезонов. В моменты солнцестояний одно полушарие обращено к звезде и имеет самый длинный день, а другое отвёрнуто и имеет самую короткую ночь. Количество получаемого света и тепла создаёт сезонные погодные изменения.

У Юпитера очень малый наклон оси, поэтому сезонные вариации минимальны. Уран же настолько сильно наклонен, что во время солнцестояний одно полушарие постоянно освещено, а другое находится в темноте. В Солнечной системе малые наклоны имеют Меркурий, Венера, Церера, Юпитер; большие — Паллада, Уран, Плутон; умеренные — Земля, Марс, Веста, Сатурн, Нептун[14]. Наклоны экзопланет точно не известны, но для горячих юпитеров полагают пренебрежимо малыми из-за близости к звезде. Аналогично, у спутников планетарных масс наклоны близки к нулю, с Луной (6.687°) как самым большим исключением. Наклон Каллисто меняется между 0° и 2° на масштабах тысяч лет[18].

Вращение

Планеты вращаются вокруг невидимых осей, проходящих через их центры. Период вращения называется звёздными сутками. Большинство планет Солнечной системы вращаются в том же направлении, что и обращаются вокруг Солнца — против часовой стрелки при взгляде с северного полюса. Исключения — Венера и Уран, которые вращаются по часовой, хотя для Урана из-за большого наклона оси нет единого мнения, какой полюс считать северным, а значит и в какую сторону он вращается. В любом случае, вращение Урана обратно его орбитальному движению[20].

Вращение планеты может быть вызвано несколькими факторами при формировании: суммарным угловым моментом аккрецированных объектов, захватом газа гигантскими планетами, случайными процессами на последних стадиях аккреции[21]. Периоды вращения планет сильно различаются: от 243 дней у Венеры до нескольких часов у газовых гигантов. Меркурий и Венера тоже вращаются очень медленно: Меркурий находится в приливном резонансе 3:2 (3 оборота за 2 года), а вращение Венеры, возможно, является результатом равновесия между замедляющими приливными силами и ускоряющими солнечным нагревом атмосферными[22].

Все крупные спутники приливно заблокированы своими планетами, так же как Плутон с Хароном, Эрида с Дисномией и, вероятно, Оркус с Вантой. Другие карликовые планеты с известными периодами вращаются быстрее Земли, а Хаумеа настолько быстро, что стала трёхосным эллипсоидом[22]. Экзопланета Тау Волопаса b и её звезда, похоже, взаимно приливно заблокированы[23].

Ось вращения Земли отклонена примерно на 23° от перпендикуляра к плоскости орбиты.

Физические характеристики

Размер и форма

Гравитация заставляет планеты принимать приблизительно сферическую форму, поэтому размер планеты можно выразить через средний радиус (например, радиус Земли или радиус Юпитера). Однако планеты не являются идеально сферическими[24].

Например, вращение Земли вызывает небольшое сплющивание у полюсов и выпуклость вокруг экватора. Лучшим приближением формы Земли является сплюснутый сфероид, экваториальный диаметр которого на 43 километра (27 миль) больше, чем диаметр от полюса до полюса[25].

В общем случае форму планеты можно описать, указав полярный и экваториальный радиусы сфероида или задав референц-эллипсоид. На основе такой спецификации можно рассчитать сплющенность, площадь поверхности и объём планеты. Зная размер, форму, скорость вращения и массу, можно вычислить нормальную силу тяжести планеты[26].

Масса

Масса Определяющей характеристикой планеты является достаточная масса для доминирования гравитации над электромагнитными силами, приводящая к гидростатическому равновесию и сферической форме. Масса — главное отличие планет от звёзд. В Солнечной системе нет объектов с массами между Солнцем и Юпитером, но существуют такие экзопланеты. Нижний предел звёздной массы — около 75-80 масс Юпитера (MJ). Некоторые предлагают это как верхний предел для планет[24].

За пределами 13 MJ объект может осуществлять синтез дейтерия, что иногда считается границей. Однако это не общепринято: Энциклопедия экзопланет включает объекты до 60 MJ, а Exoplanet Data Explorer — до 24 MJ[11].

Наименьшая известная экзопланета — PSR B1257+12A, вдвое легче Меркурия. WD 1145+017 b ещё меньше, с массой карликовой планеты Хаумеа[13]. Kepler-37b — наименьшая планета у звезды главной последовательности, немного тяжелее Луны[24].

В Солнечной системе наименьшая геофизическая планета — спутник Сатурна Мимас (3,1% радиуса Земли, 0,00063% массы). Феба, меньший спутник Сатурна, возможно, ранее достиг гидростатического равновесия, но был деформирован ударами[27].

Некоторые астероиды могут быть фрагментами протопланет, разрушенных столкновениями или представлять собой их ядра[11].

Внутренняя дифференциация

Каждая планета начинала своё существование в полностью жидком состоянии. На ранних стадиях формирования более плотные и тяжёлые материалы опускались к центру, оставляя более лёгкие материалы ближе к поверхности. В результате каждая планета имеет дифференцированную внутреннюю структуру, состоящую из плотного планетарного ядра, окружённого мантией, которая является или была жидкой.

Мантии земных планет заключены в твёрдые коры, а у газовых гигантов мантия просто сливается с верхними слоями облаков. Земные планеты имеют ядра из таких элементов, как железо и никель, и мантии из силикатов. Считается, что Юпитер и Сатурн имеют ядра из камня и металла, окружённые мантиями из металлического водорода. Уран и Нептун, которые меньше, имеют каменистые ядра, окружённые мантиями из воды, аммиака, метана и других льдов[11].

Жидкие движения внутри ядер этих планет создают геодинамо, генерирующее магнитное поле. Считается, что аналогичные процессы дифференциации происходили на некоторых крупных спутниках и карликовых планетах[27], хотя процесс не всегда мог быть завершён: Церера, Каллисто и Титан, по-видимому, дифференцированы не полностью[28].

Астероид Веста, хотя и не является карликовой планетой, поскольку был деформирован ударами и потерял округлую форму, имеет дифференцированную внутреннюю структуру, сходную с Венерой, Землёй и Марсом[29].

Атмосфера

Все планеты Солнечной системы, кроме Меркурия, имеют существенные атмосферы. Титан, Тритон и Плутон также обладают атмосферами. Газовые гиганты удерживают лёгкие газы, малые планеты их теряют. Порог удержания лёгких газов — около 2 масс Земли[24].

Земная атмосфера уникальна из-за кислорода. Атмосферы Марса и Венеры состоят в основном из CO2, но сильно различаются по плотности. Венера имеет экстремальный парниковый эффект. На высоте 50-55 км условия на Венере близки к земным[26].

Титан имеет азотную атмосферу, как Земля. Атмосферные явления включают ураганы, пылевые бури, антициклоны. На экзопланетах обнаружены необычные погодные явления[28].

Горячие Юпитеры теряют атмосферу из-за звёздной радиации. На них наблюдаются экстремальные температурные перепады и сверхзвуковые ветры[13].

Магнитосфера

Магнитные моменты планет порождают магнитосферы, указывающие на геологическую активность. Намагниченные планеты имеют потоки электропроводящего материала в недрах, генерирующие магнитные поля. Эти поля создают магнитосферу, защищающую от солнечного ветра. Ненамагниченные планеты имеют лишь слабые индуцированные магнитосферы[13].

В Солнечной системе только Венера и Марс не имеют магнитного поля. Меркурий имеет слабейшее поле, Юпитер — сильнейшее. Магнитные поля Урана и Нептуна сильно наклонены и смещены[13].

В 2003 году астрономы обнаружили яркое пятно на звезде HD 179949, вероятно созданное магнитосферой горячего Юпитера[13].

Четыре газовых гиганта: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (размеры для сравнения, расстояния не соблюдены).

Вторичные характеристики

Некоторые планеты и карликовые планеты Солнечной системы имеют орбитальные резонансы друг с другом или меньшими телами, что распространено в спутниковых системах. Все планеты, кроме Меркурия и Венеры, имеют естественные спутники («луны»). Большинство карликовых планет также имеют спутники. Многие спутники газовых гигантов схожи с земными и карликовыми планетами, некоторые изучаются как возможные обители жизни[14].

Газовые гиганты окружены кольцами из пыли и частиц, возможно образовавшимися из разрушенных спутников. Кольца есть и у карликовых планет Хаумеа и Квавар[14]. У экзопланет вторичные характеристики пока не обнаружены. Некоторые суб-коричневые карлики окружены протопланетными дисками[15].

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 IAU 2006 General Assembly: Result of the IAU Resolution votes. International Astronomical Union (2006)..
  2. ↑ 2,0 2,1 Working Group on Extrasolar Planets (WGESP) of the International Astronomical Union. IAU (2001)..
  3. ↑ 3,0 3,1 Гигин. Астрономия..
  4. ↑ 4,0 4,1 The Extrasolar Planet Encyclopaedia — Catalog Listing. exoplanet.eu..
  5. ↑ 5,0 5,1 Jean Schneider. The Extrasolar Planet Encyclopaedia — Catalog Listing (англ.). The Extrasolar Planets Encyclopaedia (27 января 2015)..
  6. ↑ Kennedy, Barbara (2005-02-11). "Scientists reveal smallest extra-solar planet yet found". SpaceFlight Now..
  7. ↑ 7,0 7,1 Santos, N.; Bouchy, F.; Vauclair, S.; Queloz, D.; Mayor, M. (2004-08-25). "Fourteen Times the Earth". European Southern Observatory (Press Release)..
  8. ↑ 8,0 8,1 "Trio of Neptunes". Astrobiology Magazine..
  9. ↑ 9,0 9,1 Star: Gliese 876. Extrasolar planet Encyclopedia..
  10. ↑ 10,0 10,1 10,2 Small Planet Discovered Orbiting Small Star. ScienceDaily (2008)..
  11. ↑ 11,0 11,1 11,2 11,3 Beaulieu, J.-P.; D. P. Bennett; P. Fouqué; A. Williams; et al. Discovery of a Cool Planet of 5.5 Earth Masses Through Gravitational Microlensing (англ.) // Nature : journal. — 2006. — 26 January (vol. 439, no. 7075). — P. 437—440. — doi:10.1038/nature04441. — PMID 16437108..
  12. ↑ COROT discovers smallest exoplanet yet, with a surface to walk on. European Space Agency (3 февраля 2009)..
  13. ↑ 13,0 13,1 13,2 13,3 13,4 13,5 13,6 13,7 13,8 Gliese 581 d. The Extrasolar Planets Encyclopedia..
  14. ↑ 14,0 14,1 14,2 14,3 "New 'super-Earth' found in space". BBC News..
  15. ↑ 15,0 15,1 von Bloh et al. The Habitability of Super-Earths in Gliese 581 (англ.) // Astronomy and Astrophysics. — EDP Sciences, 2007. — Vol. 476, no. 3. — P. 1365—1371. — doi:10.1051/0004-6361:20077939..
  16. ↑ 16,0 16,1 Lecavelier des Etangs, A.; Vidal-Madjar, A.; McConnell, J. C.; Hébrard, G. Atmospheric escape from hot Jupiters (англ.) // Astronomy and Astrophysics : journal. — 2004. — Vol. 418. — P. L1—L4. — doi:10.1051/0004-6361:20040106..
  17. ↑ Thompson, Tabatha (2007-02-21). "NASA's Spitzer First To Crack Open Light of Faraway Worlds". Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology (Press Release)..
  18. ↑ 18,0 18,1 Richardson, L. Jeremy; Deming, Drake; Horning, Karen; Seager, Sara; Harrington, Joseph. A spectrum of an extrasolar planet (англ.) // Nature. — 2007. — Vol. 445, no. 7130. — P. 892. — doi:10.1038/nature05636. — PMID 17314975..
  19. ↑ Drake, Frank (2003-09-29). "The Drake Equation Revisited". Astrobiology Magazine..
  20. ↑ Lissauer, J. J. Timescales for Planetary Accretion and the Structure of the Protoplanetary disk (англ.) // Icarus : journal. — Elsevier, 1987. — Vol. 69. — P. 249—265. — doi:10.1016/0019-1035(87)90104-7..
  21. ↑ Clavin, Whitney A Planet with Planets? Spitzer Finds Cosmic Oddball. Spitzer Space Telescope Newsroom (9 ноября 2005)..
  22. ↑ 22,0 22,1 Luhman, K. L.; Adame, Lucía; D'Alessio, Paola; Calvet, Nuria. Discovery of a Planetary-Mass Brown Dwarf with a Circumstellar Disk (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 2005. — Vol. 635. — P. L93. — doi:10.1086/498868..
  23. ↑ Close, Laird M. et al. The Wide Brown Dwarf Binary Oph 1622–2405 and Discovery of A Wide, Low Mass Binary in Ophiuchus (Oph 1623–2402): A New Class of Young Evaporating Wide Binaries? (англ.) // The Astrophysical Journal: journal. — IOP Publishing, 2007. — Vol. 660. — P. 1492. — doi:10.1086/513417..
  24. ↑ 24,0 24,1 24,2 24,3 Luhman, K. L.; Allers, K. N.; Jaffe, D. T.; Cushing, M. C.; Williams, K. A.; Slesnick, C. L.; Vacca, W. D. Ophiuchus 1622–2405: Not a Planetary-Mass Binary (англ.) // The Astrophysical Journal: journal. — IOP Publishing, 2007. — April (vol. 659, no. 2). — P. 1629—1636. — doi:10.1086/512539..
  25. ↑ Britt, Robert Roy Likely First Photo of Planet Beyond the Solar System. Space.com.
  26. ↑ 26,0 26,1 В. Г. Сурдин, «Разведка далёких планет».
  27. ↑ 27,0 27,1 Should Large Moons Be Called 'Satellite Planets'?.
  28. ↑ 28,0 28,1 D. R. Anderson et al.. WASP-17b: an ultra-low density planet in a probable retrograde orbit. Cornell University Library..
  29. ↑ Young, Charles Augustus. Manual of Astronomy: A Text Book. — Ginn & company, 1902. — С. 324—327..

Ссылки


Ошибка цитирования Для существующих тегов <ref> группы «lower-alpha» не найдено соответствующего тега <references group="lower-alpha"/>

Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Планета&oldid=983968