Ипатов С.И. Миграция небесных тел в Солнечной системе Изд. стереотип.

Summary

The book is devoted to the investigations of migration of celestial bodies in the present and forming Solar System. It may be useful to various readers (both specialists andastronomers–amateurs), which are interesting in the structure, formation, and evolution of the Solar System. The material devoted to the structure of the Solar System and to the foreign and Russian organization of the work on dynamical astronomy is available to any reader. Students and lecturers can use the book as a textbook on dynamical astronomy and planet cosmogony. Specialists in various problems of astronomy, celestial mechanics, and asteroid and comet hazard can use it as a reference book. The scientists, which investigate the problem of the formation of the Solar System or the evolution of orbits of asteroids, trojans, trans–Neptunian objects, near–Earth objects, and other celestial bodies, can find the reviews of papers and original results on these problems.

Оглавление

Введение

В настоящей книге рассматриваются некоторые вопросы миграции небесных тел в современной и формирующейся Солнечной системе. Эта задача называется также динамической астрономией. Солнечная система – это дом, в котором живет наша планета. Любителям астрономии интересно понять, как устроена Солнечная система и как она сформировалась. В газетах и журналах мы читаем, что космический аппарат (КА) полетел к такому-то астероиду. Узнав лучше о динамике небесных тел, читатель будет лучше понимать, куда и зачем полетел этот аппарат, а специалисты по космическим полетам решат, куда и с какими целями послать следующий КА. В отличие от звезд, малые тела можно исследовать с помощью КА, и в ближайщее время рядом стран планируются новые запуски КА к астероидам и кометам. Малыми телами называют тела, меньшие планет, хотя диаметры некоторых из них могут превышать 1000 км.

В последнее время много говорят об астероидной и кометной опасности. Некоторые малые тела бороздят просторы Солнечной системы и иногда выпадают на планеты. Взрыв, подобный Тунгусскому явлению, произошедшему 30 июня 1908 г., мог унести сотни тысяч жизней, если бы он произошел над крупным городом. Если бы кометный "поезд", выпавший в июле 1994 г. на Юпитер, столкнулся бы с Землей, то потери человечества могли быть больше, чем во второй мировой войне. В результате столкновения астероида с Землей 65 млн лет назад было уничтожено более половины всех видов животных, в том числе и динозавры. В настоящей книге (глава VII) читатель может, в частности, узнать откуда приходят малые тела к Земле и какова вероятность их столкновений с Землей.

Модели строения Земли и других небесных тел зависят от моделей аккумуляции планет. Поэтому теории происхождения Солнечной системы (главы V–VI) могут быть интересны не только специалистам по планетной космогонии, но и ученым, изучающим строение небесных тел.

Автор хотел бы привлечь российских ученых, особенно молодых, к изучению проблем динамики небесных тел. За рубежом такими задачами занимается много ученых и ежегодно проводится несколько крупных конференций. В России отношение специалистов по динамической астрономии к общему числу астрономов и астрофизиков меньше, чем в целом в мире. Значительная часть таких российских специалистов сосредоточена в Санкт-Петербурге. На вопрос в Библиотеке естественных наук РАН (Москва), почему библиотека не получает после 1991 г. журналов по динамической астрономии (например, журнала Icarus), но имеет ряд журналов по астрофизике, автор получил ответ, что первые журналы раньше почти никто и не брал. Надеюсь, что эта книга поможет другим ученым получить новые результаты в области формирования и эволюции Солнечной системы. Смежным специалистам книга даст возможность узнать состояние работ в мире по формированию и эволюции Солнечной системы и получить справочные данные о малых телах Солнечной системы.

В основу глав II–VII и приложения 1 лег текст докторской диссертации С.И.Ипатова, защищенной в 1996 г. Этот текст, базировавшийся на статьях, опубликованных автором в 1992–1995 гг., был значительно расширен и переработан, чтобы представлять интерес не только для узких специалистов, но и для более широкого круга читателей. Он дополнен новыми результатами исследований эволюции орбит транснептунных тел и тел, пересекающих орбиту Юпитера, а также популярным материалом о Солнечной системе и об организации динамической астрономии в мире. Добавлен также справочный материал о малых телах, данные об эволюции орбит планет и некоторые формулы задачи двух тел.

После 1991 г. в России стало трудно достать зарубежные работы по динамической астрономии. Поэтому, наряду с результатами, полученными автором, в книге представлены обзоры работ по различным проблемам динамики небесных тел. По этим проблемам опубликовано довольно много книг. Изданные ранее на русском языке монографии по астероидам, планетам Солнечной системы и аккумуляции планет не содержат современных результатов моделирования миграции небесных тел в Солнечной системе. Книги, опубликованные в последнее время на английском языке и содержащие материалы по динамике небесных тел, трудно доступны для большинства российских читателей и, как правило, являются сборниками трудов конференций. Одна из таких книг может быть посвящена целиком астероидам, другая – происхождению Солнечной системы, третья – астероидной опасности. В монографии рассматриваются различные тела Солнечной системы, а не только астероиды или только кометы. О физических характеристиках небесных тел можно прочесть в книге Л.В.Ксанфомалити "Парад планет" (Наука, 1997). Нами основное внимание уделяется динамике небесных тел, которая рассмотрена более подробно, чем в других изданиях.

Остановимся на структуре книги.

За последние несколько лет число открытых астероидов главного пояса и объектов, сближающихся с Землей, резко увеличилось. Первый объект транснептунного пояса был открыт сравнительно недавно – в 1992 г. Приводимые во многих книгах данные о малых телах Солнечной системы не содержат результатов последних открытий, которые представлены в главе I. Эти данные представляют интерес не только для профессиональных астрономов, но и для обычных читателей, интересующихся строением Солнечной системы.

При чтении глав книги желательно ознакомиться также с соответствующими параграфами главы I, т.к. обзор публикаций содержится не только во введениях к главам, но и в главе I. После осени 1998 г., когда рукопись была представлена в издательство, опубликовано множество различных работ. При корректуре я добавил лишь некоторые из них, чтобы не увеличивать и без того большой объем книги. Новые ссылки вносились в основном в главу I.

1 Представленные в главе II результаты исследований в рамках задачи трех тел (Солнце и два его спутника) областей исходных данных и максимальных эксцентриситетов, соответствующих различным типам эволюции, не приводились в других монографиях. В книгах А.П.Маркеева "Точки либрации в небесной механике и космодинамике" (Наука, 1978) и А.Д.Брюно "Ограниченная задача трех тел" (Наука, 1990) рассматривались другие вопросы задачи трех тел.

В главе III приводятся результаты недавних исследований эволюции резонансных орбит и образования люков Кирквуда. Основное внимание уделяется резонансу 2:5 с движением Юпитера, который быстрее, чем другие резонансы, перебрасывает астероиды к Земле. Монографии по астероидам (например, А.Н.Симоненко, "Астероиды", Наука, 1985) были изданы давно и, естественно, не содержат результатов, полученных за последние годы.

В главе IV рассматривается другой, чем в книге Эпика (E.J. \"Opik, Interplanetary encounters, Amsterdam, 1976) подход к вычислению вероятности тесных сближений и столкновений двух тел, движущихся вокруг Солнца. Наши формулы зависят, дополнительно, от синодического периода обращения и учитывают случай переменного угла между плоскостями орбит тел.

Последняя монография по формированию Солнечной системы (А.В.Витязев, Г.В.Печерникова и В.С.Сафронов, "Планеты земной группы: Происхождение и ранняя эволюция") была издана на русском языке в 1990 г. В отличие от этой книги, в главах V–VI основное внимание уделяется не ранней, а конечной стадии аккумуляции планет, и в основном рассматривается миграция тел в зоне планет-гигантов (в том числе исследуется новая модель формирования Урана и Нептуна, предложенная В.Н.Жарковым), а не в зоне планет земной группы. Результаты исследований базируются в основном на результатах моделирования на ЭВМ, а не на аналитических формулах, как в монографии А.В.Витязева и др. В отличие от монографии Р.И.Киладзе "Современное вращение планет" (1986), в разделе 4 главы V приводятся более поздние результаты, касающиеся проблемы формирования осевых вращений небесных тел.

В коллективных монографиях "Астероидно-кометная опасность" (1996) и "Угроза с неба..." (1999) практически не рассматривается вопрос о миграции к Земле тел из астероидного и транснептунного поясов. Глава VII дополняет эти монографии.

Различные вопросы, излагаемые в главах монографии, взаимосвязаны: рассматривается, как сформировались астероидный и транснептунный пояса, как тела из них мигрируют к орбитам планет, как эти тела под влиянием планет могут достигнуть орбиты Земли, каковы вероятности столкновений тел с Землей и какие алгоритмы используются при моделировании эволюции орбит.

Методы выбора пар сближающихся тел в системе с бинарными взаимодействиями ранее в монографиях не излагались. Они необходимы при моделировании методом сфер эволюции дисков гравитирующих тел, движущихся вокруг Солнца. Представленные в приложении 1 методы являются более эффективными, чем методы, описанные в статьях других авторов.

В приложении 2 представлены графики изменений элементов орбит планет, в приложении 3 – некоторые формулы ограниченной круговой задачи трех тел и задачи двух тел, уравнения движения задачи N тел и радиусы различных сфер, а в приложении 4 – интернетовские адреса, по которым можно получить оглавления журналов, тезисы статей, информацию о конференциях и другую полезную информацию по астрономии. Эти приложения могут рассматриваться в качестве справочников.

В разделе 1 приложения 5 рассказывается об организации динамической астрономии за рубежом. Дополнительно к заявке, представленной в РФФИ, в книгу включены разделы 2–5 приложения 5 и приложение 6, материал которых неразрывно связан с основным текстом книги. В этих разделах на основе личных впечатлений автора говорится, как более дешево и менее хлопотно съездить на заграничную конференцию, сравнивается организация науки за рубежом, в СССР и современной России, а также приводятся сделанные автором фотографии отдельных ученых, занимающихся динамической астрономией и цитирующихся в основном тексте книги. В приложении 6 приводятся краткие автобиографические воспоминания. Хотелось, чтобы чтение этих приложений помогло молодым читателям активнее общаться с зарубежными учеными и тем самым достичь больших результатов в области динамической астрономии.

Монография может быть интересна различным категориям читателей (как специалистам, так и астрономам-любителям), интересующимся строением, происхождением и эволюцией Солнечной системы. Ученые, занимающиеся этой проблемой, найдут обзоры современных работ по этой проблеме. Книга даст также необходимые сведения для специалистов, занимающихся другими вопросами астрономии, небесной механики, астероидной опасности и планетной космогонии. Полученные результаты могут быть использованы при исследованиях на больших интервалах времени эволюции орбит гравитирующих тел, движущихся вокруг массивного центрального тела (Солнца), например, при изучении миграции малых тел к Земле из астероидного и транснептунного поясов, эволюции резонансных и нерезонансных гелиоцентрических орбит, движения тел около треугольных точек либрации, аккумуляции планет из вещества протопланетного облака и исследовании формирования осевого вращения планет. Изучение миграции небесных тел к Земле является одним из шагов к построению модели распределения объектов, сближающихся с Землей, по массам и элементам орбит и организации защиты Земли от столкновений с этими объектами. Результаты исследований процесса аккумуляции планет лежат в основе моделей строения планет. Методы выбора пар контактирующих объектов (например, тел, сближающихся до радиуса рассматриваемой сферы) могут применяться при изучении различных систем с бинарными взаимодействиями. Книга может быть использована студентами и преподавателями как учебник по динамической астрономии и планетной космогонии. Часть изложенного материала (например, глава I, посвященная строению Солнечной системы, или приложение 5, в котором рассказывается об организации динамической астрономии в мире) вполне доступна любому школьнику и может быть интересна любителям астрономии.

Данная монография не была бы написана, если бы в начале 1975 г. член-корр. АН СССР (ныне академик РАН) Т.М.Энеев, не привлек автора, тогда дипломника мехмата МГУ, к изучению миграции небесных тел, а заведующий кафедрой теоретической механики, член-корр. АН СССР (ныне академик РАН) Д.Е.Охоцимский за три года до этого не познакомил бы автора-студента с Т.М.Энеевым и после окончания МГУ не взял бы его на работу в возглавляемый им отдел Института прикладной математики. Большое влияние на исследования автора оказали сотрудники Института Физики Земли (В.С.Сафронов, В.Н.Жарков, Е.Л.Рускол, А.В.Витязев, А.Б.Макалкин, Г.В.Печерникова, И.Н.Зиглина и другие), где зародилась Шмидтовская модель аккумуляции планет. Выражаю благодарность В.И.Артюховой и М.А.Вашковьяку, высказавшим ряд ценных замечаний по рукописи этой книги. С большим интересом и пользой в 1989–1997 гг. я регулярно ездил на конференции, которые организовывал Институт теоретической астрономии. Из зарубежных ученых хотелось бы отметить Жака Хенрарда (Jacques Henrard, произносится Анре) и Герхарда Хана (Gerhard Hahn), с которыми у меня имеются небольшие совместные публикации. Благодаря предложению зам. директора ГАИШ проф. И.А.Герасимова, на основе материала, вошедшего в книгу, в первом полугодии 1998 г. автор прочел курс лекций на астрономическом отделении физического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова. Выражаю благодарность издательству "Эдиториал УРСС", выпустившему книгу в полном объеме, который значительно превысил объем, заявленный в РФФИ.

CONTENTS

Об авторе

Ипатов Сергей Иванович

Ведущий научный сотрудник лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов ГЕОХИ РАН, доктор физико-математических наук. Лауреат премии Ф. А. Бредихина РАН 2019 за выдающиеся работы в области астрономии за цикл работ «Формирование и процессы эволюции Солнечной системы». В честь С. И. Ипатова назван астероид 14360 Ipatov.