Ieskats Saules sistēmā: Planētas Saules sistēmā izvietotas nevienmērīgi.
Planētu kustības likumi: Planētas riņķo ap Sauli saskaņā ar trim Keplera likumiem.
Saules sistēmas izpēte: Visas planētas, atskaitot Plutonu, tuvumā ir pētījušas starpplanētu zondes.
Saules sistēmas rašanās: Planētas izveidojās reizē ar Sauli aptuveni pirms pieciem miljardiem gadu.
Ieskats Saules sistēmā
Saules sistēmā ietilpst Saule, deviņas lielās planētas un citi, mazāki debess ķermeņi - pundurplanētas, asteroīdi un komētas. Attālumu secībā no Saules lielās planētas ir izvietotas šādi: Merkurs, Venēra, Zeme, Marss, Jupiters, Saturns, Urāns, Neptūns. Lielākajai daļai planētu ir viens vai vairāki pavadoņi. Vēl Saules sistēmā riņķo liels daudzums meteoroīdu. Katra planēta atrodas no Saules aptuveni divas reizes tālāk nekā iepriekšējā. Tas nozīmē, ka Saules sistēmas iekšējā daļā planētas izvietotas blīvāk. Neraugoties uz to, attālums starp tām ir desmitiem miljonu kilometru. Attālumi starp planētām Saules sistēmas ārējā daļā sasniedz miljardus kilometru. Planētu orbītas atrodas aptuveni vienā plaknē.
1. att. Saules sistēmas planētas (Fizmix attēls)
Visas planētas kustas ap Sauli tās gravitācijas spēka iedarbībā pa eliptiskām orbītām, kas maz atšķiras no riņķa. Planētas mazāko attālumu no Saules sauc par perihēliju, bet lielāko attālumu - par afēliju. Planētas kustas ap Sauli vienā virzienā. Ja būtu iepējams paskatīties uz Saules sistēmu no augšas, no Saules ziemeļpola puses, varētu redzēt, ka planētu riņķošana notiek pretēji pulksteņa rādītāju kustības virzienam. Lielākā daļa planētu griežas ap asi šajā pašā virzienā. Izņēmumi ir Urāns, Venēra, kā arī Plutons, kas griežas pretējā virzienā - pulksteņa rādītāju kustības virzienā.
Tabula 1: Planētu orbitālie dati
Diennakts un gada garums uz planētām ievērojami atšķiras no diennakts un gada garuma uz Zemes (Tabula 2). Planētas diennakts - tas ir laika sprīdis, kurā planēta vienreiz apgriežas ap asi attiecībā pret Sauli (nevis pret zvaigznēm, kas ir rotācijas periods). Visīsākā diennakts ir uz Jupitera - 10 stundas, bet visgarākā uz Merkura - 116 Zemes diennaktis. Planētas gads (sideriskais apriņķojuma periods) ir laika sprīdis, kurā planēta veic vienu apriņķojumu ap Sauli. Merkura gads ir visīsākais, tas ilgst 88 Zemes diennaktis, bet Plutona gads ilgst veselus 249 gadus.
* - rotācijas virziens pretējs (pulksteņa rādītāju kustības virzienā).
Tabula 2: Planētu raksturlielumi
Planētas pašas nespīd, tās tikai atstaro Saules gaismu. Visspožākā planēta ir Venēra. Tā redzama kā Rīta vai Vakara zvaigzne. Retumis rīta vai vakara blāzmā kā vidēji spožu zvaigzni var saskatīt Saulei tuvāko planētu - Merkuru. Nākamā spožākā planēta pēc Venēras ir Jupiters. Jupiters izskatās kā spoža, dzeltenīga zvaigzne. Marss un Saturns ir blāvāki. Marsam ir izteikti sarkana, bet Saturnam - dzeltena krāsa. Augšminētās piecas planētas ir saskatāmas ar neapbruņotu aci un pazīstamas kopš seniem laikiem. Citas Saules sistēmas planētas - Urāns un Neptūns - redzamas tikai teleskopā.
Tabula 3: Planētu iedalījums
Pēc uzbūves un fizikālajām īpašībām planētas iedala divās grupās: Zemes grupas planētas un milzu planētas (Tabula 3). Pie Zemes grupas planētām pieder Merkurs, Venēra, Zeme un Marss. Tās ir samērā nelielas planētas ar cietu virsmu. Milzu planētas ir Jupiters, Saturns, Urāns un Neptūns. Tām ir biezas un blīvas atmosfēras. Milzu planētām nav cietas virsmas, no Zemes redzamā virsma ir vienīgi mākoņu segas augšējā robeža.
Planētu kustības likumi
Planētu kustība ap Sauli notiek saskaņā ar vācu astronoma Johannesa Keplera formulētajiem likumiem, kas izriet no vispasaules gravitācijas likuma. Pirmais Keplera likums - planēta kustas ap Sauli pa elipsi, kuras vienā fokusā atrodas Saule (1. att.). Tas nozīmē, ka, planētai kustoties pa orbītu, tās attālums no Saules mainās. Tas ir vismazākais perihēlijā, bet vislielākais - afēlijā.
2. att. Pirmā Keplera likuma ilustrācija
Otrais Keplera likums - taisne, kas savieno Sauli un planētu, vienādos laika sprīžos apraksta vienādus laukumus (3. att.). Būtībā tas nozīmē to, ka planētai kustoties pa orbītu, tās kustības ātrums mainās. Vislielākais tas ir perihēlijā, bet vismazākais - afēlijā.
3. att. Otrā Keplera likuma ilustrācija
Trešais Keplera likums - divu planētu apriņķojuma periodu kvadrātu attiecība ir vienāda ar šo planētu orbītu lielo pusasu kubu attiecību (4. att.). Orbītas lielā pusass ir vienāda ar planētas vidējo attālumu no Saules. Tātad trešais Keplera likums saista planētu apriņķošanas periodus ar to orbītu izmēriem. Keplera likumi ir spēkā ne tikai Saules sistēmas planētām, bet jebkuram debess ķermenim, kas riņķo ap centrālo ķermeni, piemēram - Mēnesim vai Zemes mākslīgajam pavadonim, kas riņķo ap Zemi, zvaigznes pavadonim, kas riņķo ap zvaigzni, utml.
4. att. Trešā Keplera likuma ilustrācija
Keplera likumi - tikai tuvinājums
Keplera planētu kustības likumi 17. gadsimtā bija revolucionāri, sniedzot skaidru un prognozējamu ietvaru planētu orbītu izpratnei ap Saules sistēmu. Tomēr, neskatoties uz to precizitāti daudzās situācijās, Keplera likumi balstās uz tuvinājumiem, kam ir nozīmīgi ierobežojumi.
Viens nozīmīgs trūkums ir tas, ka Keplera likumi neņem vērā citu planētu gravitācijas ietekmi. Tie pieņem divu ķermeņu sistēmu, kurā mijiedarbojas tikai Saule un viena planēta, kas ir pārāk vienkāršoti. Piemēram, citu masīvu ķermeņu, kā Jupitera klātbūtne, var ietekmēt tuvumā esošo planētu orbītas, ko Keplera likumi nevar paredzēt.
Turklāt Keplera likumi darbojas pēc Ņūtona fizikas principiem, uzskatot gravitāciju par spēku. Šī pieeja neizskaidro dažus novērojumus, piemēram, Merkura orbītas precesiju (5. att.), kas atšķiras no trajektorijas, ko paredz gan Keplera, gan Ņūtona teorijas. Merkura orbīta laika gaitā mainās, zīmējot ziedu, nevis fiksētu elipsi, kas ir parādība, ko Keplera likumi neparedz.
5. att. Merkura orbītas prececija, ko var aprakstīt ar vispārīgo relativitāti
Albertam Einšteinam nākot klajā ar vispārīgās relativitātes teoriju, kas gravitāciju pārdefinē nevis kā spēku, bet kā telpas un laika izliekumu. Vispārīgā relativitāte nodrošina mūs ar teoriju, kas ļauj izprast šīs anomālijas. Piemēram, tā precīzi aprēķina Merkura orbītas precesiju, ņemot vērā Saules masīvās gravitācijas lauka ietekmi, kas izliec apkārtējo telpu. Šī teorija ne tikai koriģē novērotos ierobežojumus Keplera likumiem, bet arī paplašina mūsu izpratni par sarežģītākām gravitācijas mijiedarbībām kosmosā, piemēram, tādām, kas saistīas ar melnajiem caurumiem un galaktiku dinamiku. Izmantojot vispārīgo relativitāti, astronomi var sasniegt precīzākus un visaptverošākus planētu kustības aprēķinus, īpaši sistēmās, kur ir lielas masas vai ekstrēmāli ātrumi.
Saules sistēmas izpēte
Novērojumi ar teleskopu sniedz plašu informāciju par planētām, tomēr tā nav pilnīga. Sevišķi tas attiecas uz planētām un pavadoņiem ar blīvu atmosfēru (Venēra, Titāns), sīkiem vai tāliem debess ķemeņiem (asteroīdi, Urāns un Neptūns). Tikai kosmiskie pētījumi deva iespēju pietiekami precīzi noskaidrot fizikālos apstākļus uz Saules sistēmas debess ķermeņiem. Kosmiskie aparāti ir tuvumā pētījuši visas planētas, fotografējuši daudzus planētu pavadoņus, vairākas mazās planētas un komētas. Planētas pēta gan no pārlidojuma trajektorijas, gan no mākslīgā pavadoņa orbītas. Uz divām planētām – Venēras un Marsa - ir nolaidušies arī nolaižamie aparāti.
6. att. NASA bijušās, esošās un nākotnes kosmosa izpētes misijas (NASA attēls)
Ilgu laiku Merkuru no kosmosa pētījusi bija tikai viena starpplanētu zonde “Mariner-10”, tāpēc planētas izpēti lielākoties veica ar novērojumiem no Zemes. Tomēr pēc 30 gadiem, 2004. gadā, tika sākta jauna NASA misija - "Messenger". Tā apriņķoja planētu no 2011. līdz 2015. gadam, sniedzot detalizētus datus par tās ģeoloģiju un magnētisko lauku. Turklāt Eiropas Kosmosa aģentūras misija "BepiColombo", kas tika palaista 2018. gadā, pašlaik dodas uz Merkuru, lai pēc ierašanās 2025. gadā pētītu tās virsmu un magnētisko lauku detalizētāk.
Uz Venēras vairākkārt nolaidās sērijas “Venera” kosmiskie aparāti, kas tika izstrādāti un palaisti Padomju Savienībā starp 1961. un 1984. gadu (7. att.). Tiesa, augstās temperatūras un spiediena dēļ tie spēja darboties uz planētas tikai neilgu laiku. Starpplanētu zonde “Magellan”, kas tika palaista 1989. gadā, izmantojot radiolokācijas metodes, sastādīja precīzu planētas karti. Venēra tika atkārtoti sasniegta, izmantojot misijas, piemēram, Eiropas Kosmosa aģentūras "Venus Express" (2006-2014) un Japānas "Akatsuki", kas nonāca orbītā ap Venēru 2015. gadā, lai pētītu tās laika apstākļus un atmosfēru. Šīs misijas ir sniegušas ieskatus Venēras ekstrēmajā klimatā un atmosfēras dinamikā.
7. att. Padomju Savienības Venera nolaižamais aparāts uz Venēras virsmas (ilustratīvs attēls no space.com)
Marsu ir pētījusi vesela kosmisko aparātu plejāde, no kuriem 20. gadsimtā ļoti veiksmīgi bija divi kosmiskie aparāti “Viking”, kas pētīja planētu gan no orbītas, gan nolaižoties uz tās. Pēc tam planētu pētījuši visurgājējs “Pathfinder” un orbitālais aparāts “Mars Global Surveyor”. 21. gadsimtā Marss ir saņēmis vēl lielāku uzmanību, sākot ar NASA zondi "Curiosity", kas nolaidās uz tā virsmas 2012. gadā un turpina analizēt Marsa virsmu jau vairāk kā desmit gadus. Sekojoši, zonde "Perseverance" nolaidās 2021. gadā kā daļa no NASA "Mara 2020 misijas", ar uzdevumu meklēt pagātnes dzīvības pazīmes un savākt paraugus, kurus varētu atgriezt uz Zemi. Līdzās tam, Ķīnas misija "Tianwen-1", kas ieradās 2021. gadā, ietver orbītu, nolaišanās moduli un pētniecisko aparātu "Zhurong", papildinot Marsa pētniecību un izpratni par šo planētu.
8. att. Marsa roveri no 1971. līdz 2021. gadam, kuru izmēri ir salīdzināti ar potenciālo kosmonautu uz Marsa
Vislielākos panākumus 20. gadsimtā Jupitera izpētē guvuši divi kosmiskie aparāti “Voyager”, bet tā pavadoņu izpētē – starpplanētu zonde “Galileo”. No “Galileo” tika nomests arī nolaižamais aparāts, kas tieši pētīja Jupitera atmosfēru. 21. gadsimtā Jupitera izpēti ievērojami veicināja NASA misija "Juno", kas tika palaista 2011. gadā un nokļuva pie Jupitera 2016. gadā. "Juno" sniedza jaunu informāciju par planētas atmosfēru, magnētisko lauku un iekšējo struktūru. Bet Jupitera pavadoņus, it īpaši Eiropu, ir plānota misija "Europa Clipper", kuru plānots palaists 2024. gada rudenī. Tā mērķis ir pētīt Eiropas pazemes okeānus un tās potenciālu izmitināt dzīvību.
9. att. Jupitera izpētes aparāts "Juno" orbītā ap Jupiteru (JPL attēls)
Galveno informāciju par Saturnu 20. gadsimtā, tā pavadoņiem un gredzeniem, ir snieguši kosmiskie aparāti “Voyager”. Pēdējā izpētes misija Saturnam bija ar "Cassini-Huygens", kas beidzās 2017. gadā. "Cassini" 13 gadus pavadīja orbītā ap Saturnu, sniedzot detalizētu inofrmāciju par planētu, tās gredzeniem un pavadoņiem, it īpaši Titānu un Encelādu. Šie atklājumi ir raisījuši plašu interesi pateicoties pazemes okeānu klātbūtnei, kas, iespējams, nodrošina dzīvībai labvēlīgus apstākļus.
“Voyager-2” neapšaubāmi ir veiksmīgākā starpplanētu zonde, jo tā ir pētījusi ne tikai Jupiteru un Saturnu, bet arī vienīgā tuvumā pārlidojusi Urānu un Neptūnu, veicot daudzus interesantus atklājumus.
"New Horizons" misija, kas 2015. gadā veica garāmlidojumu gar Plutonu, revolucionēja mūsu izpratni par šo tālo pasauli, atklājot sarežģītas virsmas iezīmes un atmosfēru.Pēc tam "New Horizons" turpināja ceļu uz Koipera joslu, veicot tuvu garāmlidojumu gar Kuipera jostas objektu "Arrokoth" 2019. gadā, nodrošinot vērtīgus datus par primitīvajiem ķermeņiem, kas atrodas ārējā Saules sistēmā.
10. att. "New Horizons" kosmiskais aparāts pie Plutona (The Planetary Society attēls)
Pētītas tiek ne tikai planētas un to pavadoņi, bet arī asteroīdi. Misijas, kā NASA "OSIRIS-REx" un Japānas "Hayabusa2", ir bijušas vienas no svarīgākajām to izpētē. Palaists 2016. gadā, "OSIRIS-REx" veiksmīgi savāca paraugus no tuvzemju asteroīda Bennu 2020. gadā, un tie tika atgriezti uz Zemes 2023. gadā detalizētai analīzei. Līdzīgi "Hayabusa2" atgrieza paraugus no asteroīda Ryugu 2020. gadā, nodrošinot vērtīgus materiālus, kuri ir vecāki pat par Saules sistēmu. Šīs misijas ne tikai piedāvā ieskatu Saules sistēmas veidošanās procesā ar šiem neaizskartajiem materiāliem, bet arī palīdz zinātniekiem saprast iespējamos draudus, ko asteroīdi varētu radīt Zemei. Turklāt tās arī testē tehnoloģijas, kas nākotnē varētu tikt izmantotas bīstamu asteroīdu novirzīšanai vai pat resursu iegūšanai.
Saules sistēmas rašanās
Saskaņā ar mūsdienu priekšstatiem, Saules sistēma izveidojās no auksta starpzvaigžņu gāzes un putekļu mākoņa aptuveni pirms 4,6 miljardiem gadu. Tas varēja norisināties sekojoši. Mākonim saspiežoties, no tā lielākās daļas izveidojās Saule, bet no atlikuma - gāzes un putekļu disks. Disks sadalījās atsevišķos sablīvējumos, kas, savstarpēji saduroties, auga arvien lielāki, līdz no tiem izveidojās planētas. Planētas turpināja bombardēt starp tām palikušie sīkie ķermeņi. To triecienos atbrīvojās liela enerģija, kas sasildīja planētas. Sasilšanu veicināja arī radioaktīvo iežu izdalītais siltums. Rezultātā planētu dzīles sakarsa, izkusa un noslāņojās. To centrā izveidojās blīvs kodols, bet ārpusē - no vieglākiem iežiem veidota garoza. Garozā laiku pa laikam ietriecās lieli meteorīti, izveidojot meteorītu krāterus. Tā radās Zemes grupas planētas.
11. att. Ilustrācija protoplanetārajam diskam (Universe Today attēls)
Milzu planētas veidojās tajā Saules sistēmas daļā, kur tās bija pietiekami tālu, lai veidotu cietveida ledus savienojumus. Tur arī bija daudz gāzes, tāpēc tām, neskaitot kodolus, izveidojās arī lieli gāzes apvalki. Jupiters veidojās straujāk par citām milzu planētām un ar savu gravitācijas spēku aizkavēja vēl vienas planētas izveidošanos asteroīdu joslā. Tāpec asteroīdu joslā atrodas daudzi, bet nelieli debess ķermeņi. Saules sistēmas ārējā daļā, kur bija zema temperatūra, izveidojās galvenokārt no ledus sastāvoši ķermeņi - komētas.
Šajā planētu veidošanas laikā viss nebija tik mierīgi, kā varētu šķist. Realitātē tajā periodā valdīja haoss, protoplanētas viena ar otru mijiedarbojās un kustējās, kas beigās izskaidro daudz ko par mūsdienu Saules sistēmu. Šo visu var aprakstīt ar Nīcas modeli, kas piedāvā pārliecinošu skaidrojumu planētu agrīnajai kustībai un mūsu Saules sistēmas dinamiskajai vēsturei. Pēc šī modeļa, kas nosaukts pēc Nīcas pilsētas Francijā, kur tas tika izstrādāts, milzīgās planētas sākotnēji veidojās daudz kompaktākā konfigurācijā, nekā mēs to redzam šodien. Saules sistēmas agrīnajā vēsturē planētas - Jupiters, Saturns, Urāns un Neptūns - iespējams, bija daudz tuvāk viena otrai un Saulei. Laika gaitā mijiedarbība starp planētām un to apkārt esošo mazo, ledaino ķermeņu disku izraisīja šo planētu orbītu pakāpeniskas izmaiņas. Tas noveda pie haotiska perioda, kurā gravitācijas izmaiņas starp planētām izkliedēja tās, pārvietojot planētas uz to pašreizējām pozīcijām. Šī izkliede arī novadīja komētas un asteroīdus uz iekšējo Saules sistēmu, iespējams, izraisot "smagas bombardēšanas" fāzes, kas ietekmēja iekšējās planētas, tostarp Zemi. Nīcas modelis palīdz izskaidrot vairākas saules sistēmas galvenās iezīmes, piemēram, pašreizējo Koipera joslas objektu izvietojumu un novērotās orbītu rezonanses starp milzu planētām.
No brīža, kad sākās starpzvaigžņu mākoņa saspiešanās, līdz brīdim, kad Zeme sasniedza mūsdienu izmērus, pagāja aptuveni 100 miljoni gadu. Vēl miljardu gadu ilga iežu noslāņošanās. No karstajiem iežiem izdalījās gāzes un ūdens tvaiki. Tvaiki kondensējās, radot jūras un okeānus, bet gāzes izveidoja Zemes atmosfēru. Aptuveni pirms 3,7 miljardiem gadu uz Zemes parādījās dzīvība. Sākumā tās bija primitīvas baktērijas un vienšūņi, bet pakāpeniski dzīvības formas kļuva arvien sarežģītākas un daudzveidīgākas.
