Sistemul solar

„Autoportret” al lui Marte - Curiosity Rover — Credit: modificarea lucrării lui NASA/JPL-Caltech/MSSS

Figura 7.1 „Autoportret” al lui Marte. Această fotografie a fost făcută de Curiosity Rover pe Marte în 2012. Imaginea este reconstruită digital din 55 de imagini diferite realizate de o cameră pe catargul extins al roverului, astfel încât numeroasele poziții ale catargului (care acționa ca un selfie stick) sunt editate.

În jurul Soarelui este un sistem complex de lumi cu o gamă largă de condiții: opt planete majore, multe planete pitice, sute de luni și nenumărate obiecte mai mici. Mulțumită în mare parte vizitelor navelor spațiale, acum ne putem imagina membrii sistemului solar ca alte lumi la fel ca a noastră, fiecare cu propria sa istorie chimică și geologică și obiective unice pe care turiștii interplanetari le-ar putea vizita într-o zi. Unii au numit aceste ultime decenii „epoca de aur a explorării planetare”, comparabilă cu epoca de aur a explorării din secolul al XV-lea, când marile nave cu pânze au străbătut oceanele Pământului și omenirea s-a familiarizat cu suprafața planetei noastre.

În acest capitol, discutăm despre sistemul nostru planetar și introducem ideea planetologiei comparate – studiind modul în care funcționează planetele comparându-le unele cu altele. Vrem să cunoaștem planetele nu numai pentru ceea ce putem învăța despre ele, ci și pentru a vedea ce ne pot spune despre originea și evoluția întregului sistem solar. În capitolele următoare, descriem membrii mai cunoscuți ai sistemului solar și începem să le comparăm cu miile de planete care au fost descoperite recent, orbitând în jurul altor stele.

Sistemul solar (1) este alcătuit din Soare și multe obiecte mai mici: planete, lunile și inelele lor, și un fel de „moloz” precum asteroizi, comete și praf. Decenii de observare și explorare a navelor spațiale au arătat că majoritatea acestor obiecte s-au format împreună cu Soarele în urmă cu aproximativ 4,5 miliarde de ani. Ele reprezintă aglomerări de material care s-au condensat dintr-un nor enorm de gaz și praf. Partea centrală a acestui nor a devenit Soarele, iar o mică parte a materialului din părțile exterioare a format în cele din urmă celelalte obiecte.

În ultimii 50 de ani, am aflat mai multe despre sistemul solar decât și-a imaginat oricine înainte de era spațială. Pe lângă strângerea de informații cu noi telescoape puternice, am trimis nave spațiale direct către mulți membri ai sistemului planetar. (Astronomia planetară este singura ramură a științei noastre în care putem, cel puțin indirect, să călătorim la obiectele pe care dorim să le studiem.) Cu nume evocatoare precum Voyager, Pioneer, Curiosity și Pathfinder, exploratorii noștri roboți au trecut în zbor, au orbitat sau au aterizat pe fiecare planetă, returnând imagini și date care i-au uimit atât pe astronomi, cât și pe public. În acest proces, am investigat, de asemenea, două planete pitice, sute de luni fascinante, patru sisteme de inele, o duzină de asteroizi și câteva comete (membri mai mici ai sistemului nostru solar despre care vom discuta mai târziu).

Sondele noastre au pătruns în atmosfera lui Jupiter și au aterizat pe suprafețele lui Venus, Marte, Luna noastră, Titan, luna lui Saturn, asteroizii Eros, Itokawa, Ryugu și Bennu și cometa Churyumov-Gerasimenko (denumită de obicei 67P). Oamenii au pus piciorul pe Lună și au returnat mostre din solul ei de suprafață pentru analize de laborator (Figura 7.2). Am zburat cu o dronă cu elicopter pe Marte. Am descoperit chiar și alte locuri din sistemul nostru solar care ar putea susține un fel de viață.

Astronauții pe Lună, Apollo 15. — Credit: modificarea lucrării lui David R. Scott, NASA

Figura 7.2 Astronauții pe Lună. Aterizatorul lunar și roverul de suprafață din misiunea Apollo 15 sunt văzute în această imagine a locului dincolo de Pământ care a fost explorat direct de oameni.

Soarele, o stea care este mai strălucitoare decât aproximativ 80% din stelele din galaxie, este de departe cel mai masiv membru al sistemului solar, așa cum se arată în tabelul 7.1. Este o minge enormă de aproximativ 1,4 milioane kilometri în diametru, cu straturi de suprafață de gaz incandescent și o temperatură interioară de milioane de grade. Soarele va fi discutat în capitolele ulterioare ca primul nostru exemplu de stea și cel mai bine studiat.

Obiect	Procentul din masa totală a sistemului solar
Soare	99,80
Jupiter	0,10
Comete	0,0005–0,03 (estimat)
Toate celelalte planete și planete pitice	0,04
Luni și inele	0,00005
Asteroizi	0,000002 (estimat)
Praf cosmic	0,0000001 (estimat)

Tabelul 7.1 Masa membrilor sistemului solar

Tabelul 7.1 arată, de asemenea, că cea mai mare parte din materialul planetelor este de fapt concentrat în cea mai mare, Jupiter, care este mai masivă decât toate celelalte planete la un loc. Astronomii au putut determina masele planetelor cu secole în urmă folosind legile mișcării planetare ale lui Kepler și legea gravitației lui Newton pentru a măsura efectele gravitaționale ale planetelor una asupra altora sau asupra lunilor care le orbitează (vezi Orbite și gravitație). Astăzi, facem măsurători și mai precise ale maselor lor urmărind efectele gravitaționale asupra mișcării navelor spațiale care trec în apropierea lor.

Pe lângă Pământ, în antichitate erau cunoscute alte cinci planete – Mercur, Venus, Marte, Jupiter și Saturn – și două au fost descoperite după inventarea telescopului: Uranus și Neptun. Cele opt planete se învârt toate în aceeași direcție în jurul Soarelui. Ele orbitează aproximativ în același plan, ca mașinile care călătoresc pe piste concentrice pe un hipodrom uriaș, plat. Fiecare planetă rămâne pe propria „bandă de circulație”, urmând o orbită aproape circulară în jurul Soarelui și respectând legile „de trafic” descoperite de Galileo, Kepler și Newton. Pe lângă aceste planete, am descoperit și lumi mai mici dincolo de Neptun care sunt numite obiecte trans-neptuniene sau TNO (trans-Neptunian objects) (vezi Figura 7.3). Prima care a fost găsită, în 1930, a fost Pluto, dar altele au fost descoperite în cursul secolului XXI. Unul dintre ele, Eris, are aproximativ aceeași dimensiune cu Pluto și are cel puțin o lună (Pluto are cinci luni cunoscute.) Cele mai mari TNO sunt, de asemenea, clasificate drept planete pitice, la fel ca și cel mai mare asteroid, Ceres. (Planetele pitice vor fi discutate în continuare în capitolul despre Inele, Luni și Pluto). Până în prezent, au fost descoperite peste 2600 dintre aceste TNO, iar unul, numit Arrokoth, a fost explorat de sonda spațială New Horizons.

Figura 7.3 Orbitele planetelor. Toate cele opt planete majore orbitează în jurul Soarelui în aproximativ același plan. Sunt prezentate și cele cinci planete pitice cunoscute în prezent: Eris, Haumea, Pluto, Ceres și Makemake. Rețineți că orbita lui Pluto nu este în planul planetelor.

Fiecare dintre planete și planete pitice se rotește (se învârte) în jurul unei axe care o traversează și, în majoritatea cazurilor, direcția de rotație este aceeași cu direcția de revoluție în jurul Soarelui. Excepțiile sunt Venus, care se rotește foarte lent înapoi (adică într-o direcție retrogradă), și Uranus și Pluto, care au și rotații ciudate, fiecare rotindu-se în jurul unei axe înclinate aproape pe o parte. Încă nu cunoaștem orientările de rotație ale lui Eris, Haumea și Makemake.

Cele patru planete cele mai apropiate de Soare (de la Mercur la Marte) sunt numite planete interioare sau terestre. Adesea, Luna este de asemenea discutată ca parte a acestui grup, aducând totalul obiectelor terestre la cinci. (În general, numim satelitul Pământului „Luna”, cu L majusculă, iar ceilalți sateliți „luni”, cu l minusculi.) Planetele terestre sunt lumi relativ mici, compuse în principal din rocă și metal. Toate au suprafețe solide care poartă înregistrările istoriei lor geologice sub formă de cratere, munți și vulcani (Figura 7.4).

Figura 7.4 Suprafața lui Mercur. Fața ciupită a lumii terestre a lui Mercur este mai tipică planetelor interioare decât suprafața apoasă a Pământului. Această imagine alb-negru, realizată cu sonda spațială Mariner 10, arată o regiune cu o lățime de peste 400 de kilometri.

Următoarele patru planete (de la Jupiter la Neptun) sunt mult mai mari și sunt compuse în principal din gheață, lichide și gaze mai ușoare. Aceste patru le numim planete joviene (după „Jove”, un alt nume pentru Jupiter în mitologie) sau planete gigantice – un nume pe care îl merită din plin (Figura 7.5). Aproximativ 1.300 de Pământuri ar putea încăpea în interiorul lui Jupiter, de exemplu. Aceste planete nu au suprafețe solide pe care ar putea ateriza viitorii exploratori. Ele seamănă mai mult cu oceane vaste, sferice, cu nuclee mult mai mici și dense.

Jupiter, Saturn, Uranus și Neptun. Sub ele, Pământul este arătat la scară. — Credit: modificarea lucrării NASA, Solar System Exploration

Figura 7.5 Cele patru planete uriașe. Acest montaj arată cele patru planete gigantice: Jupiter, Saturn, Uranus și Neptun. Sub ele, Pământul este arătat la scară.

Aproape de marginea exterioară a sistemului se află Pluto, care a fost prima dintre lumile îndepărtate de gheață care a fost descoperită dincolo de Neptun (Pluto a fost vizitat de o navă spațială, misiunea NASA New Horizons, în 2015 [vezi Figura 7.6]). Tabelul 7.2 rezumă câteva dintre principalele date despre planete.

Figura 7.6 Pluto în prim plan. Această imagine intrigantă de la sonda spațială New Horizons, făcută când a zburat pe planeta pitică în iulie 2015, arată unele dintre caracteristicile sale complexe de suprafață. Zona albă rotunjită este numită Câmpia Sputnik, după prima navă spațială a umanității.

Nume	Distanța față de Soare (AU) (2)	Perioada Revoluției (y)	Diametru (km)	Masa (10²³ kg)	Densitate (g/cm3) (3)
Mercury	0.39	0.24	4,878	3.3	5.4
Venus	0.72	0.62	12,120	48.7	5.2
Pământ	1.00	1.00	12,756	59.8	5.5
Marte	1.52	1.88	6,787	6.4	3.9
Jupiter	5.20	11.86	142,984	18,991	1.3
Saturn	9.54	29.46	120,536	5686	0.7
Uranus	19.18	84.07	51,118	866	1.3
Neptun	30.06	164.82	49,660	1030	1.6

Tabelul 7.2 Planetele

EXEMPLUL 7.1Compararea densităților

Să comparăm densitățile mai multor membri ai sistemului solar. Densitatea unui obiect este egală cu masa lui împărțită la volumul său. Volumul (V) al unei sfere (ca o planetă) se calculează folosind ecuația

V = 4/3 πR³

unde π (litera greacă pi) are o valoare de aproximativ 3,14. Deși planetele nu sunt sfere perfecte, această ecuație funcționează suficient de bine. Masele și diametrele planetelor sunt date în Tabelul 7.2. Pentru date despre lunile selectate, consultați Anexa G. Să folosim ca exemplu luna lui Saturn, Mimas, cu o masă de 4×10¹⁹ kg și un diametru de aproximativ 400 km (raza 200 km = 2×10⁵ m).

Soluţie

Volumul lui Mimas este

4/3×3,14×(2×10⁵ m)³ = 3,3×10¹⁶ m³.

Densitatea este masa împărțită la volum:

(4×10¹⁹ kg)/(3,3×10¹⁶ m³) = 1,2×10³ kg/m³.

Rețineți că densitatea apei în aceste unități este de 1000 kg/m³, așa că Mimas trebuie să fie făcut în principal din gheață, nu din piatră. (Rețineți că densitatea lui Mimas dată în Anexa G este 1,2, dar unitățile folosite acolo sunt diferite. În acel tabel, dăm densitatea în unități de g/cm³, pentru care densitatea apei este egală cu 1. Puteți arăta, transformând unitățile, că 1 g/cm³ este același cu 1000 kg/m³?)

Verificați-vă învățarea

EXERCIȚIUCalculați densitatea medie a propriei noastre planete, Pământul. Cum se compară cu densitatea unei luni de gheață precum Mimas? Consultați Tabelul 7.2 pentru date.

Răspuns

Răspuns:

Pentru o sferă,

densitatea = masa/(4/3 πR³) kg/m3.

Pentru Pământ, deci,

densitatea = (6×10²⁴ kg)/(4,2×2,6×10²⁰ m³) = 5,5×10³ kg/m³.

Această densitate este de patru până la cinci ori mai mare decât a lui Mimas. De fapt, Pământul este cea mai densă dintre planete.

Note de subsol

(1) Termenul generic pentru un grup de planete și alte corpuri care înconjoară o stea este sistem planetar. Al nostru se numește sistemul solar, deoarece Soarele nostru este uneori numit Sol. Strict vorbind, deci, există un singur sistem solar; planetele care orbitează alte stele sunt în sisteme planetare.
(2) O UA (sau unitate astronomică) este distanța de la Pământ la Soare.
(3) Dăm densitățile în unități în care densitatea apei este de 1 g/cm³. Pentru a obține densitățile în unități de kg/m³, înmulțiți valoarea dată cu 1000.