|
|
|
Оглавление
Правило Тициуса-Боде и общие правила орбит космических тел - планет, спутников, экзопланет. Имеет ли "закон" Тициуса-Боде физический смысл или это хитроумная формула, учитывающая не только закономерности, но и исключения из общих правил?
Ключевые слова: правило Тициуса-Боде, закономерности планетных орбит, регулярности гравитационного обращения, орбитальные законы Кеплера, движение планет и спутников, гравитационно-орбитальные резонансы, орбитально-гравитационное квантование.
Keywords: regularities of the planetar orbits, gravitational circularity, orbiting Kepler's laws, Titius-Bode formula, movement of planets and satellites, gravity-orbital resonances, orbite-gravitation quantization.
Согласно эмпирическому правилу Тициуса-Боде (1766 г.) [Мюррей 2010, с. 24] полуоси планет Солнечной системы Rn (в а.е.) могут быть приближённо вычислены по такой формуле:
Rn = 0,4 + 0,3 × 2n-2,
где n - номер планеты, начиная от Меркурия [Владимирский 2013, с. 34], за исключением самого Меркурия, т.к. для него степень равна yt -1, а -∞ (см. табл. 1).
Иначе, для любой планеты расстояние от неё до самой внутренней планеты (Меркурия) в 2 раза больше, чем расстояние от предыдущей планеты до этой внутренней. По существу, формула выражает геометрическую прогрессию: 0; 3; 6; 12; 24; 48 и т.д. Если к каждому члену этой прогрессии прибавить 4, а полученную сумму разделить на 10, то получается последовательность, числа которой с определенной погрешностью выражают средние расстояния планет от Солнца в астрономических единицах.
Есть вариант этого правила, где в степени стоит не (n-2), а n - тогда принимается, что номер планеты считается от Земли, для Венеры он нулевой, а для Меркурия - также -∞. Если в обоих вариантах формулы для Меркурия принимать значение из ряда (1 и -1, а не минус бесконечность), то расчитанное для него расстояние от Солнца будет завышено на 0,15 астрономических единиц.
Планета | Показатель степени n |
Степнной множитель |
Расчётное расстояние Rn а.е. |
Истинное расстояние R, а.е. |
Абсолютная погрешность |
Меркурий | -∞ | 0 | 0,4 | 0,39 | -0,01 |
Венера | 0 | 1 | 0,7 | 0,72 | 0,02 |
Земля | 1 | 2 | 1,0 | 1,0 | 0,0 |
Марс | 2 | 4 | 1,6 | 1,52 | -0,08 |
Астероиды | 3 | 8 | 2,8 | 2,20-3,65 | - |
Юпитер | 4 | 16 | 5,2 | 5,20 | 0,0 |
Сатурн | 5 | 32 | 10,0 | 9,54 | -0,46 |
Уран | 6 | 64 | 19,6 | 19,18 | -0,42 |
Нептун | 7 | 128 | 38,8 | 30,06 | -8,74 |
Плутон | 8 | 256 | 77,2 | 39,44 | -37,76 |
2014 UZ224 | 9 | 512 | 154 | 155 ? |
Табл. 1. Расстояния планет от Солнца по правилу Тициуса-Боде.
Проведём анализ:
Проведём анализ в соответствии с составом предмета исследований (гл. 3).
Третий закон Кеплера (гармонический закон) [Мюррей 2010, с. 22]:
T12/T22 = a13/a23, или с учетом поправки Ньютона: T12 (M + m1) / T22 (M + m2) = a13 / a23,
где T1 и T2 — периоды обращения двух планет вокруг Солнца, a1 и a2 — длины больших полуосей их орбит, m1 и m2 — массы планет, M - масса Солнца.
Отсюда видим, что если разница расстояний 1,5, то у орбит разница периодов будет примерно 2 (1,53 = 3,375; √3,375 ~ 1,84); если 2 - то примерно 3 (23 = 8; √8 ~ 2,83). И наоборот: если разница периодов орбит 2, то расстояние от одной планеты до другой будет больше примерно в 1,6 раз (корень кубический из 4), а если год планеты в 3 раза больше, то она будет примерно в 2 раза дальше (куб. корень из 9).
Из табл. 1 видно, что на расчётном месте Нептуна находится Плутон. Почему из ПТБ выпали Нептун и Плутон? Логично сделать вывод, что первый там и был, а потом сместился на середину расстояния от старой орбиты к Урану. До сих пор Плутон имеет сильно вытянутую орбиту и в перигелии пересекает орбиту Нептуна. Возможно, раньше он был его спутником или сместился из Пояса Койпера.
Что послужило причиной таких перемещений? Скорее всего, прохождение массивного космического объекта перпендикулярно плоскости эклиптики. На это также указывает положение вращения Урана на боку. Т.е., 3 аномалии (орбита Нептуна, орбита Плутона, поворот Урана) можно объяснить одним событием, хоть м звучит это невероятно.
Видимо, сам Пояс Койпера сформирован как раз Нептуном - разумеется, до этого гипотетического события. Плутон был объектом этого пояса и, если он был отдельной планетой, то ему место - в 80 астрономических единиц от Солнца, как ряду других транснептуновских планет, например, 2012 VP113.
По существу, ПТД выражает геометрическую прогрессию: 0; 3; 6; 12; 24; 48 и т.д. Если к каждому члену этой прогрессии прибавить 4, а полученную сумму разделить на 10, то получается последовательность, числа которой с определенной погрешностью выражают средние расстояния планет от Солнца в астрономических единицах.
Начиная с Юпитера, «довесок» 0,4 приобретает 10%-ную погрешность и орбиты следующих планет просто удваиваются. При этом, согласно 3-му (гармоническому) закону Кеплера, соотношения орбитальных периодов становятся близки к резонансу 1:3 и ПТД приобретает резонансный характер:
T12 / T22 = a13 / a23 => T22 = T12 × a23 / a13 => T2 = T1 × √(a23 / a13),
Если орбита следующей планеты в 2 раза дальше предыдущей (т.е., a2 = 2 a1), то период её орбиты будет примерно в 3 раза больше:
T2 = T1 × √(23/1) = T1 × √8 ≈ 2,828 T1 ≅ 3T1.
Орбита следующей планеты с учетом поправки Ньютона: T2 = √8 × T1 (M + m1) / (M + m2). Т.е., если следующая планета меньше предыдущей, то ее резонанс лучше приблизится к 3:1, если больше - то сдвинется к 2,5 и может стать 5:2. Поэтому реально резонансы могут быть разные (табл. 2).
№ | Планета | Расчётное расстояние, а.е. |
Истинное расстояние, а.е. |
Кратность осей |
Период, зем.лет |
Период, мерк.лет |
Период в ΔTВен-Мерк |
Другие резонансы |
1 | Меркурий | 0,4 | 0,387 | - | 0,24 | 1 | - | 1/4 Зем, 2/5 Вен |
2 | Венера | 0,7 | 0,723 | 1,5-2 Мер (1,85) | 0,62 | ≅ 3 [?] | 1 (0,38 з.л.) | ~2/3 или 3/5 Зем |
3 | Земля | 1,0 | 1,000 | 2,5 Мер | 1,0 | ~4 | 1 (0,38 з.л.) | 5/3 Вен |
4 | Марс | 1,6 | 1,523 | ~2 Вен | 1,88 | ~8 | 2,3 (0,88 з.л.) | 3 Вен, ~2 Зем |
5 | Астероиды | 2,8 | 2,20-3,65 | 2 Мар, 3 Зем, 3-5 (≅4) Вен, 7 Мер | 4,6 | 19 (~20) | 7,1 (2,7 з.л.) | 7 Вен, ≅ 2 Мар |
6 | Юпитер | 5,2 | 5,202 | ≅ 2 Аст, ≅ 7/2 или 10/3 Мар, 7 Вен | 11, 9 | 50 | 19,2 (7,3 з.л.) | 5/2 Аст, 6 Мар, 12 Зем, 19 Вен |
7 | Сатурн | 10,0 | 9,538 | 2 Юп | 29,5 | 123 (~120) | 46,3 (17,6 з.л.) | 5/2 Юп, 30 Зем, ≅ 40 Вен |
8 | Уран | 19,6 | 19,182 | 2 Сат, ≅ 7 Аст | 84,0 | 350 | 143,4 (54,5 з.л.) | ≅ 3 Сат, 7 Юп |
9 | Нептун | 38,8 | 30,058 | 3 Сат, 6 Юп, ≅ 10 Аст | 164,8 | 687 (~700) | 212,6 (80,8 з.л.) | 2 Ур, 14 Юп |
10 | Плутон | 77,2 | 39,44 | 2 Ур | 248,5 | 1035 (~1050) | 220,3 (83,7 з.л.) | 3/2 Неп, 3 Ур, 8 Сат, 21 Юп |
Табл. 2. Периоды обращения планет СА и их резонансы.
Наиболее простыми резонансами являются 1/2, 3/2, 5/2; 1/3, 2/3; 3/4; 2/5, 3/5; 3/7, 4/7.
Положим их в последовательный ряд: 0,3 (1/3), 0,4 (2/5 и 3/7), 0,5 (1/2), 0,6 (3/5 и 4/7), 0,7 (2/3), 0,8 (3/4); 1,5 (3/2); 2,5 (5/2). Как видим, здесь находится место Меркурию, ВЫенере, Марсу, Фаэтону (астероидам).
Ряд этот получается слишком плотным - вероятно, из этих исключаются из-за гравитационного напряжения между объектами орбит. Полностью заполнится он может только для малых тел.
![]() |
Гармонию и внутреннюю устойчивость характеризует ряд Фибоначчи [Владимирский 2013], который строится путём сложения соседних двух чисел, если ряд начать с двух единиц: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610… Если в этом ряду делить число на предыдущее, то результат будет стремиться к 1,618. Это число называется Золотым сечением или числом Фидия (и числом Фибоначчи тоже называют). Число Фидия можно также вычислить по упрощенной формуле: Ф = (1 + √ 5) / 2 [Урманцев 2013, с. 19]. |
Рис. 1. Золотое сечение. |
Расположим в ряд расстояния от Солнца до планет, выраженные в астрономических единицах:
0,39; 0,72; 1,0; 1,52; 2,8 (расчётное); 5,20; 9,54; 19,18; 30,06; 39,44 …
Умножим его на 5: 1,95; 3,6; 5; 7,6; 14; 26; 47,7; 95,9;150,3; 197,2.
Мы видим убедительное сходство, особенно для планет земной группы, относящихся к внутренней орбитальной зоне.
Получается, если орбиты планет-гигантов расположены друг к другу по удвоенным расстояниям (к Нептуну раньше это тоже могло относится), то орбиты земных планет раскладываются в ряд Фибоначчи. Правило же Тициуса-Боде вмещает в себя обе эти закономерности.
Большую серию резонансных движений, воспринимаемых опять-таки как досадные помехи в стройной теории, доставляет пояс астероидов [Ипатов 2010, Молчанов 1974]. Хорошо известны щели (пробелы, люки) Кирквуда [Резонансы 2006, с.с. 9, 53], соответствующие резонансам 2:5, 1:3 с обращением Юпитера. Менее заметные понижения в кривой распределения периодов обращения астероидов возникают при резонансах 1:4, 1:5, 3:5, 3:7.
Существует и противоположная ситуация – группировка орбит вблизи точек 3:4 и 2:3.
В музыкальной терминологии это «кварта» и «квинта». «Прима» также устойчива и соответствует группе троянцев.
Знаменитая «щель Кассини» в Кольцах Сатурна имеет резонансную природу. Она занимает ту зону, в которой частички, составляющие кольца Сатурна, имели бы периоды, близкие к 1/2 периода Мимаса, 1/3 периода Энцелада и1/4 периода Тефии.
Для понимания этого явления недостаточно было обнаружить щель и открыть спутники Сатурна. С этим справился сам Кассини. Мало было даже открыть другие пробелы в кольцах Сатурна. Только в ХIХ веке Кирквуд, сопоставив пробелы в поясе астероидов с кольцами Сатурна, осознал единый резонансный Механизм образования пробелов.
Начиная с 30 а.е. (орбита Нептуна) начинается пояс Койпера [Витязев, с. 2; Кусков и др. 2009, с. 37], который продолжается примерно до 55 а.е. от Солнца. К этой области принадлежит карликовая планета Плутон.
На самой орбите Плутона находятся резонансные ему плутино, чьи 3 оборота равны 4 оборотам Нептуна ~220 лет.
Далее открытые малые планеты располагаются «слоями» (возможно, не все еще открыты, возможно, имеют место щели и пробелы, как в астероидах и кольцах Сатурна, под влиянием неких более массивных космических тел).
От 40 до 60 а.е. (период обращения 250-290 лет) малые планеты идут сплошным массивом.
Следующий слой уже закойперовских планет начинается с 80 а.е., потом – примерно со 100 а.е. (орбитальный период от 500 лет).
Заслуживает внимание резонанс 3-х малых планет, имеющих резонанс 1:2:4:
В этой связи уместно опять вспомнить правило Тициуса-Боде и продолжить наш список «законных» орбит СС: 40, 80, 160, 320, 640, 1280... Дальше продолжать не имеет смысла, ибо любая планета, расположенная далее 600 а.е., должна сойти со своей орбиты. И мы видим, что упомянутые 3 резонансные планеты как раз лежат на расчетных орбитах 40, 80 и 160. А самой дальней извесной планетой за поясом Койпера является Седна, находящаяся в 500 а.е. от Солнца, не считая некой «планеты X», открытой на кончике пера, и находящейся, действительно, на самом краю СС – в 600 а.е. или даже дальше, которая уже вписывается в классическую расчетную орбиту 640 а.е.
Системы спутников планет-гигантов [Астрономия 2009, с. 568] имеют общую структуру - они состоят из 3 зон:
Нас сначала будут интересовать закономерности орбит спутников центральной зоны. И здесь можно увидеть 2 подтипа:
Последний случай напоминает планеты Солнечной системы,так же состоящие из 3 зон и очень крупным Юпитером в центральной зоне. Посмотрим, как будут соответствовать закономерности орбит спутников в этих 2-х подтипах.
Орбитальные характеристики спутников Юпитера (центральные, или «галилеевские», выделены розовым) - см. табл. 3:
Название спутника |
Радиус орбиты, тыс. км |
Период обращения, сут. |
Диаметр, км |
Масса, млн.т. |
Эксцен- триситет |
Наклон орбиты, ° |
I. Внутренние спутники Юпитера | ||||||
Метида | 128 | 0,3 | (40) | |||
Адрастея | 129 | 0,3 | (25) | |||
Амальтея | 181 | 0,5 ~ 3/2 = 5/3 TАдр | 195* | |||
Теба | 221 | 0,7 ~ 3/2 TАма | (80) | |||
II. Центральные ("галилеевские") спутники Юпитера | ||||||
Ио | 422 | 1,8 = 5/2 TТеб | 3640 | |||
Европа | 671 | 3,6 = 2 TИо | 3130 | |||
Ганимед | 1070 = 1,5 RЕв | 7,2 = 2 TЕвр | 5280 | |||
Каллисто | 1883 | 16,7 ~ 5/2 TГан | 4850 | |||
III. Ближние внешние спутники Юпитера | ||||||
Леда | 11094 | 239 ~ 14 TКал | (15) | |||
Гималия | 11480 | 251 | 170 | |||
Лиситея | 11720 | 259 | (20) | |||
Элара | 11737 | 260 | 80 | |||
IIV. Дальние внешние спутники Юпитера | ||||||
Ананке | 21200 | 631 | (20) | |||
Карме | 22600 | 692 | (30) | |||
Пасифе | 23500 | 735 | (40) | |||
Синопе | 23700 | 758 | (30) |
Табл. 3. Периоды обращения юпитерианских спутников.
Видим, что первые 3 галилеевских спутника имеют радиусы орбит примерно в 1,5 (точнее - в 1,59) раз больше предыдущего
и периоды в 2 раза больше, чем у предыдущего спутника.
Это можно выразить формулой [Мюррей 2010, с. 30; Сурдин 2009, с. 62]:
1/TИо - 3/TЕвр + 2/TГан = 0.
Орбитальные характеристики спутников Сатурна (центральные, или «классические», выделены розовым) - см. табл. 4:
Название спутника |
Радиус орбиты, тыс. км |
Период обращения, сут. |
Диаметр, км |
Масса, млн.т. |
Эксцен- триситет |
Наклон орбиты, ° |
I. Внутренние спутники Сатурна | ||||||
Пан | 134 | 0,6 | (20) | |||
Атлант | 138 | 0,6 | (30) | |||
Прометей | 139 | 0,6 | (110) | |||
Пандора | 142 | 0,6 | (100) | |||
Эпиметей | 151 | 0,7 | (130) | |||
Янус | 151 | 0,7 | 190 | |||
II. Центральные спутники Сатурна | ||||||
Мимас | 186 | 0,9 | 390 | |||
Энцелад | 238 | 1,4 | 500 | |||
Тефия | 295 | 1,9 | 1060 | |||
Телесто | 295 | 1,9 | (30) | |||
Калипсо | 295 | 1,9 | (30) | |||
Диона | 377 | 2,7 | 1120 | |||
Елена | 377 | 2,7 | (35) | |||
Рея | 527 | 4,5 | 1530 | |||
Титан | 1222 | 15,9 | 5150 | |||
Гиперион | 1481 | 21,3 | 300 | |||
Япет | 3561 | 79,3 | 1460 | |||
III. Внешние спутники Сатурна | ||||||
Феба | 12952 | 550,5 | (220) |
Табл. 4. Периоды обращения сатурнианских спутников.
Орбитальные характеристики спутников Урана - см. табл. 5:
Название спутника |
Радиус орбиты, тыс. км |
Период обращения, сут. |
Диаметр, км |
Масса, млн.т. |
Эксцен- триситет |
Наклон орбиты, ° |
I. Внутренние спутники Урана | ||||||
Корделия | 50 | 0,3 | (25) | |||
Офелия | 54 | 0,4 | (30) | |||
Бианка | 59 | 0,4 | (40) | |||
Крессида | 62 | 0,5 | (60) | |||
Дездемона | 63 | 0,5 | (50) | |||
Джульетта | 64 | 0,5 | (80) | |||
Порция | 66 | 0,5 | (110) | |||
Розалинда | 70 | 0,5 | (50) | |||
Белинда | 75 | 0,6 | (70) | |||
Пэк | 86 | 0,8 | (150) | |||
II. Центральные спутники Урана | ||||||
Миранда | 129 | 1,4 | 480 | |||
Ариэль | 191 | 2,5 | 1160 | |||
Умбриэль | 266 | 4,1 | 1170 | |||
Титания | 436 | 8,7 | 1580 | |||
Оберон | 584 | 13,5 | 1520 | |||
III. Внешние спутники Урана | ||||||
Калибан | 7169 | 580 | (60) | |||
Сикоракса | 12214 | 1290 | (120) |
Табл. 5. Периоды обращения уранианских спутников.
Орбитальные характеристики спутников Нептуна - см. табл. 6:
Название спутника |
Радиус орбиты, тыс. км |
Период обращения, сут. |
Диаметр, км |
Масса, млн.т. |
Эксцен- триситет |
Наклон орбиты, ° |
I. Внутренние спутники Нептуна | ||||||
Наяда | 48 | 0,3 | (50) | |||
Таласса | 50 | 0,3 | (80) | |||
Деспина | 53 | 0,3 | (150) | |||
Галатея | 62 | 0,4 | (160) | |||
Ларисса | 74 | 0,6 | (200) | |||
II. Центральные спутники Нептуна | ||||||
Протей | 118 | 1,1 | 420 | |||
Тритон | 355 | 5,9 | 2700 | |||
III. Внешние спутники Нептуна | ||||||
Нереида | 5513 | 360,2 | 340 |
Табл. 6. Периоды обращения нептуновых спутников.
Что забавно, периоды Галатеи, Лариссы, Протея и Тритона соотносятся как расстояния в а.е. от Солнца до Меркурия, Венеры, Земли и Юпитера (см. табл. 1, 2).
Примерно треть открытых экзопланет входит в мультипланетные системы, которых известно уже более 130. Наличие орбитальных резонансов там широко распространено. Известные системы с резонансом 2:1 - Gliese 876 и HD 82943, с резонансом 3:1 - 55 Cnc. У Gliese 876 резонансы как у галилеевских спутников Юпитера: 4:2:1 ("резонанс Лапласа"). А недавно открыта плотно упакованная планетами резонансная система Kepler 223, у которой такой резонансный ряд еще длиннее: 8:4:2:1 [Маров 2017, с. 63].
В Галактике у большинства звезд с экзопланетами самые массивные из них расположены не на наибольшем удалении от светил, а рядом с ними (ближе, чем Меркурий к Солнцу) - там находятся горячие экзопланеты с небольшими периодами вращения.
В феврале 2017 года была открыта экзопланетная система TRAPPIST-1. Вокруг красного карлика обращается 7 планет, 6 из которых находятся в цепочке резонансов 2:3:4:6:9:15:24. Видно, что здесь средний множитель для следующей орбиты - 1,5, - как в земной группе. Возможно, это особенность всех близких орбит. Далее, по аналогии, в этой звёздной системе могут быть планеты с резонансами 36:54.
Перейдём от астрономических исследований (того, что видим) к физическим (того, что не видим). Попытаемся установить: 1) законы формирования резонансной конфигурации в мультиорбитальной системе; 2) физический смысл правила Тициуса-Боде (если он есть), уточнив его и выразив через переменные.
На основании правил распределения транснептуновых планет (см. § 4.7) и уточненного закона Тициуса-Боде (см. § 5.3) для них можно предположить наиболее вероятные орбиты пока не найденных новых планет Солнечной системы.
На основании правила Тициуса-Боде пока весьма осторожно можно высказаться о том, что Нептун был на средней орбите Плутона (40 а.е.). Видимо, именно Нептун сформировал пояс Койпера. Сам Плутон, возможно, был спутником Нептуна.
Сами спутники Нептуна, вероятно, принадлежали поясу Койпера. Это можно эскизно исследовать по их плотностям.
Причиной орбитальной перестройки мог быть массивное космическое тело (транзитная экзопланета или планета-гигант пролетающей мимо звезды из ближайшего окружения Солнца), проходившая перпендикулярно плоскости эклиптики. Например, звезда Шольца, которая сейчас отстоит на 20 световых лет, 50 тысяч лет назад приблизилась к Солнечной системе и даже пересекла Облако Оорта (кометный резервуар). В это время ее расстояние до центра Солнца было 0,8 световых лет (52 000 а.е. или 8 трлн км) — это в 5 раз ближе, чем нынешняя ближайшая звезда Проксима Центавра. В более далёкие времена это могли быть другие звёзды.
Это космическое событие могло быть причиной и поворота Урана по оси на 90°.
В данном исследовании получены следующие результаты:
Некоторые термины и аббревиатуры, встречающиеся в статье:
Сердечное спасибо оргкомитету международной крымской конференции "Космос и биосфера" за разрешение выступить с докладом, ставшим анонсом этой статьи. И особо я признателен председателю оргкомитета Владимирскому Борису Михайловичу за библиографическую помощь и научные советы.
Доклад по данной теме впервые был зачитан в октябре 2017 года на XII Международном конгрессе "Космос и биосфера" в Алуште (Крым).
Забавен результат создания резюме этой статьи нейронной сетью Яндекса (под заголовком "Закономерности планетарных орбит (Игорь Гаршин)"):
Главная > Науки о природе > Астрономия > Солнечная система :
О Солнечной системе | Солнце | Геогелиофизика | Вулканоиды | Меркурий | Венера | Земля и Луна | Марс | Астероиды | Юпитер | Сатурн | Уран | Кентавры | Нептун | Пояс Койпера | Седна | Облако Оорта | Метеориты
Связанные темы: Астрология | Календари
Ключевые слова для поиска сведений по гравитационным орбитальным закономерностям:
На русском языке: закономерности планетарных орбит, регулярности гравитационного обращения, орбитальные законы Кеплера,
правило Тициуса-Боде, движение планет и спутников, гравитационно-орбитальные резонансы, орбитально-гравитационное квантование;
На английском языке: Planetar orbital regularities.
|
|