Ретроградное движение планет

Ретроградное движение — такое движение, которое является обратным по отношению к прямому движению. Исторически ретроградным движением стали называть такое движение, которое является исключением или меньшинством в большинстве случаев обращения небесных тел. В частности все восемь планет Солнечной Системы движутся по орбитам с прямым движением. Обычно прямое движение от ретроградного движения отличают следующим способом: при взгляде на орбиту со стороны северного полюса прямое или проградное движение заключается в движении против часовой стрелки, а ретроградное, наоборот, в движении по часовой стрелке.

Проявления ретроградности

Проградное и ретроградное движение планет

Ретроградность может проявляться как в движении планет, так и в движении других объектов планетных систем: спутников, астероидов, комет или звезд в кратных системах. Теоретически возможно существование и ретроградных колец. Кроме того, у многих небесных тел наблюдается ретроградное вращение вокруг своей оси. По современным теоретическим представлениям ретроградное движение или вращение вызвано либо катастрофическими столкновениями, либо гравитационным захватом. Особенно велика доля ретроградных орбит в последнем случае: теоретические моделирования показывают, что при гравитационном захвате наиболее вероятной финальной орбитой является орбита с ретроградным движением. Иногда ретроградность отмечают при наблюдениях движения планет Солнечной Системы на земном небе: во время “петлеобразного“ движения планеты Солнечной Системы могут двигаться, как в прямом, так и в обратном направлении.

Кроме того, возможны запуски искусственных спутников на ретроградные орбиты. Единственной страной, которая осуществляет запуски в ретроградном направлении (обратном вращению Земли) является Израиль. Это происходит по причине того, что Израиль отличается напряженными отношениями со своими соседями. В связи с этим запуски израильских ракет космического назначения происходят в западном направлении, над нейтральными водами Средиземного моря. В 1988-2016 годы Израиль произвел 10 подобных запусков в космос, 8 из них закончились успехом. В этих случаях спутники были выведены на орбиты с наклонением около 140 градусов. В дополнение часто встречаются полярные орбиты искусственных спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), у которых наклонения орбит незначительно превышают 90 градусов. У одной из самых часто используемых полярных орбит – солнечно-синхронной орбиты наклонение составляет 98 градусов. Отличительной чертой солнечно-синхронной орбиты является то, что для искусственного спутника на такой орбите не наблюдается теневых участков орбиты.

Первые примеры ретроградного движения небесных объектов Солнечной Системы были отмечены ещё в древнейшие времена. Так для известной кометы Галлея наклонение орбиты составляет 162 градуса, и наблюдения этой кометы отмечены задолго до нашей эры. Первое открытие ретроградного вращения произошло в конце 18 века (система планеты Уран). В середине 19 века был обнаружен первый пример спутника с ретроградной орбитой (Тритон – спутник Нептуна). В 2009 году было опубликовано открытие первой ретроградной планеты (транзитного горячего юпитера HAT-P-7b).

Ретроградное движение у внутренних планет Солнечной Системы

Планета Венера является ближайшей планетой к нашей Земле. Её поверхность всегда скрыта от земного наблюдателя облаками плотнейшей атмосферы. Более того, в отличие от Марса и Юпитера на диске Венеры нельзя заметить никаких постоянных деталей, за исключением небольших темных пятен. Долгое время астрономы телескопической эры считали, что период вращения Венеры близок к земному. Так в 1667 году французский астроном Доменико Кассини оценил период вращения Венеры в 23 часа 21 минуту. По всей видимости, Д. Кассини стал жертвой оптической иллюзии, которую наблюдал в две разные ночи с разницей в одни земные сутки. Так ныне известно, что атмосфера Венеры совершает один оборот за 4 суток (явление суперротации). В конце 19 века итальянский астроном Д. Скиапарелли предположил, что период вращения Венеры равен её году, то есть 225 суток. Это предположение во многом было вызвано кратностью периодов обращения Венеры и Земли: 13 оборотов Венеры вокруг Солнца соответствуют 8 оборотам Земли.

Данные о вращении Венеры

Ещё через год, в 1963 году американские радиоастрономы опубликовали более точное значение в 240 суток. Для сравнения венерианский год значительно меньше по длительности: 224 суток.

В течение следующих нескольких лет радиоастрономы окончательно убедились в том, что ось вращения Венеры наклонена на угол в 177 градусов. Интересно, что последние исследования космических аппаратов показали, что период вращения Венеры испытывает очень большие изменения. Так, сравнение наблюдений зондов Магеллан и Венера Экспресс, которые были сделаны с интервалом в 16 лет показали, что сутки на Венере замедлились на 6.5 минут.

Основной причиной ретроградного вращения Венеры считается крупное столкновение. Очень медленный период вращения Венеры чаще всего объясняется приливными силами Венеры (для сравнения Меркурий обращается вокруг своей оси за 59 суток, при орбитальном периоде обращения в 88 земных суток). Открытие быстрых изменений периода вращения показывает ещё один очень значительный фактор замедления периода вращения Венеры: влияние очень плотной и массивной атмосферы. Интересно отметить, что ретроградное вращение планеты порождает и ретроградное вращение атмосферы с периодом в 4 суток.

Ретроградное движение у внешних планет Солнечной Системы

Ретроградное движение планет

Весной 1781 года английский любитель астрономии Уильям Гершель обнаружил неизвестный движущийся объект. Последующие наблюдения выяснили, что обнаруженный объект является неизвестной планетой Солнечной Системы. Уран стал первой планетой Солнечной Системы, которая была открыта в телескопическую эпоху.

Через шесть лет после открытия Урана, Гершель в более крупный телескоп обнаружил первые два спутника Урана. Открытие было сделано на пределе возможностей астрономических инструментов того времени. В связи с этим Гершель кроме обнаружения двух реальных спутников опубликовал сообщение об открытии ещё четырех мнимых спутников, а также неподтвержденное обнаружение кольца Урана. Почти полвека телескоп Гершеля был единственным инструментом, который позволял увидеть первые два спутника Урана. Лишь в середине 19 века новые наблюдения позволили обнаружить ещё два спутника Урана. К этому времени стало очевидным, что спутники Урана обращались по крайне экзотичным орбитам, которые располагались почти перпендикулярно эклиптике – под углом 97 градусов. Один этот факт позволял предположить крайне необычный наклон оси вращения Урана. Через несколько десятилетий новые телескопы окончательно подтвердили ретроградное вращение Нептуна. Сегодня большинство теоретиков предполагают, что такой наклон был вызван очень крупным столкновением с Ураном. К началу 21 века новые телескопы и космический зонд “Вояджер-2” увеличили число известных спутников Урана, обращающихся по ретроградным орбитам по отношению к эклиптике до 18. Кроме того, звездные покрытия позволили обнаружить систему темных колец Урана, которые также обращаются в плоскости экватора планеты.

Материалы по теме

Наиболее увлекательные факты о Уране

Регулярные наблюдения движения Урана по Солнечной Системе привели к обнаружению необъяснимых возмущений его орбиты. В 1846 году загадка этих возмущений была окончательно решена – телескопические наблюдения обнаружили новую неизвестную планету. Восьмую планету Солнечной Системы назвали Нептун. Всего через 17 дней после открытия Нептуна в Берлинской обсерватории, британский астроном Уильям Лассел обнаружил спутник Нептуна. Спутник, который был назван Тритоном, обращался по крайне необычной орбите: под углом в 130 градусов к эклиптике. Позже наблюдения с помощью более крупных телескопов определили, что наклонение орбиты спутника к экватору Нептуна составило ещё больше: 157 градусов. Тритон стал крупнейшим известным спутником Солнечной Системы, который обращается по ретроградной орбите. Кроме того, орбита Тритона отличается минимальным эксцентриситетом, что ещё более затруднило задачу объяснения необычной орбиты Тритона. В связи с этим появилось две гипотезы образования Тритона. По первой из них Тритон был захвачен из пояса Койпера, а затем приливное взаимодействие Нептуна скруглило его орбиту. Вторая гипотеза предполагает образование Тритона непосредственно на орбите Нептуна. Согласно компьютерным расчетам при образовании спутников начинают преобладать ретроградные орбиты в случае планет с минимальным орбитальным движением.

Больше полувека Тритон был единственным известным ретроградным спутником Солнечной Системы. В 1898 году американский астроном Уильям Пикеринг открыл 9-ый спутник Сатурна, который назвали Феба. Феба на тот момент являлась самым внешним спутником Сатурна. Наблюдения показали, что орбита Фебы наклонена к экватору Сатурна на 175 градусов. Феба стала первым спутником неправильной формы с ретроградной орбитой. В отличие от Тритона для таких спутников существует много альтернативных объяснений приливному захвату. Сегодня ретроградные спутники составляют большинство известных спутников Солнечной Системы. Так у Юпитера 54 из 69 спутников являются ретроградными, у Сатурна 29 из 62, у Урана 8 из 27, у Нептуна 4 из 13. Сравнительно небольшое количество известных ретроградных спутников у Сатурна, Урана и Нептуна по сравнению с Юпитером может объясняться трудностью обнаружения небольших спутников у более далеких планет.

Ретроградное движение среди небольших тел Солнечной Системы

Исторически кометы стали первыми известными небесными телами с обратным (ретроградным) движением. Выше уже приводился пример известной кометы Галлея, которая наблюдалась как минимум с 239 года до нашей эры. Наклонение её орбиты составляет 162 градуса.

С другой стороны доля ретроградных орбит для небольших околосолнечных комет превышает 85%. Такие кометы представляют собой объекты диаметром в несколько десятков метров, солнечная обсерватория SOHO за 23 года работы обнаружила более 3 тысяч таких комет. Большинство из околосолнечных комет принадлежит к группе Крейца. Предполагается, что эта группа образовалась в ходе разрушения очень крупной кометы (с диаметром ядра около 200 км) с наклонением орбиты около 144 градусов.

Среди некометных объектов (астероидов или объектов пояса Койпера) ретроградные орбиты встречаются крайне редко. Так среди более 700 тысяч каталогизированных малых планет есть только 96 объектов с ретроградными орбитами. Лишь у двух из этих объектов большая полуось орбиты меньше 5 а.е.: у 2009 HC82 и 2010 EQ169. По всей видимости, все эти объекты представляют собой спящие кометы – то есть объекты, которые либо потеряли все свои летучие вещества, либо находятся слишком далеко от Солнца для появления кометной активности.

Для сравнения только среди обычных комет сейчас известно около 2 тысяч ретроградных объектов. По всей видимости, большинство ретроградных объектов Солнечной Системы были захвачены из межзвездного пространства в отличие от обычных объектов Солнечной Системы, которые образовались из протопланетного диска, и в результате обладают минимальными наклонениями к эклиптике и плоскости экватора Солнца. Примечательно, что первым межзвездный объект, открытый в ноябре 2017 года так же обладает ретроградной траекторией с наклонением в 123 градусов.

Среди ретроградных малых планет особое место занимают шесть объектов с максимально большими q (2011 KT19, 2008 KV42 и другие). Данные объекты обладают крайне нестабильными орбитами – время их существования в Солнечной Системе до выброса в межзвездное пространство исчисляется лишь несколькими миллионами лет. Существует гипотеза, что ключевую роль в стабилизации орбит этих объектов играет неизвестная планета, которая удалена на 600-2000 а.е. от Солнца и обладает массой в несколько масс Земли.

Спутниковая система Плутона

Количество малых планет Солнечной Системы с известными параметрами оси вращения или известными спутниками крайне мало. Так число малых планет с известными спутниками составляет лишь три сотни. Среди этих систем самым известным случаем ретроградной орбиты является орбита спутника Харона вокруг карликовой планеты Плутон. Её наклонение к эклиптике составляет 113 градусов, и скорее всего, является весомым доказательством ударного образования этой системы. Кроме того система Плутона является наиболее богатой на известные спутники среди всех малых планет Солнечной Системы: всего их открыто пять. Орбиты всех этих пяти спутников лежит примерно в одной плоскости. Скорее всего, все шесть объектов системы являются приливно захваченными: их стороны поверхности обращены к друг другу всегда одной и той же стороной. Дополнительным свидетельством ударной гипотезы является сравнительно низкая плотность Плутона. Так Плутон является крупнейшим по размеру объектом за орбитой Нептуна (его размер на несколько десятков км больше, чем у Эриды), в то время как его масса наоборот меньше массы Эриды примерно на 25%.

Ретроградное движение за пределами Солнечной Системы

Измерения лучевых скоростей звезд с известными транзитными планетами позволяют определить угол между экватором звезды и плоскостью орбиты транзитной планеты (т.н. Rossiter–McLaughlin(RM)-эффект). К настоящему времени этот эффект измерен для 134 транзитных планет.

Измеренные углы показали, что орбиты большинства транзитных планет находятся вблизи плоскости экватора своих звезд

В то же время, как следует из вышеприведенных схем, у некоторых транзитных планет наблюдается даже ретроградное вращение. Теоретики предполагают, что такие необычные орбиты связаны с наличием в системе других массивных объектов (к примеру, планет или звезд).

Первой открытой ретроградной планетой стал горячий юпитер HAT-P-7b, открытый в 2009 году. Позже к нему добавились открытия новых ретроградных планет: горячего нептуна HAT-P-11b и горячих юпитеров HAT-P-6b, HAT-P-14b, KELT-17b , KELT-19b, Kepler-56b, Kepler-56c, Kepler-63b, WASP-2b, WASP-8b, WASP-15b, WASP-17b, WASP-33b, WASP-60b, WASP-76b, WASP-79b, WASP-94b, WASP-121b, WASP-167b. В общей сложности среди 134 исследованных транзитных планет у 20 наблюдаются ретроградные орбиты. Это доля (14% или 1 к 7) незначительно больше, чем у Солнечной Системы (отсутствие известных ретроградных планет приводит к верхнему пределу в 13%).

В планетных системах с известными ретроградными планетами обнаружено сравнительно небольшое количество других звезд-компаньонов. К этим системам относятся только WASP-2 и WASP-94 (10% известных систем с ретроградными планетами). Такое небольшое количество известных двойных систем (как известно примерно половина звезд входит в состав кратных систем) может быть вызвано слабой исследованностью  этих планетных систем: большинство известных ретроградных планет обнаружено в последнем десятилетии. С другой стороны, небольшое количество известных двойных звездных систем среди известных ретроградных планет может говорить о том, что ключевую роль в дестабилизации планетных систем играют близкие звезды во время формирования систем в областях звездообразования.

Кроме ретроградного движения и вращения в астросейсмологии существует понятие ретроградных колебаний, которые распространяются против направления вращения звезд.

Ретроградные галактики

В дополнение в последние десятилетия обнаружены примеры галактик с ретроградным движением отдельных их частей. Такими примерами являются ретроградное движение  облаков нейтрального водорода в нашей галактике, ретроградное движение балджа в галактике NGC 7331 и ретроградное вращение сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Отмечается, что ретроградное движение отдельных частей галактик, скорее всего, является следствием недавних слияний нескольких галактик. Сверхмассивные черные дыры с ретроградным вращением отличаются аномально сильными полярными джетами. Кроме того, по ретроградным орбитам движутся многие звезды гало галактик – самой старой популяции звезд в галактиках. Примером такого движения может быть траектория близкой звезды Каптейна с большим собственным движением.

Источник: spacegid.com