11.1 «В ДАЛЕКОМ СОЗВЕЗДИИ ТАУ КИТА»
p_9681de448c45807d
В планетной системе около звезды Кита с массой 0.78 массы Солнца обращается несколько планет. Планета c обладает круговой орбитой радиуса 0.195 а.е., планета e движется в той же плоскости и в том же направлении по эллиптической орбите с большой полуосью 0.538 а.е. и эксцентриситетом 0.18. В некий момент времени произошло великое противостояние планеты e для наблюдателя на планете e. Какой будет фаза планеты e при наблюдении с планеты e спустя 10 дней после великого противостояния?
Решение
Показать решение
В момент великого противостояния обе планеты и центральная звезда находятся на одной прямой, при этом внешняя планета находится в перицентре. Планеты движутся с различными скоростями, как угловыми так и линейными, поэтому конфигурация меняется с течением времени. Определим положения планет спустя 10 дней.
Планета c движется по круговой орбите, период обращения находим по третьему закону Кеплера в системе единиц «масса Солнца – a.e. – год»:
Следовательно, за 10 суток внутренняя планета сдвинется на угол , равный
Внешняя планета находится на эллиптической орбите, поэтому для определения смещения понадобится решать уравнение Кеплера. Сначала определим период обращения внешней планеты:
Следовательно, за 10 суток с момента прохождения перигелия средняя аномалия возрастет от нуля до величины
Нас интересует величина истинной аномалии, следовательно, сначала требуется решить уравнение Кеплера и определить эксцентрическую аномалию, а затем связать ее с истинной. Уравнение Кеплера имеет вид
где все угловые величины выражены в радианах. После подстановки значений уравнение выглядит как
Данное уравнение приходится решать численно; поскольку эксцентриситет сравнительно невелик, можно воспользоваться методом последовательных приближений:
Итерации прекращаем в случае, когда модуль разности двух последовательных значений E будет меньше заданной точности. В нашем случае последовательность приближений будет выглядеть так: , , , , . Здесь цепочку приближений можно завершить. Эксцентрическая аномалия составит . Истинная аномалия связана с эксцентрической соотношением
Таким образом, на нашем рисунке , , разность углов составляет . Определим расстояние от центральной звезды до внешней планеты. Мы знаем истинную аномалию, тогда расстояние от звезды до планеты будет, согласно уравнению эллипса в полярных координатах, равно
Это расстояние незначительно больше перигелийного (0.441 а.е.). В треугольнике, образованном планетами и звездой спустя 10 дней после противостояния, мы знаем две стороны и угол между ними. Определим сначала расстояние между планетами по теореме косинусов:
Далее, воспользовавшись теоремой синусов, определим заведомо острый угол с вершиной в положении планеты e:
Тогда фаза планеты e, наблюдаемая с планеты c, составит
Угол с вершиной в планете c, равен , тогда фаза планеты c, наблюдаемая с планеты e, составит
Фаза примерно соответствует половине освещенной поверхности диска.
Примечание: орбита планеты c почти круговая, эксцентриситетом 0.03 мы пренебрегли, тем более, что ошибка его определения превышает саму оценку эксцентриситета. Более того, существование самой планеты не подтверждено надежно. Наклонение орбит также неизвестно — в условии описана система, лишь отчасти напоминающая реальную.