Desde su nacimiento, nuestro mundo ha estado girando alrededor de una bola de fuego gigante año tras año, desde siempre.
Esto no es un hecho obvio: la experiencia de los humanos que vienen de la tierra es exactamente lo contrario: la tierra parece ser eterna y estable, con el sol saliendo por el este y poniéndose por el oeste, dividiéndose día y noche. La posición del sol también se refleja en la mitología antigua. A menudo desempeña un papel importante para el mundo pero insignificante para el cielo. Por ejemplo, en la mitología griega, el sol es solo una bola dorada en la mano de Apolo; en la antigua mitología china, el sol es solo una rueda en el carruaje de los dioses. En la experiencia humana cotidiana, el sol y la luna parecen tener aproximadamente el mismo tamaño. Esto también crea obstáculos para que los humanos comprendan la relación entre el sol y la tierra. Es natural que la gente piense que el Sol y la Luna son cuerpos celestes similares porque visualmente están casi muy lejos de la Tierra.
Para estudiar el movimiento de los cuerpos celestes, los antiguos astrónomos griegos propusieron el concepto de "esfera celeste". Se trata de una esfera imaginaria centrada en el observador o en el centro de la Tierra. En esta esfera se pueden marcar el sol nocturno, la luna y las estrellas. La mayoría de las estrellas parecen no cambiar nunca en sus posiciones relativas en la esfera celeste y, por lo tanto, se las llama estrellas. Las estrellas giran alrededor de la Tierra en un ciclo de un año. Para los observadores de latitudes medias en el hemisferio norte, cada noche de verano, siempre verán las estrellas brillantes Vega y Altair enfrentadas a través de la Vía Láctea cerca del cenit. En invierno, Sirio, la estrella más brillante del cielo, aparece en el sureste según lo previsto. Los antiguos astrónomos griegos dividieron las estrellas del cielo nocturno en diferentes constelaciones para que la gente las recordara. Cada año, en la misma noche, las constelaciones en el cielo son siempre las mismas (88 constelaciones diferentes en todo el cielo).
A diferencia de otros astros, el Sol se mueve en su posición en la esfera celeste. Si hacemos que la Tierra sea transparente y eliminamos temporalmente la atmósfera de la Tierra, podremos ver las estrellas en todo el cielo en cualquier momento. Descubriremos que el Sol permanece con las estrellas en Aries en abril, pasa a Leo en agosto y pasa de Ofiuco a Sagitario en pleno invierno. Cada año el sol viaja a lo largo de esta línea, pasando por 1 de las 13 constelaciones. Esta trayectoria del Sol en la esfera celeste se llama eclíptica y las constelaciones correspondientes a veces se denominan constelaciones zodiacales.
Además de la Luna, en la esfera celeste hay cinco cuerpos celestes que se comportan de manera significativamente diferente a las estrellas. Son Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Estos cinco cuerpos celestes son brillantes y fáciles de observar a simple vista. Especialmente Venus, es el objeto más brillante del cielo nocturno después de la Luna y es 20 veces más brillante que Sirio, la estrella más brillante del cielo nocturno. Estas cinco estrellas brillantes se llaman "planetas" porque, a diferencia de las estrellas estacionarias, su movimiento a través de la esfera celeste es visible. Por ejemplo, Júpiter orbita la esfera celeste cada 12 años. Los antiguos astrónomos chinos la llamaron Estrella Sui y en base a ella formularon la cronología geológica.
¿Cómo entender el movimiento de estos cuerpos celestes? Los antiguos astrónomos griegos creían que el universo en realidad estaba compuesto por una serie de círculos concéntricos, con la Tierra como centro, el sol, la luna, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Cada cuerpo celeste ocupa una capa del universo. en los círculos concéntricos que orbitan alrededor de la Tierra. Las otras estrellas ocupan colectivamente una esfera más exterior, que gira alrededor del eje celeste. Esta visión del universo reflejaba el pensamiento filosófico de la época: el universo debería ser perfecto y el sistema celeste debería funcionar siempre sin problemas.
Sin embargo, los griegos descubrieron un pequeño problema en su modelo "perfecto" del universo, y era el "movimiento retrógrado" de los planetas. Este es un fenómeno desconcertante en el movimiento planetario. En el cielo nocturno, las trayectorias de los planetas en la esfera celeste van aproximadamente de oeste a este. Pero en algún momento, se observa que el movimiento del planeta se desacelera gradualmente hasta que deja de moverse y se mueve en la dirección opuesta durante un corto período de tiempo. En un futuro próximo, volverán a "dar la vuelta" y poner un pie en la pista original. En un modelo "perfecto" del universo, los planetas parecerían retroceder erráticamente, pero los griegos no tuvieron más remedio que retocar el modelo. Alrededor del año 140 d. C., el modelo se había vuelto extremadamente complejo. El astrónomo romano Claudio Ptolomeo, nacido en Grecia, es reconocido como un maestro de la teoría astronómica antigua. En su obra maestra astronómica, el Almagesto, presentó el universo más avanzado de su época. En este libro, la Tierra se ha alejado ligeramente del centro del universo y las órbitas de todos los planetas se han convertido en círculos excéntricos. Además, cada planeta tiene su propia pequeña órbita, llamada "rueda de electricidad". Esta rueda se mueve en una órbita circular excéntrica y los planetas se mueven sobre esta rueda.
Hasta el siglo XVI, la teoría de Ptolomeo dominó la teoría del movimiento celeste durante más de 1.000 años. Esto es muy extraño.
La teoría de Ptolomeo es compleja y no una teoría geocéntrica pura. En realidad, va en contra de la visión del mundo del equilibrio perfecto defendida por los antiguos griegos: la estructura de la rueda excéntrica se parece más a un ingenioso truco que apareció en el taller de un mecánico, que a una aparición en el cielo creada por los dioses. Pero, por otro lado, el sistema ptolemaico explica bien el movimiento planetario y los fenómenos retrógrados. En el siglo XVI, Mikolaj Kopernik propuso una teoría heliocéntrica revolucionaria. En el modelo del universo de Copérnico, el sol estaba colocado en el centro del universo y todos los cuerpos celestes giraban alrededor del sol. Pero medio siglo después de la muerte de Copérnico, la teoría heliocéntrica todavía no podía vencer a la teoría geocéntrica de Ptolomeo. En términos de precisión de los pronósticos, no son tan diferentes. No importa qué teoría prediga con precisión el movimiento de los planetas, los planetas grandes siempre parecen moverse demasiado rápido en algunos momentos y un poco más lento en otros.
Figura 1.1 Modelo geocéntrico de Ptolomeo, diagrama esquemático de la Tierra y órbitas planetarias. Los planetas se mueven en un círculo pequeño llamado rueda actual, y el círculo pequeño se mueve en un círculo grande llamado rueda par. El centro del volante está representado por una estrella de cinco puntas, ligeramente desplazada de la tierra.
Después de todo, los defectos de la teoría geocéntrica quedan expuestos paso a paso. A principios del siglo XVII nació el telescopio en los Países Bajos. Este instrumento utiliza un tubo de metal largo que conecta dos lentes. La primera lente, llamada lente objetivo, recoge y enfoca la luz. Estos rayos son corregidos por la segunda lente para formar una imagen real que puede ser observada directamente por el ojo humano. La capacidad de un telescopio para captar luz es directamente proporcional al área de la lente del objetivo. Cuando el diámetro de la lente del objetivo aumenta 10 veces, la capacidad del telescopio para captar luz aumenta 100 veces. Los telescopios también permiten a los observadores resolver imágenes más finas, lo cual es proporcional al diámetro del telescopio. El ojo humano en sí es un sistema óptico delicado, pero el área donde capta la luz es muy pequeña, aproximadamente equivalente al tamaño de la pupila. Esta capacidad es suficiente para que los humanos identifiquen enemigos y peligros en la naturaleza, e incluso para discernir escritura fina en pergamino bajo velas tenues o lámparas de aceite. Pero cuando se trata de mirar las estrellas, el ojo humano tiene capacidades limitadas. Los primeros telescopios eran muy simples, pero el área de la lente del objetivo era decenas de veces mayor que la pupila del ojo humano. Los primeros telescopios mejoraron enormemente la visión humana.
En 1609, Galileo Galilei aplicó por primera vez la tecnología de los telescopios a las observaciones astronómicas. Se sorprendió al descubrir que la Vía Láctea a lo largo del cielo nocturno resultó estar compuesta por innumerables estrellas. Cuando apuntó el telescopio a Júpiter, encontró cuatro pequeños cuerpos celestes alrededor de Júpiter. Al parecer, estos objetos son satélites que giran periódicamente alrededor de Júpiter. Entre ellos, el satélite de rotación más rápida puede encontrar su desplazamiento aparente en una sola noche. Dado que hay cuerpos celestes que pueden girar alrededor de Júpiter en lugar de estar centrados en la Tierra, ¿por qué el Sol tiene que girar alrededor de la Tierra?
Copérnico murió en 1573, y 18 años después, nació Johannes Kepler en la localidad alemana de Wildstadt. Kepler era muy pobre cuando era niño y fue criado por su abuelo. Su vista era muy pobre, posiblemente debido a la viruela que había contraído cuando era niño. Durante su vida, Kepler rara vez se sentaba frente a un telescopio, pero todavía se le consideraba el principal experto en astronomía de Europa porque Kepler tenía pocos rivales en los cálculos matemáticos. Kepler fue discípulo de Copérnico, no sólo por razones científicas sino también por motivos teológicos. En la imaginación de Kepler, el mundo creado por Dios debe tener características geométricas perfectas. Hay cinco poliedros regulares diferentes en Geometría I * * *: tetraedro regular, hexaedro regular, octaedro regular, dodecaedro regular e icosaedro regular. Todo poliedro regular tiene una esfera inscrita (la esfera más grande que cabe en su interior) y una esfera circunscrita (la esfera que simplemente envuelve el poliedro). Si se anidan cinco tipos de poliedros regulares, el espacio se puede dividir en seis niveles. Kepler pensó que esto no era una coincidencia. En su hipótesis, si el sol está situado en el centro del universo, entonces las órbitas de los seis planetas (agua, metal, tierra, fuego, madera y tierra) deberían encajar en una esfera de seis capas dividida por cinco estrellas regulares anidadas. poliedros. ¡Qué perfecto!
En 1596, en el primer trabajo astronómico de Kepler, "Misterios del Universo", describió con entusiasmo su teoría perfecta del universo, complementada con resultados de cálculos preliminares. Sin embargo, los astrónomos europeos no están demasiado convencidos. En el más de medio siglo posterior a Copérnico, la precisión de las observaciones astronómicas mejoró significativamente. Kepler todavía utilizaba datos antiguos de la era copernicana para verificar su teoría, lo cual no era apropiado. La calidad de los datos preocupó a Kepler durante muchos años. En 1600, Tycho Braney, el astrónomo más famoso de la época, invitó a Kepler a ser su asistente en Praga. Ésta era la oportunidad soñada de Kepler.
Tycho fue probablemente el mayor astrónomo observacional antes de la invención del telescopio.
Modificó el sextante y el cuadrante, mejorando enormemente su resolución angular. Tycho podría utilizar sus propios instrumentos modificados para estudiar el movimiento de los planetas con una precisión de 65.438 ± 0 minutos de arco. Los lectores pueden extender los brazos hacia adelante, a la altura de los ojos y levantar el dedo índice. En este momento, el ángulo que puede cubrir el dedo índice es de aproximadamente 1 grado. La precisión de la observación de Tycho es 1/60 de este ángulo.
Figura 1.2 Modelo original del universo de Kepler. Las órbitas de los seis planetas (agua, metal, tierra, fuego, madera y tierra) deberían encajar exactamente en las órbitas definidas por el anidamiento de cinco poliedros regulares. El misterio del universo (1596)
Tycho dedicó su vida a medir el movimiento de los planetas con gran precisión. Tycho era el astrónomo imperial del emperador del Sacro Imperio Romano Germánico Rodolfo II cuando Kepler fue invitado. Su trabajo consistía en recopilar observaciones planetarias acumuladas a lo largo de toda una vida en un catálogo que lleva el nombre de su mecenas Rodolfo II. Estos datos son exactamente lo que Kepler necesita. Convencido de que los datos podrían probar su modelo de poliedro regular, felizmente emprendió su viaje.
La cooperación entre Tycho y Kepler no fue agradable. Tycho tenía su propio modelo del universo, entre heliocéntrico y geocéntrico. En este modelo, todos los planetas orbitan alrededor del sol, que a su vez orbita la Tierra. Tycho esperaba utilizar los talentos matemáticos de Kepler para desarrollar sus propios modelos, pero Kepler era un firme creyente copernicano. Kepler no pudo obtener una imagen completa del movimiento planetario de Tycho, porque Tycho desconfiaba de él y solo le proporcionó generosamente datos de una garra de escala poco a poco. Kepler no logró avanzar en su investigación y gastó gran parte de su energía escribiendo artículos para Tycho atacando a sus oponentes en la investigación.
Esta cooperación duró muy poco. Seis meses después, Tycho murió de una enfermedad repentina. En su lecho de muerte, Tycho finalmente le dio todos los datos a Kepler. Le dijo a Kepler: "No decepciones mi vida".
En los años siguientes, Kepler finalmente pudo dedicarse a resolver el problema del funcionamiento del sistema solar. Pronto descubrió que su modelo del poliedro regular tenía serios problemas. Este modelo simplemente no puede predecir el movimiento de Mercurio. Los movimientos de los otros planetas apenas se ajustan al modelo. ¿Están equivocados los datos de Tycho? Kepler se negó a creer en esta razón. Después de trabajar con Tycho, quedó completamente convencido de la exactitud de los datos. Kepler tuvo que admitir dolorosamente que algo andaba mal en su modelo "perfecto" del universo. Pero no estaba lejos de la verdadera respuesta. Después de que Kepler reexaminó los datos, encontró la clave del misterio: la órbita del planeta era una curva elíptica, no un círculo perfecto, con el sol en uno de los focos de la elipse. Esta es la primera ley de Kepler. Y también encontró la ley que describe correctamente el movimiento del planeta: el planeta se mueve en una órbita elíptica, y cuando se aleja del sol, su velocidad disminuirá; cuando se acerca al sol, su velocidad aumentará; Si conectamos los planetas y el sol en una línea, entonces el área barrida por esta línea en unidad de tiempo es siempre la misma. Esta es la segunda ley de Kepler. Unos años más tarde, Kepler descubrió la tercera ley de Kepler: el cuadrado del período de un planeta alrededor del sol es proporcional al cubo de su semieje mayor. La investigación de Kepler fue un gran éxito. A partir de entonces, siempre que se determine la posición del planeta en cada momento, según las leyes de Kepler, se podrá predecir su movimiento posterior con total exactitud.
¿Por qué los planetas se mueven así? Desde 65438 hasta 0687, Isaac Newton finalmente encontró el misterio contenido en la ley de Kepler: la ley de la gravitación universal. Newton creía que existe una fuerza de atracción mutua entre dos objetos cualesquiera en el universo, y que la magnitud de esta fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. Las leyes del movimiento planetario de Kepler son un corolario directo de la ley de gravedad de Newton.
El gran descubrimiento del músico
A finales de 2018 se estableció el orden de movimiento del sistema solar, pero el ser humano no entendía del todo el sistema solar en sí. La gente todavía no sabe si hay sólo cinco planetas en el cielo o dónde se encuentra el borde del sistema solar.
En marzo de 1781, un astrónomo llamado William Herschel descubrió un extraño objeto celeste con su telescopio. En aquella época, Herschel estudiaba sistemáticamente las estrellas dobles del cielo nocturno. La mayoría de los objetos que observó eran estrellas que se encontraban muy lejos de la Tierra. Incluso en los telescopios aparecen como luminarias puntuales sin una forma específica. Sin embargo, el objeto descubierto por Herschel apareció como una mancha nebulosa con un aumento de 200x, y cuando se colocó oculares de mayor aumento, la mancha aumentó de tamaño. Herschel especuló que el objeto podría ser un cometa. Pero a diferencia de los cometas ordinarios, este objeto no tiene la larga cola de escoba común en los cometas.
Como medida de precaución, Herschel todavía llamó al objeto cometa e informó del descubrimiento a sus colegas astronómicos de la Royal Society. En ese momento, Herschel no se dio cuenta de que ese era el primer premio de su gran aventura astronómica.
Efectivamente, Herschel se había hecho muy conocido en Inglaterra como organista y compositor unos años antes. Nació en una familia de músicos en Hannover, Alemania, con hasta 10 hermanos y hermanas. El padre Isaac Herschel es miembro de la orquesta. Aunque mi padre no era un hombre rico, decidió que todos sus hijos (al menos todos los varones) debían recibir una buena educación, no sólo en música sino también en ciencias y matemáticas. Según la hermana de Herschel, Caroline Herschel, su padre y Herschel mantuvieron largas discusiones sobre actuaciones musicales después de la cena, pero a veces, la conversación de repente giraba hacia la filosofía y la ciencia. Los nombres de Newton, Leonhard Euler y Wilhelm Leibniz aparecen con frecuencia. La discusión se vuelve animada, especialmente en torno a William Herschel. A veces las discusiones se vuelven tan acaloradas que la madre tiene que intervenir para no molestar a los niños que se van a la escuela a la mañana siguiente.
Bajo la influencia de la educación familiar, Herschel creció hasta convertirse en un excelente organista y oboe, y consiguió un puesto permanente en la orquesta. A causa de la guerra, Herschel abandonó Alemania a los 19 años y se trasladó a Inglaterra para desarrollar su carrera musical. En 1766, recibió una invitación para convertirse en organista permanente de la Iglesia Octagon en Bath. Bath es una famosa ciudad de moda y ocio en el Reino Unido, y muchas celebridades generosas están dispuestas a patrocinar a músicos. Herschel rápidamente saltó a la fama en el círculo con su hermosa apariencia y excelentes habilidades. Como músico, Herschel no sólo logró una vida superior, sino que también alcanzó la cima de su carrera en Bath.
El verano es una temporada muy ocupada para los músicos, ya que hacen malabarismos con diferentes conciertos, y Bath está lleno de turistas. Pero en invierno se vuelve tranquilo y pausado. Herschel tuvo suficiente tiempo personal para revivir su interés por la astronomía. A la edad de 35 años, Herschel compró accidentalmente la monografía académica "Astronomía" de James Ferguson, que reavivó su interés por el misterioso cielo nocturno. Después de cenar, solía llevarse este libro a su dormitorio y dejar que su ensoñación sobre las estrellas y el universo le acompañara hasta dormir. En ese momento, Herschel ya no se contentaba con ser un entusiasta de la ciencia hablando en salones como lo había sido cuando era joven. Quería observar por sí mismo el maravilloso cielo nocturno descrito en el libro. Esto significaba que necesitaba un telescopio.
Después de que Galileo construyera su propio telescopio para observaciones astronómicas, la tecnología para fabricar telescopios ha avanzado mucho. En la época de Herschel, los telescopios ya estaban disponibles en las ópticas, pero eran caros. Resulta que hay uno en la óptica de Bath. Pero la apertura del telescopio era demasiado pequeña para cumplir las expectativas de Herschel. Herschel quería ver las estrellas que nadie más había visto. Lo que quería era el mejor telescopio de su tiempo. Según su plan, el espejo de este telescopio debería tener al menos 20 pulgadas (unos 50 centímetros). Por lo tanto, el telescopio casero se convirtió en su única opción.
Herschel tenía cierta experiencia fabricando instrumentos musicales cuando era niño, pero los telescopios ópticos eran algo completamente diferente y requerían una precisión de diseño y procesamiento extremadamente alta. Nadie sabe por qué Herschel se convirtió en un gran fabricante de telescopios. Al principio, parecía que todas las referencias eran a Óptica de Robert Smith. Pero después de algunos intentos iniciales fallidos, Herschel rápidamente dominó el arte de hacer un telescopio. Pulir espejos es un trabajo físico muy monótono, pero el nivel de concentración de Herschel es asombroso. Incluso puede trabajar 16 horas seguidas. Su hermana, Caroline, tuvo que darle de comer con cuchara mientras trabajaba para evitar desmayarse mientras trabajaba.
Herschel construyó sucesivamente una serie de telescopios de diferentes tamaños. El espejo más utilizado tiene unos 50 centímetros de diámetro y una distancia focal de 7 metros. Aunque fue un novato autodidacta, el telescopio de Herschel fue en realidad el mejor trabajo de toda la época, muy superior a los dispositivos ópticos más pequeños utilizados por sus colegas cazadores de cometas. De hecho, no pasó mucho tiempo antes de que los astrónomos de toda Europa soñaran con un telescopio construido por Herschel.
Quien tenga el telescopio más grande hará los mayores descubrimientos. Ésta es la ley de hierro de la investigación astronómica. En 1781, Herschel descubrió este extraño cuerpo celeste, que fue su primera gran recompensa. Las observaciones de Herschel fueron seguidas por colegas astronómicos de la Royal Society, quienes pronto descubrieron que la órbita del nuevo objeto era una elipse casi circular. Esto significa que el nuevo objeto no es un cometa, ya que los cometas siempre viajan en órbitas muy planas.
Finalmente, la comunidad astronómica admitió que el cuerpo celeste descubierto por Herschel era en realidad un planeta, como hoy llamamos Urano.
De hecho, mirando hacia atrás en los datos históricos, la gente descubrió que Urano había sido observado y registrado por diferentes astrónomos antes, pero no se dieron cuenta de que Urano era un planeta grande. Esto se debe a que Urano es mucho más tenue y se mueve mucho más lento que los otros planetas. Urano tiene un brillo de aproximadamente 6, pero apenas es visible a simple vista. Su distancia al Sol es 18 veces la distancia entre el Sol y la Tierra, y solo orbita alrededor del Sol una vez cada 84 años, por lo que es difícil para los científicos notar su movimiento. Pero en el telescopio de gran apertura de Herschel, la forma de Urano reveló su verdadero cuerpo.
El descubrimiento de Herschel emocionó a toda la comunidad científica. Esta es la primera vez en la historia de la humanidad que un individuo descubre de forma independiente un nuevo planeta. Herschel amplió el sistema solar por su cuenta. Herschel fue nombrado miembro de la Royal Society y recibió la Medalla Copley. Como descubridor indiscutible, se le pidió que nombrara el nuevo planeta.
Herschel dedicó el honor de descubrir el nuevo planeta al rey Jorge III de Inglaterra. Al rey le encantaba la ciencia y Herschel esperaba que el nuevo planeta le ayudara a conseguir el puesto de Astrónomo Real. Sin embargo, el nombre "George Star" finalmente no logró afianzarse en otros países. En Francia, los científicos prefieren llamar al nuevo planeta "Herschel". Después de varias rondas de debate, los astrónomos aceptaron el nombre "Urano" para este nuevo planeta. El nombre proviene del nombre del dios del cielo en la mitología griega, el dios Urano, que se traduce como Urano en chino. La astrología aceptó rápidamente el nuevo planeta y lo incorporó a su propio sistema teórico. Los astrólogos diseñaron un símbolo único para Urano: las iniciales H de Herschel en una esfera redonda.
Aunque el nombre "Star George" sólo era popular en Gran Bretaña, no accidentalmente hizo que Herschel se granjeara el cariño de la familia real. Fue invitado al Palacio de Buckingham como invitado del rey británico y también fue invitado a ver la ópera con la familia real. Su telescopio también fue transportado desde su ciudad natal al Observatorio de Greenwich para que el propio rey pudiera ver la estrella que lleva su nombre. Después de que colegas de la Royal Astronomical Society vieron el telescopio de Herschel, ya no estaban interesados en su antigüedad original y le pidieron a Herschel que les construyera un nuevo telescopio. Herschel también estaba dispuesto a sacar provecho de la venta del telescopio. Se han vendido alrededor de 60 telescopios a colegas de la Royal Society y astrónomos de todo el continente. Herschel fue a la vez astrónomo y constructor de telescopios de primer nivel. Herschel hizo una serie de descubrimientos importantes en su vida: descubrió un nuevo gran planeta, Urano; él (con su hermana y su hijo) estableció la tabla completa de nebulosas y cúmulos de estrellas más grande de la historia, que todavía se utiliza en la actualidad; Una lista completa de estrellas binarias, que demuestra que una gran proporción de estrellas binarias no sólo están relacionadas visualmente sino también físicamente entre sí. Descubrió la existencia de los rayos infrarrojos... Al final del libro veremos también el nombre de Herschel. Ahora sigamos explorando las fronteras del sistema solar.
La Frontera del Sistema Solar
El descubrimiento de Urano llevó a los astrónomos a especular que puede haber grandes planetas fuera del sistema solar. Después de todo, la masa del Sol es muy grande, cientos de veces mayor que la masa de todos los planetas principales juntos, y puede controlar por completo más cuerpos celestes que están decenas de veces más lejos del Sol que la Tierra. Se puede predecir que otros planetas además de Urano pueden parecer más tenues y tener períodos orbitales más largos que Urano, pero los astrónomos aún pueden buscar candidatos sospechosos mediante cuidadosos estudios del cielo.
Sin embargo, sorprendentemente, un matemático descubrió pruebas de la existencia del próximo gran planeta, y las pistas estaban ocultas en los datos del movimiento de Urano. En el modelo del sistema solar de Kepler, todos los planetas se mueven regularmente en sus órbitas elípticas sin interferir entre sí. Además, sabemos que esto es sólo una simplificación de la situación real. Porque la ley de gravitación universal de Newton establece que habrá una fuerza gravitacional entre dos cuerpos celestes cualesquiera. Los diferentes planetas tienen diferentes períodos orbitales, por lo que periódicamente se acercarán entre sí. Cuando dos grandes planetas se acercan, su gravedad hace que cada uno se desvíe ligeramente de sus órbitas perfectamente elípticas, un fenómeno llamado "perturbación".
El descubrimiento de Neptuno se atribuye al destacado talento matemático del astrónomo francés Urbain Jean-Joseph Leveret. Después del descubrimiento de Urano, algunos matemáticos y astrónomos se dieron cuenta de que la órbita de Urano parecía estar perturbada por otro planeta grande. Levi calculó con precisión el tamaño, la órbita y la posición de este posible objeto.
A petición suya, el Observatorio de Berlín descubrió el planeta gigante en el lugar que predijo. Levi siguió la convención de nomenclatura de otros planetas y lo llamó Neptuno en honor al dios del mar Neptuno.
Mercurio, Venus, la Tierra y Marte se denominan colectivamente planetas terrestres. Como sugiere el nombre, un planeta como la Tierra tiene una superficie sólida y un núcleo de hierro. Júpiter, Saturno, Neptuno y Urano son planetas mucho más grandes que la Tierra. En el pasado, la gente generalmente se refería a estos cuatro planetas como planetas de madera, pero ahora sabemos que estos planetas se pueden dividir en dos categorías: "planetas gigantes gaseosos", como Júpiter y Saturno, cuyos componentes principales son el hidrógeno y el helio; Urano es un "gigante de hielo" compuesto principalmente de agua congelada, amoníaco y metano.
¿Hay planetas grandes más allá de Neptuno? Aún no lo hemos encontrado. En 1930, el científico estadounidense Clyde William Tombaugh descubrió Plutón. Este es un pequeño cuerpo celeste fuera del sistema solar, aproximadamente 40 veces la distancia entre el Sol y la Tierra, y su masa es solo 1/6 de la de la Luna. Durante los siguientes 70 años, Plutón fue definido como el noveno planeta desde el Sol. Pero la gente descubrió desde el principio que Plutón era diferente de los otros ocho planetas. Las órbitas de los otros ocho planetas son muy cercanas a un círculo, mientras que la órbita de Plutón es más elíptica e incluso se cruza con la órbita de Neptuno. A veces, Plutón está más cerca del sol que Neptuno. Es más, la masa de Plutón es demasiado baja para dominar su propia órbita. Desde que se descubrió Plutón, ha habido debate sobre su estado. Los astrónomos llevan descubriendo pequeños objetos más allá de Plutón desde los años 90. En 2005 se descubrió que Eris (Venus, 136199 Eris) es más pesado que Plutón. Esto se convirtió en el colmo para el estatus de Plutón. En la Reunión Anual Astronómica de 2006, los astrónomos votaron a favor de emitir una nueva definición de planeta, exigiendo que los objetos que orbitan alrededor del Sol deben ser lo suficientemente masivos como para superar a otros objetos en su órbita antes de que puedan ser llamados planetas. Plutón, por otro lado, es sólo un poco más grande que su luna, por lo que ha sido eliminado de las filas planetarias. Los astrónomos han creado una nueva clasificación de nicho de "planeta enano" para objetos como Plutón, Marte y Ceres, los objetos más grandes del cinturón de asteroides. Esta votación provocó una fuerte oposición pública en su momento, pero con el tiempo, la gente fue aceptando gradualmente este método de clasificación nuevo y más razonable.
Aún hay un gran número de pequeños cuerpos celestes en órbita cerca de Plutón y Marte. Juntos, estos objetos forman una región en forma de disco conocida como Cinturón de Kuiper. Mientras que objetos como Plutón y Marte están compuestos principalmente de rocas y metales, los objetos pequeños en el Cinturón de Kuiper están compuestos principalmente de agua congelada, amoníaco y metano, similar a los cometas. La mayoría de estos pequeños objetos orbitan alrededor del Sol año tras año en el Cinturón de Kuiper, pero algunos ocasionalmente deambulan hacia la región central del sistema solar. A medida que estos pequeños cuerpos se acercan al sol, la luz y el calor del sol hacen que el hielo se sublime, formando una larga cola detrás del pequeño cuerpo. En este momento, el pequeño cuerpo celeste se convierte en cometa. Los cometas han sido sinónimo de mala suerte a lo largo de la historia de la humanidad. En China se creía que la aparición de cometas iba acompañada de guerra. Incluso a principios del siglo XX, la gente todavía entraba en pánico cuando la cola del cometa Halley pasaba cerca de la Tierra. Los cometas, al igual que los asteroides, desempeñan el papel de asesinos de humanos en varias películas de ciencia ficción. En la película Coherence, los cometas incluso desempeñaron un papel en la conexión de mundos paralelos. Sin embargo, los fragmentos separados del cuerpo principal del cometa son la fuente de hermosas lluvias de meteoritos en la Tierra. A medida que la Tierra pasa por la órbita del cometa, estos fragmentos caen dentro de la Tierra y forman lluvias de meteoritos al rozar la atmósfera.
El cinturón de Kuiper se encuentra a 40-50 días del centro del sol, y la distancia entre el sol y la tierra es de 3, pero este no es el límite del sistema solar. En realidad, todo el sistema solar está envuelto en una estructura llamada Nube de Oort. La nube de Oort está compuesta por una gran cantidad de pequeños cuerpos celestes, principalmente compuestos por hielo de agua 4, metano y otras sustancias. El límite exterior de la Nube de Oort es aproximadamente 654,38+ millones de veces la distancia entre el Sol y la Tierra, y también es el borde de la influencia gravitacional del Sol. La estrella más cercana, Próxima Centauri, está dos veces más lejos del Sol que el borde exterior de la Nube de Oort.
La distancia entre la Tierra y el Sol es de 150 millones de kilómetros, y la luz tarda 8 minutos en viajar del Sol a la Tierra. Para formar mejor la imagen en nuestra mente, podemos reducir la escala física del sistema solar en un factor de 654,38+0 mil millones. En esta versión reducida del sistema solar, los humanos tienen aproximadamente el tamaño de un átomo y la Tierra mide sólo 1,3 centímetros, un poco más pequeña que una uva. El satélite de la Tierra, la Luna, está suspendido a 30 centímetros de distancia y tiene el tamaño de una semilla de uva.
En nuestro sistema solar en miniatura, el sol es una bola de fuego con un diámetro de 1,5 metros, a 150 metros de la tierra, y sólo tarda un minuto en completar una revolución. En términos de distancia al sol, la Tierra es el tercer planeta desde el sol. Caminando de la Tierra al Sol, pasarás por Venus, que tiene aproximadamente el mismo tamaño que la Tierra, y por Mercurio, que es un poco más grande que la Luna. Desde el Sol hasta Júpiter (del tamaño de un pomelo), hay que tomar una parada de autobús (a unos 800 metros). Si no te bajas y haces una parada más, llegarás a Saturno (del tamaño de una manzana aproximadamente). Urano y Neptuno tienen aproximadamente el tamaño de un limón y están a 4 y 6 estaciones del sol respectivamente. Más allá de Neptuno se encuentra el cinturón de Kuiper, que está compuesto de pequeños cuerpos celestes. El borde exterior de la Nube de Oort está a unos 2 años luz del sol. En nuestro sistema solar en miniatura, se necesitan 20.000 kilómetros para llegar al borde de la nube de Oort, lo que supone casi 20 horas en avión. Próxima Centauri, la estrella más cercana al sol, tarda 40 horas en volar (a 40.000 kilómetros de distancia).
Figura 1.3 Diagrama de las posiciones de los planetas en el sistema solar