Гелиоцентри́ческая систе́ма ми́ра (гелиоцентри́зм) (от — солнце и — центр) — представление о том, что Солнце является центральным небесным телом, вокруг которого обращаются Земля и другие планеты. Идея возникла ещё в античности как противовес геоцентризму, но получила широкое распространение лишь в XVI—XVII веках.
В гелиоцентрической системе Земля предполагается обращающейся вокруг своей оси за одни звёздные сутки и одновременно вокруг Солнца за один звёздный год. Следствием первого движения является видимое вращение небесной сферы, следствием второго — годовое перемещение Солнца среди звёзд по эклиптике. Солнце считается неподвижным относительно звёзд.
О понятиях Гелиоцентрическая система отсчёта — это просто система отсчёта, где начало координат размещено в Солнце. Гелиоцентрическая система мира — это представление об устройстве мироздания. В узком смысле этого слова оно заключается в том, что Солнце расположено в центре Вселенной, а Земля совершает по крайней мере два вида движения: годовое вокруг Солнца и суточное вокруг своей оси; звёзды неподвижны относительно Солнца. Термин «гелиоцентрическая система мира» часто используется в более широком смысле слова, когда Вселенная не обязательно считается ограниченной и имеющей центр. Тогда смысл этого термина заключается в том, что Солнце в среднем неподвижно относительно звёзд. Гелиоцентрическую систему мира можно рассматривать в какой угодно системе отсчёта, в том числе геоцентрической, в которой Земля выбирается в качестве начала координат. В этой системе отсчёта Земля неподвижна, а Солнце обращается вокруг Земли; но система мира все равно остаётся гелиоцентрической, поскольку взаимная конфигурация Солнца и звёзд остаётся неизменной. Наоборот, даже если рассматривать геоцентрическую систему мира в гелиоцентрической системе отсчёта, она по-прежнему будет геоцентрической системой мира, поскольку звёзды будут совершать в ней движение с периодом в один год.
Планетные конфигурации
Внешние и внутренние планеты Планеты солнечной системы делятся на два вида: внутренние (Меркурий и Венера), наблюдаемые только на сравнительно небольших угловых расстояниях от Солнца, и внешние (все остальные), которые могут наблюдаться на любых расстояниях. В гелиоцентрической системе это различие связано с тем, что орбиты Меркурия и Венеры всегда находятся внутри орбиты Земли (третьей от Солнца планеты), в то время как орбиты остальных планет находятся вне орбиты Земли.
Попятные движения
Попятные движения планет (особенно наглядно наблюдаемые у внешних планет), которые были главной загадкой астрономии с древнейших времён, в гелиоцентрической системе объясняются тем, что угловые скорости планет уменьшаются с увеличением расстояния от Солнца. В результате, когда планета наблюдается в той же части неба, что и Солнце, она совершает видимое движение относительно звёзд в том же (прямом) направлении, что и Солнце: с запада на восток. Однако когда Земля проходит между Солнцем и планетой, она как бы опережает планету, в результате чего последняя движется на фоне звёзд в обратном направлении, с востока на запад. Отсюда следует, что планеты совершают попятные движения вблизи противостояний, когда планеты находятся наиболее близко к Земле и, как следствие, являясь наиболее яркими при наблюдении с Земли.
Соотношение между синодическими и сидерическими периодами обращений планет; вавилонские периоды В гелиоцентрической системе устанавливается следующее соотношение между синодическими и сидерическими периодами обращений внешних планет:
,
где — продолжительность земного (звёздного) года. Отсюда следуют соотношения, эмпирически полученные астрономами Древнего Вавилона (так называемые целевые годовые периоды): если внешняя планета делает полных оборотов по эклиптике (относительно звёзд) за лет, то за это время проходит синодических периодов данной планеты (, , — целые числа). Например, для Марса , , , для Юпитера , , , для Сатурна , , .
С точки зрения геоцентрической системы эти соотношения являются загадкой. Но они автоматически следуют из вышеприведённой формулы, полученной в рамках гелиоцентризма, поскольку по определению ( — это такое целое количество земных лет, за которые планета делает целых оборотов по эклиптике), и величины , и обратно пропорциональны величинам , и соответственно.
Расстояния до планет Определение расстояний до внутренних (слева) и внешних (справа) планет. Тут S — Солнце, T — Земля, P — планета, a — расстояние от Солнца до Земли (а.е.), r — расстояние от Солнца до планеты.
В гелиоцентрической системе с помощью простых геометрических рассуждений и немногих наблюдательных данных легко определяются отношения средних расстояний от Солнца до планет, что невозможно в рамках геоцентризма. Особенно легко это сделать в предположении круговых концентрических орбит.
Для внутренней планеты достаточно знать её максимальное угловое расстояние от Солнца θ (наибольшую элонгацию). Рассмотрев треугольник SPT (угол SPT — прямой), нетрудно видеть, что
(см. рис. справа), где — астрономическая единица (среднее расстояние от Земли до Солнца).
Для внешних планет необходимо из наблюдений определить синодический период планеты и промежуток времени между противостоянием планеты и моментом квадратуры (когда планета видна с Земли под прямым углом к Солнцу). Далее нужно найти с помощью формулы , период обращения планеты вокруг Солнца. Зная эту величину, можно найти углы α и β, пройденные планетой и Землёй по своим орбитам за время :
, .
Далее, находится угол , под которым видны Земля и Солнце при наблюдении с планеты:
(угол STP прямой, см. рисунок справа). Искомое расстояние оказывается равным
.
Именно с помощью таких соображений Коперник впервые вычислил относительные расстояния планет от Солнца.
Фазы Меркурия и Венеры
Поскольку все планеты светят отражённым светом Солнца, у них должна наблюдаться смена фаз. У Меркурия и Венеры, обращающихся вокруг Солнца внутри орбиты Земли, порядок смены фаз должен быть следующим: планета в верхнем соединении видна в виде почти полного диска; планета в наибольшей элонгации — в виде полукруга, обращённого выпуклостью к Солнцу; планета вблизи нижнего соединения — в виде очень узкого серпа; непосредственно в нижнем соединении планета не должна наблюдаться, поскольку к Земле обращено её неосвещённое полушарие. Именно такой порядок смены фаз имеет место в действительности, как впервые было установлено Галилеем (1610 г.)
Эмпирические доказательства движения Земли вокруг Солнца Всё вышесказанное относится не только к гелиоцентрической системе, но и к комбинированной системе (наподобие системы Тихо Браге), в которой все планеты обращаются вокруг Солнца, которое, в свою очередь, движется вокруг Земли. Существуют, однако, доказательства движения Земли вокруг Солнца.
Годичные параллаксы звёзд
Ещё в древности было известно, что поступательное движение Земли должно приводить к годичному параллактическому смещению звёзд. Из-за удалённости звёзд параллаксы впервые были найдены только в XIX веке (почти одновременно В. Я. Струве, Ф. Бесселем и Т. Хендерсоном), что явилось прямым (и долгожданным) доказательством движения Земли вокруг Солнца.
Параллакс тем меньше, чем дальше от нас звезда. Если вычислять угол параллакса в угловых секундах, а расстояние в парсеках, то
.
Попятные движения планет имеют место по той же самой причине, что и годичные параллаксы звёзд, они могут быть названы годичными параллаксами планет.
Аберрация света звёзд Из-за векторного сложения скорости света и орбитальной скорости Земли при наблюдении звёзд телескоп приходится наклонять относительно линии Земля—звезда. Это явление (аберрация света) открыл и правильно объяснил в 1728 г. Джеймс Брэдли, занимавшийся поисками годичных параллаксов. Аберрация света оказалось первым наблюдательным подтверждением движения Земли вокруг Солнца и одновременно вторым доказательством конечности скорости света (после объяснения нерегулярности в движении спутников Юпитера Рёмером). В отличие от параллакса, угол аберрации не зависит от расстояния до звезды и целиком определяется орбитальной скоростью Земли. Для всех звёзд он равен одной и той же величине: 20,5".
Годичная вариация лучевых скоростей звёзд Из-за орбитального движения Земли каждая звезда, расположенная вблизи плоскости эклиптики, то приближается, то удаляется от Земли, что можно обнаружить с помощью спектральных наблюдений (эффекта Доплера).
Аналогичный эффект наблюдается для температуры реликтового излучения: в каждой точке эклиптики из-за движения Земли вокруг Солнца она меняется с периодом 1 год.
Годичная вариация периодов пульсаров При наблюдении рентгеновских и радио-пульсаров было обнаружено изменение интервалов их импульсов с периодом в 1 год. Это связано с тем, что время, необходимое свету для достижения Земли, меняется с периодом в один год из-за обращения Земли вокруг Солнца и конечности скорости света (этот эффект иногда называется задержкой Рёмера, поскольку является, по сути, тем же эффектом, с помощью которого датский астроном Оле Рёмер в 1675 г. доказал конечность скорости света; см. Измерение скорости света Рёмером)Иванов и др., Парадоксальная Вселенная. Решения. 13. Двойные и переменные звезды . Эффект более всего выражен для пульсаров, находящихся в плоскости эклиптики.
Доказательства вращения Земли вокруг своей оси см. в статье Суточное вращение Земли.
История гелиоцентрической системы
Гелиоцентризм в Древней Греции Идея движения Земли возникла в рамках пифагорейской школы. Пифагореец Филолай из Кротона обнародовал систему мира, в которой Земля является одной из планет; правда, речь пока шла о её вращении (за сутки) вокруг мистического Центрального Огня, а не Солнца. Аристотель отверг эту систему в том числе потому, что она предсказывала параллактическое смещение звёзд.
Менее спекулятивной была гипотеза Гераклида Понтийского, согласно которой Земля совершает суточное вращение вокруг своей оси. Кроме того, Гераклид, по-видимому, предположил, что Меркурий и Венера обращаются вокруг Солнца и только с ним — вокруг Земли. Возможно, такого взгляда придерживался и Архимед, полагая обращающимся вокруг Солнца и Марс, орбита которого в этом случае должна была охватывать Землю, а не пролегать между нею и Солнцем, как в случае Меркурия и Венеры. Есть предположение, что у Гераклида была теория, согласно которой Земля, Солнце и планеты обращаются вокруг одной точки — центра планетной системы. По сообщению Теофраста, Платон на склоне своих лет сожалел, что он предоставил Земле центральное место во Вселенной, которое для неё не подходило.
Подлинно гелиоцентрическая система была предложена в начале III века до н. э. Аристархом Самосским. Скудная информация о гипотезе Аристарха дошла до нас через труды Архимеда, ПлутархаПлутарх, О лике, видимом на диске Луны (отрывок 6) и других авторов. Обычно считается, что Аристарх пришёл к гелиоцентризму, исходя из установленного им факта, что Солнце по размерам много больше Земли (вычислению относительных размеров Земли, Луны и Солнца посвящён единственный дошедший до нас труд учёного). Естественно было предположить, что меньшее тело обращается вокруг большего, а не наоборот. Насколько была разработана гипотеза Аристарха, неизвестно, но Аристарх сделал важный вывод о том, что по сравнению с расстояниями до звёзд земная орбита является точкой, поскольку иначе должны были наблюдаться годичные параллаксы звёзд (вслед за Аристархом такую оценку расстояний до звёзд принимал и Архимед). Философ Клеанф призвал привлечь Аристарха к суду за то, что он двигает с места Землю («Очаг мира»).