Badania Układu Słonecznego

Przez wiele tysięcy lat ludzkość nie zdawała sobie sprawy z istnienia Układu Słonecznego. Ziemia była uważana nie tylko za centrum wszechświata, ale za zupełnie różną od boskich, eterycznych obiektów poruszających się po niebie. Co prawda indyjski matematyk i astronom Aryabhata oraz grecki filozof Arystarch z Samos pisali już wcześniej o heliocentrycznym porządku świata, jednak dopiero Mikołaj Kopernik był pierwszym, który w sposób matematyczny opracował model systemu heliocentrycznego. Jego XVII-wieczni następcy: Galileo Galilei, Jan Kepler, Isaac Newton, opracowali teorie/systemy, które stopniowo ugruntowały przekonanie nie tylko o tym, że Ziemia krąży wokół Słońca, ale również, że planety rządzone są przez te same prawa fizyczne, co Ziemia. W późniejszych czasach te same prawa umożliwiły opis zjawisk geologicznych, takich jak powstawanie gór i kraterów, a także wyjaśnienie zjawisk meteorologicznych na innych planetach.

Obserwacje przez teleskop

Przez kilka stuleci naukowe obserwacje Układu Słonecznego były prowadzone przez teleskopy. Dzięki nim astronomowie mogli dostrzec obiekty zbyt słabe, by można je było dostrzec gołym okiem oraz liczne szczegóły wyglądu ich powierzchni.

Galileo Galilei pierwszy odkrył fizyczne właściwości poszczególnych ciał niebieskich. Dostrzegł kratery na Księżycu, plamy na Słońcu i cztery księżyce Jowisza. Christiaan Huygens w ślad za Galileuszem dostrzegł księżyc Saturna, Tytan oraz pierścienie Saturna. Giovanni Cassini później odkrył jeszcze cztery księżyce Saturna, przerwę w jego pierścieniach oraz wielką czerwoną plamę na Jowiszu.

W 1705 Edmond Halley spostrzegł, że pojawiająca się co jakiś czas na niebie kometa, to ten sam obiekt, powracający regularnie co około 75–76 lat. Był to pierwszy dowód na to, że coś jeszcze oprócz planet okrąża Słońce. W tym samym czasie (1704) termin "Układ Słoneczny" po raz pierwszy pojawił się w języku angielskim.

W 1781 William Herschel poszukiwał gwiazd podwójnych w gwiazdozbiorze Byka, kiedy dostrzegł coś, co uznał za kometę. Po zbadaniu orbity tego ciała okazało się, że to nieznana dotychczas planeta – Uran.

W 1801 Giuseppe Piazzi odkrył planetę karłowatą Ceres, niewielkie ciało niebieskie pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza, które początkowo zostało uznane za nową planetę. Później dalsze odkrycia tysięcy innych małych ciał w tym obszarze doprowadziły do utworzenia terminu "pas planetoid".
Słońce sfotografowane przez teleskop przy użyciu specjalnego filtra słonecznego. Wyraźnie widoczne plamy na Słońcu i zaciemnienie brzegów

W 1846 zaobserwowane nieregularności orbity Urana zrodziły podejrzenia, że poza orbitą Urana musi znajdować się jeszcze jakaś planeta. Obliczenia Urbain Le Verriera doprowadziły w końcu do odkrycia Neptuna. Badając orbitę Merkurego Le Verrier w 1859 r. postulował istnienie hipotetycznej planety Wulkan, krążącej na orbicie bliższej Słońca niż Merkury. Późniejsze dokładne obserwacje tych rejonów Układu Słonecznego wykluczyły jednak istnienie planety lub nawet planetoidy tak blisko Słońca.

Można spierać się, kiedy Układ Słoneczny został w pełni "odkryty". Trzy XIX-wieczne odkrycia określiły jego naturę i miejsce we Wszechświecie. W 1838 Friedrich Bessel zmierzył paralaksę gwiazdową – zauważalne przesunięcie pozycji gwiazdy względem innych spowodowane przez ruch obiegowy Ziemi dookoła Słońca. Był to nie tylko pierwszy bezpośredni i eksperymentalny dowód heliocentryzmu, ale także okazało się po raz pierwszy, jak ogromna odległość dzieli Układ Słoneczny od innych gwiazd. W 1859 Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff, używając dopiero co wynalezionego spektroskopu, zbadali spektralne właściwości Słońca i odkryli, że jest ono zbudowane z tych samych pierwiastków, które występują na Ziemi, ustanawiając po raz pierwszy "fizykalny pomost pomiędzy Ziemią a niebem". Następnie Angelo Secchi porównał charakterystykę spektralną Słońca i innych gwiazd, i okazało się, że te charakterystyki są w zasadzie identyczne. Świadomość tego, że Słońce jest gwiazdą, doprowadziła do hipotezy, że inne gwiazdy też mogą mieć własne systemy planetarne. Jednak na potwierdzenie tego trzeba było czekać jeszcze 140 lat.

Widoczne rozbieżności orbit planet zewnętrznych doprowadziły Percivala Lovella do wniosku, że za orbitą Neptuna musi istnieć jeszcze jakaś planeta – "Planeta X". Po jego śmierci w Obserwatorium Lovella prowadzono poszukiwania, które w końcu doprowadziły Clyde Tombaugha do odkrycia Plutona w 1930 r. Okazało się jednak, że Pluton jest zbyt mały i jego odkrycie nie tłumaczy w pełni nieregularności orbit planet zewnętrznych. Podobnie jak Ceres, Pluton początkowo był uważany za planetę, ale po odkryciu innych ciał podobnego rozmiaru poza orbitą Neptuna, został w 2006 r. sklasyfikowany przez Międzynarodową Unię Astronomiczną jako planeta karłowata.

Pierwszy pozasłoneczny system planetarny (pulsara PSR B1257+12) został odkryty w 1992 przez polskiego astronoma Aleksandra Wolszczana. Trzy lata później została odkryta pierwsza planeta pozasłoneczna, krążąca wokół gwiazdy podobnej do Słońca, 51 Pegasi b. Do 16 grudnia 2010 r. znaleziono 428 pozasłonecznych systemów planetarnych.

Również w 1992 astronomowie David Jewitt z Universytetu Hawajskiego i Jane Luu z Massachusetts Institute of Technology odkryli (15760) 1992 QB1 – obiekt, który dowiódł, że musi należeć do zupełnie nowej grupy ciał w Układzie Słonecznym, wchodzących w skład podobnego do pasa planetoid, transneptunowego pasa Kuipera. Takie obiekty jak Pluton i Charon okazały się być częścią pasa Kuipera.

W 2005 Mike Brown, Chad Trujillo i David Rabinowitz ogłosili odkrycie Eris, obiektu należącego do dysku rozproszonego, większego niż Pluton i zarazem największego obiektu transneptunowego.

Słońce sfotografowane przez teleskop przy użyciu specjalnego filtra słonecznego. Wyraźnie widoczne plamy na Słońcu i zaciemnienie brzegów

Badania za pomocą sond kosmicznych

Od początku ery podboju kosmosu ogromną rolę odegrały misje sond kosmicznych pod nadzorem różnych instytucji.

Wszystkie planety Układu Słonecznego zostały dotychczas odwiedzone/zbadane w różnym stopniu przez statki wystrzelone z Ziemi. Dzięki tym bezzałogowym wyprawom, ludzkość zdołała pozyskać zdjęcia wykonane z bliskiej odległości wszystkich planet, a także, w przypadku lądowników, pobrać próbki gleb i atmosfer Księżyca, Marsa i Wenus.

Pierwszą zbudowaną przez człowieka maszyną wysłaną w kosmos był radziecki sztuczny satelita Sputnik 1, wystrzelony w 1957 r., który pomyślnie okrążał Ziemię przez ponad rok. Amerykański próbnik Explorer 6, wystrzelony w 1959 r., był pierwszym sztucznym satelitą, który sfotografował Ziemię z kosmosu.

Przeloty w pobliżu innych planet

Pierwszy udany przelot w pobliżu innego ciała niebieskiego wykonała sonda Łuna 1 w 1959 roku. Według planu miała uderzyć w powierzchnię Księżyca, jednak chybiła celu i weszła na orbitę okołosłoneczną. Jednocześnie stała się pierwszym ciałem stworzonym przez człowieka okrążającym Słońce. Mariner 2 był pierwszą sondą, która przeleciała wokół innej planety, Wenus - w 1962 r. Pierwszy udany przelot w pobliżu Marsa wykonał Mariner 4 w 1965 r. Merkury został osiągnięty przez Marinera 10 w 1974 r.

Pierwszą sondą przeznaczoną do zbadania planet zewnętrznych był Pioneer 10, który przeleciał w pobliżu Jowisza w roku 1973. Pioneer 11 pierwszy przeleciał w pobliżu Saturna w roku 1979. Sondy Voyager wystrzelone w roku 1977 przebyły ogromnie długą trasę w pobliżu planet zewnętrznych. Obie przeleciały w pobliżu Jowisza w roku 1979 i w pobliżu Saturna w latach 1980–1981. Voyager 2 przeleciał również blisko Urana w roku 1986 i Neptuna w roku 1989. Sondy Voyager znajdują się obecnie daleko poza orbitą Neptuna i kierują się w stronę granic Układu Słonecznego, by wykonać badania szoku końcowego (ang. termination shock), płaszcza Układu Słonecznego (heliosheath) i heliopauzy. Według NASA oba Voyagery już osiągnęły szok końcowy w odległości 93 j.a. od Słońca.

Pierwszy przelot w pobliżu komety miał miejsce w roku 1985, kiedy International Cometary Explorer (ICE) minął kometę Giacobini-Zinner. Pierwszy przelot w pobliżu planetoidy był udziałem sondy Galileo, która wykonała zdjęcia zarówno planetoidy 951 Gaspra (1991), jak i planetoidy 243 Ida (1993) podczas lotu do Jowisza.

Żaden obiekt pasa Kuipera nie został dotychczas odwiedzony przez jakąkolwiek sondę. Sonda New Horizons wystrzelona 19 stycznia 2006 i wprowadzona na trajektorię ucieczkową z Układu Słonecznego jest obecnie pierwszą sondą przeznaczoną do zbadania pasa Kuipera. Ma ona również przelecieć w pobliżu Plutona w lipcu 2015. Jeśli będzie to możliwe, misja zostanie przedłużona o wykonanie obserwacji jeszcze innych obiektów pasa Kuipera.

Orbitery, lądowniki i łaziki

W 1966 r. Księżyc stał się pierwszym ciałem niebieskim, na orbicie którego umieszczono sztucznego satelitę (Łuna 10). Później umieszczono sztucznego satelitę na orbicie Marsa (1971) (Mariner 9), Wenus (1975) (Wenera 9), Jowisza (1995) (Galileo), planetoidy 433 Eros (2000) (NEAR Shoemaker) i Saturna (2004) (sonda Cassini-Huygens). Sonda MESSENGER jest obecnie w drodze do Merkurego, by osiągnąć jego orbitę w 2011 r. Sonda Dawn ma osiągnąć orbitę planetoidy Vesta w 2011 r. i orbitę planety karłowatej Ceres w 2015 r.
Pierwszą sondą, która dotknęła powierzchni innego ciała niebieskiego była radziecka sonda Łuna 2, która uderzyła w Księżyc w 1959 r. Od tamtej pory osiągane były coraz dalsze planety: uderzenia w powierzchnię Wenus lub udane lądowania na jej powierzchni w 1966 (Wenera 3), nieudane próby lądowania na powierzchni Marsa w 1971 (Mars 3). Jednak w pełni udane lądowanie na powierzchni Marsa wykonała sonda Viking 1 w roku 1976. Udane lądowanie na powierzchni planetoidy 433 Eros w 2001 wykonała sonda NEAR Shoemaker. Udane lądowanie wykonała na powierzchni księżyca Saturna Tytana sonda Huygens. Udane lądowanie na powierzchni komety Tempel 1 – zrealizowano w misji Deep Impact w 2005 r. Orbiter Galileo zrzucił sondę w atmosferę Jowisza w 1995 r. Jako że Jowisz nie posiada właściwie powierzchni, sonda została zniszczona przez rosnące ciśnienie i temperaturę podczas schodzenia w głąb.

Do dzisiaj tylko dwa ciała w Układzie Słonecznym: Księżyc i Mars były badane przez łaziki. Pierwszym łazikiem był radziecki Łunochod 1, który wylądował na Księżycu w 1970 r. Pierwszym łazikiem na innej planecie był Sojourner, który zdołał przejechać 500 metrów po powierzchni Marsa w 1997 roku. Jedyny załogowy łazik, który jeździł po obcym świecie, to Lunar Roving Vehicle, którym jeździli astronauci misji Apollo 15, 16 i 17 w latach 1971–72.

Wyprawy załogowe

Eksploracja załogowa Układu Słonecznego jest obecnie ograniczona do okolic najbliższego sąsiedztwa Ziemi. Pierwszym człowiekiem w kosmosie (przy założeniu że kosmos zaczyna się od wysokości 100 km nad powierzchnią Ziemi) i na orbicie okołoziemskiej był Jurij Gagarin, radziecki kosmonauta, który wystartował rakietą Wostok 1 dnia 12 kwietnia 1961 r. Pierwszym człowiekiem, który chodził po powierzchni innego ciała niebieskiego w Układzie Słonecznym, był Neil Armstrong, który postawił pierwszy krok na powierzchni Księżyca 21 lipca 1969 podczas misji Apollo 11. Do 1972 miało miejsce jeszcze pięć lądowań na Księżycu. Amerykański wahadłowiec kosmiczny, który pierwszy raz wystartował w 1981, jest jedynym statkiem kosmicznym wielokrotnego użytku, który odbył wiele pomyślnych lotów orbitalnych. Zbudowano pięć egzemplarzy tego pojazdu, łącznie wszystkie odbyły dotychczas ponad 120 misji; dwa z nich uległy katastrofie.

Pierwszą stacją kosmiczną, która miała na pokładzie więcej niż jedną załogę, była NASA Skylab, na pokładzie której znajdowały się więcej niż trzy załogi w latach 1973–74. Pierwszą stacją, gdzie ludzie mieszkali przez blisko dziesięć lat (1989–1999) była radziecka stacja Mir, która zakończyła już służbę. Jej następcą została International Space Station, na której ludzie przebywają do dziś. W 2004 SpaceShipOne został pierwszym prywatnym pojazdem w kosmosie podczas lotu suborbitalnego. Tego samego roku prezydent USA George W. Bush ogłosił progam Vision for Space Exploration, który zapowiadał zastąpienie wysłużonych wahadłowców nowymi konstrukcjami, kolejne misje na Księżyc, a w końcu załogową wyprawę na Marsa.