Происхождение солнечной системы. Реферат: Происхождение Солнечной системы

Солнечная система состоит из центрального небесного тела – звезды Солнца, 9 больших планет, обращающихся вокруг него, их спутников, множества малых планет – астероидов, многочисленных комет и межпланетной среды. Большие планеты располагаются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Три последние планеты можно наблюдать с Земли только в телескопы. Остальные видны как более или менее яркие кружки и известны людям со времен глубокой древности.

Один из важных вопросов, связанных с изучением нашей планетной системы – проблема ее происхождения. Решение данной проблемы имеет естественно-научное, мировоззренческое и философское значение. На протяжении веков и даже тысячелетий ученые пытались выяснить прошлое, настоящее и будущее Вселенной, в том числе и Солнечной системы. Однако возможности планетной космологии и по сей день остаются весьма ограниченными – для эксперимента в лабораторных условиях доступны пока лишь метеориты и образцы лунных пород. Ограничены и возможности сравнительного метода исследований: строение и закономерности других планетных систем пока еще недостаточно изучены.

К настоящему времени известны многие гипотезы о происхождении Солнечной системы, в том числе предложенные независимо немецким философом И. Кантом (1724–1804) и французским математиком и физиком П. Лапласом (1749–1827). Точка зрения И. Канта заключалась в эволюционном развитии холодной пылевой туманности, входе которого сначала возникло центральное массивное тело – Солнце, а потом родились и планеты. П. Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность вследствие закона сохранения момента импульса вращалась все быстрее и быстрее. Под действием больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца, превращаясь в результате охлаждения и конденсации в планеты. Таким образом, согласно теории П. Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Несмотря на такое различие между двумя рассматриваемыми гипотезами, обе они исходят от одной идеи – Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта–Лапласа.

Согласно современным представлениям, планеты солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака , окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Такая точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта (1891–1956), который показал, что проблемы космологии можно решить согласованными усилиями астрономии и наук о Земле, прежде всего географии, геологии, геохимии. В основе гипотезы О.Ю. Шмидта лежит мысль об образовании планет путем объединения твердых тел и пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сначала состояло на 98% из водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось: оно сменилось спокойным движением облака вокруг Солнца.

Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого критического значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобретали почти круговые орбиты и в своем росте начали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела, новообразования присоединяли к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на протяжение миллиардов лет.

С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы – Меркурия, Венеры, Земли и Mapca. Их вещество отличается относительно высокой плотностью: в среднем около 5,5 г/см 3 , что в 5,5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты-гиганты : Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Так, масса Урана равна 15 земным массам, а Юпитера – 318. Состоят планеты-гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. Судя по всему, у этих планет нет твердой поверхности, подобной поверхности планет земной группы. Особое место занимает девятая планета – Плутон, открытая в марте 1930 г. По своим размерам она ближе к планетам земной группы. Не так давно обнаружено, что Плутон – двойная планета: она состоит из центрального тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются вокруг общего центра масс.

В процессе образования планет их деление на две группы обусловливается тем, что в далеких от Солнца частях облака температура была низкой и все вещества, кроме водорода и гелия, образовали твердые частицы. Среди них преобладал метан, аммиак и вода, определившие состав Урана и Нептуна. В составе самых массивных планет – Юпитера и Сатурна, кроме того, оказалось значительное количество газов. В области планет земной группы температура была значительно выше, и все летучие вещества (в том числе метан и аммиак) остались в газообразном состоянии, и, следовательно, в состав планет не вошли. Планеты этой группы сформировались в основном из силикатов и металлов.

Процесс образования Солнечной системы нельзя считать досконально изученным, а предложенные гипотезы – совершенными. Например, в рассмотренной гипотезе не учитывалось влияние электромагнитного взаимодействия при формировании планет. Выяснение этого и других вопросов – дело будущего.

Солнце

Центральное тело нашей планетной системы – Солнце – ближайшая к Земле звезда, представляющая собой раскаленный плазменный шар. Это гигантский источник энергии: мощность излучения его очень велика – около 3,86·10 23 кВт. Ежесекундно Солнце излучает такое количество тепла, которого вполне хватило бы, чтобы растопить слой льда, окружающий земной шар, толщиной в тысячу км. Солнце играет исключительную роль в возникновении и развитии жизни на Земле. На Землю попадает ничтожная часть солнечной энергии, благодаря которой поддерживается газообразное состояние земной атмосферы, постоянно нагреваются поверхности суши и водоемов, обеспечивается жизнедеятельность животных и растений. Часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти, природного газа.

В настоящее время принято считать, что в недрах Солнца при огромнейших температурах –около 15 млн. градусов – и чудовищных давлениях протекают термоядерные реакции, которые сопровождаются выделением огромного количества энергии. Одной из таких реакций может быть синтез ядер водорода, при котором образуются ядра атома гелия. Подсчитано, что в каждую секунду в недрах Солнца 564 млн. т водорода преобразуются в 560 млн. т гелия, а остальные 4 млн. т водорода превращаются в излучение. Термоядерная реакция будет происходить до тех пор, пока не иссякнут запасы водорода. В настоящее время они составляют около 60 % массы Солнца. Такого резерва должно хватить по меньшей мере на несколько миллиардов лет.

Почти вся энергия Солнца генерируется в его центральной области, откуда переносится излучением, а затем во внешнем слое – передается конвекцией. Эффективная температура поверхности Солнца – фотосферы – около 6000 К.

Наше Солнце – источник не только света и тепла: его поверхность излучает потоки невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также элементарных частиц. Хотя количество тепла и света, посылаемого на Землю Солнцем, на протяжение многих сотен миллиардов лет остается постоянным, интенсивность его невидимых излучений значительно меняется: она зависит от уровня солнечной активности .

Наблюдаются циклы, в течение которых солнечная активность достигает максимального значения. Их периодичность составляет 11 лет. В годы наибольшей активности увеличивается число пятен и вспышек на солнечной поверхности, на Земле возникают магнитные бури, усиливается ионизация верхних слоев атмосферы и т. д.

Солнце оказывает заметное влияние не только на такие природные процессы, как погода, земной магнетизм, но и на биосферу – животный и растительный мир Земли, в том числе и на человека.

Предполагается, что возраст Солнца не менее 5 млрд лет. Такое предположение основано на том, что в соответствии с геологическими данными наша планета существует не менее 5 млрд лет, а Солнце образовалось еще раньше.

Луна

Подобно тому, как наша Земля обращается вокруг Солнца, вокруг Земли движется Луна – естественный спутник нашей планеты. Луна меньше Земли, ее поперечник составляет около одной четверти земного диаметра, а масса в 81 раз меньше массы Земли. Поэтому сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на нашей планете. Слабая сила притяжения не позволила Луне удержать атмосферу, по той же причине не может быть на ее поверхности и воды. Открытые водоемы быстро испарились бы, а водяной пар улетучился бы в космос.

Поверхность Луны весьма неровная: она покрыта горными хребтами, кольцевыми горами – кратерами и темными хребтами равнинных областей, называемых морями, на которых наблюдаются мелкие кратеры. Предполагается, что кратеры имеют метеоритное происхождение, т. е. образовались в местах падения гигантских метеоритов.

Начиная с 1959 г., когда поверхности Луны впервые достигла советская автоматическая станция «Луна-2», и до настоящего времени космические аппараты принесли немало информации о нашем естественном спутнике. В частности, определен возраст лунных пород, доставленных на Землю космическими аппаратами. Возраст самых молодых пород – около 2,6 млрд. лет, а возраст более древних пород не превосходит 4 млрд. лет.

На поверхности Луны образовался рыхлый слой, покрывающий основную породу – раголит, состоящий из осколков магматических пород, шлакообразных частиц и застывших капель расплавленной магмы. Предполагается, что около 95% пород, покрывающих лунную поверхность, находится в магматическом состоянии.

Температура лунной поверхности составляет 100–400 К. Луна находится на среднем расстоянии от Земли 384400 км. Преодолев такое расстояние, 21 июля 1969 г. американский астронавт Н. Армстронг впервые ступил на поверхность Луны – сбылась давняя сказочная мечта полета человека на Луну.

Планеты земной группы

Объединенные в одну группу планеты: Меркурий, Венера, Земля, Марс, – хотя и близки по некоторым характеристикам, но все же каждая из них имеет свои неповторимые особенности. Некоторые характерные параметры планет земной группы представлены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Среднее расстояние в табл. 5.1 дано в астрономических еденицах (а.е.); 1 а.е. равна среднему расстоянию Земли от Солнца (1 а.е.= 1,5 · 10 8 км.). Самая массивная из данных планет – Земля: ее масса 5,89 · 10 24 кг.

Существенно отличается планеты и составом атмосферы, что видно из табл. 5.2, где приведен химический состав атмосферы Земли, Венеры и Марса.

Таблица 5.2

Меркурий – самая малая планета в земной группе. Эта планета не смогла сохранить атмосферу в том составе, который характерен для Земли, Венеры, Марса. Ее атмосфера крайне разрежена и содержит Ar, Ne, Не. Из табл. 5.2 видно, что атмосфера Земли отличается относительно большим содержанием кислорода и паров воды, благодаря которым обеспечивается существование биосферы. На Венере и Марсе в атмосфере содержится большое количество углекислого газа при очень малом содержании кислорода и паров воды – все это характерные признаки отсутствия жизни на данных планетах. Нет жизни и на Меркурии :отсутствие кислорода, воды и высокая дневная температура (620 К) препятствуют развитию живых систем. Остается открытым вопрос о существовании каких-то форм жизни на Марсе в отдаленном прошлом.

Планеты Меркурий и Венера спутников не имеют. Природные спутники Марса – Фобос и Деймос .

Планеты-гиганты

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун относятся к планетам-гигантам. Юпитер – пятая по расстоянию от Солнца и самая большая планета Солнечной системы – находится на среднем расстоянии от Солнца 5,2 а.е. Юпитер – мощный источник теплового радиоизлучения, обладает радиационным поясом и обширной магнитосферой. Эта планета имеет 16 спутников и окружена кольцом шириной около 6 тыс. км.

Сатурн – вторая по величине планета в Солнечной системе. Сатурн окружен кольцами (см. рис. 5.4), которые хорошо видны в телескоп. Их впервые наблюдал в 1610 г. Галилей с помощью созданного им телескопа. Кольца представляют собой плоскую систему множества мелких спутников планеты. Сатурн имеет 17 спутников и обладает радиационным поясом.

Уран – седьмая по порядку удаления от Солнца планета Солнечной системы. Вокруг Урана вращается 15 спутников: 5 из них открыты с Земли, а 10 – наблюдались с помощью космического аппарата «Вояджер-2». Уран имеет и систему колец.

Нептун – одна из самых удаленных от Солнца планет – находится на расстоянии от него около 30 а.е. Период обращения ее на орбите – 164,8 года. Нептун имеет шесть спутников. Удаленность от Земли ограничивает возможности его исследования.

Планета Плутон не относится ни к земной группе, ни к планетам-гигантам. Это сравнительно небольшая планета: ее диаметр около 3000 км. Плутон принято считать двойной планетой. Его спутник, примерно в 3 раза меньший по диаметру движется на расстоянии всего около 20000 км от центра планеты, совершая один оборот за 4,6 суток.

Особое место в Солнечной системе занимает Земля – единственная живая планета.

5.7. Земля - планета Солнечной системы

И бесчисленных мелких метеорных частиц и пылинок. Девять планет явл. главными спутниками Солнца, но и у них суммарная масса в 743 раза меньше . Суммарная же масса всех остальных малых тел Солнечной системы, включая облако комет, составляет .

Поскольку Солнце явл. одной из , вопросы его происхождения и развития рассматриваются теорией , а в изучении происхождения Солнечной системы наиболее интересен вопрос об образовании планет, в частности Земли. Выяснение происхождения и развития Земли имеет большое принципиальное и практическое значение.

Предпринимаются попытки поиска планетных систем у ближайших к нам звезд (см. ). В согласии с совр. представлениями о звезды с планетными системами могли бы составлять промежуточный класс между одиночными и двойными звездами. Не исключено, что строение планетных систем и способы их формирования могут быть весьма различными. Строение Солнечной системы обладает рядом закономерностей, указывающих на совместное образование всех планет и Солнца в едином процессе.

Такими закономерностями являются: движение всех планет в одном направлении по эллиптич. орбитам, лежащим почти в одной плоскости; вращение Солнца в том же направлении вокруг оси, близкой к перпендикуляру относительно центральной плоскости планетной системы; вращение в том же направлении большинства планет (за исключением Венеры, к-рая очень медленно вращается в обратном направлении, и Урана, к-рый вращается как бы лежа на боку); обращение в том же направлении большинства спутников планет; закономерное возрастание расстояний планет от Солнца; деление планет на родственные группы, отличающиеся по массе, хим. составу и количеству спутников (группа близких к Солнцу планет земного типа и далекие от Солнца планеты-гиганты, также подразделяющиеся на две группы); наличие пояса малых планет между орбитами Марса и Юпитера.

2. Развитие планетной космогонии

В 1775 г. нем. ученый И. Кант пытался объяснить единообразный характер движения планет формированием их из рассеянного вещества (пылевого облака), простирающегося до границ совр. планетной системы и вращающегося вокруг Солнца.

В 1796 г. франц. ученый П. Лаплас выдвинул гипотезу об образовании Солнца и всей Солнечной системы из сжимающейся газовой туманности. Согласно Лапласу, часть газового вещества отделилась от центрального сгустка под действием возросшей при сжатии центробежной силы, что следует из закона сохранения момента количества движения. Это вещество послужило материалом для образования планет. И Кант, и Лаплас рассматривали образование планет из рассеянного вещества, и поэтому часто говорят о единой гипотезе Канта-Лапласа. Гипотеза Лапласа долгое время владела умами ученых, но трудности, с к-рыми она встретилась, в частности при объяснении медленности совр. вращения Солнца, заставили астрономов обратиться к др. гипотезам. В конце 19 в. появилась гипотеза амер. ученых Ф. Мультона и Т. Чемберлена об образовании планет из мелких твердых частиц, названных ими планетезималями. Они ошибочно считали, что обращающиеся вокруг Солнца планетезимали могли возникнуть путем застывания вещества, выброшенного Солнцем в виде огромных протуберанцев. (Такое образование планетезималей противоречит закону сохранения момента количества движения.) В то же время в планетезимальной гипотезе были правильно обрисованы многие черты процесса образования планет. В 20-30-х гг. 20 в. широкой известностью пользовалась гипотеза англ. астронома Дж. Джинса, считавшего, что планеты образовались из вещества, вырванного из Солнца притяжением пролетевшей поблизости звезды. Однако в конце 30-х гг. выяснилось, что гипотеза Джинса не способна объяснить огромные размеры планетной системы. Чтобы вырвать вещество из Солнца, звезда должна была пролететь очень близко от него, а в таком случае это вещество и возникшие из него планеты должны были бы кружиться в непосредственном соседстве с Солнцем. Кроме того, вырванное вещество было бы весьма горячим, поэтому оно скорее рассеялось бы в пространстве, чем собралось в планеты. После крушения гипотезы Джинса планетная космогония вернулась к классич. идеям Канта и Лапласа об образовании планет из рассеянного вещества.

В 1943 г. О.Ю. Шмидт выдвинул идею об аккумуляции планет из роя холодных тел и частиц, к-рый, по его представлениям, был захвачен Солнцем. В отличие от предшествующих космогонич. гипотез, рассматривавших образование планет из раскаленных газовых сгустков, согласно гипотезе Шмидта, Земля образовалась из холодных твердых тел и сначала была относительно холодной.

Шмидт считал, что вопросы происхождения допланетного облака, образования планет и их эволюции могут рассматриваться в нек-рой степени независимо. Работами Шмидта и ряда др. советских ученых (Л.Э. Гуревича, А.И. Лебединского, Б.Ю. Левина, В.С. Сафронова) выяснены осн. черты эволюции протопланетного облака и процесса формирования планет.

Весь процесс можно условно разделить на два этапа. На первом этапе из пылевого компонента облака образовалось множество "промежуточных" тел размером в сотни км. Этот процесс мог идти следующим путем. Во вращающемся газово-пылевом облаке пыль под действием гравитации опускалась к центральной плоскости, что вело к образованию пылевого субдиска; при достижении в пылевом слое критич. плотности в результате субдиск распался на множество пылевых сгущений; столкновения сгущений вызывали объединение и сжатие большинства из них и образование компактных тел астероидных размеров. На втором этапе из роя "промежуточных" тел и из обломков аккумулировались планеты. Сперва тела двигались по круговым орбитами в плоскости породившего их пылевого слоя. Они росли, сливаясь друг с другом и вычерпывая окружающее рассеянное вещество - остатки "первичной" пыли и обломки, образовавшиеся в процессе столкновений "промежуточных" тел с большой относительной скоростью. Гравитационное взаимодействие "промежуточных" тел, усиливавшееся по мере их роста, постепенно изменяло их орбиты, увеличивая ср. эксцентриситет и ср. наклон к центральной плоскости диска. Те из тел, к-рые вырывались вперед в процессе роста, оказались зародышами будущих планет. При объединении многих тел в планеты произошло усреднение индивидуальных св-в движения отдельных тел, и поэтому орбиты планет получились почти круговыми и компланарными. Самые крупные планеты - Юпитер и Сатурн - на осн. стадии аккумуляции вбирали в себя не только твердые тела, но и газы. Анализ процесса аккумуляции планет из роя твердых тел позволил Шмидту и его последователям указать путь к объяснению прямого вращения планет и закона планетных расстояний.

Одним из главных экспериментальных доводов в пользу образования планет земной группы не из газовых или газово-пылевых сгустков, а путем аккумуляции твердого вещества явл. большой дефицит на Земле, а также на Венере и Марсе тяжелых инертных газов Ne, Ar (за исключением радиогенного изотопа 40 Ar), Kr и Xe по сравнению с их солнечным и космич. .

Изучение процесса аккумуляции планет земной группы показало, что практически все твердое вещество из зоны формирования этих планет вошло в их состав и только ничтожно малая доля была выброшена из этой зоны гравитац. возмущениями растущих планет. Количество твердого вещества, выброшенного из зоны планет-гигантов, было больше, но не превышало массу самих планет. Это явл. веским доводом в пользу того, что общая масса протопланетного облака составляла всего неск. % от .

Особой проблемой, служившей пробным камнем для многих космогонич. гипотез, оставалась проблема распределения момента количества движения в Солнечной системе: хотя масса планет составляет менее 1% массы Солнца, в их орбитальном движении заключено более 98% общего момента количества движения всей Солнечной системы.

В 60-х гг. 20 в. появились первые приближенные количеств. теории совместного образования Солнца и протопланетного облака (Ф. Хойл, Великобритания, 1960 г.; А. Камерон, США, 1962 г.; Э. Шацман, Франция, 1967 г.). В этих теориях в той или иной форме рассматривалось отделение вещества от сжимающегося протосолнца вследствие наступления у него ротац. неустойчивости (при уравнивании на экваторе центробежной силы и силы притяжения).

Хойл и Шацман стремились показать расчетами, что протопланетное облако имело минимально допустимую массу. Для объяснения распределения момента количества движения между Солнцем и планетами Хойл использовал интересную идею шведского астрофизика Х. Альвена о возможности магн. сцепления вращающегося Солнца и ионизованного вещества протопланетного облака, благодаря к-рому Солнце может передать момент близлежащим частям протопланетного облака. На б"ольших расстояниях, где магн. поле ослаблено, перенос вещества и момента осуществлялся, по его мнению, с помощью . Эти идеи используются и в современных моделях образования Солнечной системы.

Медленность вращения совр. Солнца Шацман объяснял потерей нек-рой части вещества с поверхности Солнца, происшедшей уже после превращения протосолнца в Солнце. Улетающее ионизованное вещество вплоть до больших расстояний продолжает взаимодействовать с магн. полем вращающегося Солнца и приобретает значит. момент количества движения, к-рый и уносит с собой. Это объяснение медленности вращения Солнца считается наиболее вероятным.

Камерон в своих работах 60-х гг. предполагал, что Солнечная система возникла в результате сжатия (коллапса) межзвездного облака с массой , и развивал теорию эволюции такого облака, обходя молчанием встречающиеся трудности. Массивное протопланетное облако, отделившееся от протосолнца, должно было дополнительно разогреться в результате выделения при его сжатии к центральной плоскости. При этом все вещество облака должно было перейти в газовую фазу. По мере последующего остывания протопланетного облака в нем должна была происходить конденсация сначала наименее летучих, т.е. наиболее тугоплавких, веществ, а затем все более летучих. В более поздних работах Камерон рассматривал протопланетное облако умеренной массы, для к-рого начальная темп-ра в зоне формирования планет земной группы и метеоритов должна была составлять всего неск. сотен o С. В наиболее общем случае "облака малой массы темп-ра должна быть еще ниже. Следствия, вытекающие из этих представлений, были подвергнуты проверке при анализе вещества метеоритов.

Начиная с 70-х гг. 20 в. лабораторные анализы метеоритов, к-рые на протяжении всей своей истории не подвергались сильному нагреву, указывали на присутствие в них вещества, напоминающего, по-видимому, . Его присутствие в количестве хотя бы неск. % теперь уже не вызывает сомнений. Согласно Д. Клейтону (США, 1978 г.), почти вся пыль в первичном протопланетном облаке имела межзвездное происхождение.

Определения изотопного состава земных образцов и метеоритов, а также лунных образцов показали его высокую однородность (за исключением следов фракционирования изотопов при образовании отдельных образцов). Это указывает на хорошую перемешанность осн. массы протопланетного вещества. Однако ряд обнаруженных изотопных аномалий в нек-рых метеоритах свидетельствует о том, что в протопланетном облаке присутствовали порции вещества, не перемешанные с осн. массой вещества. По-видимому, в протопланетном облаке не было полного испарения межзвездной пыли, при к-ром различия изотопного состава были бы сглажены. Еще в 1960 г. исследования изотопного состава Xe из метеоритов выявили присутствие в нем дочернего продукта распада - короткоживущего радиоактивного изотопа 129 I, а в 1965 г. - продуктов распада 244 Pu (периоды полураспада и лет соответственно). Присутствие газообразных химических инертных продуктов распада показывает, что нек-рое время после нуклеосинтеза этих изотопов образовалась твердая фаза, где и произошел распад сохранившейся части этих изотопов. Одним из важнейших процессов нуклеосинтеза и единственным процессом синтеза Pu явл. взрывы . Возникло естеств. предположение, что незадолго до сжатия межзвездного газово-пылевого облака, приведшего к образованию протосолнца с протопланетным диском, неподалеку произошел взрыв сверхновой, инжектирующей в облако свежие продукты нуклеосинтеза. Присутсвие в метеоритах продуктов распада изотопов 129 I и 244 Pu интерпретировалось как указание на то, что между взрывом сверхновой и образованием твердого метеоритного вещества прошло всего неск. периодов полураспада, т.е. время ~ 10 7 -10 8 лет. Этот промежуток времени, названный интервалом формирования, был сокращен до 10 6 -10 7 лет, когда удалось выявить в ряде метеоритов присутсвие продуктов распада еще более короткоживущих изотопов - 26 Al и 107 Pd (периоды полураспада и лет).

Если исходить из идеи о сохранении межзвездных пылинок, понятие "интервал формирования" теряет свой смысл. Конденсация твердого веществав и образование пылинок начинаются еще на стадии разлета продуктов взрыва сверхновой, и количество продуктов распада короткоживущих изотопов, присутствующих в метеоритном веществе, зависит от доли свежей пыли, инжектированной в межзвездное облако либо перед его сжатием (коллапсом), либо в уже сформировавшееся допланетное облако. Камерон и С. Труран (США, 1970 г.) предложили, что взрыв близко расположенной сверхновой не только инжектировал свежее вещество в протосолнечную туманность, но и содействовал ее сжатию.

Достижения астрофизики и планетологии в 70-х гг. 20 в.: первые расчеты коллапса, учитывающие вращение сжимающихся протозвезд; исследование областей совр. звездообразования в Галактике; снимки поверхностей планет Солнечной системы и их спутников, изобилующих ударными кратерами, - наглядно свидетельствуют о правильности общих основ совр. теории формирования планет.

Наряду с исследованиями, определяющими генеральную линию развития планетной космогонии, существуют представления, не пользующиеся широким признанием. Так, Альвен разрабатывает с 40-х гг. 20 в. гипотезу о том, что образование планетной системы на всех этапах определялось в основном эл.-магн. силами. Для этого молодое Солнце должно было обладать очень сильным магн. полем, в тысячи раз более сильным, чем современное. Газы межзвездного облака, падавшего к Солнцу под действием его притяжения, постепенно ионизовались и по мере ускорения своего падения под влиянием магн. поля Солнца переходили от падения к обращению вокруг Солнца. Первыми на больших расстояниях от Солнца должны были ионизоваться металлы и др. вещества, обладающими низкими потенциалами , а последним ближе всего к Солнцу должен был ионизоваться водород. Хим. состав планет дает обратную картину распределения водорода и более тяжелых элементов. Вследствие этого и искусственности ряда др. предположений гипотеза Альвена почти не имеет сторонников.

Англ. ученый М. Вульфсон в 60-70-х гг. 20 в. пытался развивать гипотезу, согласно к-рой приобретение Солнцем протопланетного вещества объяснялось сочетанием приливного воздействия и захвата: Солнце захватило сгустки вещества, вырванного его притяжением из пролетавшей мимо разреженной протозвезды. Как и гипотеза Джинса, эта схема имеет много слабых мест и не пользуется популярностью.

3. Современное состояние планетной космогонии:
Образование Солнца и протопланетного облака

Данные, накопленные астрофизикой, говорят о том, что звезды, в т.ч. и звезды солнечного типа, образуются в газово-пылевых комплексах с массой . Примером такого комплекса явл. известная туманность Ориона, где звезды продолжают образовываться. По-видимому, и Солнце образовалось с группой звезд в ходе сложного процесса сжатия и фрагментации подобной массивной туманности.

Начавшее сжиматься массивное облако, участвующее в общем вращении Галактики, не может сжаться до высокой плотности из-за большого момента вращения. Поэтому оно стремится распасться на отдельные фрагменты. Часть момента вращения при этом переходит в момент относительного движения фрагментов. Процесс последовательной фрагментации, сопровождаемый беспорядочными (турбулентными) движениями, ударными волнами, запутыванием магн. полей, приливным взаимодействием фрагментов, сложен и понят далеко не достаточно. Однако эволюция изолированного фрагмента, имеющего массу и обладающего не слишком большим начальным моментом вращения K (), уже может быть прослежена путем расчетов на ЭВМ. Расчеты показывают, что при большом моменте вращения вместо протозвезды может возникнуть неустойчивое кольцо, разбивающееся на фрагменты. Таким путем, возможно, формируются кратные звезды. При много меньшем значении K более вероятно образование одиночной звезды. В 80-е гг. 20 в. появились детальные расчеты по образованию около сжимающейся протозвезды (Солнца) уплощенного газово-пылевого диска. В экваториальной области сжимающейся протозвезды должна существовать область с интенсивным перераспределением момента вращения. В случае эффективной турбулентности, вызванной продолжающейся аккрецией газа, все новые порции вещества с избыточным моментом выносятся наружу, образуя вращающийся газово-пылевой диск. Часть вещества из сжимающейся оболочки аккрецирует непосредственно на диск. Не исключено, что в зависимости от начальных условий в туманности, влияния соседних фрагментов, а также вспыхивающих поблизости новых и сверхновых звезд массы и размеры образующихся дисков могут варьировать в широких пределах. Важную роль в ранней эволюции таких дисков играет активность молодой звезды - ее излучение в рентг. и УФ-диапазонах, общая светимость и интенсивность . Имеются данные, что рентг. и УФ-излучение молодых звезд солнечной массы может на порядки превышать интенсивность коротковолнового излучения совр. Солнца. С использованием ур-ний гидродинамики были построены модели околосолнечного газово-пылевого диска, вращающегося вокруг такого активного Солнца. Согласно этим моделям, темп-ра в центральной плоскости диска падает с расстоянием от Солнца как r -1 -r -1/2 , составляя 300-400 К на расстоянии r =1 а.е. и лишь десятки кельвинов на а.е. Внеш. разреженные слои диска могли нагреваться коротковолновым излучением Солнца до очень высоких темп-р, что вело к потере газа (его рассеянию в межзвездное пространство). Этому процессу способствовал также интенсивный солнечный ветер. Однако структуру внутренних, более холодных областей диска хорошо отражает модель, положенная в основу исследований Шмидта и его сотрудников.

Процесс образования планет и их спутников

При моделировании отдельных стадий эволюции протопланетного облака и образования планет (рис.) большое внимание уделяется начальной стадии - опусканию пылинок в центральной плоскости диска и их слипанию в условиях допланетного облака. От быстроты роста пылинок зависит время их опускания и образование уплощенного пылевого диска. Последующий распад пылевого диска, образование пылевых сгущений и их превращение в рой компактных тел астероидных размеров с космогонич. точки зрения был весьма быстрым (0,15 аккумулирующиеся тела сливаются в единый звездообразный спутник Солнца. Это явл. еще одним подтверждением правильности модели маломассивного допланетного облака. Численное моделирование в принципе позволяет определять одновременно распределение масс и распределение скоростей допланетных тел. Однако сложность учета гравитац. взаимодействия многих тел долгое время не позволяла получать надежные результаты. Недавно Дж. Везерил (США) проделал весьма трудоемкие расчеты динамики роя тел в "зоне питания" планет земной группы, к-рые подтвердили как характер распределения скоростей на заключительном этапе роста планет, так и время аккумуляции Земли (~ 10 8 лет), оценивавшиеся ранее аналитич. методами. Процесс образования планет земной группы прослежен уже достаточно детально. Получаемым методом численного моделирования расстояния между планетами, их массы, периоды собств. вращения, наклоны осей удовлетворительно согласуются с наблюдениями. Процесс образования планет-гигантов был более сложным, и многие его детали еще предстоит выяснить. Существуют две гипотезы о пути формирования Юпитера и Сатурна, содержащих много водорода и гелия (по своему составу они ближе к Солнцу, чем др. планеты). Первая гипотеза ("контракции") объясняет "солнечный" состав планет-гигантов тем, что в протопланетном диске большой массы образовались массивные газово-пылевые сгущения - протопланеты, к-рые затем в процессе гравитац. сжатия превратились в планеты-гиганты. Эта гипотеза не объясняет удаления из Солнечной системы больших излишков вещества, не вошедшего в планеты, а также причин отличия состава Юпитера и Сатурна от солнечного (Сатурн содержит больше тяжелых хим. элементов, чем Юпитер, к-рый, в свою очередь, содержит их относительно больше, чем Солнце). Согласно второй гипотезе ("аккреции"), образование Юпитера и Сатурна протекало в два этапа. На первом, длившемся ок. лет с области Юпитера и лет в области Сатурна, происходила аккумуляция твердых тел таким же образом, как в области планет земной группы. Когда самые крупные тела достигли критич. массы (ок. двух масс Земли), начался второй этап - газа на эти тела, длившийся не менее 10 5 -10 6 лет. На первом этапе из области Юпитера диссипировала часть газа, и его состав оказался отличным от солнечного; еще больше это проявилось у Сатурна. На стадии аккреции наибольшая темп-ра наружных слоев Юпитера достигала 5000 К, а у Сатурна - ок. 2000 К. Значит. прогревание Юпитером своей окрестности определило силикатный состав его близких спутников. Согласно гипотезе контракции на ранней стадии планеты-гиганты также имели высокие темп-ры, однако динамика процессов в рамках гипотезы аккреции более обоснована. Образование Урана и Нептуна, содержащих всего 10-20% H и He, также лучше объясняется второй гипотезой. К моменту достижения ими критич. массы (за время ~ 10 8 лет) б"ольшая часть газа уже покинула Солнечную систему.

Малые тела Солнечной системы - и - представляют собой остатки роя "промежуточных" тел. Астероиды - это каменистые тела внутр. околосолнечной зоны, кометы - каменисто-ледяные тела зоны планет-гигантов. Массы планет-гигантов еще до завершения их роста стали столь большими, что своим притяжением начали очень сильно изменять орбиты пролетавших мимо них малых тел. В результате нек-рые из них приобрели очень вытянутые орбиты, в т.ч. и орбиты, уходящие далеко за пределы планетной системы. На тела, удалявшиеся дальше 20-30 тыс. а.е. от Солнца, заметное гравитац. воздействие оказывали ближайшие звезды. В большинстве случаев воздействие звезд приводило к тому, что малые тела переставали заходить в область планетных орбит. Планетная система оказалась окруженной роем каменисто-ледяных тел, простирающимся до расстояний 10 5 а.е. (~ 1 пк) и являющимся источником ныне наблюдаемых комет. Существование кометного облака установил нидерландский астроном Я. Оорт (1950 г.). Влияние ближайших звезд может иногда столь сильно возмутить орбиту каменисто-ледяного тела, что оно уйдет совсем из Солнечной системы, а иногда может перевести его на орбиту, проходящую в окрестности Солнца. Вблизи Солнца ледяные тела начинают испарятсья под действием его лучей и становятся видимыми - возникает явление кометы.

Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Аналогичные каменистые тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно присоединились к этим планетам либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены за пределы этой зоны благодаря гравитац. воздействию планет.

Крупнейшие из совр. астероидов - поперечником в 100 км и более - образовались еще в эпоху формирования планетной системы, а средние и мелкие в большинстве своем явл. обломками крупных астероидов, раздробившихся при столкновениях. Благодаря столкновениям астероидных тел непрерыво пополняется запас пылевого вещества в межпланетном пространстве. Др. источником мелких твердых частиц явл. распад комет при пролете их вблизи Солнца.

Недра "первичных" крупных астероидов подвергались, по-видимому, разогреву примерно до 1000 o С, что отразилось на составе и структуре их вещества. Мы знаем об этом благодаря тому, что на поверхность Земли выпадают мел-кие обломки астероидов - , состав и физ. св-ва к-рых указывают, что они прошли стадии нагрева и дифференциации вещества. Причины разогрева астероидов до конца не ясны. Возможно, нагрев был связан с выделением теплоты при распаде короткоживущих радиоактивных изотопов; астероиды могли быть также нагреты взаимными столкновениями.

Нек-рые метеориты представляют собой наилучшие из доступных нам образчиков "первичного" планетного вещества. По сравнению с земными горными породами они несравненно меньше изменены последующими физ.-хим. процессами. Возрасты метеоритов, определяемые по содержанию радиоактивных элементов и продуктов их распада, характеризуют в то же время возраст всей Солнечной системы. Он оказывается равным ок. 4,6 млрд. лет. Следовательно, длительность процесса формирования планет незначительна по сравнению с временем их дальнейшего существования.

Происхождение систем регулярных спутников планет, движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора, авторы космогонич. гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, к-рый они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Системы регулярных спутников имеются у Юпитера, Сатурна и Урана, к-рые обладают также кольцами из мелких твердых частиц. У Нептуна нет регулярной системы спутников и, по-видимому, нет колец. Совр. планетная космогония объясняет образование регулярных спутников эволюцией протоспутниковых дискообразных poев частиц, возникших в результате неупругих столкновений вблизи данной планеты планетезималей, двигавшихся по околосолнечным орбитам.

В системе регулярных спутников Юпитера имеется деление на две группы: силикатную и водно-силикатную. Различия в хим. составе спутников показывают, что молодой Юпитер был горячим (нагрев мог быть обусловлен выделением гравитац. энергии при аккреции газа). В системе спутников Сатурна, состоящих в основном из льда, нет деления на две группы, что связано с более низкой темп-рой в окрестностях Сатурна, при к-рой могла конденсироваться вода.

Происхождение иррегулярных спутников Юпитера, Сатурна и Нептуна, т. е. спутников, обладающих обратным движением, а также небольшого внеш. спутника Нептуна, обладающего прямым движением по вытянутой орбите, объясняют захватом.

У медленно вращающихся планет Меркурия и Венеры спутников нет. Они, по-видимому, испытали приливное торможение со стороны планеты и упали в конце концов на её поверхность. Действие приливного трения проявилось также в системах Земля-Луна и Плутон-Харон, где спутники, образуя с планетой двойную систему, всегда повёрнуты к планете одним и тем же полушарием.

Объяснение происхождения Луны потребовало детального исследования св-в околоземного роя частиц, существование к-рого поддерживалось в течение всего времени аккумуляции Земли неупругими столкновениями частиц в ее окрестностях.

Образование роя достаточной массы возможно лишь за счёт многочисл. столкновений наиболее мелкой фракции межпланетных частиц. Динамика роя позволяет подойти к объяснению различий в хим. составе Луны и Земли, черпавших вещество из одной и той же зоны. Преимуществ. попадание в рой мелких частиц могло одновременно привести к обогащению роя силикатным веществом, т. к. именно каменистые тела при столкновениях образуют мелкую пыль (в отличие от металлич. тел). На стадии мелкодисперсного вещества могли быть частично потеряны и летучие вещества, дефицит к-рых был обнаружен в лунных породах. Из спутникового роя могла образоваться система из неск. крупных спутников, орбиты к-рых с разной скоростью эволюционировали под действием приливного трения и к-рые в конечном счете объединились в одно тело - Луну. Анализ состава и определения возраста доставленных в 70-х гг. 20 в. на Землю лунных пород показал, что Луна еще в ходе своего образования или вскоре после этого была разогрета и прошла магматич. дифференциацию, в результате к-рой сформировалась лунная кора. Изобилие крупных ударных кратеров на материковой части лунной поверхности показывает, что кора успела затвердеть ещё до того, как затухла интенсивная бомбардировка Луны формировавшими ее телами. Слияние Луны из неск. крупных тел (протолун) дает быстрое нагревание до 1000 К ее поверхностного слоя толщиной в сотни км, что лучше согласуется с ранней дифференциацией вещества Луны. При медленной аккумуляции Луны из мелких частиц выделившейся гравитац. энергии недостаточно для требуемого нагрева Луны. Альтернативные гипотезы нагрева Луны в результате распада короткоживущих радиоактивных изотопов и нагрева электрич. токами, индуцированными интенсивным солнечным ветром, требуют неприемлемо быстрого образования Луны на самом раннем этапе формирования Солнечной системы. Итак, наиболее вероятным представляется образование Луны на околоземной орбите, однако в литературе продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой Луны и отделения Луны от Земли.

Заметное различие ср. плотности планет земного типа связано, по-видимому, со значит. различием общего содержания Fe и содержания металлич. Fe. Высокая плотность Меркурия (5,4 г/см 3) указывает на то, что он содержит до 60-70% металлич. никелистого железа, тогда как низкая плотность Луны (3,34 г/см 3) указывает на отсутствие в ней значит. количеств металлич. железа (менее 10-15%). Содержание богатого железом сплава в Земле составляет ок. 32%, в Венере - ок. 28%.

В 70-е гг. 20 в., одновременно с развитием представлений о последовательной конденсации различных веществ в остывающем протопланетном облаке, появилась гипотеза неоднородной (гетерогенной) аккумуляции планет, согласно к-рой полная аккумуляция нелетучих веществ в несколько крупных тел - ядер будущих планет - успевала произойти до заметного дальнейшего остывания облака и конденсации других, более летучих веществ. По этой гипотезе, формирующиеся планеты с самого начала оказываются слоистыми. В сочетании с предположением о конденсации сначала металлич. железа, а затем силикатов гипотеза гетерогенной аккумуляции объясняла возникновение железных ядер у Земли и Венеры. Однако она игнорировала надежные астрофизич. оценки скорости остывания облака: остывание должно происходить несравненно быстрее, чем аккумуляция продуктов конденсации. Выдвигалась также гипотеза, что ядра Земли и Венеры состоят в основном из силикатов и окислов, перешедших под действием давления вышележащих слоев в плотное металлич. состояние. В этом случае ядра Земли и Венеры содержали бы всего неск. % металлич. железа, т.е. приблизительно столько же, сколько ядро Луны, но меньше, чем ядро Марса (давление в недрах Марса и Луны заведомо слишком мало для перехода силикатов в металлич. состояние). Эксперименты по статич. сжатию вещества до давлений, близких к давлениям в ядрах Земли и Венеры, пока не позволяют сделать определенного вывода о возможности таких фазовых переходов с достаточно большим скачком плотности.

По-видимому, образование ядер у планет земной группы произошло вследствие отделения богатого железом расплава от ферромагнезиальных силикатов. Физикохимия процесса отделения железного расплава и динамика опускания его к центру планеты изучены пока недостаточно. В работах, посвященных анализу процесса расслоения первично однородных планет, наибольшее число расчетов проводится для Земли.

Начальное состояние и эволюция Земли

Земля росла из роя "промежуточных" тел, двигавшихся в широкой области между орбитами Венеры и Марса. Отличия в составе и плотности планетезималей были достаточно велики, на что указывает разность ср. плотностей этих планет. При падении тел на протоземлю они от удара разрушались, происходил нагрев вещества, сопровождавшийся дегазацией и дегидратацией. В результате перемешивания вещества при ударах хим. неоднородности частично сглаживались. Удары тел с размерами в десятки и более км приводили к накоплению существенной доли энергии на большой глубине, что являлось осн. источником нагрева планеты. Дополнит. разогрев происходил вследствие распада радиоактивных элементов и сжатия вещества под увеличивающимся давлением вышележащих (нарастающих) слоев. Согласно расчетам, центральная область Земли к концу ее образования была нагрета до 1000-1500 К, что меньше темп-ры плавления пород на этих глубинах. (В недрах планеты темп-ра плавления увеличивается с глубиной вследствие роста давления.) На глубинах 50-2000 км темп-ра превосходила темп-ру плавления железа, однако в целом ещё дифференцированное вещество вряд ли находилось в жидком состоянии. Поверхность же Земли вследствие быстрой теплоотдачи имела достаточно низкую темп-ру, уже тогда допускавшую существование первичных водных бассейнов. По-видимому, уже на заключит. этапах аккумуляции Земли началась крупномасштабная дифференциация вещества - отделение и уход в нижние горизонты тяжелых компонентов. Гравитац. энергия, выделявшаяся при расслоении Земли, в результате конвективных движений масс переносилась к поверхности Земли и содействовала ее обновлению, о чем говорит отсутствие на земной поверхности древнейших пород, с возрастами 3,8-4,5 млрд. лет. Не исключено, что разрушение первичной коры связано, как и у Луны, с поздней бомбардировкой падавшими телами. Наиболее легкие вещества всплывали ("выдавливались") на поверхность, постепенно слагая наружный слой земного шара - земную кору. Это был длит. процесс (неск. млрд. лет), к-рый в разных местах земного шара протекал по-разному, что привело к образованию участков с толстой корой (материков) и участков с тонкой корой (океанич. впадин). Земная кора отличается и по составу, и по плотности от подстилающего ее вещества мантии Земли. Плотность коры составляет 2,7-2,8 г/см 3 , а плотность верхней мантии (приведённая к нулевому давлению) ок. 3,3-3,5 г/см 3 . Скачок плотности на границе ядра превышает 4 г/см 3 . Плотность вещества ядра несколько меньше плотности Fe при этих давлениях, что указывает на присутствие в нем какой-то более легкой примеси.

Разогревание Земли сопровождалось выделением газов и водяных паров, содержащихся в небольшом количестве в земных каменистых веществах. Прорвавшись на поверхность, водяные пары сконденсировались в воды морей и океанов, а газы образовали атмосферу, состав к-рой первоначально существенно отличался от современного. Состав совр. земной атмосферы в значит. мере обусловлен существованием на Земле жизни (биосферы). Нек-рую роль в образовании гидросферы и атмосферы, возможно, сыграли падавшие на Землю ледяные ядра комет.

Процесс хим. расслоения земных недр происходит и сейчас. Легкие расплавы в виде магмы поднимаются из мантии в кору. Они частично застревают и застывают внутри земной коры, а частично прорывают кору и в виде лавы изливаются наружу при вулканич. извержениях. Перемещения вещества в недрах Земли проявляются в виде подъемов и опусканий больших участков поверхности, горизонтальных перемещений отдельных плит, на к-рые расчленена земная кора, в виде процессов вулканизма и горообразования, а также землетрясений.

Лит.:
Шмидт О.Ю., Четыре лекции о теории происхождения Земли, 3 изд., М., 1957; Левин Б.Ю., Происхождение Земли и планет, 4 изд., М., 1964; Сафронов В.С., Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет, М., 1969; Вуд Дж., Метеориты и происхождение солнечной системы, пер. с англ., М., 1971; Рускол Е.Л., Происхождение Луны М., 1975; Альвен X., Аррениус Г. Эволюция солнечной системы, пер. с англ. М., 1979; Спутники планет, пер. с англ., М. 1980; Протозвезды и планеты, пер. с англ, ч. 1-2, М., 1982.

(Б.Ю. Левин, А.В. Витязев )

Солнечная система уникальна, а ее происхождение - это на сегодняшний день не открытая до конца тайна, хотя ученые многие века пытаются воспроизвести картину ее создания. Мы можем лишь принимать или отвергать современные точки зрения на происхождение Солнечной системы, но для человечества оно все равно еще многие столетия будет представлять загадку. Тем не менее, есть несколько научных предположений о ее возникновении, которые мы рассмотрим в этой статье.

Немецкий философ Кант в XVIII веке предположил, что Солнечная система образовалась из облака многочисленных холодных частиц, находящихся в беспрерывном и хаотичном движении. Другой ученый, француз Лаплас, в 1796 году высказал предположение о том, что происхождение Солнечной системы связано с постоянно вращающейся туманностью, полностью состоящей из газа.

Интересные гипотезы происхождения Солнечной системы высказывали различные ученые во все времена. В частности, английский астроном Хойл утверждает, что Солнце в момент рождения представляло собой сгусток газопылевой туманности, в котором существовало магнитное поле. Вначале он вращался с большой скоростью, а позже из-за влияния магнитного поля его вращение начало снижаться.

Еще одна была выдвинута О. Ю. Шмидтом. Как предполагает ученый, средой, которая служит для образования планет, является фрагмент межзвездного облака, состоящего из газопылевой смеси. В нем в результате хаотичных столкновений частиц образуются многочисленные сгущения. Крупные образования постепенно увеличиваются в размерах и становятся плотнее. Именно так с его точки зрения образуются «зародыши» будущих планет. Удары, которые происходят при их столкновениях, способствуют тому, что их орбиты становятся похожими на окружности, а со временем их движение вокруг Солнца приобретает устойчивый характер.

Солнечная система и ее происхождение изучаются во многих известных институтах мира. Проходящие ежегодно международные конгрессы включают в программу обязательное обсуждение этого вопроса, а в дискуссиях уже неоднократно принимали участие ведущие российские специалисты из Геофизического института при Академии наук.

Углубленным исследованиям по теме «Солнечная система и ее происхождение» отводится важное место, а средства для их проведения выделяются из государственного бюджета. Наступит момент, и благодаря неустанным трудам ученых завеса тайны приоткроется, чтобы смогло узнать еще больше о происхождении нашей удивительной планеты.

НАШЕ МЕСТО ВО ВСЕЛЕННОЙ

Это сейчас люди достаточно "легко" представляют себе свое место в безграничных просторах Космоса.
Они шли к таким представлениям многие тысячи лет - от первых вопрошающих взглядов первобытного человека на ночное небо Земли, до создания мощнейших телескопов во всех диапазонах частот ЭМ-колебаний.

Для исследования свойств космического пространства сейчас используются так же другие типы волновых процессов (гравитационные волны) и элементарные частицы (нейтринные телескопы). Используются космические разведчики - межпланетные космические аппараты, которые продолжают свою работу уже за пределами Солнечной системы и несут сведения о нашей планете тем обитателям Галактики (Вселенной), которые станут обладателями этих КА в будущем.

Изучая природу (др. греч. φύσις ), человечеству пришлось переходить от простого созерцания и мудрствования (натуральная философия) к созданию полноценной науки — физики — экспериментальной и теоретической (Г. Галилей). Физика смогла предсказывать будущее в развитии природных процессов.

Физика по своей сути является основой для всех наук, в том числе и математики, которая не может существовать отдельно от природы, поскольку черпает свои темы из природы и является инструментом для ее исследования. По мере разгадывания тайн движения планет были созданы новые разделы математики (И. Ньютон, Г. Лейбниц), которые с большим успехом используют сейчас во всех без исключения разделах деятельности людей, в том числе и в познании законов мироздания. Понимание этих законов и позволило определить наше место во Вселенной.

Процесс познания продолжается и не может остановиться, пока существует человек и его природное любопытство - он хочет знать, из чего всё сделано и как устроено (галактики, звезды, планеты, молекулы, атомы, электроны, кварки...), откуда всё берётся (физический вакуум), куда исчезает (чёрные дыры) и т.д. Для этого учёными создаются новые физико-математические теории, например, теория суперструн (М– теория)
(Э. Виттен, П. Таунсенд, Р. Пенроуз и др.), которые объясняют устройство и Макро– и Микромиров.

Итак, наша Галактика (Млечный путь) входит в так называемую местную группу галактик. Размеры галактик и расстояния между ними громадны и требуют специальных единиц измерения (см. в колонке справа).

наши соседи из местной группы галактик (увеличить картинку )

Наша Галактика — Млечный путь представляет собой гигантский диск, состоящий из звезд разного типа, звездных скоплений, межзвездного вещества, состоящего из различного типа излучений, элементарных частиц, атомов и молекул, тёмной материи, над тайной которой бьются сейчас астрофизики. В центре нашей Галактики существует чёрная дыра (по крайней мере одна) — ещё одна из астрофизических проблем современности.

На схема ниже показано устройство Галактики (рукава, ядро, гало), её размеры и место, которое занимают в ней Солнце, Земля и другие планеты — спутники Солнца.

расположение Солнечной системы в Галактике Млечный путь (схема)
увеличить картинку

схема рукавов (ветвей) Млечного пути (Солнечная система выделена)
увеличить картинку

КОСМОГОНИЯ (греч. κοσµογόνια от греч. κόσµος - порядок, мир, Вселенная и γονή - рождение - происхождение мира) - раздел астрономии, посвященный происхождению и развитию небесных тел.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Полноценной теории образования Солнечной системы до сих пор не существует. Все гипотезы, начиная с Р. Декарта (1644), существовали определённое время, и когда они не могли объяснить некоторые явления, происходящие в Солнечной системе то, либо отвергались полностью, либо развивались и дополнялись другими учеными.

Первая серьезная космогоническая гипотеза о происхождении Солнечной системы была создана и опубликована в 1755 г. немецким философом Иммануилом Кантом (1724-1804), считавшим, что Солнце и планеты сформировались из твердых частиц огромного облака, которые сближались и слипались между собой под действием взаимного тяготения.

Вторая космогоническая гипотеза была выдвинута в 1796 г. французским физиком и астрономом Пьером Симоном Лапласом (1749-1827). Принимая кольцо Сатурна за газовое, отделившееся от планеты при ее вращении вокруг оси, Лаплас полагал, что Солнце возникло из газовой туманности, скорость вращения которой увеличивалась при ее сжатии, и из-за этого от Солнца отделялись кольца газового вещества (похожие на кольца Сатурна), породившие планеты.

Эта гипотеза просуществовала более 100 лет. Однако, подобно гипотезе Канта, она была отвергнута, так как не объясняла закономерностей Солнечной системы. А достоверная гипотеза должна объяснить следующие основные закономерности Солнечной системы:

1) планеты обращаются вокруг Солнца по почти круговым орбитам, мало наклоненным к плоскости земной орбиты, составляющей с плоскостью солнечного экватора угол в 7° (исключение - [карликовая] планета Плутон, орбита которой наклонена к плоскости земной орбиты на 17°);

2) планеты обращаются вокруг Солнца в направлении его вращения вокруг оси (с запада к востоку), и в этом же направлении вращается большинство планет (исключение - Венера, Уран и Плутон, вращающиеся с востока к западу);

3) масса Солнца составляет 99,87% массы всей Солнечной системы;

4) произведение массы каждой планеты на ее расстояние от Солнца и ее орбитальную скорость называется моментом импульса этой планеты; произведение массы Солнца на его радиус и линейную скорость вращения представляет собой момент импульса Солнца. В общей сумме эти произведения дают момент импульса Солнечной системы, из которого 98% сосредоточено в планетах, а на долю Солнца приходится лишь 2%, т.е. Солнце вращается очень медленно (линейная скорость его экватора равна 2 км/с);

5) физические свойства планет земной группы и планет-гигантов различны.

Гипотезы Канта и Лапласа не смогли объяснить всех этих закономерностей и поэтому были отвергнуты.
Так, например, Нептун удален от Солнца на среднее расстояние d = 30 а.е. и его линейная скорость по орбите v = 5,5 км/с. Следовательно, при отделении породившего его кольца Солнце должно было иметь такой же радиус и такую же линейную скорость своего экватора.
Сжимаясь далее, Солнце последовательно порождало другие планеты, и в настоящее время имеет радиус R≈0,01 а.е.
Согласно законам физики, линейная скорость солнечного экватора должна была бы быть

т.е. во много превосходить действительную скорость 2 км/с. Уже этот пример показывает несостоятельность гипотезы Лапласа.

В начале XX в. были выдвинуты и другие гипотезы, но все они оказались несостоятельными, так как не смогли объяснить всех основных закономерностей Солнечной системы.

По современным представлениям, образование Солнечной системы связано с формированием Солнца из газопылевой среды. Считается, что газопылевое облако, из которого около 5 млрд. лет назад образовалось Солнце, медленно вращалось. По мере сжатия скорость вращения облака увеличивалась, и оно приняло форму диска. Центральная часть диска дала начало Солнцу, а его внешние области - планетам. Этой схемой вполне объясняется различие в химическом составе и массах планет земной группы и планет-гигантов.

Действительно, по мере разгорания Солнца легкие химические элементы (водород, гелий) под действием давления излучения покидали центральные области облака, уходя к его периферии. Поэтому планеты земной группы сформировались из тяжелых химических элементов с малыми примесями легких и получились небольших размеров.

Из-за большой плотности газа и пыли излучение Солнца слабо проникало к периферии протопланетного облака, где царила низкая температура и пришедшие газы намерзали на твердые частицы. Поэтому далекие планеты-гиганты сформировались крупными и в основном из легких химических элементов.

Эта космогоническая гипотеза объясняет и ряд других закономерностей Солнечной системы, в частности распределение ее массы между Солнцем (99,87%) и всеми планетами (0,13%), современные расстояния планет от Солнца, их вращение и др.

Она разработана в 1944-1949 гг. советским академиком Отто Юльевичем Шмидтом (1891-1956) и впоследствии развита его сотрудниками и последователями.

Пересказ истории рождения нашей Солнечной системы весьма однообразен уже многие годы. Все началось миллиарды лет назад с темного и медленно вращающегося облака газа и пыли. Облако сжималось, образуя в своем центре Солнце. Со временем из остатков газа и твердых обломков, крутившихся вокруг нашей звезды, сформировались восемь планет и множество меньших тел, таких как . С тех пор планеты кружат вокруг Солнца и их движения точны и предсказуемы, как часовой механизм.

В последнее время астрономы обнаруживают факты, опровергающие эту старую сказку. По сравнению с устройством тысяч недавно обнаруженных экзопланетных систем наиболее характерные черты нашей Солнечной системы - ее внутренние каменистые планеты, внешние газовые гиганты и отсутствие планет внутри орбиты Меркурия - выглядят довольно странно. Моделируя на компьютерах прошлое, мы видим, что эти причуды стали продуктом бурной молодости. Необходимо переписать историю Солнечной системы, включив в нее гораздо больше драмы и хаоса, чем большинство из нас ожидали.

Новый вариант истории повествует о блуждающих планетах, изгнанных из родных мест, о потерянных мирах, сгинувших давным-давно в огненном пекле Солнца, и об одиноких гигантах, заброшенных в холодные глубины у границы межзвездного пространства. Изучая эти древние события и оставшиеся после них «шрамы» - вроде предполагаемой девятой планеты, которая может скрываться за орбитой Плутона, - астрономы выстраивают стройную картину важнейших формообразующих эпох Солнечной системы на фоне нового понимания космических процессов.

Классическая Солнечная система

Планеты- это побочный продукт формирования звезд, протекающего в недрах гигантских молекулярных облаков, превосходящих наше Солнце по массе в 10 тыс. раз. Отдельные уплотнения в облаке под действием гравитации сжимаются, образуя в своем центре светящуюся протозвезду, окруженную широким непрозрачным кольцом из газа и пыли - протопланетным диском.

Многие десятилетия теоретики моделировали протопланетный диск нашего Солнца, пытаясь объяснить одну из важнейших особенностей Солнечной системы: ее деление на группы каменистых и газовых планет. Орбитальные периоды четырех землеподобных планет заключены между 88-дневным Меркурием и 687-дневным Марсом. В отличие от этого известные газовые гиганты находятся на гораздо более далеких орбитах с периодами от 12 до 165 лет и все вместе более чем в 150 раз превосходят по массе планеты земной группы.

Оба типа планет, как полагают, родились в едином процессе формирования, в котором твердые пылинки, мчась в турбулентном вихре газового диска, сталкивались и слипались, образуя тела километрового масштаба - планетезимали (примерно так на неподметенном полу вашей кухни воздушные потоки и электростатические силы скатывают пылевые шарики). Самые крупные планетезимали обладали наибольшим гравитационным притяжением и росли быстрее других, притягивая мелкие частицы к своей орбите. Вероятно, в течение миллиона лет в процессе сжатия из облака протопланетный диск нашей Солнечной системы, как и любой другой во Вселенной, кишел планетными эмбрионами размером с Луну.

Самый крупный эмбрион располагался непосредственно за современным поясом астероидов, достаточно далеко от света и тепла новорожденного Солнца, где в протопланетном диске сохранялись льды. За этой «границей льдов» эмбрионы могли пировать на обильных россыпях планетостроительных льдов и вырастать до огромных размеров. Как водится, «богатые становятся богаче»: крупнейший эмбрион рос быстрее других, выгребая своим гравитационным полем большую часть доступного льда, газа и пыли из окружающего диска. Всего лишь примерно за миллион лет этот жадный эмбрион вырос настолько, что стал планетой Юпитер. Как думали теоретики, то был решающий момент, когда архитектура Солнечной системы разделилась надвое. Отстав от Юпитера, другие планеты-гиганты Солнечной системы оказались мельче, поскольку они росли медленнее, захватывая своей гравитацией лишь тот газ, который не успел захватить Юпитер. А внутренние планеты оказались еще намного мельче, так как они родились внутри границы льдов, где диск был почти лишен газа и льда.

Экзопланетная революция

Когда два десятилетия назад астрономы стали обнаруживать экзопланеты, они начали тестировать теорию формирования Солнечной системы на галактическом масштабе. Многие из первых открытых экзопланет оказались «горячими юпитерами», то есть газовыми гигантами, стремительно обращающимися вокруг своих звезд с периодами всего несколько суток. Существование гиганских планет так близко к пылающей поверхности звезды, где лед совершенно отсутствует, полностью противоречит классической картине формирования планет. Чтобы объяснить этот парадокс, теоретики предположили, что горячие юпитеры формируются вдали, а затем как-то мигрируют внутрь.

Более того, основываясь на данных о тысячах экзопланет, обнаруженных в таких обзорах, как сделанный космическим телескопом NASA «Кеплер», астрономы пришли к тревожному выводу о том, что двойники Солнечной системы весьма редки. Средняя планетная система содержит одну или несколько суперземель (планет, в несколько раз больших Земли) с орбитальными периодами короче примерно 100 суток. А гигантские планеты типа Юпитера и Сатурна встречаются лишь у 10% звезд, и еще реже они движутся по почти круговым орбитам.

Обманутые в своих ожиданиях, теоретики поняли, что «несколько важных деталей» классической теории формирования нашей планетной системы требуют лучшего объяснения. Почему внутренняя область Солнечной системы столь маломассивна в сравнении с ее экзопланетными аналогами? Вместо суперземель в ней мелкие каменистые планеты, и нет ни одной внутри 88-суточной орбиты Меркурия. И почему орбиты планет-гигантов у Солнца такие круглые и широкие?

Очевидно, ответы на эти вопросы кроются в недостатках классической теории формирования планет, не учитывающей изменчивость протопланетных дисков. Оказывается, новорожденная планета, как спасательный плотик в океане, может дрейфовать далеко от места своего рождения. После того как планета подросла, ее гравитация начинает влиять на окружающий диск, возбуждая в нем спиральные волны, гравитация которых оказывает влияние уже на движение самой планеты, создавая мощные положительную и отрицательную обратные связи между планетой и диском. В результате может происходить необратимый обмен импульсом и энергией, позволяющий молодым планетам отправляться в эпическое путешествие по родительскому диску.

Если учесть процесс миграции планет, то границы льдов внутри дисков уже не играют особой роли в формировании структуры планетных систем. Например, планеты-гиганты, рожденные за границей льдов, могут стать горячими юпитерами, дрейфуя к центру диска, то есть путешествуя вместе с газом и пылью по спирали по направлению к звезде. Беда в том, что этот процесс работает даже слишком хорошо и, кажется, должен происходить во всех протопланетных дисках. Тогда как же объяснить далекие орбиты Юпитера и Сатурна вокруг Солнца?

Смена галса

Первый намек на убедительное объяснение дала в 2001 г. компьютерная модель Фредерика Массе (Frederic Masset) и Марка Снэллгроува (Mark Snellgrove) из Лондонского университета королевы Марии. Они моделировали одновременную эволюцию орбит Сатурна и Юпитера в протопланетном диске Солнца. Из-за меньшей массы Сатурна его миграция к центру происходит быстрее, чем у Юпитера, в результате чего орбиты этих двух планет сближаются. В конце концов орбиты достигают определенной конфигурации, известной как резонанс средних движений, при котором Юпитер делает три оборота вокруг Солнца за каждые два орбитальных периода Сатурна.

Две планеты, связанные резонансом средних движений, могут обмениваться друг с другом импульсом и энергией туда-сюда, наподобие межпланетной игры с перебрасыванием горячей картофелины. Из-за согласованной природы резонансных возмущений обе планеты оказывают усиленное гравитационное влияние друг на друга и на свое окружение. В случае Юпитера и Сатурна эта «раскачка» позволила им коллективно воздействовать своей массой на протопланетный диск, создав в нем большой разрыв с Юпитером на внутренней стороне и Сатурном на внешней. Причем из-за своей большей массы Юпитер сильнее притягивал к себе внутренний диск, чем Сатурн- внешний. Парадоксально, но это заставило обе планеты изменить движение и начать удаляться от Солнца. Такую резкую смену направления миграции часто называют сменой галса (the grand tack) из-за сходства с движением лавирующего парусника, идущего против ветра.

В 2011 г., через десять лет после рождения концепции смены галса, компьютерная модель Кевина Уолша (Kevin J. Walsh) и его коллег из Обсерватории Лазурного берега в Ницце (Франция) показала, что эта идея хорошо объясняет не только динамическую историю Юпитера и Сатурна, но и распределение каменистых и льдистых астероидов, а также малую массу Марса. Когда Юпитер мигрировал внутрь, своим гравитационным влиянием он захватывал и перемещал планетезимали на своем пути сквозь диск, сгребая и толкая их перед собой, как бульдозер. Если предположить, что Юпитер, прежде чем повернуть назад, мигрировал к Солнцу до расстояния нынешней орбиты Марса, то он мог перетащить ледяные блоки общей массой более десяти масс Земли в область землеподобных планет Солнечной системы, обогащая ее водой и другими летучими веществами. Этот же процесс мог создать четкую внешнюю границу у внутренней части протопланетного диска, прекратив рост ближайшего планетного эмбриона, который в результате стал тем, что сегодня мы называем Марсом.

Атака Юпитера

Несмотря на то что сценарий смены галса в 2011 г. выглядел весьма убедительным, его отношение к другим неразгаданным тайнам нашей Солнечной системы, таким как полное отсутствие планет внутри орбиты Меркурия, оставалось неясным. По сравнению с другими планетными системами, где плотно упакованы суперземли, наша кажется почти пустой. Неужели наша Солнечная система миновала важнейший этап формирования планет, который мы видим повсюду во Вселенной? В 2015 г. двое из нас (Константин Батыгин и Грегори Лафлин) рассмотрели, как бы могла повлиять смена галса на гипотетическую группу близких к Солнцу суперземель. Наш вывод оказался поразительным: суперземли не пережили бы смену галса. Замечательно, что миграциями Юпитера внутрь и наружу можно объяснить многие свойства планет, которые нам известны, а также и неизвестные.

Когда Юпитер погрузился во внутреннюю область Солнечной системы, своим «бульдозерным» влиянием на планетезимали он должен был нарушить их аккуратные круговые орбиты, превратив их в хаотический клубок пересекающихся траекторий. Некоторые планетезимали должны были сталкиваться с большой силой, разбиваясь на фрагменты, которые неизбежно порождали дальнейшие столкновения и разрушения. Таким образом, миграция Юпитера внутрь скорее всего вызвала каскад столкновений, который разрушал планетезимали, измельчая их до размера валунов, гальки и песка.

Под действием столкновительного трения и аэродинамического сопротивления в загазованной внутренней области протопланетного диска разрушенные планетезимали быстро теряли свою энергию и по спирали приближались к Солнцу. Входе этого падения они легко могли быть захвачены в новые резонансы, связанные с какой-либо из близких к ним суперземель.

Таким образом, смена галса Юпитера и Сатурна, возможно, вызвала мощную атаку на население первичных внутренних планет Солнечной системы. По мере того как бывшие суперземли падали на Солнце, они должны были оставлять за собой пустынную область в протопланетной туманности, простирающуюся до орбитальных периодов около 100 суток. В результате стремительный маневр Юпитера по молодой Солнечной системе привел к появлению довольно узкого кольца каменистых обломков, из которых через сотни миллионов лет сформировались планеты земной группы. Приведшее к этой тонкой хореографии стечение случайных событий указывает, что маленькие каменистые планеты типа Земли - а возможно, и сама жизнь на них - должны редко встречаться во Вселенной.

Модель Ниццы

К тому времени, когда Юпитер и Сатурн двинулись обратно из своего набега во внутреннюю часть Солнечной системы, протопланетный газово-пылевой диск уже сильно истощился. В конце концов резонансная пара- Юпитер и Сатурн - сблизилась с недавно сформировавшимися Ураном и Нептуном, а также, возможно, с еще одним телом подобного размера. С помощью гравитационных эффектов торможения в газе динамический дуэт захватил и эти меньшие гиганты в резонансы. Таким образом, когда большая часть газа ушла из диска, внутренняя архитектура Солнечной системы, вероятно, состояла из кольца каменистых обломков в окрестности нынешней орбиты Земли.

Во внешней области системы была компактная резонансная группа по меньшей мере из четырех планет-гигантов, движущихся по почти круговым орбитам между нынешней орбитой Юпитера и примерно половиной расстояния до нынешней орбиты Нептуна. В наружной части диска, за орбитой самой внешней планеты-гиганта, на дальнем холодном краю Солнечной системы двигались льдистые планетезимали. За сотни миллионов лет сформировались планеты земной группы, а некогда беспокойные внешние планеты пришли в состояние, которое можно было бы назвать стабильным. Однако это еще не было заключительным этапом эволюции Солнечной системы.

Смена галса и атака Юпитера вызвали последний всплеск межпланетного буйства в истории Солнечной системы, нанесли последний штрих, который привел планетную свиту нашего Солнца практически в ту конфигурацию, которую мы видим сегодня. Этот последний эпизод, названный поздней тяжелой бомбардировкой, произошел между 4.1 и 3,8 млрд лет назад, когда Солнечная система временно превратилась в тир. заполненный множеством сталкивающихся планетезималей. Сегодня шрамы от столкновений с ними видны в виде кратеров на поверхности Луны.

Работая с несколькими коллегами в Обсерватории Лазурного берега в Ницце в 2005 г., один из нас (Алессандро Морбиделли) создал так называемую модель Ниццы, чтобы объяснить, как взаимодействие между гигантскими планетами могло вызвать позднюю тяжелую бомбардировку. Там, где заканчивается смена галса, начинается модель Ниццы.

Близко расположенные друг к другу планеты-гиганты все еще двигались во взаимном резонансе и по-прежнему чувствовали слабое гравитационное влияние окраинных льдистых планетезималей. Фактически они балансировали на грани нестабильности. Накапливаясь за миллионы орбитальных оборотов в течение сотен миллионов лет, каждое незначительное по отдельности влияние внешних планетезималей понемногу меняло движение гигантов, медленно выводя из тонкого баланса резонансов, связывавшего их друг с другом. Переломный момент наступил, когда один из гигантов выпал из резонанса с другим, нарушив тем самым баланс и запустив серию взаимных хаотических возмущений планет, которые сдвинули Юпитер немного внутрь системы, а остальные гиганты - наружу. За короткое по космическим масштабам время в несколько миллионов лет внешняя область Солнечной системы пережила резкий переход от плотно упакованной, с почти круговыми орбитами к рассеянной и неупорядоченной конфигурации с движением планет по широким вытянутым орбитам. Взаимодействие между гигантскими планетами было настолько сильным, что одна или даже несколько из них, возможно, были выброшены далеко за пределы Солнечной системы, в межзвездное пространство.

Если бы динамическая эволюция на этом остановилась, то строение внешних областей Солнечной системы соответствовало бы той картине, которую мы видим у многих экзопланетных систем, где гиганты движутся вокруг своих звезд по эксцентрическим орбитам. К счастью, диск из льдистых планетезималей, вызвавший до этого беспорядок в движении планет-гигантов, позже помог его ликвидировать, взаимодействуя с их вытянутыми орбитами. Проходя поблизости от Юпитера и других планет-гигантов, планетезимали постепенно отбирали у них энергию орбитального движения и тем самым округляли их орбиты. При этом большинство планетезималей были выброшены за пределы гравитационного влияния Солнца, но некоторые остались на связанных орбитах, образовав диск из льдистого «мусора», который теперь мы называем поясом Койпера.