Вуз: не указан
Введение 3
Происхождение Солнечной системы 4
Эволюция Солнечной системы 6
Заключение 9
Список литературы 10
Введение
Раздел астрономии, в котором изучаются вопросы происхождения и развития небесных тел, называется космогонией. Космогония исследует процессы изменения форм космической материи, приводящие к образованию отдельных небесных тел и их систем, и направление их последующей эволюции. Космого-нические исследования приводят и к решению таких проблем, как возникновение химических элементов и космических лучей, появление магнитных полей и источников радиоизлучения.
Решение космогонических проблем связано с большими трудностями, так как возникновение и развитие небесных тел про-исходит столь медленно, что проследить эти процессы путем непосредственных наблюдений невозможно; сроки протекания космических событий так велики, что вся история астрономии в сравнении с их длительностью представляется мгновением. По-этому космогония из сопоставления одновременно наблюдаемых физических свойств небесных тел устанавливает характерные черты последовательных стадий их развития.
Недостаточность фактических данных приводит к необходи-мости оформлять результаты космогонических исследований в виде гипотез, т.е. научных предположений, основанных на на-блюдениях, теоретических расчетах и основных законах природы. Дальнейшее развитие гипотезы показывает, в какой мере она соответствует законам природы и количественной оценке предсказанных ею фактов.
Астрономы прошлого предложили множество теорий образования Солнечной системы, а в сороковых годах ХХ века советский астроном Отто Шмидт предположил, что Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, захватило облако пыли. Из вещества этого огромного холодного пылевого облака сформировались холодные плотные допланетные тела - планетезимали.
Происхождение Солнечной системы
Возраст наиболее древних пород, обнаруженных в образцах лунного грунта и метеоритах, составляет примерно 4,5 млрд лет. Расчеты возраста Солнца дали близкую величину - 5 млрд лет. Принято считать, что все тела, которые в настоящее время составляют Солнечную систему, образовались примерно 4,5-5 млрд лет тому назад.
Согласно наиболее разработанной гипотезе, все они сформировались в результате эволюции огромного холодного газопылевого облака. Эта гипотеза достаточно хорошо объясняет многие особенности строения Солнечной системы, в частности, значительные различия двух групп планет.
В течение нескольких миллиардов лет само облако и входящее в его состав вещество значительно изменялись. Частицы, из которых состояло это облако, обращались вокруг Солнца по самым различным орбитам.
В результате одних столкновений частицы разрушались, а при других - объединялись в более крупные. Возникали более крупные сгустки вещества - зародыши будущих планет и других тел.
Подтверждением этих представлений можно считать и метеоритную «бомбардировку» планет - по сути, она является продолжением того процесса, который в прошлом привел к их образованию. В настоящее время, когда в межпланетном пространстве метеоритного вещества остается все меньше и меньше, этот процесс идет значительно менее интенсивно, чем на начальных стадиях формирования планет.
Вместе с тем в облаке происходили перераспределение вещества, его дифференциация. Под влиянием сильного нагрева из окрестностей Солнца улетучивались газы (в основном это самые распространенные во Вселенной - водород и гелий) и оставались лишь твердые тугоплавкие частицы. Из этого вещества сформировались Земля, ее спутник- Луна, а также другие планеты земной группы.
В процессе формирования планет и позднее на протяжении миллиардов лет в их недрах и на поверхности происходили процессы плавления, кристаллизации, окисления и другие физико-химические процессы. Это привело к существенному изменению первоначального состава и строения вещества, из которого образованы все ныне существующие тела Солнечной системы.
Вдали от Солнца на периферии облака эти летучие вещества намерзали на пылевые частицы. Относительное содержание водорода и гелия оказалось повышенным. Из этого вещества сформировались планеты-гиганты, размеры и масса которых значительно превышают планеты земной группы. Ведь объем периферийных частей облака был больше, а стало быть, больше и масса вещества, из которого образовались далекие от Солнца планеты.
Данные о природе и химическом составе спутников планет- гигантов, полученные в последние годы с помощью космических аппаратов, стали еще одним подтверждением справедливости современных представлений о происхождении тел Солнечной системы. В условиях, когда водород и гелий, ушедшие на периферию протопланетного облака, вошли в состав планет-гигантов, их спутники оказались похожими на Луну и планеты земной группы.
Однако не все вещество протопланетного облака вошло в состав планет и их спутников. Многие сгустки его вещества остались как внутри планетной системы в виде астероидов и еще более мелких тел, так и за ее пределами в виде ядер комет.
Эволюция Солнечной системы
Теоретически планеты сформировались вместе с Солнцем приблизительно в одно время и находились в плазменном состоянии. Единая система сформировалась при гравитационных взаимодействиях, которые поддерживают ее в настоящее время. В дальнейшем планеты, как менее энергоемкие системы быстрее перешли к процессам ядерного и молекулярного синтеза, образованию коры и информационной эволюции.
Процесс остывания, потери энергии начался с периферии системы. Дальние планеты остывали раньше, материя переходила в молекулярное состояние, происходило формирование коры. Здесь к энергетической обусловленности процессов подключается внешний информационный фактор в виде космического излучения. Вот что писал В. И. Вернадский в 1965 году: …в истории планеты Земли - непрерывно, реально сталкиваемся с энергетическим и материальным проявлением Млечного пути - в форме космического вещества - метеоритов и пыли (что нередко учитывалось геологами) и материально-энергетическими, невидимыми глазу и сознательно человеком не ощущаемыми проникающими космическими излучениями. Другой авторитетный исследователь прошлого века Гесс в 1933 году доказал, что эти излучения - потоки - постоянно приносят на нашу планету, в ее биосферу элементарные частицы, вызывающие ионизацию воздуха, значение которых в энергетике земных оболочек первостепенное.
Образование коры планеты - энергоинформационное взаимодействие, после которого планетная система включается в процесс галактического информационного обмена. Следующий квант потери энергии планетной системой замещается повышением уровня информации, сохраняющего энергию. Биополимеры под повышенным внешним информационным воздействием образовывают сложные молекулярные конгломераты, развитие которых приводит к появлению живой клетки и органической жизни. Роль внешнего фактора при зарождении жизни давно обсуждалась учеными. Одна из первых версий была выдвинута Аррениусом (1859-1927 гг.), что среди космической пыли, рассеянной в вакууме должны находится бесчисленные споры - зародыши живого вещества, которые исходят из планет, земных планет, и на них вновь попадают в ходе времени. Другой версией был перенос живых существ при помощи метеоритов. Мы не отвергая эти версии склонны полагать, что основная передача не просто материальная, а материально-информационная, волновые и полевые воздействия.
Как для любой энергоинформационной структуры, для Солнечной системы характерно повышение информационного уровня организации материи при падении энергетического потенциала системы. Несомненно, что в процессе остывания дальних планет общий энергетический потенциал Солнечной системы был выше, чем сейчас, поэтому информационный уровень жизни дальних планет был, безусловно, ниже того, что мы наблюдаем сейчас на Земле.
Рост уровня информационных взаимодействий в Солнечной системе увеличивался по мере падения общего уровня энергии системы. Прием внешней информации дальними планетами произошел при соответственном взаимодействии внутреннего энергетического уровня системы и внешнего информационного уровня. В тот период галактическая система энергоинформационного обмена только приходила в равновесие. Далее по мере развития Солнечной системы и всей Вселенной энергоинформационный обмен обогащался информацией более высокого уровня, энергетический потенциал как отдельных информационных атомов (каким является Солнечная система), так и всей галактики снижался.
Возвращаясь к Солнечной системе необходимо отметить, что скорей всего эволюция дальних планет проходила в более сжатые сроки, поскольку скорость остывания их была выше. При этом высокий энергетический потенциал Солнечной системы не давал им прийти к равновесию. Все эти факторы, безусловно, не способствовали информационному развитию этих систем. Поэтому их развитие быстро достигло своего информационного пика, т.е. такого эволюционного состояния системы, когда плотная физическая материя, связывающая энергию уже не способна удерживать систему от энергетического распада. Это состояние энергетического минимума целостной системы. Начинаются процессы распада высших уровней организации материи с выделением энергии.
В масштабах Солнечной системы процессы распада идут очень долго, все шесть остывающих планет Солнечной системы (Плутон, Нептун, Уран, Сатурн, Юпитер, Марс) находятся в состоянии молекулярного распада, постоянного снижения энергетического уровня перехода энергии в физический вакуум. В дальнейшем процессы молекулярного распада переходят в ядерный распад, межъядерные расстояния сокращаются, образуется сверхплотная материя. На этих стадиях распада в вакуум выделяется максимальное количество энергии.
Заключение
Согласно современным представлениям, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного молекулярного облака. Большая часть вещества оказалась в гравитационном центре коллапса с последующим образованием звезды —Солнца. Вещество, не попавшее в центр, сформировало вращающийся вокруг него протопланетный диск, из которого в дальнейшем сформировались планеты, их спутники, астероиды и другие малые тела Солнечной системы.
Гипотеза об образовании Солнечной системы из газопылевого облака — небулярная гипотеза — первоначально была предложена в XVIII веке Эммануилом Сведенборгом, Иммануилом Кантом и Пьером-Симоном Лапласом. В дальнейшем её развитие происходило с участием множества научных дисциплин, в том числе астрономии, физики, геологии и планетологии. С началом космической эры в 1950-х годах, а также с открытием в 1990-х годах планет за пределами Солнечной системы (экзопланет), эта модель подверглась многократным проверкам и улучшениям для объяснения новых данных и наблюдений.
Друзья! У вас есть уникальная возможность помочь таким же студентам как и вы! Если наш сайт помог вам найти нужную работу, то вы, безусловно, понимаете как добавленная вами работа может облегчить труд другим.
Если Реферат, по Вашему мнению, плохого качества, или эту работу Вы уже встречали, сообщите об этом нам.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
(планетная космогония). Происхождение и эволюция Солнца рассматриваются теориями звездообразования
и эволюции звёзд,
а при изучении П. С. с. осн. внимание уделяется проблеме образования планет, и прежде всего Земли. Звёзды с планетными системами могут составлять промежуточный класс между одиночными и двойными звёздами.
Не исключено, что строение планетных систем и способы их формирования могут быть весьма различными. Строение Солнечной системы
(СС) обладает рядом закономерностей, указывающих на совм. образование всех планет и Солнца в едином процессе. Такими закономерностями являются: всех планет в одном направлении по эллиптич. орбитам, лежащим почти в одной плоскости; вращение Солнца в том же направлении вокруг оси, близкой к перпендикуляру к центр. плоскости планетной системы; осевое 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 лёжа на боку); обращение в том же направлении большинства спутников планет; закономерное возрастание расстояний планет от Солнца; деление планет на родств. группы, отличающиеся по массе, хим. составу и кол-ву спутников ( близких к Солнцу планет земного типа и далёкие от Солнца планеты-гиганты, также подразделяющиеся на 2 группы); наличие пояса малых планет между орбитами Марса и Юпитера.
Краткая история. Начало развитию планетной космогонии положено гипотезой Канта-Лапласа. И. Кант (I. Kant, 1755) выдвинул идею о формировании планет из разреженного пылевого вещества, обращавшегося вокруг Солнца.
Согласно П. С. Лапласу (P. S. Laplace, 1796), материалом для образования планет послужила часть газового вещества, отделившаяся от сжимающегося протосолнца. Наряду с гипотезой Канта-Лапласа предлагались гипотезы, основанные на идее "катастрофич. события". В 1920-30-х гг. известностью пользовалась гипотеза Дж. X. Джинса (J. Н. Jeans), считавшего, что планеты образовались из вещества, вырванного из Солнца притяжением пролетевшей поблизости звезды. Однако уже в кон. 30-х гг. выяснилось, что гипотеза Джинса не способна объяснить размеры планетной системы. Ряд важных исследований по проблеме образования околосолнечной и формирования в ней планет был проведён в 30-40-х гг. X. Альфвен (Н. Alfven) и Ф. Хойл (F. Hoyle) привлекли внимание к магнитогидродинамич. эффектам, играющим важную роль на ранних стадиях формирования звезды и её окружения. X. Берлаге (Н. Berlage) и К. Вайцзеккер (С. Weizsacker) построили первые газодинамич. модели первичного околосолнечного диска. Начало планомерной разработке теории П. С. с. положено работами О. Ю. Шмидта. В трудах отечеств. школы планетной космогонии выяснены осн. черты эволюции протопла-нетного диска и процессов, сопровождающих формирование планет. К 80-м гг. получен обширный материал наблюдательных данных по современному звездообразованию. Благодаря полётам космич. аппаратов неизмеримо возрос объём информации о строении, составе и свойствах тел СС. Лаб. изучение внеземного вещества и использование при моделировании астрофиз. событий позволили перейти к построению достаточно детальных количеств моделей П. С. с.
Образование Солнца и допланетного диска.
Звёзды солнечного типа образуются в газопылевых комплексах с массой М
( М
-
масса Солнца). Пример такого комплекса - известная туманность
Ориона, в к-рой идёт активное . По-видимому, и Солнце образовалось вместе с группой звёзд в ходе перемежающихся процессов сжатия и фрагментации подобной туманности.
Эволюция допланетного диска: а
- опускание пыли к центральной плоскости; б
- формирование пылевого субдиска; в
- распад пылевого субдиска на пылевые сгущения; г
- формирование из пылевых сгущений компактных тел (по Б. Ю. Левину, 1964).
Эволюция допланетного диска: динамические аспекты.
При моделировании отд. стадий эволюции диска (рис.) и образования планет большое внимание уделяется нач. стадии - опусканию пылинок к центр. плоскости диска и их слипанию в турбулентном газе. Время опускания пыли и образования пылевого субдиска зависит от интенсивности турбулентных движений в газовой составляющей диска и оценивается в - лет. При достижении в пылевом слое критич. плотности в результате гравитационной неустойчивости
пылевой субдиск должен был бы распасться на пылевых сгущений. На разных расстояниях от Солнца времена образования пылевых сгущений и их массы могли несколько отличаться, но, по оценкам, в ср. их массы были близки к массам крупнейших совр. астероидов.
Столкновения сгущений вызывали объединение (и ) большинства из них и образование компактных тел - плаветезималей. Этот процесс, с космогонич. точки зрения, был также весьма быстрым (лет).
Следующий этап - аккумуляция планет из роя пла-нетезималей и их обломков - занял гораздо больше времени ( лет). Численное позволяет определять одновременно масс и скоростей допланетных тел. Сначала тела двигались по круговым орбитам в плоскости породившего их пылевого слоя. Они росли, сливаясь друг с другом и вычерпывая окружающее рассеянное (остатки "первичной" пыли и обломки, образовавшиеся в процессе столкновений планетезималей). Гравитац. тел, усиливавшееся по мере их роста, постепенно изменяло их орбиты, увеличивая ср. эксцентриситет и ср. наклон к центр. плоскости диска. Наиб. массивные тела оказались зародышами будущих планет. При объединении в планеты многих тел произошло усреднение их индивидуальных характеристик движения, и поэтому орбиты планет получились почти круговыми и компланарными. Оценённые аналитически и получаемые в численных расчётах относит. расстояния между планетами, их массы и общее число, периоды собств. вращения, наклоны осей, эксцентриситеты и наклоны орбит удовлетворительно согласуются с наблюдениями.
Процесс образования планет-гигантов был более сложным, многие его детали ещё предстоит выяснить. Их образование осложнялось длительным присутствием газовой и эфф. выбросом вещества во внеш. зоны и даже за пределы СС. Согласно моделям, образование Юпитера и Сатурна протекало в два этапа. На первом этапе, длившемся десятки млн. лет в области Юпитера и около ста млн. лет в области Сатурна, происходила аккумуляция твёрдых тел, подобная той, что была в зоне планет земной группы. Когда крупнейшие тела достигали нек-рой критич. массы (5 Мз, Мз
- масса Земли), начинался 2-й этап эволюции - газа на эти тела, длившийся лет. Из зоны планет земной группы рассеивался за лет, в зоне Юпитера и Сатурна он оставался неск. дольше. Образование твёрдых ядер Урана и Нептуна, находящихся на больших расстояниях, заняло сотни млн. лет. К этому времени газ из их окрестностей был уже практически потерян. Темп-ры в этой внеш. части СС не превышали 100 К, в результате, помимо силикатной компоненты, в состав этих планет и их спутников вошло много конденсатов воды, метана и аммиака.
Малые тела СС - астероиды и кометы
- представляют собой остатки роя промежуточных тел. Крупнейшие из совр. астероидов (поперечником 100 км) образовались ещё в эпоху формирования планетной системы, а средние и мелкие - в большинстве своём обломки крупных астероидов, раздробившихся при столкновениях. Благодаря столкновениям астероидных тел непрерывно пополняется запас пылевого вещества в межпланетном пространстве. Др. источник мелких твёрдых частиц - и распад кометных ядер при пролёте их вблизи Солнца. Ядра комет, по-видимому, представляют собой остатки каменисто-ледяных тел зоны планет-гигантов. Массы планет-гигантов ещё до завершения их роста стали столь большими, что своим притяжением начали сильно изменять орбиты пролетавших мимо них малых тел. В результате нек-рые из этих тел приобрели очень вытянутые орбиты, уходящие далеко за пределы планетной системы. На тела, удалявшиеся дальше 20-30 тыс. а. е. от Солнца, заметное грави-тац. воздействие оказали ближайшие звёзды. В большинстве случаев воздействие звёзд приводило к тому, что малые тела переставали заходить в область планетных орбит. Планетная система оказалась окружённой роем каменисто-ледяных тел, простирающимся до расстояний а. е. и являющимся источником ныне наблюдаемых комет (облако Оорта).
Происхождение системы регулярных спутников планет, движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости её экватора, обычно объясняется процессами, аналогичными тем, к-рые привели к образованию планет. Согласно моделям, в ходе формирования планеты в результате неупругих столкновений планетезималей часть из них могла быть захвачена на околопланетную орбиту, образовав околопланетный доспутниковый диск. Оценки показывают, что характерные времена аккумуляции и разрушения небольших спутников при дроблении много меньше характерного времени образования самой планеты. Вещество в доспутниковых дисках неоднократно обновлялось, прежде чем смогла образоваться относительно устойчивая спутниковая система. Согласно модельным расчётам, массы доспутниковых дисков - от массы планеты, что достаточно для формирования спутниковых систем планет-гигантов. 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 обеспечен выделением гравитац. энергии при аккреции газа. В системе спутников Сатурна, состоящих в осн. из льда, нет деления на две группы, что связывают 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 . Действие приливного торможения 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.
Происхождение Луны чаще всего связывают с образованием её на околоземной орбите, однако продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землёй готовой Луны, отделения Луны от Земли. Разрабатывается и компромиссная гипотеза, связывающая появление массивного околоземного доспутникового диска с гигантским выбросом вещества, вызванным столкновением протоземли с крупным телом (с размерами порядка Меркурия или даже Марса). Согласно расчётам, из массивного спутникового роя могла образоваться система из неск. крупных спутников, орбиты к-рых с разной скоростью эволюционировали под действием приливного трения, и, в конечном счёте, спутники объединились в одно тело - Луну.
Космохимические аспекты (эволюция состава). В основе физ.-хим. исследований ранних стадий эволюции СС лежат данные по составу межзвёздной и межпланетной пыли, планет и их атмосфер, астероидов и комет. Особое место принадлежит лаб. исследованиям метеоритов - образцов астероидного вещества. Вещество, вошедшее в тела СС, проходило неоднократную физ.-хим. переработку и во многом утратило память о ранних стадиях эволюции. Однако отд. тела СС содержат вещество, хранящее ту или иную информацию в виде реликтовых минеральных фракций, включений и т. п. Образцы такого вещества используются как "космохроно-метры", "космотермометры", "космобарометры".
Хим. состав первичного допланетного диска обычно полагают близким к солнечному ("среднекосмическо-му"). В первичном диске газ (в осн. водорода и гелия) составлял 98-99% всей массы. Пыль (фер-ромагнезиальные силикаты и алюмосиликаты во внутр. части диска, к к-рым добавлялись льды во внеш. части) вначале играла второстепенную роль. В ходе образования и эволюции допланетного диска происходили изменения элементного и изотопного состава газовой и конденсированной компонент, разнообразные обмена между этими двумя осн. резервуарами. Согласно моделям, в процессе образования диска в ближней к Солнцу окрестности межзвёздная пыль
в ходе аккреции испарялась и лишь после частичного охлаждения газа происходила реконденсация тугоплавких и умеренно тугоплавких соединений. Во внеш. зоне СС в состав первичных тел могла войти межзвёздная пылевая компонента. Лаб. анализы образцов наиб. примитивных углистых хондритов указывают на присутствие в них вещества, близкого по особенностям элементного, изотопного и минерального состава к межзвёздной пыли. В целом определения изотопного состава земных и лунных образцов, метеоритов и межпланетной пыли показывают относит. однородность, а следовательно, хорошую перемешанность осн. массы протопланетного вещества. Это сильный довод в пользу образования допланетного диска и Солнца в едином процессе. Т. о., установленный для Земли, Луны и древнейших метеоритов возраст в 4,5-4,6 млрд. лет можно считать возрастом СС. В то же время изотопный состав газовой и конденсированной компонент в ходе формирования диска и в последующем при формировании планет несомненно менялся. Интерпретация вариаций содержания отд. изотопов в образцах внеземного вещества зачастую неоднозначна и зависит от выбора динамич. модели. Важно, однако, что находки дочерних продуктов распада короткоживущих изотопов и др. позволяют получить оценки длительности отдельных ранних стадий. Полученные оценки, основанные на ряде изотопных систем, включающих вымершие коротко-живущие , не противоречат динамич. оценкам длительности стадий формирования планет лет).
Недра крупнейших первичных тел подвергались разогреву до 300-700 К, а иногда и до 1000-1500 К, что достаточно для частичного и полного плавления. Об этом говорят представители особых классов метеоритов, состав и физ. свойства к-рых указывают на то, что их родительские тела прошли стадии нагрева и дифференциации вещества. Причины разогрева до конца неясны. Возможно, он был связан с выделением теплоты при распаде короткоживущих радиоакт. изотопов; существ. нагрев мог быть обеспечен взаимными столкновениями.
Ограничения на характер процессов в ранней СС получены при исследовании образцов внеземного вещества, взаимодействовавшего с галактич. и солнечными космическими лучами.
Так, исследование зёрен метеоритного вещества, облучённого солнечными космич. лучами, позволило сделать вывод, что к моменту формирования протопланет в зоне земной группы газ в осн. был уже потерян. Это важный аргумент в пользу представлений о вторичности атмосфер Земли, Венеры и Марса.
Начальное состояние и эволюция планет. В результате столкновений растущих планет с телами размером 100-1000 км протопланеты испытывали значит. нагрев, дегазацию, и дифференциацию недр. Изотопный анализ (по изотопам урана и свинца) свидетельствует о раннем образовании земного ядра. Его осн. масса, вероятно, сформировалась более 4 млрд. лет назад, т. е. в первые сотни млн. лет существования Земли. Древний характер поверхностей Меркурия и Луны и ряд косвенных данных о строении Марса и Венеры не противоречат концепции раннего образования ядер планет земной группы. Данные о возможном составе планет говорят о том, что образование ядер планет земной группы произошло вследствие отделения богатого железом расплава от силикатов. Физикохимия процесса отделения железного расплава и опускания его к центру планеты изучены недостаточно. Разогрев планет в ходе их роста сопровождался выделением летучих компонент, содержавшихся в веществе падавших планетезималей. В случае Земли водяные пары сконденсировались в воды первичных бассейнов, а газы образовали атмосферу. Согласно изотопному анализу (по изотопам йода и ксенона), осн. масса атмосферы Земли была накоплена к моменту завершения роста планеты. Состав древней атмосферы известен пока плохо.
Процесс хим. расслоения земных недр происходит и в наше время. Лёгкие 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 вулка-нич. извержениях. Крупномасштабные перемещения вещества в недрах, вызванные тепловой конвекцией и хим. дифференциацией, проявляются в виде подъёмов и опусканий больших участков поверхности, перемещения литосферных плит, на к-рые расчленена земная кора, в виде процессов вулканизма и горообразования, а также землетрясений (см. Сейсмология).
О совр. строении планетных недр см. в ст. Планеты и спутники.
Лит.: Protostars and planets, v, 1-2, Tucson, 1978-85; Сафронов В, С., Витязев А. В., Происхождение Солнечной системы, в кн„: Итоги науки и техники, сер. Астрономия, т., 24, М., 1983. А. В. Витязев.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
План:
Введение . 3
1. Гипотезы о происхождении солнечной системы .. 3
2. Современная теория происхождения солнечной системы .. 5
3. Солнце – центральное тело нашей планетной системы .. 7
4. Планеты земной группы .. 8
5. Планеты-гиганты .. 9
Заключение . 11
Список использованной литературы .. 12
Введение
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.
1. Гипотезы о происхождении солнечной системы
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, в ходе 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. Однако от этой идеи пришлось отказаться из-за множества математических противоречий, и на смену ей пришло несколько «приливных теорий».
Наиболее знаменитая теория была выдвинута сэром Джеймсом Джинсом, известным популяризатором астрономии в годы между Первой и Второй мировыми войнами. (Он также был ведущим астрофизиком, и лишь в конце своей карьеры обратился к созданию книг для начинающих.)
Рис. 1. Приливная теория Джинса. Звезда проходит рядом с Солнцем,
вытягивая из него вещество (рис. А и В); планеты формируются
из этого материала (рис. С)
Согласно Джинсу, планетное вещество было «вырвано» из Солнца под воздействием близко проходившей звезды, а затем распалось на отдельные части, образуя планеты. При этом наиболее крупные планеты (Сатурн и Юпитер) находятся в центре планетной системы, где некогда находилась утолщенная часть сигарообразной туманности.
Если бы дела действительно обстояли таким образом, то планетные системы были бы чрезвычайно редким явлением, так как звезды отделены друг от друга колоссальными расстояниями, и вполне возможно, что наша планетная система могла бы претендовать на роль единственной в Галактике. Но математики снова бросились в атаку, и в конце концов приливная теория присоединилась к газообразным кольцам Лапласа в мусорной корзине науки.
2. Современная теория происхождения солнечной системы
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 Марса. 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.
3. 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.
4. 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. 1.
Таблица 1
Среднее расстояние в табл. 1 дано в астрономических единицах (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. 2, где приведен химический состав атмосферы Земли, Венеры и Марса.
Таблица 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.
5. 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, 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.
Заключение
Таким образом, современная теория гораздо более правдоподобна, которая, как ни странно, ближе к идеям Лапласа, чем к теории Джинса. Считается, что планеты сконденсировались из облака космического материала, связанного с молодым Солнцем, поэтому все они близки по возрасту. Это объясняет, почему Солнечная система четко разделена на две части. Ближе к Солнцу температура была очень высокой, поэтому такие легкие газы, как водород и гелий, вытеснялись на периферию, а на внутренних планетах происходило накопление более тяжелых элементов. В дальнейшем температура понизилась и появилась возможность удерживать легкие элементы: поэтому планеты-гиганты, в отличие от внутренних членов системы, не являются плотными и каменистыми. Действительно, у планеты-гиганта может быть твердое ядро, но большей частью они состоят из жидкости, с очень мощной атмосферой, богатой водородом и гелием.
Процесс образования Солнечной системы нельзя считать досконально изученным, а предложенные гипотезы - совершенными. Например, в современной гипотезе не учитывалось влияние электромагнитного взаимодействия при формировании планет. Выяснение этого и других вопросов - дело будущего.
Список использованной литературы
1. Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов/М.: Академический проспект, 2001.
2. Мур П. Астрономия с Патриком Муром. Пер. с англ. К. Савельева/М.: ФАИР-ПРЕСС, 2001.
3. Самыгина С.И. «Концепции современного естествознания»/Ростов н/Д: «Феникс», 1997.
4. Эйнштейн А. Эволюция физики/М.: Устойчивый мир, 2001.
Введение
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. 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.
Предмет изучения данной работы: Солнечная система, ее происхождение.
Цель работы: изучение строения и особенностей Солнечной системы, характеристика ее происхождения.
Задачи работы: рассмотреть возможные гипотезы происхождения Солнечной системы, охарактеризовать объекты Солнечной системы, рассмотреть строение Солнечной системы.
Актуальность работы: в настоящее время считается, что Солнечная система довольно хорошо изучена и лишена каких-либо серьезных тайн. Однако до сих пор еще не созданы разделы физики, позволяющие описать процессы, происходящие сразу после Большого взрыва, ничего нельзя сказать о породивших его причинах, сохраняется полная неясность относительно физической природы темной материи. Солнечная система - наш дом, поэтому необходимо интересоваться его устройством, его историей и перспективами.
Происхождение Солнечной системы
Гипотезы происхождения Солнечной системы
История науки знает множество гипотез о происхождении Солнечной системы. Эти гипотезы появились раньше, чем стали известны многие важные закономерности Солнечной системы. Значение первых гипотез в том, что они пытались объяснить происхождение небесных тел как результат естественного процесса, а не акта божественного творения. Кроме этого, некоторые ранние гипотезы содержали правильные идеи о происхождении небесных тел.
В наше время существуют две основных научных теории возникновения Вселенной. Согласно теории стабильного состояния материя, энергия, пространство и время существовали всегда. Но тут же возникает вопрос: почему сейчас никому не удается создать материю и энергию?
Самая популярная теория происхождения Вселенной, поддерживаемая большинством теоретиков - теория большого взрыва.
Теорию большого взрыва предложили в 20-х годах XX века ученые Фридман и Леметр. Согласно этой теории когда-то наша Вселенная представляла собой бесконечно малый сгусток, сверхплотный и раскаленный до очень высоких температур. Это нестабильное образование внезапно взорвалось, пространство быстро расширилось, а температура разлетающихся частиц, обладающих высокой энергией, начала снижаться. Примерно после первого миллиона лет атомы водорода и гелия, стали стабильными. Под действием сил притяжения начали концентрироваться облака материи. В результате сформировались галактики, звезды, и другие небесные тела. Звезды старели, взрывались сверхновые, после чего появлялись более тяжелые элементы. Они формировали звезды более позднего поколения, такие, как наше Солнце. В качестве доказательств того, что в свое время произошел большой взрыв, говорят о красном смещении света от объектов, расположенных на больших расстояниях и микроволновом фоновом излучении.
На самом же деле объяснение того, как и откуда все началось - до сих пор серьезная проблема. Либо не существовало ничего, с чего все могло бы начаться - ни вакуума, ни пыли, ни времени. Либо же существовало нечто, и в этом случае оно требует объяснения.
Огромная проблема теории большого взрыва в том, как предполагаемое изначальное излучение высокой энергии, разлетаясь в разные стороны, могло объединиться в такие структуры, как звезды, галактики и скопления галактик. Эта теория предполагает наличие дополнительных источников массы, обеспечивающих соответствующие значения силы притяжения. Материя, обнаружить которую так и не удалось, была названа Холодной темной материей. Для образования галактик необходимо, чтобы такая материя составляла 95-99% Вселенной.
Кант развил гипотезу, согласно которой вначале мировое пространство было заполнено материей, находившейся в состоянии хаоса. Под действием притяжения и отталкивания материя со временем переходила в более разнообразные формы. Элементы, имеющие большую плотность, по закону всемирного тяготения притягивали менее плотные, вследствие этого образовались отдельные сгустки материи. Под действием сил отталкивания прямолинейное движение частиц к центру тяготения заменялось кругообразным. Вследствие столкновения частиц вокруг отдельных сгустков и формировались планетные системы.
Совершенно другая гипотеза о происхождении планет была изложена Лапласом. На ранней стадии своего развития Солнце представляло собой огромную, медленно вращающуюся туманность. Под действием силы тяжести протосолнце сжималось и принимало сплюснутую форму. Как только на экваторе сила тяжести уравновешивалась центробежной силой инерции, от протосолнца отделялось гигантское кольцо, которое охлаждалось и разрывалось на отдельные сгустки. Из них и формировались планеты. Такой отрыв колец происходил несколько раз. Аналогичным путем образовались и спутники планет. Гипотеза Лапласа оказывалась не в состоянии объяснить перераспределение количества движения между Солнцем и планетами. Для этой и других гипотез, по которым планеты образуются из горячего газа, камнем преткновения является следующее: из горячего газа планета сформироваться не может, так как этот газ очень быстро расширяется и рассеивается в пространстве.
Большую роль в разработке взглядов на происхождение планетной системы сыграли работы нашего соотечественника Шмидта. В основе его теории лежат два предположения: планеты сформировались из холодного газопылевого облака; это облако было захвачено Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики. На основе этих предположений удалось объяснить некоторые закономерности в строении Солнечной системы - распределение планет по расстояниям от Солнца, вращение и др.
Гипотез было много, но если каждая из них хорошо объясняла часть исследований, то другую часть не объясняла. При разработке космогонической гипотезы прежде всего необходимо решить вопрос: откуда взялось вещество, из которого со временем сформировались планеты? Здесь возможны три варианта:
1. Планеты образуются из того же газопылевого облака, что и Солнце (И. Кант).
2. Облако, из которого образовались планеты, захвачено Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики (О.Ю. Шмидт).
3. Это облако отделилось от Солнца в процессе его эволюции (П. Лаплас, Д. Джинс и др.)
Первую геоцентрическую модель Вселенной предложил математик Александр Птолемей в 150 г. новой эры. Его модель была принята христианскими богословами и по сути канонизирована – возведена в ранг абсолютных истин. Согласно этой модели, центральное положение во Вселенной занимает неподвижная Земля, а вокруг нее в разных сферах вращаются Солнце, Луна, планеты и звёзды. Однако подобные идеи выдвигал много раньше древнегреческий философ Аристотель (384–322 до н. э.). Он утверждал, что Земля – это центр Вселенной. И эти идеи Аристотеля парализовали умы мыслителей на полторы тысячи лет, чему в немалой степени способствовала христианская церковь, канонизировавшая их.
Николай Коперник был первым, кто смог опровергнуть Клавдия Птолемея и научно доказать, что Земля не является центром Мироздания. В центр мироздания он поместил Солнце и создал гелиоцентрическую модель Вселенной. Боясь гонений церкви, Коперник отдал в печать свой труд незадолго до смерти. Его система была опубликована уже после смерти великого ученого. Однако церковь предала анафеме его и книгу и официально запретила ее.
Сторонником учения Коперника был Галилео Галлилей, который впервые использовал для изучения звездного неба телескоп и увидел, что Вселенная значительно больше, чем предполагалось раньше, и что вокруг планет есть спутники, которые, подобно планетам вокруг Солнца, вращаются вокруг своих планет. Галлилей экспериментально изучал законы движения. Но церковь устроила гонения на ученого и учинила над ним суд инквизиции. Галилео испугался пыток и судьбы Джордано Бруно и официально отрекся от своего учения. Но выходя из суда, он якобы пробормотал: "И все таки она (Земля) вертится".
Джордано Бруно пошел дальше Коперника и Галлилея: он создал учение о том, что звёзды подобны Солнцу, что вокруг звезд по орбитам движутся тоже планеты. Мало того, он утверждал, что во Вселенной существует множество обитаемых миров, что кроме человека во Вселенной есть и другие мыслящие существа. За это Джордано был осужден христианской церковью и сожжен на костре, а учение его было предано анафеме.
Джордано Бруно обладал необыкновенной памятью, говорили, что он способен рассказать наизусть 26 тысяч статей канонического и гражданского права, 6 тысяч отрывков из Библии и тысячу стихотворений Овидия. Благодаря этому дару его принимали при дворах герцогов и королей Европы, где он с огромным удовольствием дискутировал о математике, астрономии, философии. Бруно ратовал за религию любви ко всем людям без исключения. Он очаровывал своим ораторским талантом и знаниями. Бруно объездил всю Европу. Король Генрих III сделал его экстраординарным профессором Сорбонны.
Физические исследования Декарта относятся главным образом к механике, оптике и общему строению Вселенной. Он считал, что Вселенная целиком заполнена движущейся материей и в своих проявлениях самодостаточна. Неделимых атомов и пустоты Декарт не признавал и резко критиковал атомистов, как античных, так и современных ему. Кроме обычной материи он выделил обширный класс невидимых тонких материй, с помощью которых пытался объяснить действие теплоты, тяготения, электричества и магнетизма. Декарт ввёл понятие количества движения, сформулировал закон сохранения количества движения. Изучал законы распространения света – отражения и преломления. Ему принадлежит идея эфира как переносчика света, объяснение радуги. Декарт вывел закон преломления света на границе двух различных сред, что позволило усовершенствовать оптические приборы, в том числе и телескопы.
Гипотезы о происхождении Солнечной системы
Проблему происхождения Солнечной системы пытались решить многие исследователи. Первая научная гипотеза образования Солнечной системы была предложена в 1644 г. Рене Декартом. Согласно ей, Солнечная система образовалась из первичной туманности, имевшей форму диска и состоявшей из газа и пыли. В 1745 г. Бюффон предположил, что вещество, из которого образованы планеты, было отторгнуто от Солнца какой-то слишком близко проходившей большой кометой или другой звездой. Философ И. Кант и математик П. Лаплас в конце XIX века предложили свои гипотезы, суть которых в том, что звезды и планеты образовались из космической пыли путем постепенного сжатия первоначальной газо-пылевой туманности.
Гипотезы Канта и Лапласа отличались. Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело – будущее Солнце, а потом планеты. Согласно Лапласу, первоначальная туманность была газовой и горячей и быстро вращалась. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, она вращалась все быстрее. Из-за центробежных сил в экваториальном поясе от нее последовательно отделялись кольца. В дальнейшем эти кольца конденсировались, и получились планеты. Согласно Лапласу, планеты образовались раньше, чем Солнце. Несмотря на существенное различие этих гипотез, они объединены в одну: Солнечная система возникла в результате закономерного развития газо-пылевой туманности в результате конденсации. Гипотеза Канта и Лапласа не справилась с необычным распределением момента количества движения Солнечной системы между центральным телом – Солнцем и планетами. Момент количества движения – это "запас вращения" системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг своих осей Солнца и планет. Гипотеза Джинса (начало ХХ века) объясняет образование Солнечной системы случайностью, считая ее редчайшим явлением. Вещество, из которого в дальнейшем образовались планеты, было выброшено из довольно "старого" Солнца при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Благодаря приливным силам, действовавшим со стороны налетевшей звезды, из поверхностных слоев Солнца была выброшена струя газа. Эта струя осталась в сфере притяжения Солнца. В дальнейшем струя сконденсировалась и получились планеты. Если бы гипотеза Джинса была правильной, то планетных систем в Галактике было бы значительно меньше. Поэтому гипотезу Джинса следует отвергнуть. К тому же она тоже не в состоянии объяснить распределение момента количества движения в Солнечной системе. Расчеты Лаймана Спитцера показали, что вещество струи, выброшенной из звезды, должно рассеяться в окружающем пространстве, а конденсации его не произойдет. Новейший вариант гипотезы Джинса, развиваемый Вулфсоном, предполагает, что газовая струя, из которой образовались планеты, была выброшена не из Солнца, а из пролетевшей мимо рыхлой звезды огромных размеров (в 10 раз превышающий радиус нынешней земной орбиты) и сравнительно небольшой массы. Расчеты показывают, что если бы планетные системы образовывались таким образом, то их в Галактике было бы очень мало (одна планетная система на 100 000 звезд). Открытия планет вокруг многих звезд окончательно похоронили гипотезу Джинса-Вульфсона.
Оказалось, что львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов Юпитера и Сатурна. С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. Когда от быстро вращающейся туманности отделялось кольцо, слои туманности, из которых впоследствии сконденсировалось Солнце, на единицу своей массы имели примерно такой же момент количества движения, как вещество отделившегося кольца. Таким образом, полный суммарный момент количества движения у планет должен быть много меньше, чем у "протосолнца". Поэтому главный вывод из гипотезы Канта и Лапласа противоречит фактическому распределению момента количества движения между Солнцем и планетами.
Х. Альвен, спасая гипотезу Канта и Лапласа, предположил, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку. Слабость предложенной гипотезы заключалась в том, что атомы наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых элементов – дальше. Значит, ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из водорода и гелия, а более отдаленные – из железа и никеля. Факты же говорят об обратном. Чтобы преодолеть эту трудность, астроном Ф. Хойл предположил, что Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества движения при этом перешел к диску. Затем в диске образовались планеты. Но представить торможение Солнца без вмешательства какой-то третьей силы невозможно. Трудностями и противоречиями гипотезы Хойла является то, что нелегко представить, как могли "отсортироваться" избыточный водород и гелий в первоначальном газовом диске, из которого образовались планеты, поскольку химический состав планет явно отличен от химического состава Солнца; во-вторых, не совсем ясно, каким образом легкие газы покинули Солнечную систему (процесс испарения, предлагаемый Хойлом, сталкивается со значительными трудностями). Главная трудность гипотезы Хойла – требование слишком сильного магнитного поля у "протосолнца", что резко противоречит современным астрофизическим представлениям.
Отто Юльевич Шмидт (1891–1956) в 1937 г. Портрет Нестерова. Фото с сайта: http://territa.ru/ |
В 1944 г. О. Ю. Шмидт предложил гипотезу, согласно которой планетная система образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти "современный" вид. В этой гипотезе нет трудностей с вращательным моментом. Начиная с 1961 г., эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон. Следует заметить: чтобы Солнце захватило достаточно много вещества, его скорость по отношению к туманности должна быть очень маленькой, порядка ста метров в секунду. Попросту, Солнце должно застрять в этом облаке и двигаться вместе с ним. В этой гипотезе образование планет не связывается с процессом звездообразования. Но эта гипотеза не дает ответа на вопрос: а где, когда и как образовалось Солнце? Современная космофизика предполагает (правда, непонятно, почему?), что газ, когда его масса и плотность достигают некоторой величины, под действием своего собственного притяжения сжимается и уплотняется, образуя холодный газовый шар. Допущение о самопроизвольном сжатии облака газа весьма фривольно. Подобного сжатия нигде в природе не наблюдается, да и быть не может. Но эта гипотеза утверждает, что в результате продолжающегося сжатия температура газового шара должна подниматься, так как потенциальная энергия частиц в поле притяжения газового шара при приближении их к центру якобы снижается. |
Температура облака в то время была –220°С. Вначале облако было однородным, а затем в нем стали появляться сгущения (но почему, – гипотеза не объясняет; А. Г. ), главным образом за счет гравитационного сжатия (но что сжимало газ и пыль? А. Г. ). В итоге вещество в облаке стало разогреваться и дифференцироваться путем разделения химических элементов и их соединений в поле силы тяжести (но что создало это поле силы тяжести? А. Г. ). Так, астрофизик Л. Спитцер показал, что если масса облака в 10 –20 тыс. раз превышает массу Солнца, а плотность вещества в нем свыше 20 атомов в см кубическом, то такое облако под действием собственной массы начинает сжиматься. (Но таких плотных облаков в Галактике не обнаружено ).
Однако как такое облако само собой образуется? Как оно сожмется до такого давления? Газ сжиматься может только при охлаждении. При этом он сначала превращается в жидкость, а потом переходит в твердую фазу. При нагревании такого твердого тела оно испаряется и снова превращается в облако. Так, например, ведут себя кометы по мере приближения к Солнцу. Они испаряются и теряют массу. Астрофизики предполагают, что Протосолнце с протопланетным облаком образовалось около 6 млрд. лет тому назад. Вещество в протопланетном облаке располагалось сначала равномерно, а затем стало скучиваться в отдельных областях, из которых позднее и образовались звезды. Но эта гипотеза никак не объясняет, почему в однородном протопланетном облаке стали образовываться сгущения и скучивания. Но если допустить, что вопреки законам физики газовое облако стало шаром, а шар сжался в звезду, то невозможно объяснить источник энергии этой звезды, который позволяет ей излучать частицы и электромагнитные волны. Ведь прежде чем начнется термоядерная реакция, в недрах облака-звезды температура должна подняться хотя бы до 20 миллионов градусов Кельвина. Если не появится другой не гравитационный источник энергии, то процесс излучения в результате сжатия звезды довольно быстро приведет к исчерпанию энергии, и такая звезда испарится и опять превратится в рыхлое облако, но светить не будет. Однако процесс сжатия вопреки всем законам физики приводит к тому, что центральные области звезды разогреваются до очень высоких температур, давление в них становится настолько высоким, что начинается термоядерная реакция синтеза из ядер водорода ядер гелия. При этом выделяется много энергии, разогревающей газовый шар. Для протекания термоядерного синтеза необходима температура в несколько десятков миллионов градусов. Период, в течение которого звезда, сжимаясь из газового облака, достигнет состояния, когда в ее центральных областях начнут действовать термоядерные реакции, называется периодом сжатия. После того, как в звезде весь водород превратится в гелий, она достигнет стадии красного гиганта – расширится. (Совершенно непонятно, почему при охлаждении звезда вдруг расширится, а не сожмется ). Далее гипотеза утверждает, что теперь будет сжиматься звезда, состоящая уже из гелия. От этого сжатия температура в ее центре увеличится до 100 млн. градусов и более. (Весьма фривольное предположение! ) Тогда начнется другая термоядерная реакция – образование ядер углерода из ядер гелия. Эта реакция также будет сопровождаться потерей массы и выделением энергии излучения. Температура звезды вновь возрастет, отчего сжатие звезды прекратится. Эта гипотеза происхождения звезд из газовой материи встречается с серьезными трудностями: в Галактике слишком мало водорода, всего около 2% общей ее массы. Если бы звезды действительно образовывались из газа, то звездообразование в Галактике должно было бы быстро закончиться. Между тем, в галактиках, в том числе и в нашей, появляются новые молодые звезды – голубые гиганты и сверхгиганты.
Небулярные гипотезы Канта, Лапласа имеют существенный недостаток: они не объясняют, почему Солнце и планеты так неравномерно распределили между собой количество движения (момент количества движения): на долю Солнца приходится около 2% момента количества движения, а на долю планет – около 98%, хотя совокупная масса всех планет в 750 раз меньше массы Солнца.
Шмидт исходит в своей гипотезе из различного происхождения Солнца и планет. Но если быть последовательным до конца, то следовало бы предположить, что раздельно возникло не только Солнце и планеты, но имеют раздельное происхождение и все планеты, поскольку они также имеют различный удельный момент количества движения (количество движения на единицу массы). Если удельный момент количества движения Земли принять за 1, то планеты Солнечной системы будут иметь следующие удельные моменты количества движения (Левин Б.С. Происхождение Земли и планет):
Те части протопланетного газово-пылевого облака, которое когда-то якобы встретилось с Солнцем, были им захвачены на свою орбиту. И эти части облака, если только последнее не вращалось (если облако вращалось, оно, по-видимому, должно было еще до встречи с Солнцем рассеяться под влиянием центробежной силы в межзвездном пространстве), должны были иметь абсолютно одинаковый удельный момент количества движения, поскольку они до захвата двигались в одном направлении и имели одинаковую скорость. И планеты тоже должны были бы иметь одинаковый удельный момент количества движения, если бы они произошли согласно гипотезе Шмидта.
Третья часть спутников планет Солнечной системы имеет обратное по отношению к Солнечной системе направление обращения. Это один из крупнейших в Солнечной системе спутник Нептуна Тритон, затем спутник Сатурна Феба, четыре внешних небольших спутника Юпитера и пять спутников Урана. Согласно гипотезе Шмидта, все тела Солнечной системы должны вращаться в одну сторону и в одной плоскости.
Половина планет Солнечной системы имеют большие наклоны плоскости экватора к плоскости своей орбиты (более 23° у Земли, Марса, Сатурна и Нептуна, а у Урана наклон равен 98°). Если бы планеты образовались из одного облака, они бы имели одинаковое наклонение своих орбит к плоскости экватора Солнца и не имели бы наклона плоскостей своих экваторов к плоскости своих орбит.
Если бы звезды действительно образовывались из газа, то в Галактике можно было обнаружить уже заметно уплотнившиеся газовые облака, постепенно превращающиеся в звезды. Но в звездных ассоциациях таких скоплений нет. Нет и переходных стадий от газовых облаков к звездам. Но существуют области в Галактике, из которых выбрасываются "готовые" звезды, а в Метагалактике – даже целые "готовые" галактики.
Обладающее значительным вращательным моментом газо-пылевое облако по законам механики просто не может существовать и не может превратиться в одиночную медленно вращающуюся звезду вроде Солнца. Расслоение такого вращающегося само по себе облака на кольца тоже невозможно. Неслучайно вращение звезд в Галактике вокруг центра происходит на порядок с большей скоростью, чем вращение газового диска Галактики, состоящего, кстати, не из колец, а из рукавов. Таким образом, существующие гипотезы образования звезд и планет, кроме гипотезы В. Амбарцумяна, очень далеки от истины.
Виктор Амазаспович Амбарцумян и Ян Хендрик Оорт в Бюракане (Армения) в 1966 г. Фото с сайта: http://www.ambartsumian.ru/
Несмотря на то, что ученые строят достаточно точные модели черных дыр и нейтронных звезд, не существует теории, которая сумела бы объяснить происхождение Солнечной системы и все известные сейчас ее особенности. Теория происхождения Солнечной системы должна объяснить все известные факты и не должна противоречить законам динамики и современной физики. Кроме того, из этой теории должны выводиться следствия, которые подтверждались бы будущими открытиями: теория должна не только объяснять, но и предсказывать. Все гипотезы, выдвинутые до сих пор, были опровергнуты или остались недоказанными при строгом применении физической теории.
Древнейшие породы земной коры затвердели 4 млрд. лет назад. Считается, что сама Земля образовалась 4,6 млрд. лет назад. Измерение времени, прошедшего с тех пор, как Земля остыла, основывается на незначительных следах свинца, гелия и других элементов, оставшихся в породах после распада радиоактивных элементов. Изучение метеоритов и образцов лунного грунта показывает, что их возраст в твердом состоянии не превышает возраста Земли. Предполагают, что и вся Солнечная система имеет такой же возраст.
Удовлетворительная теория происхождения Солнечной системы прежде всего должна учитывать существование планет, спутников, астероидов и комет. Она должна объяснить расположение планет, форму их орбит, наклон осей и скорость вращения и движения по орбите, должна объяснить распределение момента количества движения по планетам. Пока что такой теории нет, и можно говорить только о создании гипотез.