Образование Солнечной Системы

Проблема происхождения и эволюции Земли и планет оказалась "труднее ", чем проблема происхождения и эволюции звезд. Во-первых, Солнечная система у нас "в одном экземпляре ", она - единственная достоверно известная планетная система. Поэтому у нас нет возможностей с чем-то сравнивать, обобщать, применять могучие методы статистического анализа, как это делается в случае звезд. Во-вторых, как это ни странно звучит, мы слишком много знаем о Солнечной системе. Нам известно очень много деталей и подробностей, часто противоречивых, закономерностей, которые требуют объяснения в рамках данной теории или концепции.

Назовем основные закономерности, присущие Солнечной системе в целом.

1. Орбиты планет лежат почти в одной плоскости, и эта плоскость практически совпадает с плоскостью экватора Солнца.

2. Планеты обращаются вокруг Солнца в том же направлении, в каком Солнце вращается вокруг своей оси. Спиновое вращение планет (вокруг собственной оси) и обращение вокруг них естественных спутников происходит в этом же направлении. Распространенное явление в солнечной системе - резонансы между спиновыми и орбитальными вращениями планет и их спутников.

3. Расстояния от Солнца до планет подчиняются закону "планетных расстояний".

4. Солнечная система, несмотря на взаимные гравитационные влияния планет (возмущения), обладает устойчивостью.

5. Практически все вещество солнечной системы (99.9% всей массы) сосредоточено в Солнце. Лишь 1/1000 всей массы солнечной системы заключена в планетах, астероидах и т.д. (Заметим, что более половины этой доли сосредоточено в Юпитере.)

6. Планеты четко делятся на две группы: железо-каменные (состоящее в основном из тяжелых элементов- Fe, Ni, Si, O) и водородо-гелиевые (с характерным "звездным" химическим составом). Первые (к ним относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс) расположены сравнительно близко к Солнцу (все в пределах 1.5 а.е. от Солнца), вторые (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун ) - далеко от Солнца (от 5 до 30 а.е.). Первые ( "планеты земной группы") имеют сравнительно небольшие размеры (радиусы от 0.4 R+ до 1 R+) и высокую среднюю плотность (от 4 до 5.5 кг/м3), вторые ( "планеты-гиганты ") - действительно гиганты (радиусы от 3.4 R+ до 11 R+) с низкой средней плотностью (от 0.7 до 1.7 кг/м3).

Первую материалистическую модель мира (солнечной системы), в которой сам мир и небесные тела рассматривались в развитии попытался построить Рене Декарт (1596-1650). По Декарту, все небесные тела образовались в результате вихревых движений, происходивших в однородной вначале мировой материи - эфире. Солнечная система, согласно Декарту, представляет собой один из таких вихрей мировой материи. Центральное светило - Солнце - состоит из более тонкой мировой материи, а планеты и кометы - из более крупных частиц, отброшенных в процессе вращения к периферии. Планеты движутся вокруг Солнца, увлекаемые мировым вихрем. Каждая планета вращается, как соломинка в водовороте, в своем собственном вихре. Данные представления получили название вихревой гипотезы.

Истоком современной планетной космогонии можно считать гипотезу происхождения планетной системы, сформулированную Иммануилом Кантом в 1755 г. в книге "Всеобщая естественная история и теория неба". В соответствии с ней "в начале" мировое пространство было заполнено материей, находящейся в состоянии первозданного хаоса. Затем, под действием двух сил - притяжения и отталкивания - материя переходила к более организованным формам. Солнце и планеты, по Канту, образовались при слипании пылинок первичного вещества.

Лаплас в своем труде "Изложение системы Мира" (1796) развил теорию Канта, указав конкретный механизм образования планет. При сжатии протосолнца его вращение должно было ускоряться, что, по мнению Лапласа, должно было приводить к неустойчивости солнечного вещества в области экватора. Вследствие этого от экватора время от времени отделялись газо-пылевые кольца. И так несколько раз, по числу известных планет. Кольца постепенно удалялись от Солнца и занимали "свое" место в пространстве. Каждое кольцо разорвалось и охладилось, а уже из кусочков холодного кольца путем слипания образовалась планета.

Однако эта теория сталкивается с трудностью. Наша Солнечная система, состоящая из девяти планет разных размеров и масс, обладает особенностью: необычное распределение момента количества движения между центральным телом - Солнцем и планетами.

Момент количества движения есть одна из важнейших характеристик всякой изолированной от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему можно рассмотреть Солнце и окружающие его планеты. Момент количества движения можно определить как “запас вращения” системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг осей Солнца и планет.

Львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов Юпитера и Сатурна.

С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. В эпоху, когда от первоначальной, быстро вращающейся туманности отделилось кольцо, слои туманности, из которых потом сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такой же момент, как вещество отделившегося кольца (так как угловые скорости кольца и оставшихся частей были примерно одинаковы), так как масса последнего была значительно меньше основной туманности (“протосолнца”), то полный момент количества движения кольца должен быть много меньше, чем у “протосолнца”. В гипотезе Лапласа отсутствует какой-либо механизм передачи момента от “протосолнца” к кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции момент количества движения “протосолнца”, а затем и Солнца должен быть много больше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод противоречит с фактическим распределением количества движения между Солнцем и планетами.

Для гипотезы Лапласа эта трудность оказалась непреодолимой.

Другой, весьма распространенный, взгляд на происхождение планет именуют приливной гипотезой. В основе этой гипотезы - идея о том, что планеты образовались из солнечного вещества, выброшенного из Солнца в результате катастрофического события. В одном варианте приливной гипотезы таким событием являлась встреча Солнца с кометой (Бюффон, 1745), в другом - со звездой (Джинс, 1916). Гипотеза Джеймса Джинса была особенно популярна в 20-30-е гг. XX в. В большинстве учебников и популярных книг по астрономии приводился рисунок, иллюстрирующий рождение планет "по Джинсу". На нем показано, как сигароподобный сгусток материи, вырванный из Солнца в результате близкого прохождения звезды, может после распада на части дать "жизнь" планетам. Несостоятельность этой гипотезы доказал российский астроном Н.Н.Парийский.

В настоящее время считают, что планеты образуются из некоторой части вещества, оставшегося после конденсации протозвезды из газо-пылевого облака. Если это действительно так, то планеты должны быть обычным явлением в Галактике. Эти выводы подтверждаются наблюдениями протопланетных дисков около формирующихся звезд, а также рядом косвенных свидетельств существования планет около звезд.

Решаюший вклад в становление современной космогонической картины сделал Отто Юльевич Шмидт (1891-1956), который в 1940 г. сформулировал основные положения этой картины. Гипотеза Шмидта на новом современном уровне развивала классическую космогонию Канта и Лапласа. В основе новой космогонической концепции лежала идея образования планет не в результате сжатия раскаленных газовых сгустков, а путем объединения (аккумуляции) холодных твердых частиц и тел Эти тела (планетезимали), в относительно короткое время сформировались из пыли и газа дискообразной туманности, окружавшей молодое Солнце.

О.Ю.Шмидт показал, что вследствие законов сохранения энергии и момента количества движения туманность (протопланетное облако) должна была разделиться на несколько кольцеобразных "зон питания ". В них-то и аккумулировались будущие планеты. Из такого представления с неизбежностью следовало, что Земля никогда не была огненно-жидкой. Вначале относительно холодная (во всяком случае не расплавленная) она разогрелась лишь потом: изнутри - при распаде радиоактивных элементов, а снаружи - в результате интенсивной бомбардировки поверхности метеоритами и падений на нее крупных (размером с Луну или даже с Марс) тел.

Хронология событий может быть восстановлена: на стадии формирования Солнца - из теории звездной эволюции, на стадии роста Земли - по модельным расчетам, на более поздних стадиях - по данным геологии и геохронологии.

Возраст Солнца оценивается в 4,7 млрд лет. Столько лет тому назад в недрах Солнца начались термоядерные реакции, продолжающиеся по сей день. На образование Солнца пошло около 90% вещества протопланетного облака. Еще раньше газо-пылевое облако, сжимаясь, ускоряло свое вращение. Это вращение не позволяло облаку сжиматься в направлениях, перпендикулярных оси вращения. В результате сжимаюшееся и вращающееся облако приобрело форму диска, который затем распался на кольцевые зоны.

В кольцевых зонах протопланетного облака происходило слипание пыли в планетезимали. Это сравнительно быстрый процесс. Расчеты показывают, что он должен был продолжаться всего лишь около 10 тыс. лет в окрестностях Земли и около 1 млн лет в окрестностях Юпитера.

В солнечной системе сохранился реликтовый рой планетезималей. Это пояс астероидов, расположенный между орбитами Марса и Юпитера.

В настоящее время известно более 5 тыс. малых планет в этом поясе. Суммарная масса всех тел в поясе астероидов не превышает 1/1000 массы Земли. Из-за малости массы вещества здесь так никогда и не сформировалась планета.

Много больше времени должен был занять процесс укрупнения и слияния планетезималей. Рост Земли от 10 км до размера планеты, по модельным расчетам, продолжался около 100 млн лет. Наша планета, по-видимому, в основном сформировалась в период около 4,56 млрд лет тому назад (именно таков возраст самых старых из метеоритов, найденных на Земле). Но и после этого еще в течение 120-150 млн лет она продолжала расти за счет падения планетезималей и метеоритной бомбардировки. При падении крупных планетезималей выделялась колоссальная тепловая энергия, расплавлявшая поверхность Земли. Весь этот период поверхность Земли представляла собой океан раскаленной расплавленной магмы глубиной 200-400 км. Разумеется, никакие виды жизни невозможны были в этот период. Как показали исследования возрастов и числа метеоритных кратеров на Луне, проведенные во время пилотируемых полетов программы Аполлон (США) и исследований с помощью автоматических управляемых роботов-луноходов (СССР), падения планетезималей были особенно частыми в описанный период, а затем их число резко уменьшилось, очевидно, вследствие истощения их запаса на орбите.

Сформулируем кратко основные положения современной концепции происхождения Солнца и планет, в рамках которой удается объяснить и описать количественно большинство из наблюдаемых фактов и названных выше закономерностей.

1. По современным представлениям планеты и Солнце произошли из одного холодного газо-пылевого облака. Сначала 90% вещества собралось в центре облака и возникло Солнце. Из остатков облака путем холодного слипания образовались планеты.

2. Холодное слипание происходило медленно и прошло через стадию планетезималей. Планетезимали - тела, по размерам близкие к метеоритам и астероидам, - сформировали твердые части планет. В случае планет земной группы твердая часть - это вся планета целиком. В случае планет-гигантов - это их ядро.

3. Различие между планетами земной группы и планетами гигантами определяется действием солнечного излучения. Работают два фактора. Первый. Ближе к Солнцу туманность теплее и легкие газы улетучиваются. Силы притяжения твердой части планеты недостаточно, чтобы их удержать. Второе. Ближе к Солнцу эффективно действует световое давление, которое сносит легкие газы на периферию туманности. Под влиянием названных факторов планеты земной группы оказываются практически лишенными летучих веществ, а планеты-гиганты содержат их очень много (в основном это водород и гелий - главные составляющие первичной туманности). Если бы не действовали эти факторы, Земля имела бы массу и строение Сатурна: в центре железо-каменное ядро размером с нашу планету, а снаружи гигантская водородо-гелиевая оболочка.

Современная теория происхождения Солнца и планет подтверждается многочисленными модельными расчетами, данными геофизики, геологии и астрономии. Решающие доказательства справедливости этой теории дали полеты пилотируемых космических кораблей к Луне, полеты автоматических станций к планетам Солнечной системы.

Другие записи

10.06.2016. Метеориты и метеоры
Метеориты - это небольшие твердые тела, которые, пройдя через земную атмосферу, упали на поверхность Земли. Большинство метеорных тел, которые сталкиваются с нашей планетой, сгорают в атмосфере, но некоторые…
10.06.2016. Астероиды
10.06.2016. Планеты