Зарождение - Современная космогония

По современным представлениям Солнечная система зародилась из газопылевого облака приблизительно 4,6 млрд. лет назад. Это облако было холодным и бесформенным.

Под действием гравитационных сил облако мало-помалу должно было закручиваться и сплющиваться. В его центральной части конденсировался сгусток материи - будущее Солнце. Уплотняющийся сгусток рос, приобретал форму шара и, в конце концов "вспыхнул" - его стали разогревать термоядерные реакции с выделением огромного количества света и тепла. Летучие вещества вблизи от Солнца испарялись и отбрасывались в самую плотную и толстую - среднюю часть облака. Частицы облака, кружась вокруг пылающей звезды-Солнца, сталкивались и сцеплялись. Так появились "зародыши" планет. Вблизи от Солнца росли планеты небольшие и плотные, а в средней части огромные и менее плотные.

Происхождение Солнечной системы (планетная космогония)

Образование Солнца и протопланетного облака

Процесс образования планет и их спутников Начальное состояние и эволюция Земли

Солнечная система состоит из центральной звезды Солнца и окружающих его множества небольших спутников - планет, астероидов (малых планет), комет, метеоритов и бесчисленных мелких метеорных частиц и пылинок. Девять планет являются 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 звезд, вопросы его происхождения и развития рассматриваются теорией эволюции звезд, 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. В согласии с современными представлениями о звездообразовании 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 эллиптическим 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, которая очень медленно вращается в обратном направлении, и Урана, который 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.

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 современной 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 которыми она встретилась, в частности при объяснении медленности современного вращения Солнца, заставили астрономов обратиться к др. гипотезам. В конце 19 в. появилась гипотеза американских 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 классическим 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, который, по его представлениям, был захвачен Солнцем. В отличие от предшествующих космогонических 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 некоторой степени независимо. Работами Шмидта и ряда др. советских ученых (Л. Э. Гуревича, А. И. Лебединского, Б. Ю. Левина, В. С. Сафронова) выяснены основные 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 критической плотности в результате гравитационной неустойчивости 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, которые вырывались вперед в процессе роста, оказались зародышами будущих планет. При объединении многих тел в планеты произошло усреднение индивидуальных свойств движения отдельных тел, и поэтому орбиты планет получились почти круговыми и компланарными. Самые крупные планеты - Юпитер и Сатурн - на основной 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 40Ar), Kr и Xe по сравнению с их солнечным и космическим обилием. 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 гравитационного возмущениями растущих планет. Количество твердого вещества, выброшенного из зоны планет-гигантов, было больше, но не превышало массу самих планет. Это является веским доводом в пользу того, что общая масса протопланетного облака составляла всего несколько прцентов от.

Особой проблемой, служившей пробным камнем для многих космогонических 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 количественные 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 ротационной 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 магнитного сцепления вращающегося Солнца и ионизованного вещества протопланетного облака, благодаря которому Солнце может передать момент близлежащим частям протопланетного облака. На больших расстояниях, где магнитное поле ослаблено, перенос вещества и момента осуществлялся, по его мнению, с помощью турбулентности. Эти идеи используются и в современных моделях образования Солнечной системы. Медленность вращения современного Солнца Шацман объяснял потерей некоторой части вещества с поверхности Солнца, происшедшей уже после превращения протосолнца в Солнце. Улетающее ионизованное вещество вплоть до больших расстояний продолжает взаимодействовать с магнитным. полем вращающегося Солнца и приобретает значит. момент количества движения, который 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 гравитационной энергии 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 которого начальная температура в зоне формирования планет земной группы и метеоритов должна была составлять всего несколько сотен градусов по Цельсию. В наиболее общем случае облака малой массы должны иметь температуру еще выше. Следствия, вытекающие из этих представлений, были подвергнуты проверке при анализе вещества метеоритов. Начиная с 70-х гг. 20 в. лабораторные анализы метеоритов, которые на протяжении всей своей истории не подвергались сильному нагреву, указывали на присутствие в них вещества, напоминающего, по-видимому, межзвездную пыль. Его присутствие в количестве хотя бы нескольких % 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 основной массы протопланетного вещества. Однако ряд обнаруженных изотопных аномалий в некоторых 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 котором 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 129I, а в 1965 г. - продуктов распада 244Pu (периоды полураспада и лет соответственно). Присутствие газообразных химических инертных продуктов распада показывает, что некоторое 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 cверхновых звезд. Возникло естественное 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. Присутствие в метеоритах продуктов распада изотопов 129I и 244Pu интерпретировалось как указание на то, что между взрывом сверхновой и образованием твердого метеоритного вещества прошло всего несколько периодов полураспада, т. е. время ~ 107-108 лет. Этот промежуток времени, названный интервалом формирования, был сокращен до 106-107 лет, когда удалось выявить в ряде метеоритов присутствие продуктов распада еще более короткоживущих изотопов - 26Al и 107Pd (периоды полураспада и лет). Если исходить из идеи о сохранении межзвездных пылинок, понятие "интервал формирования" теряет свой смысл. Конденсация твердого вещества 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 современного. звездообразования в Галактике; снимки поверхностей планет Солнечной системы и их спутников, изобилующих ударными кратерами, - наглядно свидетельствуют о правильности общих основ современной. 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 электро-магнитными силами. Для этого молодое Солнце должно было обладать очень сильным магнитным 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 магнитного 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 ионизации, 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 которой 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.

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 является 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 магнитных 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 рентгеновском и УФ-диапазонах, общая светимость и интенсивность звездного ветра. Имеются данные, что рентгеновское и УФ-излучение молодых звезд солнечной массы может на порядки превышать интенсивность коротковолнового излучения современного Солнца. С использованием уравненийний гидродинамики были построены модели околосолнечного газово-пылевого диска, вращающегося вокруг такого активного Солнца. Согласно этим моделям, температура 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 температур, 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.

Зарождение - Современная космогония

Похожие статьи