Солнечная система
Солнечная Система, как и любая другая, не является неизменной системой. Изменения происходили и будут происходить. Вот как это происходило (на основе расчётных данных): Солнце и Солнечная Система возникли из газопылевого облака диаметром, примерно, 94.45 а.е.. Планетная система возникла за довольно короткий период – 676 млн.лет. Это было время активного перераспределения вещества. Спектральный класс Солнца составлял В9 при эффективной температуре 15222 К. Мощный поток ультрафиолетового излучения (максимум излучения приходился на 0.19 мкм) с большой мощностью излучения – 1.37x1029 Вт привёл к образованию трёх основных центров сгущения вещества массами порядка 1028 кг на небольшом расстоянии от Солнца (около 1 а.е.). Это были крупные газопылевые «планеты-гиганты» с диаметрами от 140000 км до 648000 км у крупнейшего планетоида) при относительно низкой плотности (около 100 кг/м3). Однако близость к Солнцу, собственная масса и небольшие расстояния между этими образованиями не способствуют устойчивости этих образований. Подвергаясь гравитационному и магнитному воздействию Солнца (ионизация газопылевых образований ультрафиолетовым излучение приводит и к этому), постепенное гравитационное сжатие (т.е. увеличение собственного вращательного момента), взаимодействие самих этих образований приводит к их дроблению, дифференциации по химическому составу, начальной стадии возникновения спутниковых систем планет. И если всё вышеописанное относилось к периоду 100 млн. лет после возникновения Солнца как звезды, то через 200 млн. лет в системе существует уже 4 относительно стабильных образования. Две крайних «планеты» имеют массы порядка 1027 кг, внутренние же – 1028 кг. Солнце находится в спектральном классе А1 с эффективной температурой 12463 К. Т.е. гравитационное, магнитное, ионизационное воздействие по прежнему велико. Ещё через 100 млн. лет картина меняется мало. Солнце по-прежнему в спектральном классе А, но процесс преобразований в Системе продолжается. Радиусы крайних планет уменьшаются до 13000 и 67000 км при массе порядка 1026 кг. Нет образований с массами 1028 кг. Массы внутренних образований составляют 1027кг и по-прежнему велики. Плотность ближайшего к Солнцу образования увеличивается до 646 кг/м3, по химическому составу уже заметно отличие от других образований. Ещё 100 мли. лет – Солнце в спектральном классе F. Его эффективная температура падает до 8354 К. Масса «планет» падает у крайних – до 1025 кг, внутренних – 1026 и 1027 кг. Радиусы планет уменьшаются, расстояния между ними увеличиваются. Дальняя планета радиусом 6470 км и массой 2.6x1025 кг находится на расстоянии 3.6 а.е. от Солнца. Разрушение конгломерата газопылевых «планет-гигантов» продолжается и через 400 млн. лет после «зажигания» Солнца. На этот момент явно определились две группы планет. Крупнейшее из образований диаметром 103832 км и массой 1.72x1027 кг находится на расстоянии 3.4 а.е.. Процесс распада и дифференциации вещества планетной системы завершается, но спутниковые системы планет только начинают развиваться. Следующие 100 млн. лет вносят немного корректив: появляется ещё одна планета. Общее количество – 8. Спектральный класс Солнца F9, его эффективная температура составляет 6188 К и далее будет меняться слабо. Характеристики планет на тот момент приводятся ниже:
Космология - это изучение происхождения космических систем и объектов, в частности Солнечной системы. С тех пор, как Р.Декарт в 1644 г. предпринял первые попытки применить научные методы в той области знаний, которую теперь назвали бы космологией, было предложено множество различных теорий образования Солнечной системы. Согласно теории "вихрей" Декарта и её более современным версиям, предполагается существование начальной турбулентности, из которой формируются планеты. Такие теории были отвергнуты, поскольку никакого известного механизма создания турбулентности нет. Приливные теории постулируют близкий подход к Солнцу другой звезды, в результате чего часть солнечного вещества отрывается от Солнца и конденсируется в планеты. Такие события теперь также оцениваются как маловероятные. Более вероятными считаются приливные механизмы взаимодействия звёзд и гигантских молекулярных облаков.
Согласно современным представлениям, Солнечная система образовалась из медленно вращающегося газового облака. По мере сжатия облака формировалось плотное непрозрачное ядро (которое в конечном счёте должно было стать Солнцем), окружённое диском газа и пыли. Впервые эту теорию туманности предложили Кант в 1755 г. и Лаплас в 1796 г. В последнее время гипотезы о механизме формирования планет внутри диска претерпели значительные изменения. Сейчас наибольшее распространение получила гипотеза о постепенном накоплении вещества планет путём аккреции (процесс, при которым маленькие частицы вещества присоединяются к большим массам (или поглощаются ими) под действием взаимной гравитации или при случайных столкновениях, в результате чего постепенно образуются большие небесные тела). Различие между внутренними твёрдыми планетами и внешними газовыми гигантами обусловлено уменьшением нагрева со стороны Солнца. Давайте всё это рассмотрим более подробно.
Введение в космогонию.
Безусловно, взгляд науки на то, каким же образом возникла Земля, Солнце и вообще всё-всё-всё, несколько отличается от того, как эти события описывают, к примеру, в Библии. Но, у науки есть право иметь своё мнение, давайте его уважать. И давайте, наконец, узнаем о том, как это было. С научной точки зрения.
Мы не в состоянии о делах столь давно минувших дней расспросить кого-либо из очевидцев. Жизнь возникла позже, чем образовались Солнце и планеты, что само по себе и не удивляет никого. В то же время, учёные имеют вполне ясное представление обо всём произошедшем благодаря изучению косвенных свидетельств небесных тел. Оказывается, всё в Солнечной системе носит отпечаток тех давних свершений.
Издавна совершались попытки обрисовать рождение Солнечной системы или, хотя бы, Земли. Эти гипотезы, со временем, не выдерживали критики. Наблюдение Солнца, Луны, планет и Вселенной вообще говорило о несостоятельности той или иной версии лучше любого живого свидетеля. Самое большое заблуждение, которое мы простим великим умам античного мира, заключалось в том, что они полагали Землю центром мира, а порою, Землю вовсе даже не шарообразную. Трудно ждать верных суждений о происхождении Земли, Солнца, планет от людей, не знающих верного "положения вещей". В наше время, гипотеза о рождении Солнечной системы должна объяснять все те наблюдаемые факты, которые накопились за века.
Далее мы опишем обстоятельства существования Солнца, Луны, планет, их спутников и малых тел Солнечной системы, которые обязательно должна не обойти вниманием современная модель рождения планетной системы.
Итак, астрономические наблюдения говорят нам о том, что:
Все планеты и подавляющее число астероидов вращаются вокруг Солнца в одну сторону, совершая свой путь по почти круговым орбитам (последнее неверно для Плутона и Меркурия;
Все планеты, кроме Венеры, Урана, и Плутона вращаются вокруг своей оси в ту же сторону, в которую движутся по своей орбите;
Почти все спутники вокруг своих планет также соблюдают постоянство вращения в одну сторону, однако, тут исключений больше;
Орбиты планет расположены вблизи одной плоскости, близкой к плоскости экватора Солнца;
Средние расстояния от Солнца до планет подчиняются закону Тициуса-Боде, за исключением Нептуна и Плутона;
Плоскости орбит спутников, за несколькими исключениями, совпадают или близки к плоскости экваторов своих планет;
Планеты разделились на две группы: земную и гигантов, при этом, первые меньше по размерам и массе, у них мало спутников, больше плотность, особый химический состав и они расположены ближе к Солнцу;
Планеты земной группы, имеющие твёрдую поверхность, по форме близки к шару; подобное же свойство есть и у планет-гигантов, которые лишь больше сплюснуты у полюсов;
Большая часть астероидов расположилась между орбитами Марса и Юпитера, а также за орбитой Нептуна;
Почти все кометы имеют вытянутые орбиты, иногда даже параболические и гиперболические. Эти орбиты могут быть по-разному ориентированы в пространстве;
На Солнце приходится почти вся масса Солнечной системы, однако, момент количества движения её почти весь "достался" планетам.
Наука, занимающаяся вопросами образования и существования небесных тел, называется космогонией. Именно эта наука выдвигает гипотезы зарождения и развития Солнечной системы - некоторого собрания небесных тел. Эти гипотезы называют космогоническими. Рассмотрим четыре основные гипотезы.
Гипотеза Бюффона
В 1749-м году француз Бюффон в первом томе его книги "Естественная история" предложил одну из первых космогонических гипотез, ставших известных в научном мире после того, как Коперник "поместил" Солнце в центр мира.
По его мнению, однажды большая комета столкнулась с Солнцем, благодаря чему произошёл выброс солнечного вещества. Это вещество, разбившись на части, образовало планеты и их спутники. Рассмотрим подробности этой идеи.
Бюффон не задаётся вопросом о происхождении комет и Солнца. Он считал кометы телами, не принадлежащими Солнечной системе. Кроме того, он, как мы теперь знаем, ошибочно полагает, что Солнце и кометы являются твёрдыми телами. При скользящем столкновении гигантской кометы с таким Солнцем, последнее должно было приобрести вращение и потерять часть своей массы, которая, расплавившись при ударе, смогла бы образовать вращающиеся вокруг Солнца тела. При этом, все будущие планеты должны приобрести то движение, которое и наблюдается в Солнечной системе: в одном направлении, в плоскости, близкой к плоскости экватора Солнца. Как мы видим, Бюффон попытался объяснить наиболее значимые особенности существования нашей планетной системы.
По Бюффону, спутники планет образовались ещё на той стадии, когда сами планеты были жидкими и имели значительную скорость вращения вокруг собственной оси. Из-за быстрого вращения от экваторов планет должны были отделяться частицы вещества, которое и пошло на образование спутников. Как мы увидим, в других космогонических гипотезах эта идея отрыва вещества от быстро вращающихся тел не останется не замеченной.
Очевидны ошибки Бюффона (нам, из грядущих веков глядя, легко это сказать). Солнце, конечно, вовсе не твёрдое, а кометы обладают столь ничтожными массами, что хоть как-то повлиять своим столкновением с гигантским светилом они просто не в состоянии. Исследования Земли говорят нам, что наша планета никогда не переживала время жидкого (расплавленного) состояния, что тоже противоречит идеям Бюффона. Кроме того, выброшенное вещество неминуемо должно было, описав эллиптическую дугу, "упасть" обратно на Солнце. И уж совсем невероятно, что все планеты после столь неуправляемой катастрофы стали двигаться по почти круговым орбитам, подчиняясь при этом некому правилу (закон Тициуса-Боде). Очень скоро гипотеза Бюффона попала под критические молнии Пьера Симона Лапласа и навсегда покинула научную сцену.
Гипотеза Канта
Через несколько лет после появления во Франции гипотезы Бюффона, а точнее в 1755-м году, в Германии известный философ Иммануил Кант, будучи ещё молодым домашним учителем, выпустил книгу "Всеобщая естественная история и теория неба, или исследование о составе и механическом происхождении всего мироздания, построенное на основе принципов Ньютона". До 1791-го года книга оставалась неизвестной, тем более Кант не поставил своего имени на титульном листе, оставив сочинение анонимным.
Кант приписывает Богу лишь создание самой материи и наделение её наблюдаемыми свойствами. Всё остальное развитие Мира происходит без участия Творца.
Кант считал, что первоначально материя была сильно разряжена и составляла так называемый Хаос. Подобное начало, надо сказать, встречалось и в древнегреческих философских трудах. Хаос Канта состоял из мелких пылевых частиц (сейчас бы сказали "метеорных"), находящихся в покое. Этот покой мог быть лишь в самом начале, сразу после создания Хаоса Богом. После этого отправного момента материя приходит в движение, подчиняясь законам Ньютона. Более массивные частицы начинают из окружающего их пространства притягивать к себе легкие пылинки. Так в Хаосе появились первые сгущения материи.
Эти сгущения росли и объединялись в большие шары, из которых и образовались звёзды. Кант понимал, что, следуя только этой логике, он должен был завершить развитие Мира образованием только одного шара. Поэтому он наделил частицы материи ещё и свойством упругости: при столкновении частицы могли отскакивать друг от друга, меняя направление движения друг друга.
В процессе этих столкновений, как полагал Кант, в близи каждого большого тела случайным образом должно начать преобладать одно направление движения. Как считал философ, двигаясь по параллельным траекториям, частицы меньше сталкиваются. Таким образом, вблизи каждого шара небольшое количество вещества вовлекается во вращение вокруг центрального тела. Траектории частиц проходят через центр большого шара и лежат в плоскости его экватора: центральное тело раскручивается в ту же сторону, что и большая часть частиц. Так у звёзд могут появиться планеты, а у планет - спутники, причём вращение всех тел одной системы (такой, как Солнечная) происходит в одном направлении.
Происхождение колец Сатурна Кант объяснил слишком быстрым начальным вращением планеты, от которой под действием центробежных сил отделилась часть вещества (центробежная сила - это та самая сила, которая тянет нас при повороте любого транспорта в противоположную повороту сторону). Как видим, здесь гипотеза Канта в чём-то перекликается с идеями Бюффона. По мнению Канта, известный всем из библейской истории большой потоп был следствием разрушения Богом водяного кольца, которое образовалось у Земли.
Все звёзды в Мире Канта должны остыть, но упавшие на них планеты, объединение нескольких звёзд, наконец, падение их на центрально мировое Солнце разогреет всё вещество и породит новые клубы Хаоса. Так, в общих чертах, выглядит идея круговорота материи во Вселенной. В чём-то эта мысль напоминает нам с Вами современную идею пульсирующей Вселенной, хотя и далека от последней в научном плане.
Основной ошибкой Канта является неверное представление о возникновении вращательного движения из прямолинейного. Такое не может произойти само по себе в замкнутой системе, которой является Хаос Канта. Для того, чтобы это движение началось, нужно воздействие извне, а ни какое материальное тело, ни Творец такого влияния на Хаос не оказывали. Частицы Хаоса Канта и впрямь должны были собраться, в итоге, в одно Мировое Солнце, без планет, спутников и колец.
Изначальный "строительный материал" Вселенной состоял не из пылинок, а из водорода, гелия и излучения. То же касается тех облаков, из которых, по современным представлениям, рождаются планетные системы: содержание пыли в до-планетных облаках было невелико. Никак не объясняет Кант и то, каким образом вновь должен образовываться Хаос из остывшей материи. Неверны и его мысли об образовании колец Сатурна и, уж конечно, идея о всемирном потопе.
Гипотеза Канта, однако, впервые предположила образование Солнца и планет из туманности. Такие гипотезы называют небулярными ("туманностными"). Одна из небулярных гипотез в наше время является общепринятой. Идеи же самого немецкого философа не имели верных предпосылок и точного математического объяснения.
Гипотеза Лапласа
В 1796-м году впервые увидела свет космогоническая гипотеза французского учёного Лапласа. Во многом её считают схожей с идеей Канта, но исторические исследования говорят нам о том, что Лаплас не был знаком с трудом немецкого философа. Но зато Лаплас знал и критически отзывался о предположениях своего соотечественника Бюффона.
Не пытаясь объять необъятное, Лаплас начинает рассказ о рождении Солнечной системы с уже существующей вращающейся газовой туманности, имеющей центральное сгущение - Солнце. Не имея знаний и доказательных наблюдений, Лаплас не стал измышлять способы образования таких туманностей. Важно то, что в согласии с наблюдениями англичанина Вильяма Гершеля, можно было с уверенностью сказать, что подобные туманности существуют. Гершель обнаружил много различных туманностей, в том числе и те, в которые были погружены отдельные звёзды (пример его наблюдений - Плеады).
Туманность представляла собою, по мнению Лапласа, как бы разогретую атмосферу центрального тела. Эта атмосфера вращалась с единой угловой скоростью, то есть каждая частица атмосферы совершала оборот вокруг Солнца за один и тот же промежуток времени. Это не согласуется с законами Кеплера, однако, мы имеем место с целостным объектом - атмосферой, скорости молекул в которой выравниваются благодаря взаимному действию друг на друга. Также Лаплас совершенно верно указывает на то, что такая туманность должна со временем сжиматься к экваториальной плоскости, где орбиты частиц устойчивы, так как их плоскости проходят здесь через центр тяготения. Чем больше скорость вращения, тем больше сжатие.
Далее Лаплас рисует картину остывания туманности. В соответствие законам физики, остывание ведёт к уменьшению атмосферы, а уменьшение вращающегося тела непременно ведёт к увеличению угловой скорости его вращения (для дотошных: закон сохранения момента импульса). Лаплас полагал, что в один момент времени скорость вращения возрастает настолько, что центробежная сила на экваторе туманности становится равной силе тяготения. Частицы, попадающие под это равенство, теряют связь с туманностью и отслаиваются от неё, образуя газовое кольцо, вращающееся с постоянной угловой скоростью независимо от первоначальной туманности. Туманность при этом сжимается дальше, увеличивая скорость вращения. Явление отделение колец происходит несколько раз. Кольца имеют тем большую скорость, чем ближе они расположены к Солнцу.
Наконец, скорость вращения Солнца должна быть ещё больше, чем скорость вращения ближайшего к нему кольца. Как Вы понимаете, из колец, по уразумению Лапласа, образовались планеты, из схожих колец вокруг планет - спутники и, собственно, наблюдаемые кольца (в те времена известны были лишь кольца Сатурна). Лаплас видел подтверждения своей гипотезе в том, периоды обращения планет уменьшаются с приближением к Солнцу, а Солнце имеет ещё меньший период обращения вокруг своей оси (Меркурий - 88 суток, Солнце - 25 суток).
Неоднородности колец Лапласа позволили образоваться сгущениям, а затем - планетам или спутникам. Если кольцо очень однородно, то, как считал Лаплас, оно остаётся кольцом. Как доказательство он приводил кольца Сатурна, каждое из которых считал газовым и сплошным. Вращение планет Лаплас объясняет тем, что каждое кольцо, породившее планету, имело одну скорость вращения вокруг Солнца, то есть, вращалось как одно целое. При этом частицы, внешней части кольца должны были двигаться с большей скоростью, чем частицы внутренних областей. Они-то и подгоняли внешний край образующейся планеты, подкручивая её в направлении своего движения.
Так Лаплас "получил" планеты, вращающиеся по круговым орбитам в одном направлении, со скоростями, возрастающими с приближением к Солнцу, вращающиеся вокруг оси в одну сторону, со спутниками, вращающимися в ту же сторону, и кольцами. Об исключениях во вращении Урана и Венеры тогда ещё было неизвестно. Кометы Лаплас считал телами, приходящими в Солнечную систему извне, ссылаясь на параболичность их орбит, и не рассматривал их возникновение в рамках своей теории.
С точки зрения нынешних воззрений, Лаплас совершил несколько ошибок, важнейшей из которых является его основная идея о кольцевом происхождении планет и спутников. Отделение частиц от вращающейся туманности должно было происходить не кольцами, а непрерывно, иначе говоря, всё здание теории Лапласа рушится. Также неверно его предположение о целостной природе кольца Сатурна. Теперь известно, что состоит оно из множества свободных частиц, вращение каждой из которых подчиняется законам Кеплера. Неверно исключил он и кометы из Солнечной системы.
Однако, Лаплас, как и Кант (их гипотезы часто называют одной теорией Канта-Лапласа) сделал ещё один шаг вперёд к истине, причём в своей гипотезе он пытался придерживаться принципов научности и доказуемости настолько, насколько это было возможно в то время. Он избегал вмешательства Бога в жизнь Солнечной системы и всякого несоответствия своих предположений астрономическим наблюдениям. Впрочем, ему тонко намекали, что Солнце слишком медленно вращается сейчас, чтобы в прошлом от него могли отделяться кольца…
Гипотеза Джинса
Джеймс Хопвуд Джинс, английский учёный, в начале 20-го века изложил очень популярную теорию, потерявшую свою силу лишь во второй половине того же века. Эта теория описывала происхождение Солнечной системы. Джинс сумел разработать проблему гравитационной неустойчивости, благодаря чему научно было обосновано происхождение небесных тел из разреженных сред, какими являются газовые и газопылевые туманности. То, что Лаплас и Кант считали само самой разумеющимся, пусть и не без оснований, Джинс сумел перевести на язык физики и математики.
Гипотеза Джинса, главным образом, знаменита тем, что в ней вещество, из которого образовались планеты, появилось весьма интересным способом. По мнению Джинса, в далёком прошлом мимо Солнца на очень близком расстоянии пролетала некая звезда, которая своим гравитационным воздействием вырвала с поверхности нашего светила часть вещества. Это вещество, разбившись, в дальнейшем, на части, образовало планеты. Но сегодня доказано, что подобный выброс не мог стать прародителем планет.
Как и в ходе кометной катастрофы Бюффона, выброшенное вещество должно было бы вернуться на Солнце, или, в крайнем случае, оно было бы увлечёно проходившей мимо звездой, что, в итоге, повлекло бы падение солнечного вещества на неё. Доказано, что благодаря такому сближению звёзд образование значительного количества материи, вращающейся вокруг Солнца, невозможно. К тому же (и это тоже доказано), планеты не переживали стадию полного расплавления.
От газопылевого диска до планет
В середине 20-го века Отто Юльевич Шмидт, советский учёный, изложил теорию, которая и по сей день лежит в основе представлений человека о происхождении планетной системы, нашей и любой ей подобной. Мы не станем здесь распространяться на тему возникновения вокруг молодого Солнца газопылевого диска (мы вернёмся к этому позже, когда будем говорить о жизни звёзд). Оговоримся лишь, что диск этот являл собою остаток того облака, из которого возникло само Солнце. Ещё на ранних стадиях возникновения этого облака оно приобрело вращение, благодаря которому возник именно вращающийся сплюснутый диск, а не шар.
Начальный диск на 98-99% состоял из водорода и гелия. Остальные элементы были представлены в ничтожном количестве, однако именно с их наличием сегодня связывают возникновение планет. При остывании облака тугоплавкие вещества (такие как железо, кремний, титан, никель, их соединения и др.) начинали конденсироваться в пылинки. Конденсироваться означает переходить из газообразного состояния в твёрдое или жидкое. Образование росы, запотевание стёкол является следствием конденсации водяных паров при охлаждении воздуха. Но для конденсации таких газов как водород и гелий понадобились бы столь низкие температуры и высокие давления, что в естественных условиях газопылевого облака такой конденсации никогда бы не произошло. Кроме того, в допланетном облаке не было подходящих условий для существования большинства веществ в жидком состоянии, поэтому газы, более тяжёлые, чем гелий и водород, сразу образовывали твёрдые частицы, жидкую фазу. Так же, к примеру, ведут себя пары воды на Марсе.
Благодаря относительно большой массе, пылинки стремились приобрести более устойчивое движение, перемещаясь к центру диска. Постепенно образовался тонкий пылевой диск внутри толстого газопылевого. С охлаждением облака, число и размеры пылинок росли, плотность пылевого диска увеличивалась, а остальная часть начального диска становилась всё разреженнее. В конце концов, пылевой диск стал во много раз тоньше своего диаметра.
Состав этого пылевого диска был неодинаков в разных его частях и зависел от расстояния до Солнца. Внутренние прогретые Солнцем области состояли только из пылинок тугоплавких веществ. С удалением от центрального светила температура падает, и всё больше веществ могло образовывать твёрдые частички. Водяные пары, например, судя по современным исследованиям, могли переходить в лёд только где-то в районе орбиты Юпитера. С удалением от Солнца падала также и плотность диска. Солнечный ветер выдувал лёгкие молекулы газа из внутренних частей Солнечной системы быстрее, чем из внешних. Из-за этого газ вскоре почти покинул близкие к Солнцу области.
Постепенное охлаждение облака способствовало образованию бессчётного количества соединений, по большей части входивших в растущие пылинки. По законам физики, газы "охотнее" конденсируются именно на уже существующих пылинках, нежели образуют новые.
Ко времени, когда завершилось образование тонкого пылевого диска, его плотность в десятки раз превышала плотность окружающего газа. Размеры твёрдых частиц достигли нескольких сантиметров. Диск стал, как говорят, гравитационно неустойчивым: случайные уплотнения в нём не рассеивались, а наоборот росли, а разрежения - опустошались за счёт увеличения уплотнений. Этот процесс завершился образованием миллионов тел размером в несколько километров. Такие тела и стали зародышами планет. Их назвали планетезималями. Состав их был неодинаков, в соответствие с температурными условиями и плотностью изначального диска, которые, напомним, зависели от расстояния до Солнца.
В течение последующих нескольких сот миллионов лет шёл рост самых больших допланетных тел и разрушение малых. Малые допланетные тела также выбрасывались из Солнечной системы гравитационным влиянием массивных планетезималей.
Рост будущего Юпитера шёл быстрее всего: он находился в той области Солнечной системы, где уже образовывались ледяные водные частицы. Они-то и способствовали быстрому начальному росту гиганта. Вторым важным обстоятельством роста Юпитера, давшим ему преимущество перед остальными планетами-гигантами, было более близкое его расположение к Солнцу, где плотность пылевого диска была выше. Зародыши Сатурна, Урана и Нептуна из-за меньшей плотности диска в районах их образования отстали в росте от Юпитера. Юпитер успел вобрать в свою атмосферу огромное количество газа, пока тот ещё не был рассеян солнечным ветром. Сегодня мы видим, что Юпитер больше всех остальных планет вместе взятых по массе.
Планеты земной группы, хотя и образовывались в самой плотной части допланетного диска, не смогли стать самыми массивными планетами Солнечной системы. Близко к Солнцу из-за высокой температуры и плотных потоков солнечного ветра твёрдые частицы образовывались без особого энтузиазма. А тяжёлые вещества (железо и кремний) в начальном облаке, как мы помним, были в явном меньшинстве.
Так Солнечная система получила маленькие планеты около Солнца, состоящие, в основном из кремния, железа и их соединений. Среди этих планет только Венера и Земля обладают достаточными массами, чтобы удерживать возле себя атмосферу, да и то состоящую лишь из тяжёлых газов, молекулы которых не так проворны. Поэтому Луна и Меркурий не имеют газовой оболочки, а Марс почти всю её уже растерял.
Планеты-гиганты имеют твёрдые ядра в 2-3 массы Земли и мощную газовую оболочку. После того, как зародыши этих планет достаточно выросли, чтобы удерживать молекулы газа, они создали себе газовую одежду. Так как газа с каждым годом становилось всё меньше, атмосферы планет-гигантов развились по-разному. Первым вырос зародыш Юпитера, ему и досталось больше остальных. Ко времени, когда нужную массу обрёл Сатурн, газа осталось значительно меньше, и теперь Сатурн втрое уступает по массе Юпитеру. Уран и Нептун ещё в шесть раз беднее своими атмосферами. В то же время, атмосферы гигантов отличаются и по химическому составу. Пока в одиночестве быстро рос Юпитер, Солнце ещё не успело вытеснить лёгкие гелий и водород из его окрестностей. Отставший на десятки миллионов лет Сатурн приобрёл атмосферу с более значительным содержанием тяжёлых газов: гелия и водорода оставалось немного. Уран и Нептун вообще поспели к шапочному разбору: лишь десятая часть их атмосфер приходится на лёгкие газы, зато в изобилии аммиак, метан и всё та же вода.
Возникновение спутников планет
В ходе образования планет планетезимали и меньшие частицы сталкивались друг с другом. Если такое столкновение происходило вблизи будущей планеты, то столкнувшиеся тела (независимо от их размеров) могли настолько сильно потерять свою скорость, что их движение вокруг Солнца становилось невозможным. Попадая под влияние массивной планеты, они вовлекались во вращение вокруг неё. Так около больших планет образовывался вращающийся рой частиц. Его судьба напоминала судьбу пылевого диска.
Большинство частичек "упало" на планету, как и большинство тел допланетного диска упало на Солнце. Но некоторая доля вещества пошла на образование спутников планет, как и в случае допланетного диска не обошлось без образования планет. История повторялась в меньших масштабах. Вот только образование спутников шло быстрее. Спутники так же предпочитают орбиты, лежащие в плоскости экватора планеты, как и планеты, предпочитают двигаться вокруг Солнца, не удаляясь сильно от плоскости солнечного экватора. В этой плоскости орбиты наиболее гравитационно устойчивы. Спутники иногда сталкивались из-за того, что под влиянием планеты и Солнца, их орбиты начинали пересекаться.
Некоторые из существующих сейчас спутников вполне могут представлять собой "повторные" тела, разрушенные в прошлом и собравшиеся в единое целое вновь. Разрушение спутников при взаимных столкновениях или столкновениях с другими телами привело и к тому, что сегодня некоторые пары или даже тройки спутников вращаются по одной орбите. Пример - Телесто, Калипсо и Тефия (спутники Сатурна).
Спутники Меркурия и Венеры, могли либо не существовать вовсе, либо давно в прошлом упасть на планету, либо, тоже не исключено, покинули околопланетную орбиту под влиянием Солнца. Где-то даже возникала теория о том, что Меркурий - в прошлом, спутник Венеры.
Луна, предполагают учёные, возникла из околоземного массивного роя частиц. Вот только образование его воспринимается ими неоднозначно. Некоторые придерживаются общего взгляда на образование спутников планет, другие считают, что Луна собралась из того вещества, которое было выброшено с поверхности Земли при столкновении нашей планеты в те небезопасные времена с крупным, не меньше Марса, телом.
Спутники Марса столь сильно напоминают собою типичные астероиды, что у учёных возник соблазн считать их и впрямь астероидами, захваченными Марсом. Благо Марс действительно расположен рядом с поясом астероидов, о которых речь ещё впереди. Но всё это ещё требует исследований и доказательств. Катастрофы, такие как столкновения двух массивных тел, в начале жизни планетной системы были редким событием. Но обилие носящихся туда-сюда тел, всё же, делали такие столкновения в тысячи и миллионы раз более вероятными, чем в наши дни. Возможно, свой отпечаток оставили столкновения в том, что Уран вращается на боку вместе со своими спутниками и кольцами, а Венера вращается в обратную сторону. В противоположную обычному направлению сторону вращается вокруг своей оси Тритон, некоторые спутники других планет столь же неидеальны. Кое-какие из внешних спутников планет-гигантов, возможно, были захвачены этими планетами, когда пролетали неосторожно близко. Один из них, спутник Юпитера Феба, вращается вокруг планеты в обратном направлении.
Кольца планет - остатки того самого вещества, которое шло на строительство спутников. Также эти кольца могут пополняться время от времени разрушением какого-нибудь мелкого спутника, попавшим под мощное приливное влияние планеты. Происходящие извержения на Ио также вносят свой вклад в существование слабо выраженного кольца Юпитера.
Образование астероидов
По мнению учёных, пояс астероидов образовался там, где не смогла родиться планета. По соседству, раньше успел вырасти гигант-Юпитер, он-то и мешал частицам собраться воедино. Раньше в поясе астероидов было гораздо больше вещества. Однако, со временем, из-за соударений, влияния Солнца и Юпитера пояс заметно поредел. Общей массы астероидов не хватит и на Луну.
Образование комет
Кометы являются теми ледяными телами, которые оказались не у дел при развитии планет. Гравитационным влиянием планет-гигантов кометные ядра были выброшены далеко за пределы орбиты Плутона, где и образовывают облако Оорта. Там их может быть миллиарды. Орбиты комет представляют, тем самым, вытянутые эллипсы. По законам Кеплера подавляюще большую часть времени кометные ядра проводят именно вдали от планет и Солнца. Лишь ненадолго они приближаются к центру Солнечной системы. Попав под влияния всё тех же гигантов, кометы могут прейти на менее вытянутые орбиты. Так появляются короткопериодические кометы.
Происхождение метеорных тел
Одни метеорные тела образовались и образуются при разрушении комет, другие метеорные тела являются архаичными остатками того облака, из которого возникали планеты, третьи - осколками астероидов.
Так, в общих словах, образовалась Солнечная система, если доверять сегодняшним знаниям учёных. В эту теорию могут быть, в дальнейшем, внесены поправки. Так или иначе, геологические исследования показывают, что планета Земля возникла 4,5 миллиарда лет назад. С тех пор много воды утекло... Вероятно, интерпретация полученных результатов будет расходиться с общепринятой концепцией. Но тем не менее, Солнечная Система, как и любая другая, не является неизменной системой. Изменения происходили и будут происходить. Вот как это происходило (на основе расчётных данных): Солнце и Солнечная Система возникли из газопылевого облака диаметром, примерно, 94.45 а.е.. Планетная система возникла за довольно короткий период – 676 млн.лет. Это было время активного перераспределения вещества. Спектральный класс Солнца составлял В9 при эффективной температуре 15222 К. Мощный поток ультрафиолетового излучения (максимум излучения приходился на 0.19 мкм) с большой мощностью излучения – 1.37x1029 Вт привёл к образованию трёх основных центров сгущения вещества массами порядка 1028 кг на небольшом расстоянии от Солнца (около 1 а.е.). Это были крупные газопылевые «планеты-гиганты» с диаметрами от 140000 км до 648000 км у крупнейшего планетоида) при относительно низкой плотности (около 100 кг/м3). Однако близость к Солнцу, собственная масса и небольшие расстояния между этими образованиями не способствуют устойчивости этих образований. Подвергаясь гравитационному и магнитному воздействию Солнца (ионизация газопылевых образований ультрафиолетовым излучение приводит и к этому), постепенное гравитационное сжатие (т.е. увеличение собственного вращательного момента), взаимодействие самих этих образований приводит к их дроблению, дифференциации по химическому составу, начальной стадии возникновения спутниковых систем планет. И если всё вышеописанное относилось к периоду 100 млн. лет после возникновения Солнца как звезды, то через 200 млн. лет в системе существует уже 4 относительно стабильных образования. Две крайних «планеты» имеют массы порядка 1027 кг, внутренние же – 1028 кг. Солнце находится в спектральном классе А1 с эффективной температурой 12463 К. Т.е. гравитационное, магнитное, ионизационное воздействие по прежнему велико. Ещё через 100 млн. лет картина меняется мало. Солнце по-прежнему в спектральном классе А, но процесс преобразований в Системе продолжается. Радиусы крайних планет уменьшаются до 13000 и 67000 км при массе порядка 1026 кг. Нет образований с массами 1028 кг. Массы внутренних образований составляют 1027кг и по-прежнему велики. Плотность ближайшего к Солнцу образования увеличивается до 646 кг/м3, по химическому составу уже заметно отличие от других образований. Ещё 100 мли. лет – Солнце в спектральном классе F. Его эффективная температура падает до 8354 К. Масса «планет» падает у крайних – до 1025 кг, внутренних – 1026 и 1027 кг. Радиусы планет уменьшаются, расстояния между ними увеличиваются. Дальняя планета радиусом 6470 км и массой 2.6x1025 кг находится на расстоянии 3.6 а.е. от Солнца. Разрушение конгломерата газопылевых «планет-гигантов» продолжается и через 400 млн. лет после «зажигания» Солнца. На этот момент явно определились две группы планет. Крупнейшее из образований диаметром 103832 км и массой 1.72x1027 кг находится на расстоянии 3.4 а.е.. Процесс распада и дифференциации вещества планетной системы завершается, но спутниковые системы планет только начинают развиваться. Следующие 100 млн. лет вносят немного корректив: появляется ещё одна планета. Общее количество – 8. Спектральный класс Солнца F9, его эффективная температура составляет 6188 К и далее будет меняться слабо. Характеристики планет на тот момент приводятся ниже:
Космология - это изучение происхождения космических систем и объектов, в частности Солнечной системы. С тех пор, как Р.Декарт в 1644 г. предпринял первые попытки применить научные методы в той области знаний, которую теперь назвали бы космологией, было предложено множество различных теорий образования Солнечной системы. Согласно теории "вихрей" Декарта и её более современным версиям, предполагается существование начальной турбулентности, из которой формируются планеты. Такие теории были отвергнуты, поскольку никакого известного механизма создания турбулентности нет. Приливные теории постулируют близкий подход к Солнцу другой звезды, в результате чего часть солнечного вещества отрывается от Солнца и конденсируется в планеты. Такие события теперь также оцениваются как маловероятные. Более вероятными считаются приливные механизмы взаимодействия звёзд и гигантских молекулярных облаков.
Согласно современным представлениям, Солнечная система образовалась из медленно вращающегося газового облака. По мере сжатия облака формировалось плотное непрозрачное ядро (которое в конечном счёте должно было стать Солнцем), окружённое диском газа и пыли. Впервые эту теорию туманности предложили Кант в 1755 г. и Лаплас в 1796 г. В последнее время гипотезы о механизме формирования планет внутри диска претерпели значительные изменения. Сейчас наибольшее распространение получила гипотеза о постепенном накоплении вещества планет путём аккреции (процесс, при которым маленькие частицы вещества присоединяются к большим массам (или поглощаются ими) под действием взаимной гравитации или при случайных столкновениях, в результате чего постепенно образуются большие небесные тела). Различие между внутренними твёрдыми планетами и внешними газовыми гигантами обусловлено уменьшением нагрева со стороны Солнца. Давайте всё это рассмотрим более подробно.
Введение в космогонию.
Безусловно, взгляд науки на то, каким же образом возникла Земля, Солнце и вообще всё-всё-всё, несколько отличается от того, как эти события описывают, к примеру, в Библии. Но, у науки есть право иметь своё мнение, давайте его уважать. И давайте, наконец, узнаем о том, как это было. С научной точки зрения.
Мы не в состоянии о делах столь давно минувших дней расспросить кого-либо из очевидцев. Жизнь возникла позже, чем образовались Солнце и планеты, что само по себе и не удивляет никого. В то же время, учёные имеют вполне ясное представление обо всём произошедшем благодаря изучению косвенных свидетельств небесных тел. Оказывается, всё в Солнечной системе носит отпечаток тех давних свершений.
Издавна совершались попытки обрисовать рождение Солнечной системы или, хотя бы, Земли. Эти гипотезы, со временем, не выдерживали критики. Наблюдение Солнца, Луны, планет и Вселенной вообще говорило о несостоятельности той или иной версии лучше любого живого свидетеля. Самое большое заблуждение, которое мы простим великим умам античного мира, заключалось в том, что они полагали Землю центром мира, а порою, Землю вовсе даже не шарообразную. Трудно ждать верных суждений о происхождении Земли, Солнца, планет от людей, не знающих верного "положения вещей". В наше время, гипотеза о рождении Солнечной системы должна объяснять все те наблюдаемые факты, которые накопились за века.
Далее мы опишем обстоятельства существования Солнца, Луны, планет, их спутников и малых тел Солнечной системы, которые обязательно должна не обойти вниманием современная модель рождения планетной системы.
Итак, астрономические наблюдения говорят нам о том, что:
Все планеты и подавляющее число астероидов вращаются вокруг Солнца в одну сторону, совершая свой путь по почти круговым орбитам (последнее неверно для Плутона и Меркурия;
Все планеты, кроме Венеры, Урана, и Плутона вращаются вокруг своей оси в ту же сторону, в которую движутся по своей орбите;
Почти все спутники вокруг своих планет также соблюдают постоянство вращения в одну сторону, однако, тут исключений больше;
Орбиты планет расположены вблизи одной плоскости, близкой к плоскости экватора Солнца;
Средние расстояния от Солнца до планет подчиняются закону Тициуса-Боде, за исключением Нептуна и Плутона;
Плоскости орбит спутников, за несколькими исключениями, совпадают или близки к плоскости экваторов своих планет;
Планеты разделились на две группы: земную и гигантов, при этом, первые меньше по размерам и массе, у них мало спутников, больше плотность, особый химический состав и они расположены ближе к Солнцу;
Планеты земной группы, имеющие твёрдую поверхность, по форме близки к шару; подобное же свойство есть и у планет-гигантов, которые лишь больше сплюснуты у полюсов;
Большая часть астероидов расположилась между орбитами Марса и Юпитера, а также за орбитой Нептуна;
Почти все кометы имеют вытянутые орбиты, иногда даже параболические и гиперболические. Эти орбиты могут быть по-разному ориентированы в пространстве;
На Солнце приходится почти вся масса Солнечной системы, однако, момент количества движения её почти весь "достался" планетам.
Наука, занимающаяся вопросами образования и существования небесных тел, называется космогонией. Именно эта наука выдвигает гипотезы зарождения и развития Солнечной системы - некоторого собрания небесных тел. Эти гипотезы называют космогоническими. Рассмотрим четыре основные гипотезы.
Гипотеза Бюффона
В 1749-м году француз Бюффон в первом томе его книги "Естественная история" предложил одну из первых космогонических гипотез, ставших известных в научном мире после того, как Коперник "поместил" Солнце в центр мира.
По его мнению, однажды большая комета столкнулась с Солнцем, благодаря чему произошёл выброс солнечного вещества. Это вещество, разбившись на части, образовало планеты и их спутники. Рассмотрим подробности этой идеи.
Бюффон не задаётся вопросом о происхождении комет и Солнца. Он считал кометы телами, не принадлежащими Солнечной системе. Кроме того, он, как мы теперь знаем, ошибочно полагает, что Солнце и кометы являются твёрдыми телами. При скользящем столкновении гигантской кометы с таким Солнцем, последнее должно было приобрести вращение и потерять часть своей массы, которая, расплавившись при ударе, смогла бы образовать вращающиеся вокруг Солнца тела. При этом, все будущие планеты должны приобрести то движение, которое и наблюдается в Солнечной системе: в одном направлении, в плоскости, близкой к плоскости экватора Солнца. Как мы видим, Бюффон попытался объяснить наиболее значимые особенности существования нашей планетной системы.
По Бюффону, спутники планет образовались ещё на той стадии, когда сами планеты были жидкими и имели значительную скорость вращения вокруг собственной оси. Из-за быстрого вращения от экваторов планет должны были отделяться частицы вещества, которое и пошло на образование спутников. Как мы увидим, в других космогонических гипотезах эта идея отрыва вещества от быстро вращающихся тел не останется не замеченной.
Очевидны ошибки Бюффона (нам, из грядущих веков глядя, легко это сказать). Солнце, конечно, вовсе не твёрдое, а кометы обладают столь ничтожными массами, что хоть как-то повлиять своим столкновением с гигантским светилом они просто не в состоянии. Исследования Земли говорят нам, что наша планета никогда не переживала время жидкого (расплавленного) состояния, что тоже противоречит идеям Бюффона. Кроме того, выброшенное вещество неминуемо должно было, описав эллиптическую дугу, "упасть" обратно на Солнце. И уж совсем невероятно, что все планеты после столь неуправляемой катастрофы стали двигаться по почти круговым орбитам, подчиняясь при этом некому правилу (закон Тициуса-Боде). Очень скоро гипотеза Бюффона попала под критические молнии Пьера Симона Лапласа и навсегда покинула научную сцену.
Гипотеза Канта
Через несколько лет после появления во Франции гипотезы Бюффона, а точнее в 1755-м году, в Германии известный философ Иммануил Кант, будучи ещё молодым домашним учителем, выпустил книгу "Всеобщая естественная история и теория неба, или исследование о составе и механическом происхождении всего мироздания, построенное на основе принципов Ньютона". До 1791-го года книга оставалась неизвестной, тем более Кант не поставил своего имени на титульном листе, оставив сочинение анонимным.
Кант приписывает Богу лишь создание самой материи и наделение её наблюдаемыми свойствами. Всё остальное развитие Мира происходит без участия Творца.
Кант считал, что первоначально материя была сильно разряжена и составляла так называемый Хаос. Подобное начало, надо сказать, встречалось и в древнегреческих философских трудах. Хаос Канта состоял из мелких пылевых частиц (сейчас бы сказали "метеорных"), находящихся в покое. Этот покой мог быть лишь в самом начале, сразу после создания Хаоса Богом. После этого отправного момента материя приходит в движение, подчиняясь законам Ньютона. Более массивные частицы начинают из окружающего их пространства притягивать к себе легкие пылинки. Так в Хаосе появились первые сгущения материи.
Эти сгущения росли и объединялись в большие шары, из которых и образовались звёзды. Кант понимал, что, следуя только этой логике, он должен был завершить развитие Мира образованием только одного шара. Поэтому он наделил частицы материи ещё и свойством упругости: при столкновении частицы могли отскакивать друг от друга, меняя направление движения друг друга.
В процессе этих столкновений, как полагал Кант, в близи каждого большого тела случайным образом должно начать преобладать одно направление движения. Как считал философ, двигаясь по параллельным траекториям, частицы меньше сталкиваются. Таким образом, вблизи каждого шара небольшое количество вещества вовлекается во вращение вокруг центрального тела. Траектории частиц проходят через центр большого шара и лежат в плоскости его экватора: центральное тело раскручивается в ту же сторону, что и большая часть частиц. Так у звёзд могут появиться планеты, а у планет - спутники, причём вращение всех тел одной системы (такой, как Солнечная) происходит в одном направлении.
Происхождение колец Сатурна Кант объяснил слишком быстрым начальным вращением планеты, от которой под действием центробежных сил отделилась часть вещества (центробежная сила - это та самая сила, которая тянет нас при повороте любого транспорта в противоположную повороту сторону). Как видим, здесь гипотеза Канта в чём-то перекликается с идеями Бюффона. По мнению Канта, известный всем из библейской истории большой потоп был следствием разрушения Богом водяного кольца, которое образовалось у Земли.
Все звёзды в Мире Канта должны остыть, но упавшие на них планеты, объединение нескольких звёзд, наконец, падение их на центрально мировое Солнце разогреет всё вещество и породит новые клубы Хаоса. Так, в общих чертах, выглядит идея круговорота материи во Вселенной. В чём-то эта мысль напоминает нам с Вами современную идею пульсирующей Вселенной, хотя и далека от последней в научном плане.
Основной ошибкой Канта является неверное представление о возникновении вращательного движения из прямолинейного. Такое не может произойти само по себе в замкнутой системе, которой является Хаос Канта. Для того, чтобы это движение началось, нужно воздействие извне, а ни какое материальное тело, ни Творец такого влияния на Хаос не оказывали. Частицы Хаоса Канта и впрямь должны были собраться, в итоге, в одно Мировое Солнце, без планет, спутников и колец.
Изначальный "строительный материал" Вселенной состоял не из пылинок, а из водорода, гелия и излучения. То же касается тех облаков, из которых, по современным представлениям, рождаются планетные системы: содержание пыли в до-планетных облаках было невелико. Никак не объясняет Кант и то, каким образом вновь должен образовываться Хаос из остывшей материи. Неверны и его мысли об образовании колец Сатурна и, уж конечно, идея о всемирном потопе.
Гипотеза Канта, однако, впервые предположила образование Солнца и планет из туманности. Такие гипотезы называют небулярными ("туманностными"). Одна из небулярных гипотез в наше время является общепринятой. Идеи же самого немецкого философа не имели верных предпосылок и точного математического объяснения.
Гипотеза Лапласа
В 1796-м году впервые увидела свет космогоническая гипотеза французского учёного Лапласа. Во многом её считают схожей с идеей Канта, но исторические исследования говорят нам о том, что Лаплас не был знаком с трудом немецкого философа. Но зато Лаплас знал и критически отзывался о предположениях своего соотечественника Бюффона.
Не пытаясь объять необъятное, Лаплас начинает рассказ о рождении Солнечной системы с уже существующей вращающейся газовой туманности, имеющей центральное сгущение - Солнце. Не имея знаний и доказательных наблюдений, Лаплас не стал измышлять способы образования таких туманностей. Важно то, что в согласии с наблюдениями англичанина Вильяма Гершеля, можно было с уверенностью сказать, что подобные туманности существуют. Гершель обнаружил много различных туманностей, в том числе и те, в которые были погружены отдельные звёзды (пример его наблюдений - Плеады).
Туманность представляла собою, по мнению Лапласа, как бы разогретую атмосферу центрального тела. Эта атмосфера вращалась с единой угловой скоростью, то есть каждая частица атмосферы совершала оборот вокруг Солнца за один и тот же промежуток времени. Это не согласуется с законами Кеплера, однако, мы имеем место с целостным объектом - атмосферой, скорости молекул в которой выравниваются благодаря взаимному действию друг на друга. Также Лаплас совершенно верно указывает на то, что такая туманность должна со временем сжиматься к экваториальной плоскости, где орбиты частиц устойчивы, так как их плоскости проходят здесь через центр тяготения. Чем больше скорость вращения, тем больше сжатие.
Далее Лаплас рисует картину остывания туманности. В соответствие законам физики, остывание ведёт к уменьшению атмосферы, а уменьшение вращающегося тела непременно ведёт к увеличению угловой скорости его вращения (для дотошных: закон сохранения момента импульса). Лаплас полагал, что в один момент времени скорость вращения возрастает настолько, что центробежная сила на экваторе туманности становится равной силе тяготения. Частицы, попадающие под это равенство, теряют связь с туманностью и отслаиваются от неё, образуя газовое кольцо, вращающееся с постоянной угловой скоростью независимо от первоначальной туманности. Туманность при этом сжимается дальше, увеличивая скорость вращения. Явление отделение колец происходит несколько раз. Кольца имеют тем большую скорость, чем ближе они расположены к Солнцу.
Наконец, скорость вращения Солнца должна быть ещё больше, чем скорость вращения ближайшего к нему кольца. Как Вы понимаете, из колец, по уразумению Лапласа, образовались планеты, из схожих колец вокруг планет - спутники и, собственно, наблюдаемые кольца (в те времена известны были лишь кольца Сатурна). Лаплас видел подтверждения своей гипотезе в том, периоды обращения планет уменьшаются с приближением к Солнцу, а Солнце имеет ещё меньший период обращения вокруг своей оси (Меркурий - 88 суток, Солнце - 25 суток).
Неоднородности колец Лапласа позволили образоваться сгущениям, а затем - планетам или спутникам. Если кольцо очень однородно, то, как считал Лаплас, оно остаётся кольцом. Как доказательство он приводил кольца Сатурна, каждое из которых считал газовым и сплошным. Вращение планет Лаплас объясняет тем, что каждое кольцо, породившее планету, имело одну скорость вращения вокруг Солнца, то есть, вращалось как одно целое. При этом частицы, внешней части кольца должны были двигаться с большей скоростью, чем частицы внутренних областей. Они-то и подгоняли внешний край образующейся планеты, подкручивая её в направлении своего движения.
Так Лаплас "получил" планеты, вращающиеся по круговым орбитам в одном направлении, со скоростями, возрастающими с приближением к Солнцу, вращающиеся вокруг оси в одну сторону, со спутниками, вращающимися в ту же сторону, и кольцами. Об исключениях во вращении Урана и Венеры тогда ещё было неизвестно. Кометы Лаплас считал телами, приходящими в Солнечную систему извне, ссылаясь на параболичность их орбит, и не рассматривал их возникновение в рамках своей теории.
С точки зрения нынешних воззрений, Лаплас совершил несколько ошибок, важнейшей из которых является его основная идея о кольцевом происхождении планет и спутников. Отделение частиц от вращающейся туманности должно было происходить не кольцами, а непрерывно, иначе говоря, всё здание теории Лапласа рушится. Также неверно его предположение о целостной природе кольца Сатурна. Теперь известно, что состоит оно из множества свободных частиц, вращение каждой из которых подчиняется законам Кеплера. Неверно исключил он и кометы из Солнечной системы.
Однако, Лаплас, как и Кант (их гипотезы часто называют одной теорией Канта-Лапласа) сделал ещё один шаг вперёд к истине, причём в своей гипотезе он пытался придерживаться принципов научности и доказуемости настолько, насколько это было возможно в то время. Он избегал вмешательства Бога в жизнь Солнечной системы и всякого несоответствия своих предположений астрономическим наблюдениям. Впрочем, ему тонко намекали, что Солнце слишком медленно вращается сейчас, чтобы в прошлом от него могли отделяться кольца…
Гипотеза Джинса
Джеймс Хопвуд Джинс, английский учёный, в начале 20-го века изложил очень популярную теорию, потерявшую свою силу лишь во второй половине того же века. Эта теория описывала происхождение Солнечной системы. Джинс сумел разработать проблему гравитационной неустойчивости, благодаря чему научно было обосновано происхождение небесных тел из разреженных сред, какими являются газовые и газопылевые туманности. То, что Лаплас и Кант считали само самой разумеющимся, пусть и не без оснований, Джинс сумел перевести на язык физики и математики.
Гипотеза Джинса, главным образом, знаменита тем, что в ней вещество, из которого образовались планеты, появилось весьма интересным способом. По мнению Джинса, в далёком прошлом мимо Солнца на очень близком расстоянии пролетала некая звезда, которая своим гравитационным воздействием вырвала с поверхности нашего светила часть вещества. Это вещество, разбившись, в дальнейшем, на части, образовало планеты. Но сегодня доказано, что подобный выброс не мог стать прародителем планет.
Как и в ходе кометной катастрофы Бюффона, выброшенное вещество должно было бы вернуться на Солнце, или, в крайнем случае, оно было бы увлечёно проходившей мимо звездой, что, в итоге, повлекло бы падение солнечного вещества на неё. Доказано, что благодаря такому сближению звёзд образование значительного количества материи, вращающейся вокруг Солнца, невозможно. К тому же (и это тоже доказано), планеты не переживали стадию полного расплавления.
От газопылевого диска до планет
В середине 20-го века Отто Юльевич Шмидт, советский учёный, изложил теорию, которая и по сей день лежит в основе представлений человека о происхождении планетной системы, нашей и любой ей подобной. Мы не станем здесь распространяться на тему возникновения вокруг молодого Солнца газопылевого диска (мы вернёмся к этому позже, когда будем говорить о жизни звёзд). Оговоримся лишь, что диск этот являл собою остаток того облака, из которого возникло само Солнце. Ещё на ранних стадиях возникновения этого облака оно приобрело вращение, благодаря которому возник именно вращающийся сплюснутый диск, а не шар.
Начальный диск на 98-99% состоял из водорода и гелия. Остальные элементы были представлены в ничтожном количестве, однако именно с их наличием сегодня связывают возникновение планет. При остывании облака тугоплавкие вещества (такие как железо, кремний, титан, никель, их соединения и др.) начинали конденсироваться в пылинки. Конденсироваться означает переходить из газообразного состояния в твёрдое или жидкое. Образование росы, запотевание стёкол является следствием конденсации водяных паров при охлаждении воздуха. Но для конденсации таких газов как водород и гелий понадобились бы столь низкие температуры и высокие давления, что в естественных условиях газопылевого облака такой конденсации никогда бы не произошло. Кроме того, в допланетном облаке не было подходящих условий для существования большинства веществ в жидком состоянии, поэтому газы, более тяжёлые, чем гелий и водород, сразу образовывали твёрдые частицы, жидкую фазу. Так же, к примеру, ведут себя пары воды на Марсе.
Благодаря относительно большой массе, пылинки стремились приобрести более устойчивое движение, перемещаясь к центру диска. Постепенно образовался тонкий пылевой диск внутри толстого газопылевого. С охлаждением облака, число и размеры пылинок росли, плотность пылевого диска увеличивалась, а остальная часть начального диска становилась всё разреженнее. В конце концов, пылевой диск стал во много раз тоньше своего диаметра.
Состав этого пылевого диска был неодинаков в разных его частях и зависел от расстояния до Солнца. Внутренние прогретые Солнцем области состояли только из пылинок тугоплавких веществ. С удалением от центрального светила температура падает, и всё больше веществ могло образовывать твёрдые частички. Водяные пары, например, судя по современным исследованиям, могли переходить в лёд только где-то в районе орбиты Юпитера. С удалением от Солнца падала также и плотность диска. Солнечный ветер выдувал лёгкие молекулы газа из внутренних частей Солнечной системы быстрее, чем из внешних. Из-за этого газ вскоре почти покинул близкие к Солнцу области.
Постепенное охлаждение облака способствовало образованию бессчётного количества соединений, по большей части входивших в растущие пылинки. По законам физики, газы "охотнее" конденсируются именно на уже существующих пылинках, нежели образуют новые.
Ко времени, когда завершилось образование тонкого пылевого диска, его плотность в десятки раз превышала плотность окружающего газа. Размеры твёрдых частиц достигли нескольких сантиметров. Диск стал, как говорят, гравитационно неустойчивым: случайные уплотнения в нём не рассеивались, а наоборот росли, а разрежения - опустошались за счёт увеличения уплотнений. Этот процесс завершился образованием миллионов тел размером в несколько километров. Такие тела и стали зародышами планет. Их назвали планетезималями. Состав их был неодинаков, в соответствие с температурными условиями и плотностью изначального диска, которые, напомним, зависели от расстояния до Солнца.
В течение последующих нескольких сот миллионов лет шёл рост самых больших допланетных тел и разрушение малых. Малые допланетные тела также выбрасывались из Солнечной системы гравитационным влиянием массивных планетезималей.
Рост будущего Юпитера шёл быстрее всего: он находился в той области Солнечной системы, где уже образовывались ледяные водные частицы. Они-то и способствовали быстрому начальному росту гиганта. Вторым важным обстоятельством роста Юпитера, давшим ему преимущество перед остальными планетами-гигантами, было более близкое его расположение к Солнцу, где плотность пылевого диска была выше. Зародыши Сатурна, Урана и Нептуна из-за меньшей плотности диска в районах их образования отстали в росте от Юпитера. Юпитер успел вобрать в свою атмосферу огромное количество газа, пока тот ещё не был рассеян солнечным ветром. Сегодня мы видим, что Юпитер больше всех остальных планет вместе взятых по массе.
Планеты земной группы, хотя и образовывались в самой плотной части допланетного диска, не смогли стать самыми массивными планетами Солнечной системы. Близко к Солнцу из-за высокой температуры и плотных потоков солнечного ветра твёрдые частицы образовывались без особого энтузиазма. А тяжёлые вещества (железо и кремний) в начальном облаке, как мы помним, были в явном меньшинстве.
Так Солнечная система получила маленькие планеты около Солнца, состоящие, в основном из кремния, железа и их соединений. Среди этих планет только Венера и Земля обладают достаточными массами, чтобы удерживать возле себя атмосферу, да и то состоящую лишь из тяжёлых газов, молекулы которых не так проворны. Поэтому Луна и Меркурий не имеют газовой оболочки, а Марс почти всю её уже растерял.
Планеты-гиганты имеют твёрдые ядра в 2-3 массы Земли и мощную газовую оболочку. После того, как зародыши этих планет достаточно выросли, чтобы удерживать молекулы газа, они создали себе газовую одежду. Так как газа с каждым годом становилось всё меньше, атмосферы планет-гигантов развились по-разному. Первым вырос зародыш Юпитера, ему и досталось больше остальных. Ко времени, когда нужную массу обрёл Сатурн, газа осталось значительно меньше, и теперь Сатурн втрое уступает по массе Юпитеру. Уран и Нептун ещё в шесть раз беднее своими атмосферами. В то же время, атмосферы гигантов отличаются и по химическому составу. Пока в одиночестве быстро рос Юпитер, Солнце ещё не успело вытеснить лёгкие гелий и водород из его окрестностей. Отставший на десятки миллионов лет Сатурн приобрёл атмосферу с более значительным содержанием тяжёлых газов: гелия и водорода оставалось немного. Уран и Нептун вообще поспели к шапочному разбору: лишь десятая часть их атмосфер приходится на лёгкие газы, зато в изобилии аммиак, метан и всё та же вода.
Возникновение спутников планет
В ходе образования планет планетезимали и меньшие частицы сталкивались друг с другом. Если такое столкновение происходило вблизи будущей планеты, то столкнувшиеся тела (независимо от их размеров) могли настолько сильно потерять свою скорость, что их движение вокруг Солнца становилось невозможным. Попадая под влияние массивной планеты, они вовлекались во вращение вокруг неё. Так около больших планет образовывался вращающийся рой частиц. Его судьба напоминала судьбу пылевого диска.
Большинство частичек "упало" на планету, как и большинство тел допланетного диска упало на Солнце. Но некоторая доля вещества пошла на образование спутников планет, как и в случае допланетного диска не обошлось без образования планет. История повторялась в меньших масштабах. Вот только образование спутников шло быстрее. Спутники так же предпочитают орбиты, лежащие в плоскости экватора планеты, как и планеты, предпочитают двигаться вокруг Солнца, не удаляясь сильно от плоскости солнечного экватора. В этой плоскости орбиты наиболее гравитационно устойчивы. Спутники иногда сталкивались из-за того, что под влиянием планеты и Солнца, их орбиты начинали пересекаться.
Некоторые из существующих сейчас спутников вполне могут представлять собой "повторные" тела, разрушенные в прошлом и собравшиеся в единое целое вновь. Разрушение спутников при взаимных столкновениях или столкновениях с другими телами привело и к тому, что сегодня некоторые пары или даже тройки спутников вращаются по одной орбите. Пример - Телесто, Калипсо и Тефия (спутники Сатурна).
Спутники Меркурия и Венеры, могли либо не существовать вовсе, либо давно в прошлом упасть на планету, либо, тоже не исключено, покинули околопланетную орбиту под влиянием Солнца. Где-то даже возникала теория о том, что Меркурий - в прошлом, спутник Венеры.
Луна, предполагают учёные, возникла из околоземного массивного роя частиц. Вот только образование его воспринимается ими неоднозначно. Некоторые придерживаются общего взгляда на образование спутников планет, другие считают, что Луна собралась из того вещества, которое было выброшено с поверхности Земли при столкновении нашей планеты в те небезопасные времена с крупным, не меньше Марса, телом.
Спутники Марса столь сильно напоминают собою типичные астероиды, что у учёных возник соблазн считать их и впрямь астероидами, захваченными Марсом. Благо Марс действительно расположен рядом с поясом астероидов, о которых речь ещё впереди. Но всё это ещё требует исследований и доказательств. Катастрофы, такие как столкновения двух массивных тел, в начале жизни планетной системы были редким событием. Но обилие носящихся туда-сюда тел, всё же, делали такие столкновения в тысячи и миллионы раз более вероятными, чем в наши дни. Возможно, свой отпечаток оставили столкновения в том, что Уран вращается на боку вместе со своими спутниками и кольцами, а Венера вращается в обратную сторону. В противоположную обычному направлению сторону вращается вокруг своей оси Тритон, некоторые спутники других планет столь же неидеальны. Кое-какие из внешних спутников планет-гигантов, возможно, были захвачены этими планетами, когда пролетали неосторожно близко. Один из них, спутник Юпитера Феба, вращается вокруг планеты в обратном направлении.
Кольца планет - остатки того самого вещества, которое шло на строительство спутников. Также эти кольца могут пополняться время от времени разрушением какого-нибудь мелкого спутника, попавшим под мощное приливное влияние планеты. Происходящие извержения на Ио также вносят свой вклад в существование слабо выраженного кольца Юпитера.
Образование астероидов
По мнению учёных, пояс астероидов образовался там, где не смогла родиться планета. По соседству, раньше успел вырасти гигант-Юпитер, он-то и мешал частицам собраться воедино. Раньше в поясе астероидов было гораздо больше вещества. Однако, со временем, из-за соударений, влияния Солнца и Юпитера пояс заметно поредел. Общей массы астероидов не хватит и на Луну.
Образование комет
Кометы являются теми ледяными телами, которые оказались не у дел при развитии планет. Гравитационным влиянием планет-гигантов кометные ядра были выброшены далеко за пределы орбиты Плутона, где и образовывают облако Оорта. Там их может быть миллиарды. Орбиты комет представляют, тем самым, вытянутые эллипсы. По законам Кеплера подавляюще большую часть времени кометные ядра проводят именно вдали от планет и Солнца. Лишь ненадолго они приближаются к центру Солнечной системы. Попав под влияния всё тех же гигантов, кометы могут прейти на менее вытянутые орбиты. Так появляются короткопериодические кометы.
Происхождение метеорных тел
Одни метеорные тела образовались и образуются при разрушении комет, другие метеорные тела являются архаичными остатками того облака, из которого возникали планеты, третьи - осколками астероидов.
Так, в общих словах, образовалась Солнечная система, если доверять сегодняшним знаниям учёных. В эту теорию могут быть, в дальнейшем, внесены поправки. Так или иначе, геологические исследования показывают, что планета Земля возникла 4,5 миллиарда лет назад. С тех пор много воды утекло... Вероятно, интерпретация полученных результатов будет расходиться с общепринятой концепцией. Но тем не менее, Солнечная Система, как и любая другая, не является неизменной системой. Изменения происходили и будут происходить. Вот как это происходило (на основе расчётных данных): Солнце и Солнечная Система возникли из газопылевого облака диаметром, примерно, 94.45 а.е.. Планетная система возникла за довольно короткий период – 676 млн.лет. Это было время активного перераспределения вещества. Спектральный класс Солнца составлял В9 при эффективной температуре 15222 К. Мощный поток ультрафиолетового излучения (максимум излучения приходился на 0.19 мкм) с большой мощностью излучения – 1.37x1029 Вт привёл к образованию трёх основных центров сгущения вещества массами порядка 1028 кг на небольшом расстоянии от Солнца (около 1 а.е.). Это были крупные газопылевые «планеты-гиганты» с диаметрами от 140000 км до 648000 км у крупнейшего планетоида) при относительно низкой плотности (около 100 кг/м3). Однако близость к Солнцу, собственная масса и небольшие расстояния между этими образованиями не способствуют устойчивости этих образований. Подвергаясь гравитационному и магнитному воздействию Солнца (ионизация газопылевых образований ультрафиолетовым излучение приводит и к этому), постепенное гравитационное сжатие (т.е. увеличение собственного вращательного момента), взаимодействие самих этих образований приводит к их дроблению, дифференциации по химическому составу, начальной стадии возникновения спутниковых систем планет. И если всё вышеописанное относилось к периоду 100 млн. лет после возникновения Солнца как звезды, то через 200 млн. лет в системе существует уже 4 относительно стабильных образования. Две крайних «планеты» имеют массы порядка 1027 кг, внутренние же – 1028 кг. Солнце находится в спектральном классе А1 с эффективной температурой 12463 К. Т.е. гравитационное, магнитное, ионизационное воздействие по прежнему велико. Ещё через 100 млн. лет картина меняется мало. Солнце по-прежнему в спектральном классе А, но процесс преобразований в Системе продолжается. Радиусы крайних планет уменьшаются до 13000 и 67000 км при массе порядка 1026 кг. Нет образований с массами 1028 кг. Массы внутренних образований составляют 1027кг и по-прежнему велики. Плотность ближайшего к Солнцу образования увеличивается до 646 кг/м3, по химическому составу уже заметно отличие от других образований. Ещё 100 мли. лет – Солнце в спектральном классе F. Его эффективная температура падает до 8354 К. Масса «планет» падает у крайних – до 1025 кг, внутренних – 1026 и 1027 кг. Радиусы планет уменьшаются, расстояния между ними увеличиваются. Дальняя планета радиусом 6470 км и массой 2.6x1025 кг находится на расстоянии 3.6 а.е. от Солнца. Разрушение конгломерата газопылевых «планет-гигантов» продолжается и через 400 млн. лет после «зажигания» Солнца. На этот момент явно определились две группы планет. Крупнейшее из образований диаметром 103832 км и массой 1.72x1027 кг находится на расстоянии 3.4 а.е.. Процесс распада и дифференциации вещества планетной системы завершается, но спутниковые системы планет только начинают развиваться. Следующие 100 млн. лет вносят немного корректив: появляется ещё одна планета. Общее количество – 8. Спектральный класс Солнца F9, его эффективная температура составляет 6188 К и далее будет меняться слабо. Характеристики планет на тот момент приводятся ниже:
:Аелекс Алекс
источник: dosug.md - Для правообладателей
