Реферат: Происхождение Солнечной системы

Школа № 635

Класс 9 «Б»

Александра Сергеевна ГруздеваД о к л а дПроисхождение Солнечной системы

Москва  2004

            Вот уже более двухвеков проблема происхождения Солнечной системы волнует выдающихся мыслителейнашей планеты. Этой проблемой занималась, начиная от философа Канта иматематика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и XX столетий. Ей отдал дань наш замечательный соотечественник,человек разносторонне талантливый, Отто Юльевич Шмидт. И все же человечествоеще очень далеко от ее решения. Какие только тайны не были вырваны у природы заэти прошедшие два столетия! За последние десятилетия XXвека существенно прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя деталиудивительного процесса рождения звезды из газопылевой туманности еще далеко неясны, ученые теперь четко представляют, что с ней происходит на протяжениимиллиардов лет дальнейшей эволюции. Увы, вопрос о происхождении и эволюциипланетной системы, окружающей наше Солнце, далеко не так ясен.

            На первый взглядкажется странным и даже парадоксальным, что астрономы смогли узнать окосмических объектах, весьма удаленных и наблюдаемых с большими трудностями,гораздо больше, чем о планетах и Солнце, которые (по астрономическим масштабам,разумеется) находятся у нас «под боком». Однако в этом нет ничегоудивительного. Дело в том, что астрономы наблюдают огромное количество звезд,находящихся на разных стадиях эволюции. Изучая звезды в скоплениях, они могутчисто эмпирически установить, как зависит темп эволюции звезд от начальныхусловий, например массы. Если бы не было этого обширного эмпирическогоматериала, вопрос об эволюции звезд был бы предметом более или менее бесплодныхспекуляций, как это и было примерно до 1950 г.

            В совершенно другомположении находятся исследователи происхождения и эволюции нашей планетнойсистемы. Ведь мы пока не можем непосредственно наблюдать такие системы дажеоколо самых близких звезд. Если бы это удалось, и мы имели реальноепредставление, как выглядят планетные системы на разных этапах своей эволюцииили хотя бы как сильно отличаются одни планетные системы от других, этаволнующая проблема была бы, несомненно, решена в сравнительно короткие сроки.Но пока мы наблюдаем планетную систему, так сказать, в единственном экземпляре.Более того, необходимо еще доказать, что около других звезд имеются планетныесистемы. Ученые уже пытались это сделать, но не реально, а пользуясьнаблюдаемыми характеристиками звезд (не планет!). Даже о собственной планетнойсистеме астрономы знают далеко не все. Совсем недавно прозвучала информация,что обнаружена (только-только!) десятая планета нашей Солнечной системы.

            Значит ли это, что мыеще решительно ничего не можем сказать о происхождении Солнечной системы, крометривиального утверждения, что она как-то образовалась не позже, чем 5 млрд. летназад, потому что таков приблизительно возраст Солнца? Такая пессимистическаяточка зрения так же мало обоснована, как и излишний оптимизм адептов той илииной космогонической гипотезы. Можно сказать, что кое-что о происхождении семьипланет, обращающихся вокруг Солнца, мы уже знаем. Во всяком случае, кругвозможных гипотез о происхождении Солнечной системы сейчас значительно сузился.

            Переходя к изложению(по необходимости весьма краткому) различных космогонических гипотез, сменявшиходна другую на протяжении последних двух столетий, мы начнем с гипотезы,впервые высказанной великим немецким философом Кантом и спустя несколькодесятилетий независимо предложенной замечательным французским математикомЛапласом. Из дальнейшего будет видно, что существенные предпосылки этойклассической гипотезы выдержали испытание временем, и сейчас в самых модернистскихкосмогонических гипотезах мы легко можем найти основные идеи гипотезы Канта –Лапласа.

            Точки зрения Канта иЛапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант, например, исходил изэволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого спервавозникло центральное массивное тело – будущее Солнце, а потом уже планеты, в товремя как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей,находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силывсемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения моментаколичества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за большихцентробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, отнего последовательно отделялись кольца. В дальнейшем эти кольцаконденсировались, образуя планеты.

            Таким образом,согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотряна такое резкое различие между двумя гипотезами, общей их важнейшейособенностью является представление, что Солнечная система возникла врезультате закономерного развития туманности. Поэтому и принято называть этуконцепцию «гипотезой Канта – Лапласа».

            Уже в середине XIX столетия стало ясно, что эта гипотеза сталкивается сфундаментальной трудностью. Дело в том, что наша планетная система, состоящаяиз девяти (по последним данным из десяти) планет весьма разных размеров имассы, обладает одной замечательной особенностью. Речь идет о необычномраспределении момента количества движения Солнечной системы между центральнымтелом – Солнцем и планетами.

            Момент количествадвижения есть одна из важнейших характеристик всякой изолированной от внешнегомира механической системы. Именно как такую систему мы можем рассматриватьСолнце и окружающую его семью планет. Момент количества движения может бытьопределен как «запас вращения» системы. Это вращение складывается изорбитального движения планет и вращения вокруг своих осей Солнца и планет.

            Математически«орбитальный» момент количества движения планеты относительно центра масссистемы (весьма близкого к центру Солнца) определяется как произведение массыпланеты на ее скорость и на расстояние до центра вращения, т.е. Солнца. Вслучае вращающегося сферического тела, которое мы будем считать твердым, моментколичества движения относительно оси, проходящей через его центр, равен 0,4 MVR, где M – масса тела, V – его экваториальная скорость, R– радиус. Хотя суммарная масса всех планет составляет всего лишь 1/700солнечной, учитывая, с одной стороны, большие расстояния от Солнца до планет ис другой – малую скорость вращения Солнца (скорость вращения Солнца на егоэкваторе составляет всего лишь 2 км/с, что в 15 раз меньше скорости Земли наорбите), мы получим путем простых вычислений, что 98% всего момента количествадвижения Солнечной системы связано с орбитальным движением планет и только 2% –с вращением Солнца вокруг оси. Момент количества движения, связанный свращением планет вокруг своих осей, оказывается пренебрежимо малым из-засравнительно малых масс планет и их радиусов.

            Найдем, например,момент количества движения Юпитера I. МассаЮпитера равна M = 2 x1030 г (т.е. 10-3 массы Солнца), расстояние отЮпитера до Солнца R = 7,8 x1013 см (или 5,2 астрономических единиц), а орбитальная скоростьV = 1,3 x 106см/с (около 13 км/с). Отсюда I = MVR = 190 x 1048. Значения моментов даны в системе единиц CGS.В этих единицах момент количества движения вращающегося Солнца равен всего лишь6 x 1048. Таким образом, всепланеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля и Марс – имеют суммарный моментв 380 раз меньший, чем Юпитер. Львиная доля момента количества движенияСолнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов Юпитераи Сатурна.

            С точки зрениягипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. В самом деле, в эпоху, когда от первоначальной,быстро вращающейся туманности отделялось кольцо, слои туманности, из которыхвпоследствии сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такойже момент, как вещество отделившегося кольца, т.к. угловые скорости кольца иоставшихся частей были почти одинаковы. Т.к. масса кольца была значительноменьше массы основной части туманности (протосолнца), то полный моментколичества движения у кольца должен быть много меньше, чем у протосолнца. Вгипотезе Лапласа отсутствует какой бы то ни было механизм передачи момента отпротосолнца к кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции моментколичества движения протосолнца, а затем и Солнца должен быть значительнобольше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод находится вразительном противоречии с фактическим распределением момента количествадвижения между Солнцем и планетами.

            Для гипотезы Лапласаэта трудность оказалась непреодолимой. На смену ей стали выдвигаться другиегипотезы. Не будем их здесь даже перечислять – сейчас они представляют толькоисторический интерес. Остановимся лишь на гипотезе Джинса, получившейповсеместное распространение в первой трети прошлого столетия. Эта гипотеза вовсех отношениях представляет собой полную противоположность гипотезе Канта –Лапласа. Если последняя рисует образование планетных систем (в том числе инашей Солнечной) как единый закономерный процесс эволюции от простого ксложному, то в гипотезе Джинса образование таких систем есть дело случая ипредставляет редчайшее, исключительное явление.

            Согласно гипотезеДжинса, исходная материя, из которой в дальнейшем образовались планеты, былавыброшена из Солнца (которое к тому времени было уже достаточно «старым» ипохожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды.Это прохождение было настолько близким, что практически его можно рассматриватькак столкновение. При таком очень близком прохождении благодаря приливнымсилам, действовавшим со стороны налетевшей на Солнце звезды, из поверхностныхслоев Солнца была выброшена струя газа. Эта струя останется в сфере притяженияСолнца и после того, как звезда уйдет от Солнца. В дальнейшем струясконденсируется и даст начало планетам.

            Что можно сказатьсейчас по поводу этой гипотезы, владевшей умами астрономов в течение трехдесятилетий? Прежде всего, она предполагает, что образование планетных систем,подобных нашей Солнечной, есть процесс исключительно маловероятный. В самомделе, столкновения звезд, а также их близкие взаимные прохождения в нашейГалактике могут происходить чрезвычайно редко. Поясним это конкретным расчетом.

            Известно, что нашеСолнце по отношению к ближайшим звездам движется со скоростью около 20 км/с.Даже самая близкая к нам звезда – Проксима Центавра находится от нас нарасстоянии 4,2 светового года. Чтобы преодолеть это расстояние, Солнце,двигаясь с указанной скоростью, должно потратить приблизительно 100 тыс. лет.Будем считать (что в данном случае правильно) движение Солнца прямолинейным.Тогда вероятность близкого прохождения (скажем, на расстоянии трех радиусовзвезды) будет, очевидно, равна отношению телесного угла, под которым виден сЗемли увеличенный в 3 раза диск звезды, к . Можно убедиться, чтоданное отношение составляет около 10-15. Это означает, что за 5млрд. лет своей жизни Солнце имело один шанс из десятков миллиардов столкнутьсяили очень сблизиться с какой-либо звездой. Т.к. в Галактике насчитывается всегооколо 150 млрд. звезд, то полное количество таких близких прохождений во всейнашей звездной системе должно быть порядка 10 за последние 5 млрд. лет.

            Отсюда следует, что,если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетных систем, образовавшихсяв Галактике за 10 млрд. лет ее эволюции, можно было пересчитать буквально попальцам. Т.к. это, по-видимому, не соответствует действительности и числопланетных систем в Галактике достаточно велико, гипотеза Джинса оказываетсянесостоятельной.

            Несостоятельностьэтой гипотезы следует также и из других соображений. Прежде всего, она страдаеттем же фатальным недостатком, что и гипотеза Канта – Лапласа: гипотеза Джинсане в состоянии объяснить, почему подавляющая часть момента количества движенияСолнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет. Математическиерасчеты, выполненные в свое время Н.Н. Парийским, показали, что при всехслучаях в рамках гипотезы Джинса образуются планеты с очень маленькимиорбитами. Еще раньше на эту классическую космогоническую трудностьприменительно к гипотезе Джинса указал американец Рессел.

            Наконец, ниоткуда неследует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироватьсяв планеты. Наоборот, расчеты ряда известных астрофизиков, в частности ЛайманаСпитцера, показали, что вещество струи рассеется в окружающем пространстве иконденсации не будет. Т.о., космогоническая гипотеза Джинса оказалась полностьюнесостоятельной. Это стало очевидным уже в конце тридцатых годов прошлогостолетия.

            Тем болееудивительным представляется возрождение идеи Джинса на новой основе, котороепроизошло в последние десятилетия прошедшего века. Если в первоначальномварианте гипотезы Джинса планеты образовались из газового сгустка, выброшенногоиз Солнца приливными силами при близком прохождении мимо него звезды, тоновейший вариант, развиваемый Вулфсоном, предполагает, что газовая струя, изкоторой образовались планеты, была выброшена из проходившего мимо Солнцакосмического объекта. В качестве последнего принимается уже не звезда, апротозвезда – рыхлый объект огромных размеров (в 10 раз превышающий радиуснынешней земной орбиты) и сравнительно небольшой массы ~ 0,25 M Солнца. Была проработана схема такого «столкновения»,основанная на точных расчетах. В этом случае протозвезда должна находиться нагиперболической орбите вокруг Солнца. Все явление близкого прохожденияпротозвезды занимает около 30 лет. В результате деформируется поверхностьпротозвезды под влиянием приливных сил и образуются различные орбиты иззахваченных Солнцем отдельных кусков протозвездного сгустка. Расчетыпоказывают, что некоторые орбиты так же удалены от Солнца, как орбита Юпитера идаже дальше – до 30 астрономических единиц. Т.о., новейшая модификация гипотезыДжинса снимает основную трудность, с которой столкнулся ее первоначальныйвариант – объяснение аномально большого вращательного момента планет. В схемеВулфсона это достигается предположением о больших размерах «сталкивающегося» сСолнцем объекта и его сравнительно небольшой массе. Из расчетов также видно,что первоначальные орбиты сгустков были весьма эксцентричны. Т.к. заведомо невесь захваченный Солнцем газ смог конденсироваться в планеты, вокруг движущихсясгустков должна была образоваться некоторая газовая среда, которая тормозила быих движение. При этом, как известно, первоначально эксцентричные орбитыпостепенно будут становиться круговыми. На это потребуется сравнительно маловремени – порядка нескольких миллионов лет. Каждый такой сгусток будет довольнобыстро эволюционировать в протопланету. Вращение протопланет может бытьобусловлено действием приливных сил, исходящих от Солнца. В рамках этой моделиможно также понять происхождение спутников планет. Последние отделяются отпротопланет при сжатии из-за их несимметричной фигуры. Следует отметить, чтоэта гипотеза сравнительно легко объясняет происхождение больших планет и ихспутников. Для объяснения планет земной группы необходимо привлечь новыепредставления.

            Гипотеза Джинса вмодификации Вулфсона заслуживает внимания. Она, по существу, связываетобразование планет с образованием звезд. Последние образуются из межзвезднойгазопылевой среды группами в так называемых звездных ассоциациях. В такихгруппах, как показывают наблюдения, сперва образуются сравнительно массивныезвезды, а потом всякая «звездная мелочь», которая эволюционирует в карлики. Этохорошо согласуется с гипотезой Джинса – Вулфсона. Расчеты показывают, однако,что если этот механизм был бы единственной причиной образования звездныхсистем, то их количество в Галактике было бы весьма мало (одна планетнаясистема, примерно, на 100 тыс. звезд), хотя и не так катастрофически мало, какв первоначальной гипотезе Джинса. По существу, это является единственнымуязвимым пунктом современной модификации гипотезы Джинса. Если с достоверностьюбудет доказано, что около хотя бы некоторых ближайших к нам звезд имеютсяпланетные системы, эта гипотеза будет окончательно похоронена.

            Выше уже былоупомянуто, что выдающийся советский ученый О.Ю. Шмидт в 1944 г. предложил своютеорию происхождения Солнечной системы. Согласно О.Ю. Шмидту наша планетнаясистема образовалась из вещества, захваченного из газопылевой туманности, черезкоторую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти современный вид. Приэтом никаких трудностей с вращательным моментом планет не возникает, т.к.первоначальный момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Начинаяс 1961 г. эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес внее существенные улучшения. Нетрудно видеть, что блок-схема «аккреционной»гипотезы Шмидта – Литтлтона совпадает с блок-схемой «гипотезы захвата» Джинса –Вулфсона. В обоих случаях почти современное Солнце сталкивается с более илименее рыхлым космическим объектом, захватывая части его вещества. Следует,впрочем, заметить, что для того, чтобы Солнце захватило достаточно многовещества, его скорость по отношению к туманности должна быть очень маленькой,порядка ста метров в секунду. Если учесть, что скорость внутренних движенийэлементов облака должна быть не меньше, то, по существу, речь идет о«застрявшем» в облаке Солнце, которое, скорее всего, должно иметь общее соблаком происхождение. Тем самым образование планет связывается с процессомзвездообразования. Имеются гипотезы, в которых планеты и Солнце образовались изединой «солнечной» туманности. По существу, речь идет о дальнейшем развитиигипотезы Канта – Лапласа.

Литература:

И.С. Шкловский «Вселенная, жизнь, разум»  Москва «Наука» 1987; Энциклопедия  Москва «Мир книги» 2003.
еще рефераты
Еще работы по авиации и космонавтике