Современные теории образования солнечной системы и планет

     Гипотеза, как отмечает Т.А. Агекян, требует, чтобы во Вселенной существовал материал - сверхплотное вещество, которого еще никто ни при каких обстоятельствах не наблюдал и многие свойства которого остаются неизвестными. Однако, по мнению ученых, это обстоятельство нельзя считать недостатком гипотезы по той простой причине, что, изучая проблему происхождения звезд и звездных систем, мы выходим за круг явлений, связанных с обычной деятельностью человека. Сверхплотная материя, если она существует, должна быть недоступна современным средствам наблюдения, так как она занимает очень малые объемы пространства и почти не излучает. Основные ее свойства -необычайно высокая плотность и огромный запас энергии, которая бурно выделяется при распаде такого вещества.

      Возможность существований сверхплотных масс материи рассматривалась Г. Р. Оппенгеймером, Г. М. Волковым. В свое время В. А. Амбарцумян и Г. С. Саакян показали, что могут существовать массы со сверхплотными ядрами, состоящими из тяжелых элементарных частиц - гиперонов. Радиусы таких объектов составляют всего несколько километров, а массы мало уступают массе Солнца, так что средняя плотность равна миллионам тонн на кубический сантиметр.

                     Планетная космогония Шмидта

  Анализируя  основные закономерности движения планет, академик О. Ю. Шмидт (1891—1956) пришел к заключению, что выводы Канта и Лапласа об образовании планет из рассеянного вещества в своей основе были верны. Только сам процесс формирования планет был представлен неправильно.

  В основе космогонической гипотезы Шмидта лежит идея образования планет не в результате сжатия раскаленных газовых сгустков, а путем аккумуляции (объединения) холодных твердых частиц и тел. Эти тела — так называемые планетезимали, по своим размерам близкие к метеороидам и астероидам, — в относительно короткое (по астрономическим меркам) время сформировались из пыли и газа дискообразной туманности — протопланетного (допланетного) облака, окружавшего молодое Солнце. Отсюда неизбежно следовало, что наша Земля никогда не была огненно- жидкой. Будучи вначале холодной, она разогрелась лишь потом, благодаря распаду радиоактивных элементов. Рассмотрим процесс формирования планет Солнечной системы более подробно.

  О. Ю. Шмидт предположил, что допланетное  облако было захвачено Солнцем, когда  оно, двигаясь вокруг центра Галактики, проходило сквозь межзвездную туманность.

  Сейчас  большинство космогонистов придерживается взгляда о совместном образовании Солнца и планет из одного и того же газопылевого облака. И судить о том, каким было это облако, можно лишь косвенно, исходя из наших знаний о Солнечной системе.

Неоценимую  услугу в этом вопросе оказывают ученым метеориты. Ведь метеоритное вещество мало изменилось с тех пор, как около 4,5 млрд. лет назад оно собралось в небольшие планетезимали, а затем участвовало в образовании тел астероидных размеров. В последние годы выяснилось, что метеоритное вещество хранит в зашифрованном виде «запись» даже тех событий, которые предшествовали началу эволюции протопланетного облака. Специалисты считают, что так называемые углистые хондриты — это просто «спрессованная» межзвездная пыль, входившая в состав бывшей протопланетной туманности. Ее начальная масса составляла, видимо, около 5% от массы самого Солнца.

  Итак, исходным материалом для формирования планет явилось допланетное облако. В гипотезе Шмидта это облако не пылевое и не газовое, а газопылевое, что существенно меняет процесс его развития. Поначалу частицы газа и пыли, составлявшие облако, обладали хаотическими движениями и поэтому часто сталкивались между собой. Известно, что столкновения атомов газа происходят упруго, а молекул — почти упруго. Другими словами, атомы и молекулы газа после столкновений отскакивали друг от друга почти с прежними скоростями; беспорядочность их движения почти не уменьшалась.

  Совсем  иначе ведут себя пылинки: они  сталкиваются неупруго. Поэтому скорости пылинок, претерпевших столкновения, уменьшались. Их кинетическая энергия превращалась в тепловую; последняя излучалась в окружающее пространство...

  Как видим, разрабатывая свою гипотезу, Шмидт  учел процесс перехода механической энергии движения пылевых частиц в тепло, что сыграло главную  роль в развитии газопылевого облака. Это позволило ученому успешно  объяснить превращение облака в  планетную систему.

  Потеря  кинетической энергии пылинок приводила  к тому, что они оседали к  экваториальной плоскости газопылевого облака. Это происходило примерно в течение 100 тыс. лет. Так пылевая  составляющая облака постепенно превратилась во вращающийся пылевой диск. Произошло как бы расслоение облака на пылевой диск и сфероидальную газовую среду.

  В какой-то момент плотность частиц в  пылевом диске достигла критического значения и наступила так называемая гравитационная неустойчивость. В результате диск разбился на отдельные пылевые сгущения. Но благодаря гравитационному взаимодействию такие сгущения сталкивались, объединялись и уплотнялись, превращаясь в планетезимали. Примерно через 1 млн. лет масса планетезималей становится сравнимой с массой крупнейших астероидов, известных в настоящее время. Они двигались вокруг молодого Солнца в одном направлении — в направлении вращения допланетного облака.

  Следующий этап развития состоял в объединении  планетезималей в планеты. Он занял гораздо больше времени, чем предыдущий — образование пылевого диска и формирование роя планетезималей.

  Относительные скорости планетезималей были сравнительно невелики — порядка 10—100 м/с. И, сталкиваясь между собой, они в большинстве случаев объединялись.

В каждой «зоне питания» находились тела, которые  росли гораздо быстрее остальных. Они стали зародышами будущих планет. Результаты моделирования для зоны планет земной группы показали, что Земля приобрела 98% своей массы за 100 млн. лет. Эта оценка продолжительности роста Земли принадлежит московскому астроному Виктору Сергеевичу Сафронову (1917—1999), который вместе с Борисом Юльевичем Левиным (1912—1989), Василием Григорьевичем Фесенковым и некоторыми другими отечественными учеными занимался разработкой гипотезы О. Ю. Шмидта.

  Процесс образования планет-гигантов Юпитера  и Сатурна можно разделить  на два этапа. На первом, длившемся  десятки миллионов лет в области  Юпитера и около 100 млн. лет в  области Сатурна, тоже происходила  аккумуляция планетезималей (твердых тел), подобная той, что совершалась в зоне планет земной группы. Но с достижением протопланетами некоторой критической массы, равной примерно 3—5 массам Земли, начался второй этап образования гигантов — аккреция газа на массивные твердые ядра. Она длилась, по-видимому, около 1 млн. лет.

  Образование твердых ядер Урана и Нептуна  заняло несколько сот миллионов  лет. Кроме того, температура на окраинах планетной системы была очень низкой, поэтому в состав планет-гигантов и их спутников вошло еще много замерзшей воды и замороженных газов — аммиака и метана.

  При объединении многочисленных сгущений в планеты происходило естественное осреднение их орбит. Образовавшиеся планеты стали двигаться почти в одной плоскости и почти по круговым орбитам.

  В этом едином космогоническом процессе вокруг планет возникали их спутники — луны. Образование спутников шло аналогичным путем. Происхождение спутников Юпитера, Сатурна и Нептуна, обладающих обратным движением, объясняется их захватом.

  В рамках планетной космогонии Шмидта прекрасное объяснение получило четкое разделение больших планет на две группы по своим физико-химическим особенностям. Вначале газопылевое облако было однородно и, подобно Солнцу, состояло в основном из водорода и гелия. К этим двум газам в небольшом количестве были подмешаны другие химические элементы. Твердое вещество в виде пылинок составляло около 1 % первоначальной массы допланетного облака. На первом этапе эволюции облака, когда пылевые частицы собрались в плоский непрозрачный диск, солнечные лучи не могли прогреть всю его толщу одинаково. В зоне современной орбиты Плутона температура внутри диска была ненамного выше абсолютного нуля. В зоне орбиты Земли она была близка к О °С. А части диска, расположенные около Солнца, сильно нагревались его лучами, и из пылинок выделялись газы.

  Наиболее  легкие, особенно водород и гелий, рассеивались в пространстве, а также  под действием давления света  и мощных корпускулярных потоков (солнечного ветра) устремлялись в холодную зону. Там газы обильно намерзали на пылевых частицах и быстро их укрупняли. С течением времени в прогреваемой зоне остались лишь частицы тугоплавких силикатов и металлов. Из этих тяжелых веществ и образовались сравнительно небольшие планеты земной группы.

  А вдали от Солнца, где в изобилии скопился водород и другие летучие  вещества, возникли планеты-гиганты  с малой средней плотностью. Так  произошло разделение планет на две  группы.

  Такова  в общих чертах картина образования  планет и их спутников по гипотезе академика О. Ю. Шмидта, дополненной результатами новейших исследований.

  Гипотеза  Шмидта объясняет основные закономерности Солнечной системы: формы, размеры  и расположение планетных орбит, распределение планет в пространстве в связи с их массой и многое другое. О.Ю. Шмидту удалось теоретически объяснить закон планетных расстояний, т.е. связь радиуса орбиты с её номером(в порядке удаления от Солнца). Хотя на частном примере Шмидт показал принципиальную возможность захвата, сама идея о захвате ”протопланетного” облака теоретически была плохо обоснована, и эта часть гипотезы Шмидта оказалась самой слабой.

  В рамках его гипотезы плохо разработан вопрос о происхождении спутников  планет, например Луны, которая обладает относительно большой массой и вместе с Землей образуют двойную планету. Остались необъясненными обратное вращение Венеры, положение оси вращения Урана  и ряд других деталей, пусть второстепенных, но требующих все-таки объяснения. 

  Солнечная система

  Солнечная система состоит из 9 планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, (Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона. Все планеты  движутся в одном направлении, в  единой плоскости (за исключением Плутона) по почти круговым орбитам. От центра до окраины Солнечной системы (до Плутона) 5,5 световых часов. Расстояние от Солнца до Земли 149 млн. км, что составляет 107 его диаметров.

  Малые планеты, как и большинство спутников  планет, не имеют атмосферы, так как  сила тяготения на их поверхности  недостаточна для удержания газов. В атмосфере Венеры преобладает  углекислый газ, в атмосфере Юпитера  аммиак. На Луне и Марсе имеются  кратеры вулканического происхождения. 

  Радиус  Земли 6,3 тыс. км. Масса 6²¹ тонн. Плотность 5,5 г/см³. Скорость вращения вокруг Солнца 30 км/сек.

  Земля состоит из литосферы (земной коры), протяженностью 10-80 км, мантии и ядра. В атмосфере Земли, вес которой 5 300 000 млрд. тонн, преобладает азот и  кислород. Разделяется она на тропосферу (до 9 —17 км) — «фабрику погоды», стратосферу (до 55 км) — «кладовую погоды», ионосферу, которая состоит из заряженных под  воздействием излучений Солнца частиц, и зону рассеивания, располагающуюся  на высоте 800-1000 км. Пояса радиации из частиц высоких энергий выше атмосферы  предохраняют Землю от жестких космических  лучей, губительных для всего  живого. 
 
 
 
 

                                               Заключение 

Наша Галактика  содержит около 100 млрд. звезд, всего  галактик, которые в принципе наблюдаемы примерно 10 млрд. Почему же, спрашивается, надо тратить время на выяснение  подробностей рождения Солнца? Ведь, по сути, оно представляет собой посредственную, ничем не примечательную звезду, появившуюся  около 4,6 млрд. лет назад. Солнце старше Плеяд, возраст которых несколько  десятков миллионов лет, но заведомо моложе красных гигантов, населяющих шаровые скопления (их возраст 14 млрд. лет). 

Дело в том, что Солнце до сих пор остается единственной известной науке звездой, на одной из планет которой существует жизнь. Поэтому чрезвычайно интересно  исследовать механизм возникновения  Солнечной системы. Может оказаться, что планеты образуются, как правило, при рождении какой-нибудь звезды. В  этом случае заметно увеличилась  бы вероятность обнаружить жизнь  еще где-нибудь во Вселенной. Такая  возможность представляет большой  интерес, причем не только с научной  точки зрения. 

Важным выводом  изучения проблемы образования Солнечной  системы является заключение о закономерности одновременного образования звезд  с планетными системами. "Обладающее значительным вращательным моментом облако на основании законов механики просто не может превратиться в одиночную  медленно вращающуюся звезды (вроде  Солнца, но без планет). Вернее сказать, если бы такая звезда образовалась - это было бы большой редкостью" . Иными словами, почти наверняка  практически все звезды типа Солнца, которых пока считают одиночными, имеют невидимые спутники с достаточно малой массой и светимостью. И  среди них можно ожидать звезды, окруженные семьей планет.