додати матеріал


Походження Сонячної системи

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Школа № 635
Клас 9 «Б»

Олександра Сергіївна Груздева


Д о к л а д


Походження Сонячної системи


Москва 2004
Ось уже більше двох століть проблема походження Сонячної системи хвилює видатних мислителів нашої планети. Цією проблемою займалася, починаючи від філософа Канта і математика Лапласа, плеяда астрономів і фізиків XIX і XX століть. Їй віддав данину наш чудовий співвітчизник, людина різнобічно талановитий, Отто Юлійович Шмідт. І все ж людство ще дуже далеко від її рішення. Які тільки таємниці не були вирвані у природи за ці минулі два століття! За останні десятиліття XX століття істотно прояснився питання про шляхи еволюції зірок. І хоча деталі дивного процесу народження зірки з газопилової туманності ще далеко не ясні, вчені тепер чітко уявляють, що з нею відбувається протягом мільярдів років подальшої еволюції. На жаль, питання про походження і еволюцію планетної системи, навколишнього наше Сонце, далеко не так зрозуміла.
На перший погляд здається дивним і навіть парадоксальним, що астрономи змогли дізнатися про космічні об'єкти, вельми віддалених і можна побачити з великими труднощами, набагато більше, ніж про планети і Сонце, які (за астрономічними масштабами, зрозуміло) знаходяться у нас «під боком». Проте в цьому немає нічого дивного. Справа в тому, що астрономи спостерігають величезна кількість зірок, що знаходяться на різних стадіях еволюції. Вивчаючи зірки в скупченнях, вони можуть суто емпірично встановити, як залежить темп еволюції зірок від початкових умов, наприклад маси. Якби не було цього великого емпіричного матеріалу, питання про еволюцію зірок було б предметом більш-менш безплідних спекуляцій, як це і було приблизно до 1950 р.
У зовсім іншому становищі перебувають дослідники походження та еволюції нашої планетної системи. Адже ми поки не можемо безпосередньо спостерігати такі системи навіть близько найближчих зірок. Якби це вдалося, і ми мали реальне уявлення, як виглядають планетні системи на різних етапах своєї еволюції або хоча б як сильно відрізняються одні планетні системи від інших, ця хвилююча проблема була б, безсумнівно, вирішена в порівняно короткі терміни. Але поки ми спостерігаємо планетну систему, так би мовити, в єдиному екземплярі. Більше того, необхідно ще довести, що біля інших зірок є планетні системи. Вчені вже намагалися це зробити, але не реально, а користуючись спостережуваними характеристиками зірок (не планет!). Навіть про власну планетної системи астрономи знають далеко не всі. Зовсім недавно пролунала інформація, що виявлена ​​(только-только!) десята планета нашої Сонячної системи.
Чи означає це, що ми ще зовсім нічого не можемо сказати про походження Сонячної системи, окрім тривіального твердження, що вона якось утворилася не пізніше, ніж 5 млрд. років тому, тому що такий приблизно вік Сонця? Така песимістична точка зору так само мало обгрунтована, як і зайвий оптимізм адептів тієї чи іншої космогонічної гіпотези. Можна сказати, що дещо про походження сім'ї планет, які обертаються навколо Сонця, ми вже знаємо. У всякому разі, коло можливих гіпотез про походження Сонячної системи зараз значно звузився.
Переходячи до викладу (за необхідності дуже короткому) різних космогонічних гіпотез, що змінювали одна одну на протязі останніх двох століть, ми почнемо з гіпотези, висловленої вперше великим німецьким філософом Кантом і через кілька десятиліть незалежно запропонованої чудовим французьким математиком Лапласом. З подальшого буде видно, що істотні передумови цієї класичної гіпотези витримали випробування часом, і зараз в наймодерновіших космогонічних гіпотезах ми легко можемо знайти основні ідеї гіпотези Канта - Лапласа.
Точки зору Канта і Лапласа у низці важливих питань різко відрізнялися. Кант, наприклад, виходив з еволюційного розвитку холодної пилової туманності, в ході якого спершу виникло центральне масивне тіло - майбутнє Сонце, а потім вже планети, у той час як Лаплас вважав первісну туманність газової і дуже гарячою, що знаходиться в стані швидкого обертання. Стискаючись під дією сили всесвітнього тяжіння, туманність, унаслідок закону збереження моменту кількості руху, спілкувалась дедалі швидше і швидше. Із-за великих відцентрових сил, що виникають при швидкому обертанні в екваторіальному поясі, від нього послідовно відокремлювалися кільця. Надалі ці кільця конденсувалися, утворюючи планети.
Таким чином, відповідно до гіпотези Лапласа, планети утворилися раніше Сонця. Однак, незважаючи на таке різке відмінність між двома гіпотезами, загальної їх найважливішою особливістю є уявлення, що Сонячна система виникла в результаті закономірного розвитку туманності. Тому й прийнято називати цю концепцію «гіпотезою Канта - Лапласа».
Вже в середині XIX століття стало ясно, що ця гіпотеза стикається з фундаментальною труднощами. Справа в тому, що наша планетна система, що складається з дев'яти (за останніми даними з десяти) планет вельми різних розмірів і маси, володіє однією чудовою особливістю. Мова йде про незвичайний розподіл моменту кількості руху Сонячної системи між центральним тілом - Сонцем і планетами.
Момент кількості руху є одна з найважливіших характеристик будь-якої ізольованої від зовнішнього світу механічної системи. Саме як таку систему ми можемо розглядати Сонце і навколишнє його сім'ю планет. Момент кількості руху може бути визначений як «запас обертання» системи. Це обертання складається з орбітального руху планет і обертання навколо своїх осей Сонця і планет.
Математично «орбітальний» момент кількості руху планети відносно центру мас системи (дуже близького до центра Сонця) визначається як добуток маси планети на її швидкість і на відстань до центру обертання, тобто Сонця. У разі обертового сферичного тіла, яке ми будемо вважати твердим, момент кількості руху відносно осі, що проходить через його центр, дорівнює 0,4 MVR, де M - маса тіла, V - його екваторіальна швидкість, R - радіус. Хоча сумарна маса всіх планет становить лише 1 / 700 сонячної, враховуючи, з одного боку, великі відстані від Сонця до планет і з іншого - малу швидкість обертання Сонця (швидкість обертання Сонця на його екваторі складає всього лише 2 км / с, що в 15 разів менше швидкості Землі на орбіті), ми отримаємо шляхом простих обчислень, що 98% всього моменту кількості руху Сонячної системи пов'язане з орбітальним рухом планет і лише 2% - з обертанням Сонця навколо осі. Момент кількості руху, пов'язаний з обертанням планет навколо своїх осей, виявляється дуже незначним через порівняно малих мас планет і їх радіусів.
Знайдемо, наприклад, момент кількості руху Юпітера I. Маса Юпітера дорівнює M = 2 x жовтня 1930 г (тобто 10 -3 маси Сонця), відстань від Юпітера до Сонця R = 7,8 x 13 жовтня см (або 5,2 астрономічних одиниць), а орбітальна швидкість V = 1,3 x 10 6 см / с (близько 13 км / с). Звідси I = MVR = 190 x жовтня 1948. Значення моментів дані в системі одиниць CGS. В цих одиницях момент кількості руху обертового Сонця дорівнює всього лише 6 x жовтня 1948. Таким чином, всі планети земної групи - Меркурій, Венера, Земля і Марс - мають сумарний момент в 380 разів менший, ніж Юпітер. Левова частка моменту кількості руху Сонячної системи зосереджена в орбітальному русі планет-гігантів Юпітера й Сатурна.
З точки зору гіпотези Лапласа, це зовсім незрозуміло. Справді, в епоху, коли від первісної, швидко обертається туманності відокремлювалося кільце, шари туманності, з яких згодом конденсації утворилося Сонце, мали (на одиницю маси) приблизно такий самий момент, як речовина кільця, що відокремилося, тому що кутові швидкості кільця й частини, що були майже однакові. Оскільки маса кільця була значно менше маси основної частини туманності (прото-сонця), то повний момент кількості руху у кільця повинен бути набагато меншим, ніж у протосонця. У гіпотезі Лапласа відсутній який би то не було механізм передачі моменту від протосонця до кільця. Тому протягом усієї подальшої еволюції момент кількості руху протосонця, а потім і Сонця повинен бути значно більше, ніж у кілець і утворилися з них. Але цей висновок знаходиться в разючому протиріччі з фактичним розподілом моменту кількості руху між Сонцем і планетами.
Для гіпотези Лапласа ці труднощі виявилися нездоланними. На зміну їй стали висуватися інші гіпотези. Не будемо їх тут навіть перелічувати - зараз вони представляють лише історичний інтерес. Зупинимося лише на гіпотезі Джинса, яка отримала повсюдне поширення в першій третині минулого століття. Ця гіпотеза в усіх відношеннях являє собою повну протилежність гіпотезі Канта - Лапласа. Якщо остання малює утворення планетних систем (у тому числі і нашої Сонячної) як єдиний закономірний процес еволюції від простого до складного, то в гіпотезі Джинса утворення таких систем є справа випадку і являє рідкісне, виняткове явище.
Відповідно до гіпотези Джинса, вихідна матерія, з якої в подальшому утворилися планети, була викинута із Сонця (яке на той час було вже досить «старим» і схожим на нинішнє) при випадковому проходженні поблизу нього деякою зірки. Це проходження було настільки близьким, що практично його можна розглядати як зіткнення. При такому дуже близькому проходженні завдяки приливних сил, що діяли з боку налетіла на Сонце зірки, з поверхневих шарів Сонця була викинута струмінь газу. Ця струмінь залишиться у сфері тяжіння Сонця і після того, як зірка піде від Сонця. Надалі струмінь сконденсується і дасть початок планетам.
Що можна сказати зараз з приводу цієї гіпотези, яка володіла умами астрономів протягом трьох десятиліть? Перш за все, вона припускає, що освіта планетних систем, подібних нашій Сонячній, є процес виключно малоймовірний. Справді, зіткнення зірок, а також їх близькі взаємні проходження в нашій Галактиці можуть відбуватися надзвичайно рідко. Пояснимо це конкретним розрахунком.
Відомо, що наше Сонце по відношенню до найближчих зірок рухається зі швидкістю близько 20 км / с. Навіть найближча до нас зірка - Проксима Центавра знаходиться від нас на відстані 4,2 ​​світлового року. Щоб подолати цю відстань, Сонце, рухаючись з вказаною швидкістю, має витратити приблизно 100 тис. років. Будемо вважати (що в даному випадку правильно) рух Сонця прямолінійним. Тоді ймовірність близького проходження (скажімо, на відстані трьох радіусів зірки) буде, очевидно, дорівнює відношенню тілесного кута, під яким видно з Землі збільшений в 3 рази диск зірки, до 4П. Можна переконатися, що дане відношення становить близько 10 -15. Це означає, що за 5 млрд. років свого життя Сонце мало один шанс із десятків мільярдів зіштовхнутися або дуже зблизитися з якою-небудь зіркою. Оскільки в Галактиці налічується всього близько 150 млрд. зірок, то повна кількість таких близьких проходжень у всій нашій зоряній системі має бути порядку 10 за останні 5 млрд. років.
Звідси випливає, що, якщо б гіпотеза Джинса була правильною, число планетних систем, що утворилися в Галактиці за 10 млрд. років її еволюції, можна було перерахувати буквально на пальцях. Оскільки це, мабуть, не відповідає дійсності і число планетних систем у Галактиці дуже багато, гіпотеза Джинса виявляється неспроможною.
Неспроможність цієї гіпотези слід також і з інших міркувань. Перш за все, вона страждає тим же фатальним недоліком, що і гіпотеза Канта - Лапласа: гіпотеза Джинса не в змозі пояснити, чому переважна частина моменту кількості руху Сонячної системи зосереджена в орбітальному русі планет. Математичні розрахунки, виконані в свій час М.М. Парійським, показали, що при всіх випадках в рамках гіпотези Джинса утворюються планети з дуже маленькими орбітами. Ще раніше на цю класичну космогонічну труднощі стосовно гіпотезі Джинса вказав американець Рессел.
Нарешті, нізвідки не випливає, що викинута із Сонця струмінь гарячого газу може сконденсуватися в планети. Навпаки, розрахунки ряду відомих астрофізиків, зокрема Лаймана Спітцера, показали, що речовина струменя розсіється в навколишньому просторі і конденсації не буде. Т.ч., космогонічна гіпотеза Джинса виявилася повністю неспроможною. Це стало очевидним вже в кінці тридцятих років минулого сторіччя.
Тим більше дивним видається відродження ідеї Джинса на новій основі, яке відбулося в останні десятиріччя минулого століття. Якщо в первинному варіанті гіпотези Джинса планети утворилися з газового згустку, викинутого з Сонця приливними силами при близькому проходженні повз нього зірки, то новітній варіант, що розвивається Вулфсон, припускає, що газова струмінь, з якої утворилися планети, була викинута з проходив повз Сонця космічного об'єкта . У якості останнього приймається вже не зірка, а протозірка - пухкий об'єкт величезних розмірів (у 10 разів перевищує радіус нинішньої земної орбіти) і порівняно невеликої маси ~ 0,25 M Сонця. Була опрацьована схема такого «зіткнення», заснована на точних розрахунках. У цьому випадку протозірка повинна знаходитися на гіперболічної орбіті навколо Сонця. Всі явище близького проходження протозірки займає близько 30 років. У результаті деформується поверхню протозірки під впливом приливних сил і утворюються різні орбіти із захоплених Сонцем окремих шматків протозвездного згустку. Розрахунки показують, що деякі орбіти так само віддалені від Сонця, як орбіта Юпітера і навіть далі - до 30 астрономічних одиниць. Т.ч., новітня модифікація гіпотези Джинса знімає основні труднощі, з якою зіткнувся її первісний варіант - пояснення аномально великої обертального моменту планет. У схемі Вулфсон це досягається припущенням про великі розміри «стикається» з Сонцем об'єкта і його порівняно невеликій масі. З розрахунків також видно, що початкові орбіти згустків були вельми ексцентричні. Оскільки свідомо не весь захоплений Сонцем газ зміг конденсуватися в планети, навколо рухомих згустків мала утворитися деяка газове середовище, яка гальмувала б їх рух. При цьому, як відомо, спочатку ексцентричні орбіти поступово ставатимуть круговими. На це буде потрібно порівняно мало часу - близько декількох мільйонів років. Кожен такий згусток буде досить швидко еволюціонувати в протопланет. Обертання протопланет може бути обумовлено дією приливних сил, що виходять від Сонця. У рамках цієї моделі можна також зрозуміти походження супутників планет. Останні відокремлюються від протопланет при стисненні з-за їх несиметричною фігури. Слід зазначити, що ця гіпотеза порівняно легко пояснює походження великих планет і їх супутників. Для пояснення планет земної групи необхідно залучити нові вистави.
Гіпотеза Джинса в модифікації Вулфсон заслуговує уваги. Вона, по суті, пов'язує утворення планет з утворенням зірок. Останні утворюються з міжзоряного газопилової середовища групами в так званих зоряних асоціаціях. У таких групах, як показують спостереження, спершу утворюються порівняно масивні зірки, а потім всяка «зоряна дрібниця», яка еволюціонує в карлики. Це добре узгоджується з гіпотезою Джинса - Вулфсон. Розрахунки показують, проте, що якщо цей механізм був би єдиною причиною утворення зоряних систем, то їх кількість в Галактиці було б дуже мало (одна планетна система, приблизно, на 100 тис. зірок), хоча і не так катастрофічно мало, як в первинній гіпотезі Джинса. По суті, це є єдиним вразливим пунктом сучасної модифікації гіпотези Джинса. Якщо з достовірністю буде доведено, що близько хоча б деяких найближчих до нас зірок є планетні системи, ця гіпотеза буде остаточно похована.
Вище вже було згадано, що видатний радянський вчений О.Ю. Шмідт в 1944 р. запропонував свою теорію походження Сонячної системи. Згідно О.Ю. Шмідту наша планетна система утворилася з речовини, захопленого з газопилової туманності, через яку колись проходило Сонце, вже тоді мало майже сучасного вигляду. При цьому ніяких труднощів з обертальним моментом планет не виникає, тому що первісний момент речовини хмари може бути як завгодно великим. Починаючи з 1961 р. цю гіпотезу розвивав англійський космогоніст Літтлтон, який вніс до неї істотні поліпшення. Неважко бачити, що блок-схема «акреційний» гіпотези Шмідта - Литтлтона збігається з блок-схемою «гіпотези захоплення» Джинса - Вулфсон. В обох випадках майже сучасне Сонце зіштовхується з більш-менш рихлим космічним об'єктом, захоплюючи частини його речовини. Слід, утім, зауважити, що для того, щоб Сонце захопило досить багато речовини, його швидкість по відношенню до туманності повинна бути дуже маленькою, близько ста метрів в секунду. Якщо врахувати, що швидкість внутрішніх рухів елементів хмари повинна бути не менше, то, по суті, мова йде про «застряг» в хмарі Сонце, яке, швидше за все, повинно мати спільне з хмарою походження. Тим самим утворення планет пов'язується з процесом зореутворення. Є гіпотези, в яких планети і Сонце утворилися з єдиної «сонячної» туманності. По суті, мова йде про подальший розвиток гіпотези Канта - Лапласа.
Література:
  1. І.С. Шкловський «Всесвіт, життя, розум
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Астрономія | Доповідь
34кб. | скачати


Схожі роботи:
Походження Сонячної системи 2 2
Походження сонячної системи 3
Походження Сонячної системи 2
Походження Сонячної системи 2
Походження Сонячної системи 2 лютого
Походження Сонячної системи і Землі
Сонячна система Походження сонячної системи
Стійкість сонячної системи
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru