litceysel.ru
добавить свой файл
1

III. ПЛАНЕТАРНАЯ КОСМОГОНИИ




УРОК № 14. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПЛАНЕТАРНЫХ СИСТЕМ





  1. Планетные тела и планетные системы.

  2. От Буффона до Шмидта.

  3. Образование планетных систем.

  4. Основная космогоническая гипотеза.

  5. Состав и размеры солнечной системы.


1. Планетные тела и планетные системы.

Происхождение и развитие космических объектов изучает отдельный раздел астрономиикосмогония. Одним из главных направлений исследований космогонии является изучение условий и процессов, приводящих к возникновению планетных тел и планетных систем. Планетные тела - это пространственно-обособленные, гравитационно-связанные, непрозрачные для излучения массы вещества в интервале от 10-17 до 1027 кг. Они подразделяются на три основных класса: планеты, планетоиды и метеороиды.

П
ланеты
- класс планетных тел с массами 1023-1027 кг, обладающих сферической формой и ярко выраженным дифференцированным внутренним строением. Они обладают собственной энергетикой, основанной на энергии гравитационного сжатия, распаде радиоактивных элементов и других процессах. Подразделяются на землеподобные планеты и планеты-гиганты.

Землеподобные планеты имеют массу в диапазоне 1023-1025 кг и средней плотностью вещества 4-5,5 г/см3, и состоят в основном из тяжелых химических элементов - соединений металлов, силикатов и т. д. Планеты-гиганты имеют массу 5× 1025 - 2,5× 1027 кг и средней плотностью 0,7-1,7 г/см3, состоят в основном из водорода, гелия и легких химических соединений.


Планетоиды - планетные тела с массой 1022-1023 кг, обладающие сферической формой, но сравнительно однородным или слабо выраженным внутренним строением. Планетоиды занимают промежуточное положение между классами метеороидов и планет. Подразделяются на ледяные, силикно-ледяные и силикатные. Представители – Луна, Плутон, Титан.

Метеороиды - планетные тела с массой от 10-17 до 1022 кг, имеющие произвольную форму и однородное строение. К ним относятся кометы, астероиды, кентавры, транснептуновые объекты, метеорные тела.

Отдельно нужно сказать о космических телах с массами от 2,5× 1027 до 1028 кг. Их называются коричневыми карликами и занимают они промежуточное положение между планетными телами и звездами. Термоядерные реакции в их недрах либо не возникали, либо протекали очень короткое время, на завершающих стадиях формирования ядра. Коричневые карлики остывают десятки миллиардов лет. Ввиду своей низкой светимости они являются очень трудным объектом для астрономических наблюдений. Первые коричневые карлики были открыты в 1996 году. В настоящее время ученым известно свыше 1000 объектов данного класса.

Планетные тела различных классов входят в состав планетных систем. Планетные системы - это связанные силами взаимного тяготения системы космических объектов, звезд и планетных тел, обладающие общностью происхождения и перемещающиеся в пространстве как единое целое. Согласно современным теориям звездообразования практически все одиночные медленновращающиеся звезды массой до 10 М¤ должны обладать планетными системами, т.е. планетные системы должны быть примерно у 40% звезд Галактики.

Количество известных планетных систем превысило 100. Планеты чужих планетных систем получили общее название внесолнечных или экзопланет. Все они мало похожи на планеты Солнечной системы. Большинство планет открытых в этих системах получили название "горячих юпитеров" ввиду их больших размеров и высоких температур ( свыше 1000° К) атмосфер этих планет. Открыты и уникальные планетные системы, например: в тесной двойной системе, состоящей из двух карликов, находящихся на расстоянии 1,5-2 а.е. друг от друга, планета-гигант вращается вокруг центра масс системы на расстоянии 5-7 а.е.; нейтронная звезда в созвездии Девы имеет 4 планеты!, однако ничто земное не прожило бы и секунды в вечной тьме под волнами радиации, омывающими поверхности этих планет 160 раз в секунду.


2. Бюффона до Шмидта.

Издавна человек пытался познать, как устроен наш общий дом – Земля. Как она возникла, когда, какие силы или законы природы привели к созданию такого космического тела, что у нас внутри. Всегда ли так выглядела наша планета, как меняется ее температура, всегда ли такая была атмосфера? Вопросов множество, а вот ответы пока есть не на все. Мы знаем много мифов и легенд о происхождении нашей планеты и Солнечной системы в целом, у разных народов. Все их объединяет одно, то, что мир создан по разумному замыслу мифических героев или богов.

Священная книга христиан – Библия – так говорит о создании Земли. В начале Бог создал небо и землю. Земля была бесформенна, пустынна и погружена в вечный мрак. Всюду простирались только воды, а над ними носился дух божий. И сказал Бог: да будет свет! Увидев, что свет хорош, он отделил его от тьмы и назвал днем, а тьму назвал ночью.

Уже в ХVI веке Джордано Бруно предположил, что звезды, подобно Солнцу, окружены свитой планет и эти миры непрерывно рождаются, развиваются и умирают. Два века спустя в работах немецкого философа Эммануила Канта и французского математика Пьера Симона Лапласа зародилась космогония – наука о происхождении небесных тел. Существовало несколько гипотез рождения Солнечной системы: Это гипотезы Буффона, Канта, Лапласа, Джинса, Рассела, Хойла, Шмидта. И все же человечество еще не до конца разгадало тайну рождения Солнечной системы.

И это на первый взгляд кажется очень странным. Ученые разгадали тайны существования звезд. Могут рассказать, что будет происходить с любой звездой в течение всей ее многомиллиарднолетней истории жизни. Звезды находятся на огромных расстояниях от нас, но мы поняли, как они развиваются. Солнечная система расположена у нас «под боком», а в вопросе о происхождении наших планет остается еще много неясностей. Однако в этом нет ничего удивительного. Дело в том, что астрономы наблюдают огромное количество звезд, молодых и старых, которые только рождаются или уже умерли. Наблюдая разные звезды в разном возрасте, ученые делают выводы о том, как проходит жизнь одной звезды от рождения до смерти.


В совершенно другом положении находятся ученые, которые пытаются понять, как развивалась наша планетная система. Ведь мы пока не можем непосредственно наблюдать планетные системы даже около самых близких звезд. Нам не с чем сравнить нашу систему. Да, двадцать лет назад начали открывать экзопланеты. Теперь их известно порядка 230 штук. Но первую из них мы сумели непосредственно увидеть только в 2004 году и то в инфракрасном свете. Если бы мы имели реальное представление, как выглядят планетные системы на разных стадиях своей эволюции, то мы бы разгадали и тайну нашей системы. Но пока мы наблюдаем планетную систему, так сказать, в единственном экземпляре. Даже о собственной планетной системе астрономы знают далеко не все. Совсем недавно, летом 2005 года прозвучала информация, что обнаружена еще одна планета нашей Солнечной системы, а сколько еще не обнаружено?

Тем не менее, знания, накопленные астрономами о Земле и Солнечной системе, позволили уже в 1745 году высказать первую научную гипотезу о происхождении Земли. Ее сделал французский ученый Бюффон. Он предположил, что земной шар возник в результате катастрофы. В очень давние времена какое-то небесное тело (Бюффон считал, что это была комета) столкнулась с Солнцем. Это сейчас мы знаем, что столкновения комет с Солнцем явление достаточно рядовое и это не приводит ни к каким серьезным последствиям. Он считал, что при столкновении возникло множество «брызг». Наиболее крупные из них постепенно остывая, дали начало планетам. В развитии Земли, возраст которой он определил в 85 тыс лет, Бюффон выделил 7 периодов, во время которых происходило остывание планеты, образование горных пород, появление суши, возникновение растений и животных, распад единого первобытного континента (шестой период) и появление человека (седьмой период). Эти семь периодов были как семь дней, за которые Бог создал Вселенную. Бюффон не хотел ссориться с церковью, но именно он провел границу между библейской космогонией и естествознанием. И в этом, наверное, заключатся его главная заслуга перед наукой.


Через 10 лет после Бюффона идею о возникновении Солнечной системы из облака холодных пылинок, находящихся в беспорядочном движении, изложил немецкий философ Иммануил Кант. Планеты по Канту формируются из того же газопылевого облака, что и Солнце. В результате взаимного притяжения частицы облака слипались, образуя сгущения, которые стали расти, и со временем дали начало Солнцу и планетам. В ходе эволюции туманности сперва возникло центральное массивное тело – будущее Солнце, а потом уже планеты.

Спустя несколько десятилетий замечательным французским математиком Лапласом была независимо от Канта предложена похожая гипотеза. Правда, по мнению Лапласа, Солнце и планеты возникли из вращающегося раскаленного газового облака, которое, постепенно остывая, сжималось, образуя многочисленные кольца. Эти кольца при уплотнении создали планеты, а центральный сгусток превратился в Солнце. Согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на такое резкое различие между двумя гипотезами, общей их важнейшей особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития газопылевой туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию «гипотезой Канта – Лапласа».

На этом создание космогонических гипотез не завершилось. Интересна гипотеза Джинса, получившая повсеместное распространение в первой трети прошлого столетия. Эта гипотеза во всех отношениях представляет собой полную противоположность гипотезе Канта – Лапласа. Если последняя рисует образование планетных систем (в том числе и нашей Солнечной) как единый закономерный процесс эволюции от простого к сложному, то в гипотезе Джинса образование таких систем есть дело случая и представляет редчайшее, исключительное явление.

Согласно гипотезе Джинса, исходная материя, из которой в дальнейшем образовались планеты, была вырвана из Солнца (которое к тому времени было уже достаточно «старым» и похожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Этот выброс остался в сфере притяжения Солнца, в дальнейшем сконденсировался и дал начало планетам.


В 1935 году Рассел предположил, что Солнце было двойной звездой. Вторая звезда была разорвана силами гравитации при тесном сближении с другой, третьей звездой. Девятью годами позже Хойл высказал теорию, что Солнце было двойной звездой, причем вторая звезда прошла весь путь эволюции и взорвалась как сверхновая, сбросив всю оболочку. Из остатков этой оболочки и образовалась планетная система.

Выдающийся русский ученый О.Ю. Шмидт в 1944 г. предложил свою теорию происхождения Солнечной системы. Согласно Шмидту наша планетная система образовалась из вещества, захваченного из газопылевой туманности, через которую некогда проходило наше, уже зрелое Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики.


3. Образование планетных систем и планетных тел.

Современная наука утверждает, что планетарные системы возникают вокруг формирующихся одиночных нормальных звезд из остатков вещества протозвездного облака. Газопылевой диск вокруг «новорожденной» звезды быстро, за 105-106 лет, сплющивается под действием центробежной силы и гравитации. Орбиты частиц становятся круговыми. Ударные волны, распространяющиеся в веществе диска при сжатии протозвезды и возгорании молодой звезды, порождают концентрические сгущения плотности вещества диска. Формируются так называемые «кольца сжатия». Излучение молодой звезды нагревает протопланетный диск и частично рассеивает его, «выдувая» газ и легкие частицы из околозвездного пространства. В строении протопланетного диска выделяется «горячая зона» с низкой концентрацией водорода и гелия, и Т>300º К и «холодная зона» с высокой концентрацией водорода, гелия и легких элементов, и T