Реферат: Происхождение солнечной системы

Введение

Солнечная система состоит из центрального небесного тела — звезды Солнца, 9 больших планет, обращающихся вокруг него, их спутников, множества малых планет — астероидов, многочисленных комет и межпланетной среды. Большие планеты располагаются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Три последние планеты можно наблюдать с Земли только в телескопы. Остальные видны как более или менее яркие кружки и известны людям со времен глубокой древности.

Один из важных вопросов, связанных с изучением нашей планетной системы — проблема ее происхождения. Решение данной проблемы имеет естественно-научное, мировоззренческое и философское значение. На протяжении веков и даже тысячелетий ученые пытались выяснить прошлое, настоящее и будущее Вселенной, в том числе и Солнечной системы. Однако возможности планетной космологии и по сей день остаются весьма ограниченными — для эксперимента в лабораторных условиях доступны пока лишь метеориты и образцы лунных пород. Ограничены и возможности сравнительного метода исследований: строение и закономерности других планетных систем пока еще недостаточно изучены.

1. Гипотезы о происхождении солнечной системы

К настоящему времени известны многие гипотезы о происхождении Солнечной системы, в том числе предложенные независимо немецким философом И.Кантом (1724—1804) и французским математиком и физиком П.Лапласом (1749—1827). Точка зрения И. Канта заключалась в эволюционном развитии холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело — Солнце, а потом родились и планеты. П. Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность вследствие закона сохранения момента импульса вращалась все быстрее и быстрее. Под действием больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца, превращаясь в результате охлаждения и конденсации в планеты. Таким образом, согласно теории П. Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Несмотря на такое различие между двумя рассматриваемыми гипотезами, обе они исходят от одной идеи — Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта—Лапласа. Однако от этой идеи пришлось отказаться из-за множества математических противоречий, и на смену ей пришло несколько «приливных теорий».

Наиболее знаменитая теория была выдвинута сэром Джеймсом Джинсом, известным популяризатором астрономии в годы между Первой и Второй мировыми войнами. (Он также был ведущим астрофизиком, и лишь в конце своей карьеры обратился к созданию книг для начинающих.)

Рис. 1. Приливная теория Джинса. Звезда проходит рядом с Солнцем,

вытягивая из него вещество (рис. А и В); планеты формируются

из этого материала (рис. С)

Согласно Джинсу, планетное вещество было «вырвано» из Солнца под воздействием близко проходившей звезды, а затем распалось на отдельные части, образуя планеты. При этом наиболее крупные планеты (Сатурн и Юпитер) находятся в центре планетной системы, где некогда находилась утолщенная часть сигарообразной туманности.

Если бы дела действительно обстояли таким образом, то планетные системы были бы чрезвычайно редким явлением, так как звезды отделены друг от друга колоссальными расстояниями, и вполне возможно, что наша планетная система могла бы претендовать на роль единственной в Галактике. Но математики снова бросились в атаку, и в конце концов приливная теория присоединилась к газообразным кольцам Лапласа в мусорной корзине науки.

2. Современная теория происхождения солнечной системы

Согласно современным представлениям, планеты солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Такая точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта (1891—1956), который показал, что проблемы космологии можно решить согласованными усилиями астрономии и наук о Земле, прежде всего географии, геологии, геохимии. В основе гипотезы О.Ю. Шмидта лежит мысль об образовании планет путем объединения твердых тел и пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сначала состояло на 98% из водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось: оно сменилось спокойным движением облака вокруг Солнца.

Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого критического значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобретали почти круговые орбиты и в своем росте начали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела, новообразования присоединяли к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на протяжение миллиардов лет.

С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы — Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Их вещество отличается относительно высокой плотностью: в среднем около 5,5 г/см 3 , что в 5,5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты -гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Так, масса Урана равна 15 земным массам, а Юпитера— 318. Состоят планеты-гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. Судя по всему, у этих планет нет твердой поверхности, подобной поверхности планет земной группы. Особое место занимает девятая планета — Плутон, открытая в марте 1930 г. По своим размерам она ближе к планетам земной группы. Не так давно обнаружено, что Плутон — двойная планета: она состоит из центрального тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются вокруг общего центра масс.

В процессе образования планет их деление на две группы обусловливается тем, что в далеких от Солнца частях облака температура была низкой и все вещества, кроме водорода и гелия, образовали твердые частицы. Среди них преобладал метан, аммиак и вода, определившие состав Урана и Нептуна. В составе самых массивных планет — Юпитера и Сатурна, кроме того, оказалось значительное количество газов. В области планет земной группы температура была значительно выше, и все летучие вещества (в том числе метан и аммиак) остались в газообразном состоянии, и, следовательно, в состав планет не вошли. Планеты этой группы сформировались в основном из силикатов и металлов.

3. Солнце – центральное тело нашей планетной системы

Солнце — ближайшая к Земле звезда, представляющая собой раскаленный плазменный шар. Это гигантский источник энергии: мощность излучения его очень велика — около 3,86×10 23 кВт. Ежесекундно Солнце излучает такое количество тепла, которого вполне хватило бы, чтобы растопить слой льда, окружающий земной шар, толщиной в тысячу км. Солнце играет исключительную роль в возникновении и развитии жизни на Земле. На Землю попадает ничтожная часть солнечной энергии, благодаря которой поддерживается газообразное состояние земной атмосферы, постоянно нагреваются поверхности суши и водоемов, обеспечивается жизнедеятельность животных и растений. Часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти, природного газа.

В настоящее время принято считать, что в недрах Солнца при огромнейших температурах —около 15 млн. градусов — и чудовищных давлениях протекают термоядерные реакции, которые сопровождаются выделением огромного количества энергии. Одной из таких реакций может быть синтез ядер водорода, при котором образуются ядра атома гелия. Подсчитано, что в каждую секунду в недрах Солнца 564 млн т водорода преобразуются в 560 млн т гелия, а остальные 4 млн т водорода превращаются в излучение. Термоядерная реакция будет происходить до тех пор, пока не иссякнут запасы водорода. В настоящее время они составляют около 60 % массы Солнца. Такого резерва должно хватить по меньшей мере на несколько миллиардов лет.

Почти вся энергия Солнца генерируется в его центральной области, откуда переносится излучением, а затем во внешнем слое — передается конвекцией. Эффективная температура поверхности Солнца — фотосферы — около 6000 К.

Наше Солнце — источник не только света и тепла: его поверхность излучает потоки невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также элементарных частиц. Хотя количество тепла и света, посылаемого на Землю Солнцем, на протяжение многих сотен миллиардов лет остается постоянным, интенсивность его невидимых излучений значительно меняется: она зависит от уровня солнечной активности.

Наблюдаются циклы, в течение которых солнечная активность достигает максимального значения. Их периодичность составляет 11 лет. В годы наибольшей активности увеличивается число пятен и вспышек на солнечной поверхности, на Земле возникают магнитные бури, усиливается ионизация верхних слоев атмосферы и т. д.

Солнце оказывает заметное влияние не только на такие природные процессы, как погода, земной магнетизм, но и на биосферу — животный и растительный мир Земли, в том числе и на человека.

Предполагается, что возраст Солнца не менее 5 млрд лет. Такое предположение основано на том, что в соответствии с геологическими данными наша планета существует не менее 5 млрд лет, а Солнце образовалось еще раньше.

4. Планеты земной группы

Объединенные в одну группу планеты: Меркурий, Венера, Земля, Марс, — хотя и близки по некоторым характеристикам, но все же каждая из них имеет свои неповторимые особенности. Некоторые характерные параметры планет земной группы представлены в табл. 1.

Среднее расстояние в табл. 1 дано в астрономических единицах (а.е.); 1 а.е. равна среднему расстоянию Земли от Солнца (1 а.е = 1,5 • 10 8 км.). Самая массивная из данных планет — Земля: ее масса 5,89 • 10 24 кг.

Существенно отличается планеты и составом атмосферы, что видно из табл. 2, где приведен химический состав атмосферы Земли, Венеры и Марса.

Меркурий — самая малая планета в земной группе. Эта планета не смогла сохранить атмосферу в том составе, который характерен для Земли, Венеры, Марса. Ее атмосфера крайне разрежена и содержит Ar, Ne, Не. Из табл. 5.2 видно, что атмосфера Земли отличается относительно большим содержанием кислорода и паров воды, благодаря которым обеспечивается существование биосферы. На Венере и Марсе в атмосфере содержится большое количество углекислого газа при очень малом содержании кислорода и паров воды — все это характерные признаки отсутствия жизни на данных планетах. Нет жизни и на Меркурии: отсутствие кислорода, воды и высокая дневная температура (620 К) препятствуют развитию живых систем. Остается открытым вопрос о существовании каких-то форм жизни на Марсе в отдаленном прошлом.

Планеты Меркурий и Венера спутников не имеют. Природные спутники Марса — Фобос и Деймос.

5. Планеты-гиганты

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун относятся к планетам-гигантам. Юпитер — пятая по расстоянию от Солнца и самая большая планета Солнечной системы — находится на среднем расстоянии от Солнца 5,2 а.е. Юпитер — мощный источник теплового радиоизлучения, обладает радиационным поясом и обширной магнитосферой. Эта планета имеет 16 спутников и окружена кольцом шириной около 6 тыс. км.

Сатурн — вторая по величине планета в Солнечной системе. Сатурн окружен кольцами, которые хорошо видны в телескоп. Их впервые наблюдал в 1610 г. Галилей с помощью созданного им телескопа. Кольца представляют собой плоскую систему множества мелких спутников планеты. Сатурн имеет 17 спутников и обладает радиационным поясом.

Уран — седьмая по порядку удаления от Солнца планета Солнечной системы. Вокруг Урана вращается 15 спутников: 5 из них открыты с Земли, а 10 — наблюдались с помощью космического аппарата «Вояджер-2». Уран имеет и систему колец.

Нептун — одна из самых удаленных от Солнца планет — находится на расстоянии от него около 30 а.е. Период обращения ее на орбите — 164,8 года. Нептун имеет шесть спутников. Удаленность от Земли ограничивает возможности его исследования.

Планета Плутон не относится ни к земной группе, ни к планетам-гигантам. Это сравнительно небольшая планета: ее диаметр около 3000 км. Плутон принято считать двойной планетой. Его спутник, примерно в 3 раза меньший по диаметру движется на расстоянии всего около 20000 км от центра планеты, совершая один оборот за 4,6 суток.

Особое место в Солнечной системе занимает Земля — единственная живая планета.

Заключение

Таким образом, современная теория гораздо более правдоподобна, которая, как ни странно, ближе к идеям Лапласа, чем к теории Джинса. Считается, что планеты сконденсировались из облака космического материала, связанного с молодым Солнцем, поэтому все они близки по возрасту. Это объясняет, почему Солнечная система четко разделена на две части. Ближе к Солнцу температура была очень высокой, поэтому такие легкие газы, как водород и гелий, вытеснялись на периферию, а на внутренних планетах происходило накопление более тяжелых элементов. В дальнейшем температура понизилась и появилась возможность удерживать легкие элементы: поэтому планеты-гиганты, в отличие от внутренних членов системы, не являются плотными и каменистыми. Действительно, у планеты-гиганта может быть твердое ядро, но большей частью они состоят из жидкости, с очень мощной атмосферой, богатой водородом и гелием.

Процесс образования Солнечной системы нельзя считать досконально изученным, а предложенные гипотезы — совершенными. Например, в современной гипотезе не учитывалось влияние электромагнитного взаимодействия при формировании планет. Выяснение этого и других вопросов — дело будущего.

Список использованной литературы

1. Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов/М.: Академический проспект, 2001.

2. Мур П. Астрономия с Патриком Муром. Пер. с англ. К. Савельева/М.: ФАИР-ПРЕСС, 2001.

3. Самыгина С.И. «Концепции современного естествознания»/Ростов н/Д: «Феникс», 1997.

Теория джинса шмидта канта лапласа

Утверждал, что Земля – это центр Вселенной. [2]

Клавдий Птолемей (рис.2)

Птолемей жил и работал в Александрии, где проводил астрономические наблюдения. Он был астрономом, астрологом, математиком, механиком, оптиком, теоретиком музыки и географом. В источниках нет никаких упоминаний о его жизни и деятельности.[3]

Птолемей первый предложил модель Вселенной. Согласно этой модели, центральное положение во Вселенной занимает неподвижная Земля, а вокруг нее в разных сферах вращаются Солнце, Луна, планеты и звёзды. Его модель была принята христианскими богословами и, по сути, канонизирована – возведена в ранг абсолютных истин.[2]

19 февраля 1473 — 24 мая 1543 г.

Николай Коперник (рис.3)

Польский астроном, математик, механик, экономист, каноник эпохи Возрождения. Он наиболее известен, как автор гелиоцентрической системы мира, положившей начало первой научной революции.Гелиоцентрическая система мира (гелиоцентризм) — это представление о том, что Солнце является центральным небесным телом, вокруг которого обращается Земля и другие планеты.[3]

Николай Коперник опровергнул гипотезу Клавдия Птолемея и научно доказал, что Земля не является центром Вселенной. В центр Коперник поместил Солнце и создал гелиоцентрическую модель Вселенной. Коперник боялся гонений церкви и поэтому отдал в печать свой труд незадолго до смерти. Но церковь официально запретила его книгу.[1]

15 февраля 1564 — 8 января 1642 г.

Галилео Галилей (рис.4)

Итальянский физик, механик, астроном, философ, математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Он первым использовал телескоп для наблюдения небесных тел и сделал ряд выдающихся астрономических открытий.[3]

Галилео Галилей был сторонником учения Коперника. Он впервые использовал для изучения звездного неба телескоп и увидел, что Вселенная значительно больше, чем предполагалось раньше, и что вокруг планет есть спутники, которые, подобно планетам вокруг Солнца, вращаются вокруг своих планет. Галилей экспериментально изучал законы движения. Но церковь устроила гонения на ученого и учинила над ним суд инквизиции.[1]

1548 — 17 февраля 1600 г.

Джордано Бруно (рис.5)

Итальянский монах-доминиканец, философ-пантеист и поэт, а так же признан выдающимся мыслителем эпохи Возрождения.[3]

Джордано Бруно создал учение о том, что звёзды подобны Солнцу, что вокруг звезд по орбитам движутся тоже планеты. Так же он утверждал, что во Вселенной существует множество обитаемых миров, что кроме человека во Вселенной есть и другие мыслящие существа. Но за это Джордано был осужден христианской церковью и сожжен на костре.[1]

31 марта 1596 — 11 февраля 1650 г.

Рене Декарт (рис.6)

Французский философ, математик, механик, физик и физиолог, создатель аналитической геометрии и современной алгебраической символики. [3]

Декарт считал, что Вселенная целиком заполнена движущейся материей. По его представлениям, Солнечная система образовалась из первичной туманности, имевшей форму диска и состоявшей из газа и пыли. Эта теория имеет заметное сходство с теорией, признанной в настоящее время.[2]

7 сентября 1707 – 16 апреля 1788 г.

Бюффон Жорж Луи Леклерк (рис.7)

Французский натуралист, биолог, математик, естествоиспытатель и писатель. В 1970 г. в честь Бюффона назван кратер на Луне.[3]

В 1745 г. Бюффон предположил, что вещество, из которого образованы планеты, было отторгнуто от Солнца какой-то слишком близко проходившей большой кометой или звездой. Но если бы Бюффон оказался прав, то появление такой планеты, к примеру, как наша, было бы событием чрезвычайно редким, а вероятность найти жизнь где-нибудь во Вселенной стала бы ничтожно мала.[2]

22 апреля 1724 — 12 февраля 1804 г.

Иммануил Кант (рис.8)

Немецкий философ и родоначальник немецкой классической философии. Кантом были написаны фундаментальные философские работы, принёсшие учёному репутацию одного из выдающихся мыслителей XVIII века и оказавшие огромное влияние на дальнейшее развитие мировой философской мысли.[3]

Известными теориями стали теории математика Лапласа и философа Канта, суть которых в том, что звезды и планеты образовались из космической пыли путем постепенного сжатия первоначальной газопылевой туманности. Но гипотезы Канта и Лапласа отличались.

Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное тело – Солнце, а потом планеты. А вот гипотеза Лапласа…[1]

23 марта 1749 — 5 марта 1827 г.

Пьер-Симон Лаплас (рис.9)

Французский математик, механик, физик и астроном. Он известен работами в области небесной механики, один из создателей теории вероятностей и “Парадокса демона Лапласа”. Его имя внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.[3]

Согласно Лапласу, планеты образовались раньше, чем Солнце. То есть первоначальная туманность была газовой и горячей и быстро вращалась. Из-за центробежных сил в экваториальном поясе от нее последовательно отделялись кольца. В дальнейшем эти кольца конденсировались, и получились планеты.[2](рис.17)

11 сентября 1877 — 16 сентября 1946 г.

Джеймс Хопвуд Джинс (рис.10)

Британский физик-теоретик, астроном и математик. Сделал важный вклад в нескольких областях физики, включая квантовую теорию, теорию теплового излучения и эволюции звёзд.[3]

Гипотеза Джинса полностью противоположна гипотезе Канта и Лапласа. Она объясняет образование Солнечной системы случайностью, считая ее редчайшим явлением. Вещество, из которого в дальнейшем образовались планеты, было выброшено из довольно "старого" Солнца. Благодаря приливным силам, действовавшим со стороны налетевшей звезды, которая случайно проходила вблизи Солнца, из поверхностных слоев Солнца была выброшена струя газа. Эта струя осталась в сфере притяжения Солнца. В дальнейшем струя сконденсировалась, и получились планеты. Но если бы гипотеза Джинса была правильной, то планетных систем в Галактике было бы значительно меньше. Поэтому гипотезу Джинса следует отвергнуть.[1](рис.16,19)

Вулфсоном предполагал, что газовая струя, из которой образовались планеты, была выброшена из пролетевшей мимо рыхлой звезды огромных размеров. Расчеты показывают, что если бы планетные системы образовывались таким образом, то их в Галактике было бы очень мало.[2](рис.19)

30 мая 1908 — 2 апреля 1995гг.

Ханнес Улоф Йёста Альвен (рис.12)

Шведский физик, специалист по физике плазмы, а так же лауреат Нобелевской премии по физике в 1970 году за работы в области теории магнитогидродинамики. В 1934 году преподавал физику в университете Уппсалы и в 1940 году стал профессором по теории электромагнетизма и электрических измерений в Королевском технологическом институте в Стокгольме.[3]

Спасая гипотезу Канта и Лапласа, Альвен предположил, что Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружающая Солнце, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений — атомы ионизировались. А ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся Солнцем. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку.[2]

30 сентября 1891, Могилёв — 7 сентября 1956гг.

Отто Юльевич Шмидт (рис.13)

Советский математик, географ, геофизик, астроном. Один из основателей и главный редактор Большой советской энциклопедии. С 28 февраля 1939 года по 24 марта 1942 года был вице-президентом АН СССР.[3]

В 1944 г. Шмидт предложил гипотезу, согласно которой планетная система образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти "современный" вид. В этой гипотезе нет трудностей с вращательным моментом.[1](рис.18,20)

7 мая 1911 — 16 мая 1995

Литлтон Реймонд Артур (рис.14)

Английский астроном и математик. Автор ряда работ в области теоретической астрофизики, космогонии и геофизики.[3]

Начиная с 1961 г., гипотезу Шмидта развивал английский космогонист Литлтон. Следует заметить: чтобы Солнце захватило достаточно много вещества, его скорость по отношению к туманности должна быть очень маленькой, порядка ста метров в секунду. Попросту, Солнце должно застрять в этом облаке и двигаться вместе с ним. В этой гипотезе образование планет не связывается с процессом звездообразования.[1]

Вот мы и пришли к заключению проекта. Процесс образования Солнечной системы нельзя считать досконально изученным. Происхождение Солнечной системы, формирования галактик и возникновения Вселенной еще далеко до завершения. А дело в том, что ученые наблюдают за огромным количеством звезд, которые находятся на разных стадиях эволюции. О солнечной системе и ее происхождении изучаются во многих институтах мира. Этой теме уделяется важное место в жизни.

Из проекта можно выделить две теории происхождения Солнечной Системы и самой Вселенной в целом. Первая гласит о теории Большого взрыва, а вторая о том, что материя, энергия, пространство и время существовали всегда.

Все мы вправе полагать, что есть и другие планеты, на которых может существовать жизнь, в том числе и разумная. В начале проекта мы говорили, что нашей целью является установить хронологию развития представлений о происхождении Солнечной системы. И вот мы можем с уверенностью сказать, что наша цель достигнута.

Агекян Т.А. Звезды, Галактики, Метагалактика. — М.: Наука, 1970.

Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной (пер. с англ. Я. Зельдовича). — М.: Энергоиздат, 1981.

Горелов А.А. Концепции современного естествознания. — М.: Центр, 1997.

Каплан С.А. Физика звезд. — М.: "Наука", 1970.

Ксанфомалити Л.В. Планеты, открытые заново. — М.: Наука, 1978.

Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. — М.: Наука, 1983.

Осипов Ю.С. Гравитационный захват // Кварк. — 1985. — № 5.

Редже Т. Этюды о Вселенной. — М.: Мир, 1985.

Филиппов Е.М. Вселенная, Земля, жизнь. — Киев: "Наукова думка", 1983.

Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. — М.: Наука, 1980

1 Звезда проходит рядом с Солнцем,вытягивая из него вещество (рис. А и В); планеты формируются

из этого материала (рис. С)

Старт в науке

Учредителями Конкурса являются Международная ассоциация учёных, преподавателей и специалистов – Российская Академия Естествознания, редакция научного журнала «Международный школьный научный вестник», редакция журнала «Старт в науке».

Гипотеза Канта-Лапласа

Вот уже два века проблема происхождения Солнечной системы волнует выдающихся мыслителей нашей планеты. Этой проблемой занималась, начиная от философа Канта и математика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и XX столетий. Ей отдал дань наш замечательный соотечественник, человек разносторонне талантливый, Отто Юльевич Шмидт. И все же мы еще очень далеки от ее решения. Какие только тайны не были вырваны у природы за эти два столетия! За последние три десятилетия существенно прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя детали удивительного процесса рождения звезды из газово-пылевой туманности еще далеко не ясны, мы теперь четко представляем, что с ней происходит на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции. Увы, вопрос о происхождении и эволюции планетной системы, окружающей наше Солнце, далеко не так ясен.

На первый взгляд кажется странным и даже парадоксальным, что астрономы смогли узнать о космических 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 ничего удивительного. Дело в том, что астрономы наблюдают огромное количество звезд, находящихся на разных стадиях эволюции. Изучая звезды в скоплениях, они могут чисто эмпирически установить, как зависит темп эволюции звезд от начальных условий, например массы. Если бы не было этого обширного эмпирического материала (прежде всего рассматривавшейся нами выше диаграммы «цвет — светимость» для большого числа скоплений), вопрос об эволюции звезд был бы предметом более или менее бесплодных спекуляций, как это и было примерно до 1950 г.

Происхождение Солнечной системы

Гипотеза Канта-Лапласа

Переходя к изложению различных космогонических гипотез, сменявших одна другую на протяжении последних двух столетий, мы начнем с гипотезы, впервые высказанной великим немецким философом Кантом и спустя несколько десятилетий независимо предложенной замечательным французским математиком Лапласом. Из дальнейшего будет видно, что существенные предпосылки этой классической гипотезы выдержали испытание временем, и сейчас в самых «модернистских» космогонических гипотезах мы легко можем найти основные идеи гипотезы Канта — Лапласа.

Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант, например, исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникло центральное массивное тело — будущее Солнце, а потом уже планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента ко­личества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца. В дальнейшем эти кольца конденсировались, образуя планеты.

Таким образом, 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 туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию «гипотезой Канта — Лапласа». Уже в середине XIX столетия стало ясно, что эта гипотеза сталкивается с фундаментальной трудностью. Дело в том, что наша планетная система, состоящая из девяти планет весьма разных разме­ров и массы, обладает одной замечательной особенностью. Речь идет о необычном распределении момента количества движения Солнечной системы между центральным телом — Солнцем и планетами.

Момент количества движения есть одна из важнейших характе­ристик всякой изолированной от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему мы можем рассматривать Солнце и окружающую его семью планет. Момент количества движения может быть определен как «запас вращения» системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг своих осей Солнца и планет.

Математически «орбитальный» момент количества движения пла­неты относительно центра масс системы (весьма близкого к центру Солнца) определяется как произведение массы планеты на ее ско­рость и на расстояние до центра вращения, т. е. Солнца. В случае вращающегося сферического тела, которое мы будем считать твердым, момент количества движения относительно оси, проходящей через его центр, равен 0,4 MvR, где М — масса тела, v — его эква­ториальная скорость, R — радиус. Хотя суммарная масса всех планет составляет всего лишь 1/700 солнечной, учитывая, с одной стороны, большие расстояния от Солнца до планет и с другой — малую скорость вращения Солнца, мы получим путем простых вычислений, что 98% всего момента Солнечной системы связано с орбитальным движением планет и только 2% — с вращением Солнца вокруг оси. Момент количества движения, связанный с вращением планет вокруг своих осей, оказывается пренебрежимо малым из-за сравнительно малых масс планет и их радиусов.

Найдем, например, момент количества движения Юпитера I. Масса Юпитера равна M=2х10 30 г (т. е. 10 -3 массы Солнца), расстояние от Юпитера до Солнца r=7,8х10 13 см (или 5,2 астрономической единицы), а орбитальная скорость v = 1,3х10 6 см/с (около 13км/с). Отсюда I=Mvr= 190х10 48 .

В этих единицах момент количества движения вращающегося Солнца равен всего лишь 6х10 48 . Все планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс — имеют суммарный момент в 380 раз меньший, чем Юпитер. Львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов Юпитера и Сатурна.

С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. В самом деле, в эпоху, когда от первоначальной, быстро вращающейся туманности отделялось кольцо, слои туманности, из которых впоследствии сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такой же момент, как вещество отделившегося кольца. Так как масса последнего была значительно меньше массы основной части туманности («протосолнца»), то полный момент количества движения у кольца должен быть много меньше, чем у «протосолнца». В гипотезе Лапласа отсутствует какой бы то ни было механизм передачи момента от «протосолнца» к кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции момент количества движения «протосолнца», а затем и Солнца должен быть значительно больше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод находится в разительном противоречии с фактическим распределением момента количества движения между Солнцем и планетами!

Происхождение Солнечной системы

Вот уже два века проблема происхождения Солнечной системы волнует выдающихся мыслителей нашей планеты. Этой проблемой занимались, начиная от философа Канта и математика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и XX столетий. И все же мы до сих пор довольно далеки от решения этой проблемы. Но за последние три десятилетия прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя детали рождения звезды из газово-пылевой туманности еще далеко не ясны, мы теперь четко представляем, что с ней происходит на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции.

Гипотеза Канта-Лапласа

Переходя к изложению различных космогонических гипотез, сменявших одна другую на протяжении двух последних столетий, начнем с гипотезы великого немецкого философа Канта и теории, которую спустя несколько десятилетий независимо предложил французский математик Лаплас. Предпосылки к созданию этих теорий выдержали испытание временем. Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникло центральное массивное тело — будущее Солнце, а потом планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей с высокой скоростью вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил от него последовательно отделялись кольца. Потом они конденсировались, образуя планеты. Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различия, общей важной особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию «гипотезой Канта-Лапласа». Однако эта теория сталкивается с трудностью. Наша Солнечная система, состоящая из девяти планет разных размеров и масс, обладает особенностью: необычное распределение момента количества движения между центральным телом Солнцем и планетами. Момент количества движения есть одна из важнейших характеристик всякой изолированной от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему можно рассмотреть Солнце и окружающие его планеты. Момент количества движения можно определить как «запас вращения» системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг осей Солнца и планет. Львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов Юпитера и Сатурна. С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. В эпоху, когда от первоначальной, быстро вращающейся туманности отделилось кольцо, слои туманности, из которых потом сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такой же момент, как вещество отделившегося кольца (так как угловые скорости кольца и оставшихся частей были примерно одинаковы) , так как масса последнего была значительно меньше основной туманности («протосолнца» ) , то полный момент количества движения кольца должен быть много меньше, чем у «протосолнца». В гипотезе Лапласа отсутствует какой-либо механизм передачи момента от «протосолнца» к кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции момент количества движения «протосолнца», а затем и Солнца должен быть много больше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод противоречит с фактическим распределением количества движения между Солнцем и планетами. Для гипотезы Лапласа эта трудность оказалась непреодолимой.

Гипотеза Джинса

Остановимся на гипотезе Джинса, получившей распространение в первой трети текущего столетия. Она полностью противоположна гипотезе Канта-Лапласа. Если последняя рисует образование планетарных систем как единственный закономерный процесс эволюции от простого к сложному, то в гипотезе Джинса образование таких систем есть дело случая. Исходная материя, из которой потом образовались планеты, была выброшена Солнца (которое к тому времени было уже достаточно «старым» и похожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Это прохождение был настолько близким, что его можно рассматривать практически как столкновение. Благодаря приливным силам со стороны налетевшей на Солнце звезды, из поверхностных слоев Солнца выброшена струя газа. Эта струя останется в сфере притяжения Солнца и после того, как звезда уйдет от Солнца. Потом струя сконденсируется и даст начало планетам. Если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетарных систем, образовавшихся за десять миллиардов лет ее эволюции, можно было пересчитать по пальцам. Но планетарных систем фактически много, следовательно, эта гипотеза несостоятельна. И ниоткуда не следует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. Таким образом, космологическая гипотеза Джинса оказалась несостоятельной.

Гипотеза О.Ю.Шмидта

Выдающийся советский ученый О. Ю. Шмидт в 1944 году предложил свою теорию происхождения Солнечной системы: наша планета образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти «современный» вид. При этом никаких трудностей с вращением момента планет не возникало, так как первоначально момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Начиная с 1961 года эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес в нее существенные улучшения. По обеим гипотезам «почти современное» Солнце сталкивается с более или менее «рыхлым» космическим объектом, захватывая части его вещества. Тем самым образование планет связывается с процессом звездообразования.