Астрофизика Солнечной системы

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

Современные представления об образовании Солнечной системы

Заключение

Список литературы

Введение

Об истории возникновения Солнечной системы, происхождении звезд, Солнца и Земли с давних времен создавалось много учений, и во многих из них содержалось определенное рациональное зерно -- доля истины, объяснявшая какую-либо особенность космогенеза.

Открытие Ньютоном в XVII веке закона всемирного тяготения лежит в основе главных идей первых эволюционных космогонических гипотез Канта, Гершеля, Лапласа. Их смысл -- в постепенном изменении гравитирующей материи, непрерывной эволюции космических образований путем их уплотнения и ведущей роли в этом процессе сил гравитации.

Начиная уже с Vв. до новой эры проблемой образования Солнечной системы интересовался Гераклид Понтийский. Из наиболее ранних теорий происхождения Солнечной системы известно учение Рене Декарта 1644 года.

Но только со второй половины XVIII века порождаются эволюционные космогонические гипотезы такими учеными, как Бюффон, Кант, Лаплас, Рош, Мейер, Лоньер, Бикертон. Но в настоящей работе наибольший интерес для меня представляют современные модели образования Солнечной системы, т.е. начиная с XX века.

Современные представления об образовании Солнечной системы

На рубеже XIX и XX веков большое распространение получила приливная гипотеза. Так, американцы Т. Чемберлен в 1901 г и Ф. Мультон в 1905 г выдвинули концепцию о встрече Солнца со звездой, вызвавшей приливный выброс вещества Солнца, известную под названием «теории встречи» или планетезимальной гипотезы. В соответствии с ней Солнце первоначально представляло собой одиночную постоянную звезду -- первичное Солнце. Позднее под действием сил притяжения какой-то близко проходившей крупной звезды часть его вещества была отторгнута и отделилась от него. Затем рассеянное вещество консолидировалось в планетезимали. Последние, вращаясь вокруг Солнца, по-видимому, сконцентрировались в нескольких точках, образовав планеты.

После Лапласа, первый ученый, который попытался рассматривать планеты как результат функционирования Солнца как звезды, был Бикерланд. В 1912 году Бикерланд на основе дискретности орбит спутников Солнца предположил, что ионы, выброшенные Солнцем, образовали кольца в магнитном поле Солнца.

Учитывая особенности распределения моментов количества движения в Солнечной системе, Г. Аррениус в 1913 году выдвинул теорию о прямом столкновении Солнца со звездой, в результате которого остались Солнце и длинное волокно, которое вращаясь, распалось на части и положило начало планетам. В основу своей концепции ученый положил опять-таки случайный фактор, не учитывающий прослеживающейся в строении солнечной системы закономерности.

Похожей на теории Аррениуса была провозглашенная в 1916 году Джеффрисом идея о скользящем столкновении Солнца со звездой, которое привело к возникновению длинного волокна, распавшегося на части.

В 1916 году была выдвинута популярная в свое время теория Джинса, английского физика, изучавшего состав газов. Он считал размеры и массу Солнца постоянными, неизменными величинами, так же как и силы его вращения. Его идея заключалась в частичном участии Солнца в формировании системы планет под действием двух вращающихся звезд: Солнца и его «случайной» соседки, вырвавшей из Солнца газовый рукав.

Итак, следуя теории Чемберлена-Мультона, Джинс предполагал встречу первичного Солнца и какой-то звезды. Однако в остальном его объяснения существенно отличаются от положения Чемберлена и Мультона. По Джинсу наиболее мощное отделение вещества при прохождении звезды около Солнца должно произойти в направлении линии наикратчайшего расстояния между двумя телами. Далее вещество, отделившееся от солнечной атмосферы, должно было образовать массу сигарообразной формы со значительным сосредоточением материала в центральной части.

Наиболее отдаленная от Солнца часть массы, состоявшая главным образом из внешнего вещества Солнца, должна была иметь малую плотность, в то время как ближняя к Солнцу часть, преимущественно состоявшая из вещества, извлеченного из более глубоких зон Солнца, должна была иметь более высокую плотность. Предполагается, что позднее сигарообразная масса разделилась на более мелкие массы, сконденсировавшиеся и образовавшие соответствующие планеты.

Так гипотетически объясняется приуроченность к средней части системы двух наиболее крупных планет -- Юпитера и Сатурна, а также и более высокая плотность вещества внутренних планет по сравнению с внешними. космогенез солнечный галактика

В этой своей догадке Джинс интуитивно предвидел роль Солнечных зон звездной трансформации, перемещающихся вглубь звезды, и при последовательном сбросе оболочек дающих более уплотненное вещество формирующимся планетам. Джинс также был очень близок к решению проблемы о перетоке вещества в системе тесной двойной звезды, не являющейся случайным образованием.

Гипотеза Джинса была несколько видоизменена Джеффрисом, который дал геофизическое и геохимическое обоснование представлений о прохождении всех планет в прошлом через жидкую стадию развития. Одним из критиков гипотезы Джинса и Джеффриса был Рэссел (1935 г.), утверждавший, что концепция Джинса не может объяснить существующих размеров Солнечной системы и, особенно угловую скорость Солнца.

Итак, можно сказать, что и Лаплас и Джинс оба стояли на правильном пути к решению задачи, и именно из разрешения противоречия в их взглядах могла родиться истина о частичном участии Солнца в формировании системы.

Не случайно, видимо, ученый Берлаге в 1930 году снова вернулся к идее Лапласа и выдвинул более прогрессивную гипотезу, чем у Джинса, в которой за основу принял выбросы частиц из Солнца и образование газовых дисков или вращающихся колец, которые дали начало планетам.

Интересно, что уже в 1935 году ученым Рэсселом была высказана мысль о том, что Солнце было двойной звездой. Однако, не доведя свою мысль до логического завершения, ученый предположил, что эту двойную звезду разорвала встречная звезда, образовав волокно.

Английский теоретик Литтлтон высказал много интересных мыслей, в частности, в 1936 году идею о причастности Солнца к тройной звездной системе. При этом, пытаясь устранить указанные Рэсселом дефекты теории Джинса, Литтлтон сделал допущение, что какая-то звезда приблизилась к существовавшей двойной звезде Солнца и обусловила разрыв пары.

Приливные силы, вызванные близко находившимися третьей звездой и звездой-напарницей, привели к возникновению между ними удлиненной ленты материи (волокна), которая позднее была захвачена Солнцем и конденсировалась вокруг него в виде планет. Математически было показано, что при движении двух звезд в разном направлении, возникающая меж ними лента материи может быть легко захвачена Солнцем.

Кроме того Литтлтоном выдвинута гипотеза о том, что Плутон является бывшим спутником Нептуна, который после столкновения с другой планетой (Тритоном) был выброшен на свою сильно эксцентрическую и наклонную орбиту.

Таким образом, ученым приходила в голову мысль о том, что Солнце развивалось не в одиночку, а в составе многокомпонентной системы.

В 1942 году X. Альвен высказал космическую гипотезу, согласно которой Солнце наткнулось на межзвездное облако газа, атомы которого, падая на Солнце, ионизировались и стали двигаться по орбитам, предписываемым магнитным полем.

Ионизированные атомы двигались вдоль линий магнитного поля Солнца и поступали в определенные места равновесия экваториальной плоскости. В том случае, когда атомы испытывали ускорение в сторону Солнца с определенными скоростями и ионизировались на определенных расстояниях от Солнца, математический расчет показал, что конеч- ное распределение плотности ионов грубо должно соответствовать расположению внешних планет.

Теория Альвена интересна, но считается, что она не может объяснить возникновения внутренних планет. Кроме того, возможность встречи Солнца с газовым облаком рассматривается как маловероятная.

Как продолжение гипотезы Альвена в 1943 году советский математик и физик О. Шмидт выдвинул «метеоритную теорию». Согласно этой широко известной теории, Солнце встретило и захватило космическую туманность межзвездных частиц, из которых в результате соударений образовались планеты. Он исходил из предпосылок двух неразрешенных вопросов:«где же нашлась у Солнца сила, чтобы так далеко отбросить будущую Землю, и где эта одинокая, проходившая мимо звезда?».

И этот вопрос Шмидт задавал не случайно. Он никак не предполагал, что этой звездой был двойник Солнца, ныне угасший и поэтому не проявляющий свойств звезды. Следуя Канту, Шмидт взял за основу развивающейся материи бесконечные скопления холодной космической пыли, которые образовывали, по его мнению, бесформенные сгустки газово-пылевых веществ. Каждый сгусток постепенно рос, вбирая в себя гигантские обломки и маленькие частицы из межзвездной туманности, падающие на поверхность и отдающие силу движения растущей планете. Шмидт считал, что лишь позднее началось колебание и вращение Земли, а также частичный разогрев и расплавление горных пород благодаря распаду радиоактивных элементов.

Интересно, что радиоактивному распаду элементов Шмидт приписал определенную роль в происхождении планеты, не уделив при этом никакого внимания ядерному синтезу ее вещества, т.е. рассматривал качественный состав космических тел, как вполне образовавшийся, а не в постепенном развитии, от чего за три столетия до Шмидта предостерегал еще Декарт.

Итак, по Шмидту, планеты родились не из самого Солнца, в чем он оказался прав только частично. При наличии высокого уровня математического обоснования космогоническая теория Шмидта полностью обошла вопрос качественного развития материи. Как показал Я. Мияки в 1969 году, прямые наблюдательные данные астрономов давно со всей несомненностью показали, что химический состав разных звезд различен, и что различие состава звезд, несомненно, обусловлено их эволюцией и связано со спектральным классом звезды.

Огромной заслугой астрономов всех веков является скрупулезное изучения параметров движения небесных тел Солнечной системы и Галактики и других количественных характеристик: их размеров, массы, плотности, альбедо, звездной величины, спектрального химического состава, температуры и т.д.

Все это создало предпосылки для установления взаимосвязи целого ряда процессов и явлений, происходящих в космосе и управляющих формированием и развитием космических тел, завершившихся созданием концепции взаимообусловленности атомообразования и планетообразования в космосе (КВАП) А. Е. Ходькова (1943-45 гг).

Согласно рассматриваемой концепции КВАП космические тела возникают и развиваются как внешние следствия внутренних процессов звездной эволюции -- развития атомов химических элементов. Звезды являются естественными производителями ядер химических элементов, развитие их протекает как последовательный периодический стадийный процесс формирования ядер периодов химических элементов и вторичных тел -- спутников звезд. Происходит это через взрывные события, определяющиеся высвобождением избыточной космической энергии.

Первоначально А.Е. Ходькову представлялось, что наблюдаемая Солнечно-планетная система является продуктом развития одиночной звезды с непосредственно порождаемыми ею спутниками. История солнечной системы представлялась как история развития по законам КВАП одиночной звезды Солнца.

В процессе последующего анализа и расчетов, А.Е.Ходьковым выяснено, что в составе Солнечной системы непосредственно планетами Солнца являются лишь Меркурий и Венера. Остальные планеты - ранее претерпевшие свой цикл развития звезды -- от зарождения до затухания, с той или иной выраженной полнотой эволюции по закону КВАП. Типичным представителем такой угасшей звезды является Юпитер.

Расчеты показали, что наблюдаемая Солнечная система - гетерогенна и разновозрастна, и среди известных всем нам планет, действительно, производными по механизму КВАП являются только Меркурий и Венера. Земля и Марс рождены Юпитером и перехвачены от него Солнцем. Сатурн, Уран, Нептун, Юпитер - бывшие двойники солнца и друг друга. Все они в свое время развивались по закону КВАП, порождая периоды химических элементов и соответствующие спутники.

После блистательных успехов ядерной физики недопустимо было обходить молчанием вопрос о происхождении химических элементов и качественном развитии материи в Космических масштабах. Если механистическая теория Лапласа для XVIII века была крупнейшим научным достижением и успехом, то для XX века такой уровень решения космогонической проблемы уже не достаточен. Надо было ставить вопрос о развитии химических элементов, как о кардинальной проблеме космогонии.

Вероятно, возраст Луны и Земли близок возрасту Солнца, полагал в 50-60 гг академик В.Фесенков. И вещество, из которого они состоят, возникало из околосолнечной газово-пылевой туманности, а не из межзвездных скоплений. По Фесенкову, Луна и Земля -- «дети молодого Солнца», которое вращаясь и постепенно сгущаясь, рождало вокруг себя вихревые сгущения -- будущие планеты и их спутники. В отношении Луны ученый оказался прав, ее происхождение, действительно, связано с взрывом молодого Солнца.

Вейцзекер в 1944 году исследовал проблему эволюции Вселенной с гидродинамической точки зрения и показал, что в сжимающейся оболочке протосолнца могли образовываться турбулентные завихрения, из которых возникли планеты и спутники.

По его мнению, первичная Вселенная состояла из газов, содержавших различные элементы, при этом скорость движения газового вещества в разных местах была разной. Вследствие этого возникали турбулентные токи и многочисленные вихри.

Плотность газа возрастала в направлении к центру каждого вихря, и в этих местах постепенно начиналась конденсация атомов. Таким образом, Вселенная распалась на множество вихрей, образовавших материнские туманности, в чем усматривается непосредственная связь с учением Декарта. Внутри каждой туманности существовали свои турбулентные токи, образовавшие материнские тела звездных скоплений, и наконец, в каждом звездном скоплении возникали постоянные звезды и планеты.

Солнце является одной из возникших таким образом постоянных звезд. Предполагается, что на ранней стадии развития оно было окружено быстро вращавшейся газовой мантией с массой около 1/10 массы Солнца. Благодаря вращению, газовая мантия приобрела дисковидную форму; температура внутри газовой мантии убывала обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Внутри этой линзы те же турбулентные токи привели к возникновению вихрей, вызвавших конденсацию и соответственно -- образование планет. Указанная вихревая теория объясняет большую плотность внутренних планет и их меньшие размеры следующим образом. Поскольку температура в дисковидной линзе ниже во внешней ее части, то здесь наиболее возможно перенасыщение газового вещества и легче всего осуществима его конденсация. При конденсации, во внутренней части концентрировалось только неорганическое вещество, в то время, как внешняя часть, вследствие более низкой температуры состояла из водорода, метана и аммиака.

Количество конденсировавшегося вещества было больше во внешней части, в соответствии с чем, центры конденсации там росли быстрее, чем внутренние центры, улавливавшие вещество гравитационно. Во внутренней части, материал газовой мантии каждого центра, по-видимому, диссипировал до приобретения гравитационной массы, достаточно большой для захвата значительного количества окружающего материала.

Поэтому, по Вейцзекеру, Марс и другие внутренние планеты имеют меньшие размеры и более высокую плотность, а Юпитер и все внешние планеты -- меньшую плотность и более крупные массы. Однако, и в данном случае, остается неясным вопрос, почему так мала угловая скорость Солнца, на который его теория ответа не дает. Вейцзекер предполагал, что исходный состав газа первичной Вселенной был таким же, как и сейчас, а турбулентное движение происходило в нем на первой стадии развития процесса, что неубедительно.

Мысль ученых снова вернулась к идее двойной звезды Солнца, когда Хойл в 1944 году предположил, что второй компонент двойной звезды стал сверхновой звездой, которая сбросила газовые оболочки и перестала существовать. Хойл создал теорию происхождения Солнечной системы, исходя из представления Литтлтона о двойной звезде. По Хойлу, Солнце принадлежала к группе двойных звезд, причем вторая звезда, вероятно, была больше Солнца. Масса второй звезды была настолько велика, что высокое потребление водорода, являющегося источником энергии звезд, привело к истощению его запасов в очень короткий промежуток времени. В результате, для сохранения внутреннего равновесия тела и излучаемой энергии большая звезда начала сжиматься.

Сокращение звезды вызвало повышение ее внутренней температуры и скорости вращения, пока наконец ни было достигнуто состояние такой неустойчивости, при котором произошел взрыв типа сверхновой звезды. При таком взрыве звезда должна была быстро разрушиться, извергая свое вещество, наподобие колеса фейерверка. При возникших высоких температурах, гелий в центральной части зоны взрыва, по Хойлу, должен был синтезироваться в более тяжелые элементы.

В любом случае, в результате взрыва сверхновой звезды возник колоссальный газовый объем или пылевое облако, которое должно было остаться около Солнца, образовав мантию. Это облако должно было постепенно остывать, вследствие чего происходила конденсация, и частицы пыли концентрировались на месте современных планет.

Предполагая, что взрываться может любая звезда, кроме Солнца, Хойл был весьма близок к пониманию функции второй звезды, справедливой и для случая, когда она осталась в системе и перестала быть звездой. Ошибка Хойла, так же как и других исследователей,-- в том, что считалось: «постоянная» звезда вечно должна быть звездой. Но уже совсем недалеко до понимания, что все сущее должно иметь начало и конец, так же как и звезды.

Гипотеза Уиппла (1947 г.) основана на космогонической концепции пылевого облака, которое сходно с находимыми в Млечном Пути массами и состоит из газового вещества и мелких твердых частиц, которые постепенно концентрировались в узлах и ядрах.

Само пылевое облако не имело углового момента, но внутри него существовали течения, позволявшие частицам конденсироваться и образовывать планеты. Так Уиппл объяснил небольшое значение углового момента Солнца, а орбитальный момент планет -- как результат существования течений внутри пылевого облака.

В том же 1947 году Куйпер выдвинул «аккумулятивную или, аккреционную теорию», по которой первично существовало окружавшее первичное Солнце солнечное облако, которое быстро приобрело форму уплощенного диска, ориентированного в эллиптической плоскости современной солнечной системы.

Оно имело массу около 1/10 массы Солнца; его химический состав пред- положительно соответствовал современной распространенности элементов во Вселенной.

Облако представляло собой смесь газового вещества и тонкой пыли; действие турбулентных потоков внутри облака привело к неравномерному распределению плотностей.

Как следствие -- облако претерпело разделение на вихри или протопланеты. Центры тяжести протопланет были близки к положению современных планет.

Первоначально протопланеты также имели дисковидную форму и быстро аккумулировали вещество в соответствующих местах вокруг Солнца. Вначале протопланеты занимали все пространство между Меркурием и Плутоном, соприкасались друг с другом, но по мере развития аккреции, разъедин- лись.

Облако и протопланеты из-за утечки с периферии экваторов газового вещества постепенно теряли угловую скорость. Энергия, терявшаяся при этом, по Куйперу, возмещалась гравитационной энергией планетной конденсации, равно как и энергией падающего на Солнце вещества. Хотя происхождение солнечного облака Хойла и Куйпера и не ясно, оно, по-видимому, возникло одновременно с Солнцем и имело гравитационную неустойчивость в оболочке, окружавшей протосолнце.

Таким образом, противоречивые данные (в импульсах вращения) об участии Солнца в формировании Солнечной системы трактовались исследователями весьма однозначно, по взаимоисключающему признаку.

Из 20 наиболее выдающихся исследователей Космоса, полностью отрицали роль Солнца в образовании Солнечной системы: Декарт, Кант, Шмидт, частично отрицали роль Солнца -- Альвен и Уиппл.

Предполагали формирование Солнечной системы только за счет эволюции Солнца: Лаплас, Бикерланд, Берлаге, Фесенков, Вейцзекер, Куйпер.

Многие были не так далеко от истины, предполагая тесное взаимодействие Солнца с другой звездой: это Аррениус, Чемберлен, Мультон, Бикертон, Джеффрис, Рэссел, Хойл.

В каждом из упомянутых учений содержалась доля истины, объясняющая одну из отдельных особенностей формирования Солнечной системы.

Заключение

Проблема происхождения Солнечной системы -- одна из древнейших и сложнейших -- занимала не одно поколение ученых. На пути ее раскрытия достигнуты внушительные успехи, особенно в части накопления информации о физических параметрах тел Солнечной системы. Известными мыслителями указано немало логических троп к ее решению. И все же до недавнего времени два главнейших вопроса всей проблемы:

о происхождении вещества Солнечной системы.

о путях формирования ее тел и способов становления их механических структур -- не находили своего решения.

Причина этого, конечно, -- не в недостатке эрудиции и таланта ученых, а в недостаточности теоретических основ некоторых важных разделов физики, определяющих ее парадигму. В космогонических учениях можно выделить основные принимаемые физические модели процесса космогенеза:

-- Солнечная система (Солнце, планеты и другие тела) возникли в результате механической эволюции единого первичного газово-пылевого скопления, причем Солнце и планеты формировались одновременно.

-- система Солнца возникла в результате отрыва части вещества светила из-за внешнего воздействия на него постороннего космического тела.

-- Солнечная планетная система возникла в результате захвата Солнцем газово-пылевого вещества из какой-то части галактики в процессе прохождения системы через туманность.

4-- Солнечная планетная система возникла в результате развития двойной или даже тройной звезды. История науки знает много различных гипотез о происхождении Солнечной системы, внесших свой вклад в развитие космогонии. Но, несмотря на усилия многих поколений ученых, в вопросе о происхождении Солнечной системы остается много неясного.

Список литературы

1. Ходьков А.Е. Виноградова М.Г. От атома водорода до Солнечной системы или основы новой космогонической теории. СПб.: Изд-во «Недра», 1996.

2. Миессеров К.Г. Новый взгляд на образование Солнечной системы и эволюцию Вселенной. М.: Изд-во «Машиностроение»,1993.

3. Брандт Дж. Ходж П. Астрофизика Солнечной системы. М.: Изд-во «Мир»,1999.

Размещено на Allbest.ru