X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Процесс эволюции Вселенной происходит очень медленно. Ведь Вселенная во много раз старше астрономии и вообще человеческой культуры. Зарождение и эволюция жизни на земле является лишь ничтожным звеном в эволюции Вселенной. И всё же исследования, проведенные в нашем веке, приоткрыли занавес, закрывающий от нас далёкое прошлое. В работе, речь пойдет о солнечной системе и её происхождении. Солнечная система состоит из центрального небесного тела – звезды Солнца, восьми планет: четырех внутренних, так называемых планет земной группы, и четырех внешних планет, называемых газовыми гигантами. К планетам земной группы относятся Земля, Меркурий, Венера и Марс. Все они состоят в основном из силикатов и металлов. Внешние планеты – это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В состав газовых гигантов входят главным образом водород и гелий. Также солнечная система включает в себя спутники этих планет, множество малых планет — астероидов, многочисленных комет и межпланетную среду. Размеры планет Солнечной системы различаются как внутри групп, так и между группами. Так, газовые гиганты намного крупнее и массивнее, чем планеты земной группы. Ближе всех к Солнцу находится Меркурий, затем по мере удаления: Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун (рис. 1).

Один из важных вопросов, связанных с изучением нашей планетной системы – проблема её происхождения. Решение данной проблемы имеет естественнонаучное, 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.

Рис. 1 – Солнечная система (масштабы расстояний не соблюдены)

Формирование

Согласно современным представлениям, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного молекулярного облака. Большая часть вещества оказалась в гравитационном центре коллапса с последующим образованием звезды – Солнца. Вещество, не попавшее в центр, сформировало вращающийся вокруг него протопланетный диск, из которого в дальнейшем сформировались планеты, их спутники, астероиды и другие малые тела Солнечной системы.

Гипотеза об образовании Солнечной системы из газопылевого облака – небулярная гипотеза – первоначально была предложена в 18-ом веке Эммануилом Сведенборгом, Иммануилом Кантом и Пьером-Симоном Лапласом. В дальнейшем её развитие происходило с участием множества научных дисциплин, в том числе астрономии, физики, геологии и планетологии. С началом космической эры в 1950-х годах, а также с открытием в 1990-х годах планет за пределами Солнечной системы (экзопланет), эта модель подверглась многократным проверкам и улучшениям для объяснения новых данных и наблюдений.

В общих чертах, этот процесс можно описать следующим образом:

Спусковым механизмом гравитационного коллапса стало небольшое (спонтанное) уплотнение вещества газопылевого облака (возможными причинами чего могли стать как естественная динамика облака, так и прохождение сквозь вещество облака ударной волны от взрыва сверхновой, и др.), которое стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества – центром гравитационного коллапса. Облако уже содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы (металлы), оставшиеся после звёзд предыдущих поколений. Кроме того, коллапсирующее облако обладало некоторым начальным угловым моментом.

В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска.

Как следствие сжатия росла плотность и интенсивность столкновений друг с другом частиц вещества, в результате чего температура вещества непрерывно возрастала по мере сжатия. Наиболее сильно нагревались центральные области диска.

При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться – сформировалась протозвезда. Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. За счёт гидродинамических неустойчивостей, в них стали развиваться отдельные уплотнения, ставшие локальными гравитационными центрами формирования планет из вещества протопланетного диска.

Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов кельвинов, в центральной области началась термоядерная реакция горения водорода. Протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, вращающиеся вокруг центрального светила примерно в одной плоскости и в одном направлении.

Формирование планетной системы

В настоящее время общепризнанной является теория формирования планетной системы в четыре этапа.

Планетная система формируется из того же протозвездного пылевого вещества, что и звезда, и в те же сроки. Первоначальное сжатие протозвездного пылевого облака происходит при потере им устойчивости. Центральная часть сжимается самостоятельно и превращается в протозвезду. Другая часть облака с массой, примерно в десять раз меньше центральной части, продолжает медленно вращаться вокруг центрального утолщения, а на периферии каждый фрагмент сжимается самостоятельно. Часть вещества, обладающая избыточным моментом вращения, образует тонкий газопылевой слой – газопылевой диск. Вокруг протозвезды формируется протопланетное облако – пылевой субдиск. Протопланетное облако становится все более плоским, сильно уплотняется.

Из-за гравитационной неустойчивости в пылевом субдиске образуются отдельные мелкие холодные сгустки, которые, сталкиваясь друг с другом, образуют все более массивные тела – планетезимали. В процессе формирования планетной системы часть планетезималей разрушилась в результате столкновений, а часть объединилась. Образуется рой допланетных тел размером около 1 км, количество таких тел очень велико – миллиарды.

Затем допланетные тела объединяются в планеты. Как только масса пропланеты достигает 1–2 масс Земли, она способна захватывать атмосферу. В нашей Солнечной системе на периферии образовались планеты-гиганты, способные удержать возле себя газовые оболочки. Сначала сформировались ядра планет-гигантов, а затем планеты «нарастили» себе оболочку из водорода и гелия. По современным расчётам, рост Юпитера продолжался десятки миллионов лет, а рост Сатурна – сотни миллионов. У планет-гигантов возникли собственные минидиски из газа и пыли, из которых затем сформировались кольца и многочисленные спутники. Уран и Нептун росли ещё медленнее. К тому времени газа в Солнечной системе из-за действия солнечного ветра осталось еще меньше, поэтому Уран и Нептун содержат меньше водорода в процентном содержании, чем Юпитер. Основными составляющими этих планет-гигантов являются вода, метан и аммиак.

В центре Солнечной системы сформировались менее массивные планеты. Здесь солнечный ветер выдул мелкие частицы и газ. А вот более тяжелые частицы, наоборот, стремились к центру. Рост Земли продолжался сотни миллионов лет.

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.

Пояс астероидов

Изначально астероидный пояс содержал достаточное количество материи чтобы сформировать 2–3 планеты Земля. Эта область содержала большое количество планетозималей (название мелких твёрдых частичек, послуживших материалом для построения планет), которые слипались между собой, образуя всё более крупные объекты. В результате этих слияний в поясе астероидов сформировалось около 20–30 протопланет с размерами от лунного до марсианского.

Формирование спутников

Естественные спутники образовались у большинства планет Солнечной системы, а также у многих других тел. Различают три основных механизма их формирования:

формирование из около-планетного диска (в случае газовых гигантов);

формирование из осколков столкновения (в случае достаточно крупного столкновения под малым углом);

захват пролетающего объекта.

Юпитер и Сатурн имеют много спутников, таких как Ио, Европа, Ганимед и Титан, которые, вероятно, сформировались из дисков вокруг этих планет-гигантов по тому же принципу, как и сами эти планеты сформировались из диска вокруг молодого Солнца. На это указывают их большие размеры и близость к планете. Эти свойства невозможны для спутников, приобретённых путём захвата, а газообразная структура планет делает невозможной и гипотезу формирования путем столкновения планеты с другим телом.

Солнце и планеты в будущем

В длительном будущем самые большие изменения в Солнечной системе будут связаны с изменением состояния Солнца вследствие его старения. По мере сжигания Солнцем запасов водородного топлива оно будет становиться всё горячее, и, как следствие, будет расходовать остатки водорода всё быстрее. В результате этого Солнце будет увеличивать светимость на 10 процентов каждые 1,1 млрд лет. Спустя 1 млрд лет из-за увеличения солнечного излучения его околозвёздная обитаемая зона сдвинется за пределы современной земной орбиты: поверхность Земли разогреется так сильно, что на ней станет невозможным присутствие воды в жидком состоянии. Испарение воды с поверхности океанов создаст парниковый эффект, что приведет к ещё более интенсивному разогреву Земли. В этой фазе существование жизни на земной поверхности станет невозможным. Однако представляется вероятным, что в этот период начнет постепенно повышаться температура поверхности Марса. Вода и углекислый газ, замороженные в недрах планеты, начнут высвобождаться в атмосферу, и это приведёт в созданию парникового эффекта, ещё более увеличивающему скорость разогрева поверхности. В результате атмосфера Марса достигнет условий схожих с земными, и таким образом Марс вполне может стать потенциальным убежищем для жизни в будущем.

По прошествии примерно 3,5 млрд лет от настоящего времени условия на поверхности Земли будут похожи на современные условия планеты Венеры. Приблизительно через 5,4 млрд лет от настоящего времени ядро Солнца станет настолько горячим, что запустит процесс горения водорода в окружающей оболочке. Это повлечет за собой сильное расширение внешних слоёв звезды, и таким образом Солнце войдёт в новую фазу своей эволюции, превратившись в красный гигант. В этой фазе радиус Солнца составит 1,2 а.е., что в 256 раз больше его теперешнего радиуса. Многократное увеличение площади поверхности звезды приведет к снижению температуры поверхности (около 2600 К) и к увеличению светимости (в 2700 раз больше современного значения). По мере своего расширения Солнце полностью поглотит планеты Меркурий и, вероятно, Венеру. Судьба Земли менее ясна.

Заключение

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. Таинство рождения Земли и других планет Солнечной ϲᴎстемы волнует человеческий ум не одно тысячелетие. За ϶ᴛᴏ время люди совершили большой и трудный переход от наивных мифологических воззᴩᴇʜий древних шумеров, асϲᴎрийцев, индусов до первых попыток научной постановки вопроса происхождения Солнечной ϲᴎстемы. Но даже сегодня, когда ученые строят достаточно точные модели черных дыр и нейтронных звезд, не существует теории, которая сумела бы объяснить происхождение Солнечной ϲᴎстемы и все, известные сейчас ее особенности. Это связано с тем, что в свою очередь других подобных ϲᴎстем мы не наблюдаем. Нашу Солнечную ϲᴎстему не с чем пока ϲᴩавнивать, хотя ϲᴎстемы подобные ей, обязательно должны быть достаточно распространены и их возникновение должно быть не случайным, а закономерным явлениям. Удовлетворительная теория происхождения Солнечной ϲᴎстемы должна объяснить огромную массу наблюдаемых фактов и не должна противоречить законам динамики и современной физики. Все гипотезы, выдвинутые до ϲᴎх пор, были опровергнуты или остались недоказанными при строгом применении физической теории. Современное наступление на проблему идет менее прямым путем, чем прежни методы, опиравшиеся на всеобъемлющие гипотезы. Новый метод приноϲᴎт плоды не так быстро, но ᴏʜ гораздо более надежен. Путем непоϲᴩедственного изучения фактов можно определить физические условия, в которых развивались планеты, во ᴃϲᴇ более сужающихся рамках. В конце концов, механизм их происхождения станет ясен.

Список использованных источников

1. Мур П. Астрономия с Патриком Муром. Пер. с англ. К. Савельева [Текст] / М.: ФАИР-ПРЕСС, 2001.

2. Небулярная гипотеза // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%B1%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B3%D0%B8%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%B7%D0%B0.

3. Планета // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B0.

4. Солнечная система // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0.

5. Френкель, Е.Н. Концепции современного естествознания : физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие / Е.Н. Френкель. [Текст] – Ростов н/Д : Феникс, 2014. – 246 с.

6. Эйнштейн А. Эволюция физики. [Текст] – М.: Устойчивый мир, 2001. – 262 с.

Код для цитирования: Скопировать