Гипотеза об образовании Солнечной системы из газопылевого облака - небулярная гипотеза - первоначально была предложена в XVIII 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 (), эта модель подверглась многократным проверкам и улучшениям для объяснения новых данных и наблюдений.
Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного газопылевого облака. 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 , 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 (Металличность), 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 реакция термоядерного синтеза гелия из 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.
Последующая эволюция
Раньше считалось, что все планеты сформировались приблизительно на тех орбитах, где находятся сейчас, однако в конце XX - начале XXI века эта точка зрения радикально изменилась. Сейчас считается, что на заре своего существования Солнечная система выглядела совсем не так, как она выглядит сейчас. По современным представлениям, внешняя Солнечная Система была гораздо компактнее по размеру чем сейчас, был гораздо ближе к Солнцу, а во внутренней Солнечной системе помимо доживших до настоящего времени небесных тел существовали и другие объекты, по размеру не меньшие чем .
Планеты земного типа
Гигантское столкновение двух небесных тел, возможно, породившее спутник Земли Луну
В конце эпохи формирования планет внутренняя Солнечная система была населена 50-100 протопланетами с размерами, варьирующимися от лунного до марсианского. Дальнейший рост размеров небесных тел был обусловлен столкновениями и слияниями этих протопланет между собой. Так, например, в результате одного из столкновений Меркурий лишился большей части своей мантии, в то время как в результате другого т.н. гигантского столкновения (возможно, с гипотетической планетой Тейя) был рождён спутник . Эта фаза столкновений продолжалась около 100 миллионов лет до тех пор, пока на орбитах не осталось 4 массивных небесных тела, известных сейчас.
Одной из нерешённых проблем данной модели является тот факт, что она не может объяснить, как начальные орбиты протопланетных объектов, которые должны были обладать высоким эксцентриситетом, чтобы сталкиваться между собой, смогли в результате породить стабильные и близкие к круговым орбиты оставшихся четырёх планет. По одной из гипотез, эти планеты были сформированы в то время, когда межпланетное пространство ещё содержало значительное количество газо-пылевого материала, который за счёт трения снизил энергию планет и сделал их орбиты более гладкими. Однако этот же самый газ должен был предотвратить возникновение большой вытянутости в первоначальных орбитах протопланет. Другая гипотеза предполагает, что коррекция орбит внутренних планет произошла не за счёт взаимодействия с газом, а за счёт взаимодействия с оставшимися более мелкими телами системы. По мере прохождения крупных тел сквозь облако мелких объектов последние из-за гравитационного влияния стягивались в регионы с более высокой плотностью, и создавали таким образом «гравитационные гребни» на пути прохождения крупных планет. Увеличивающееся гравитационное влияние этих «гребней», согласно этой гипотезе, заставляло планеты замедляться и выходить на более округлую орбиту.
Пояс астероидов
Внешняя граница внутренней Солнечной системы располагается между 2 и 4 а.е. от Солнца и представляет собой . Выдвигались, но в итоге не были подтверждены гипотезы о существовании планеты между и (например, гипотетической планеты Фаэтон), которая на ранних этапах формирования Солнечной системы разрушилась так, что её осколками стали астероиды, сформировавшие пояс астероидов. Согласно современным воззрениям, единой протопланеты-источника астероидов не было. Изначально астероидный пояс содержал достаточное количество материи, чтобы сформировать 2-3 планеты размером с Землю. Эта область содержала большое количество планетозималей, 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. Однако начиная с того времени, когда в относительной близости от пояса сформировалась планета Юпитер, эволюция этой области пошла по другому пути. Мощные орбитальные резонансы с Юпитером и , а также гравитационные взаимодействия с более массивными протопланетами этой области разрушали уже сформированные планетозимали. Попадая в область действия резонанса при прохождении поблизости планеты-гиганта планетозимали получали дополнительное ускорение, врезались в соседние небесные тела и дробились вместо того чтобы плавно сливаться.
По мере миграции Юпитера к центру системы возникающие возмущения имели всё более выраженный характер. В результате этих резонансов планетозимали меняли эксцентриситет и наклонение своих орбит и даже выбрасывались за пределы астероидного пояса. Некоторые из массивных протопланет также были выброшены Юпитером за пределы пояса астероидов, в то время как другие протопланеты, вероятно, мигрировали во внутреннюю Солнечную систему, где сыграли финальную роль в увеличении массы нескольких оставшихся планет земного типа. В течение этого периода истощения влияние планет-гигантов и массивных протопланет заставило астероидный пояс «похудеть» до всего лишь 1 % от Земной массы, которую составляли в основном маленькие планетозимали. Эта величина, однако, в 10-20 раз больше современного значения массы астероидного пояса, которая теперь составляет 1/2000 массы Земли. Считается, что второй период истощения, который и привёл массу астероидного пояса к текущим значениям, наступил, когда Юпитер и Сатурн вошли в орбитальный резонанс 2:1.
Вполне вероятно, что период гигантских столкновений в истории внутренней Солнечной системы сыграл важную роль в получении Землёй её запасов воды (~6·10 21 кг). Дело в том, что вода - слишком летучее вещество, чтобы возникнуть естественным образом во время формирования Земли. Скорее всего она была занесена на Землю из внешних, более холодных областей Солнечной системы. Возможно, именно протопланеты и планетозимали, выброшенные Юпитером за пределы астероидного пояса, занесли воду на Землю. Другими кандидатами на роль главных доставщиков воды являются также главного пояса астероидов, обнаруженные в 2006 году, в то время как кометы из пояса Койпера и из других отдалённых областей предположительно занесли на Землю не более 6 % воды.
Планетная миграция
В соответствии с небулярной гипотезой, две внешние планеты Солнечной системы находятся в «неправильном» месте. и , «ледяные гиганты» Солнечной системы, располагаются в области, где пониженная плотность вещества туманности и длительные орбитальные периоды делали формирование таких планет весьма маловероятным событием. Считается, что эти две планеты изначально сформировались на орбитах вблизи Юпитера и Сатурна, где имелось гораздо больше строительного материала, и только спустя сотни миллионов лет мигрировали на свои современные позиции.
Симуляция, показывающая расположение внешних планет и пояса Койпера: a) Перед орбитальным резонансом 2:1 Юпитера и Сатурна b) Разбрасывание объектов древнего пояса Койпера по Солнечной системе после сдвига орбиты Нептуна c) После выбрасывания Юпитером объектов пояса Койпера за пределы системы
Планетная миграция в состоянии объяснить существование и свойства внешних регионов Солнечной системы. За Нептуном Солнечная система содержит пояс Койпера, и , представляющие собой рассеянные скопления маленьких ледяных тел и дающие начало большинству наблюдаемых в Солнечной системе комет. Сейчас пояс Койпера располагается на расстоянии 30-55 а.е. от Солнца, рассеянный диск начинается в 100 а.е. от Солнца, а облако Оорта - в 50 000 а.е. от центрального светила. Однако в прошлом пояс Койпера был гораздо плотнее и ближе к Солнцу. Его внешний край находился примерно в 30 а.е. от Солнца, в то время как его внутренний край располагался непосредственно за орбитами Урана и Нептуна, которые в свою очередь были также ближе к Солнцу (приблизительно 15-20 а.е.) и, кроме того, располагались в противоположном порядке: Уран был дальше от Солнца чем Нептун.
После формирования Солнечной системы орбиты всех планет-гигантов продолжали медленно изменяться под влиянием взаимодействий с большим количеством оставшихся планетозималей. Спустя 500-600 миллионов лет (4 миллиарда лет назад) Юпитер и Сатурн вошли в орбитальный резонанс 2:1; Сатурн совершал один оборот вокруг Солнца в точности за то время, за которое Юпитер совершал 2 оборота. Этот резонанс создал гравитационное давление на внешние планеты, вследствие чего Нептун вырвался за пределы орбиты Урана и врезался в древний пояс Койпера. По этой же причине планеты стали отбрасывать окружающие их ледяные планетозимали вовнутрь Солнечной системы, в то время как сами стали отдаляться вовне. Этот процесс продолжался аналогичным образом: под действием резонанса планетозимали выбрасывались вовнутрь системы каждой последующей планетой, которую они встречали на своём пути, а орбиты самих планет отдалялись все дальше. Этот процесс продолжался до тех пор, пока планетозимали не вошли в зону непосредственного влияния Юпитера, после чего огромная гравитация этой планеты отправила их на высокоэллиптические орбиты или даже выбросила их за пределы Солнечной системы. Эта работа в свою очередь слегка сдвинула орбиту Юпитера вовнутрь. Объекты, выброшенные Юпитером на высокоэллиптические орбиты, сформировали облако Оорта, а тела, выброшенные мигрирующим Нептуном, сформировали современный пояс Койпера и рассеянный диск. Данный сценарий объясняет, почему рассеянный диск и пояс Койпера имеют малую массу. Некоторые из катапультированных объектов, включая , со временем вошли в гравитационный резонанс с орбитой Нептуна. Постепенно трение с рассеянным диском сделало орбиты Нептуна и Урана вновь гладкими.
Существует также гипотеза о пятом газовом гиганте, претерпевшем радикальную миграцию и вытолкнутом при формировании современного облика Солнечной системы на её далёкие окраины (ставшим гипотетической планетой Тюхе или другой «Планетой X») или даже за её пределы (ставшим планетой-сиротой).
Подтверждение теории о массивной планете за орбитой Нептуна нашли Констанин Батыгин и Майкл Браун 20 января 2016 года на основе орбит шести транснептуновых объектов. Её масса, использующаяся в расчётах составляла примерно 10 земных масс, а оборот вокруг Солнца предположительно занимал от 10.000 до 20.000 земных лет.
Считается, что в отличие от внешних планет внутренние тела системы не претерпевали значительных миграций, поскольку после периода гигантских столкновений их орбиты оставались стабильными.
Поздняя тяжёлая бомбардировка
Гравитационное разрушение древнего астероидного пояса, вероятно, положило начало периоду тяжёлой бомбардировки, происходившему около 4 миллиардов лет назад, через 500-600 миллионов лет после формирования Солнечной системы. Этот период длился несколько сотен миллионов лет и его последствия видны до сих пор на поверхности геологически неактивных тел Солнечной системы, таких как Луна или Меркурий, в виде многочисленных кратеров ударного происхождения. А самое древнее свидетельство жизни на Земле датируется 3,8 миллиардами лет назад - почти сразу после окончания периода поздней тяжёлой бомбардировки.
Гигантские столкновения являются нормальной (хоть и редкой в последнее время) частью эволюции Солнечной системы. Доказательствами этого служат столкновение кометы Шумейкера-Леви с Юпитером в 1994, падение на Юпитер небесного тела в 2009 и метеоритный кратер в Аризоне. Это говорит о том, что процесс аккреции в Солнечной системе ещё не закончен, и, следовательно, представляет опасность для жизни на Земле.
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 , и , 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 лун путём столкновения планеты с другим телом.
Будущее
По оценкам астрономов Солнечная система не будет претерпевать экстремальных изменений до тех пор, пока Солнце не израсходует запасы водородного топлива. Этот рубеж положит начало переходу Солнца с главной последовательности диаграммы Герцшпрунга - Рассела в фазу . Однако и в фазе главной последовательности звезды Солнечная система продолжает эволюционировать.
Долговременная устойчивость
Солнечная система является хаотичной системой, в которой орбиты планет непредсказуемы на очень длинном отрезке времени. Одним из примеров такой непредсказуемости является система Нептун-Плутон, находящаяся в орбитальном резонансе 3:2. Несмотря на то, что сам по себе резонанс будет оставаться стабильным, невозможно предсказать хоть с каким-нибудь приближением положение Плутона на орбите более чем на 10-20 миллионов лет (время Ляпунова). Другим примером может служить наклон оси вращения Земли, который по причине трения внутри Земной мантии, вызванного приливными взаимодействиями с Луной, невозможно высчитать начиная с некоторого момента между 1.5 и 4.5 миллиардами лет в будущем.
Орбиты внешних планет хаотичны на больших временных масштабах: их время Ляпунова составляет 2-230 миллионов лет. Это не только означает, что позицию планеты на орбите начиная с этого момента в будущем невозможно определить хоть с каким-нибудь приближением, но и орбиты сами по себе могут экстремально измениться. Наиболее сильно хаос системы может проявиться в изменении эксцентриситета орбиты, при котором орбиты планет становятся более или менее эллиптическими.
Солнечная система является устойчивой в том смысле, что никакая из планет не может столкнуться с другой или быть выброшенной за пределы системы в ближайшие несколько миллиардов лет. Однако за этими временными рамками, например, в течение 5 миллиардов лет, эксцентриситет орбиты Марса может вырасти до значения 0,2, что приведёт к пересечению орбит Марса и Земли, а значит, и к реальной угрозе столкновения. В этот же период времени эксцентриситет орбиты Меркурия может увеличиться ещё больше, и впоследствии близкое прохождение около может выбросить Меркурий за пределы Солнечной системы, или вывести на курс столкновения с самой Венерой или с Землёй.
Спутники и кольца планет
Эволюция лунных систем планет определяется приливными взаимодействиями между телами системы. Из-за разности силы гравитации, воздействующей на планету со стороны спутника, в разных её областях (более удалённые области притягиваются слабее, в то время как более близкие - сильнее), форма планеты изменяется - она как бы слегка вытягивается в направлении спутника. Если направление обращения спутника вокруг планеты совпадает с направлением вращения планеты, и при этом планета вращается быстрее чем спутник, то этот «приливный бугор» планеты будет постоянно «убегать» вперёд по отношению к спутнику. В этой ситуации угловой момент вращения планеты будет передаваться спутнику. Это приведёт к тому, что спутник будет получать энергию и постепенно удаляться от планеты, в то время как планета будет терять энергию и вращаться все медленнее и медленнее.
Земля и Луна являются примером такой конфигурации. Вращение Луны приливно-закреплено по отношению к Земле: период обращения Луны вокруг Земли (в настоящее время примерно 29 дней) совпадает с периодом вращения Луны вокруг своей оси, и поэтому Луна всегда повёрнута к Земле одной и той же стороной. Луна постепенно отдаляется от Земли, в то время как вращение Земли постепенно замедляется. Через 50 миллиардов лет, если они переживут расширение Солнца, Земля и Луна станут приливно-закреплены по отношению друг к другу. Они войдут в так называемый спин-орбитальный резонанс, при котором Луна будет обращаться вокруг Земли за 47 дней, период вращения обоих тел вокруг своей оси будет одинаков, и каждое из небесных тел будет всегда видимо только с одной стороны для своего партнёра.
Другими примерами такой конфигурации являются системы Галилеевых спутников Юпитера, а также большинство крупных лун Сатурна.
Нептун и его спутник Тритон, заснятый при пролёте миссии Вояджер-2. В будущем, вероятно, этот спутник будет разорван на части приливными силами, породив новое кольцо вокруг планеты.
Иной сценарий ожидает системы, в которых спутник движется вокруг планеты быстрее, чем она вращается вокруг себя, или в которых спутник движется в направлении противоположном направлению вращения планеты. В таких случаях приливная деформация планеты постоянно отстаёт от позиции спутника. Это меняет направление переноса углового момента между телами на противоположное. что в свою очередь приведёт к ускорению вращения планеты и сокращению орбиты спутника. С течением времени спутник будет приближаться по спирали к планете, пока в какой-то момент либо не упадёт на поверхность или в атмосферу планеты, либо не будет разорван приливными силами на части, породив таким образом планетарное кольцо. Такая судьба ожидает спутник Марса (через 30-50 миллионов лет), спутник Нептуна (через 3,6 миллиарда лет), и Юпитера, и, как минимум, 16 мелких лун Урана и Нептуна. Спутник Урана при этом может быть даже столкнётся с луной-соседкой.
Ну и, наконец, в третьем типе конфигурации планета и спутник приливно-закреплены по отношению друг к другу. В этом случае «приливный бугор» расположен всегда точно под спутником, передача углового момента отсутствует, и, как следствие, орбитальный период не меняется. Примером такой конфигурации является Плутон и .
Должно быть, было холодно, невероятно холодно 5 млрд. лет назад - здесь, где теперь деревья, улицы и люди, - в нашем родном уголке Галактики. Но это было давно, очень давно, до рождения Солнца и возникновения планет. Простирающаяся на миллиарды и миллиарды километров во все стороны, разреженная межзвездная среда - холодный, почти абсолютный вакуум во тьме между древними звездами.
Температура тогда была ниже 50 градусов по абсолютной шкале температур. Для сравнения следует заметить, что «комнатная температура» по этой шкале соответствует приблизительно 300 градусам, а кислород воздуха, которым мы дышим, сжижается при 90 градусах выше абсолютного нуля. Но первичному межзвездному газу не грозила опасность «замерзнуть» (т.е. затвердеть) или перейти в жидкое состояние: его атомы были так далеко разбросаны друг от друга, что возможность столкнуться и соединиться была у них ничтожной.
Это был почти абсолютный вакуум: какой-нибудь десяток атомов в 1 см 3 . Напомним, что в 1 см 3 воздуха, которым мы дышим, содержится примерно 30 миллионов триллионов атомов. Космический путешественник - появись таковой в те времена - вряд ли смог бы осознать, что находится в середине огромного первичного газово-пылевого облака, из которого в конце концов должна была образоваться наша Солнечная система.
Самым распространенным веществом был водород. Приблизительно на три четверти (по весу) межзвездное облако состояло из водорода и почти на одну четверть из гелия. В переводе на численность атомов это означает, что на каждый атом гелия приходилось с десяток атомов водорода.
Более тяжелые элементы были представлены в межзвездном пространстве в ничтожных количествах. Свыше 95% массы межзвездного облака состояло из водорода и гелия, на долю всех других элементов приходилось всего лишь несколько процентов. Некоторые из более тяжелых элементов существовали в виде крошечных пылинок размерами порядка 0,001 мм. Но они были чрезвычайно редки и находились далеко друг от друга. Космический путешественник смог бы обнаружить внутри межзвездного облака не более сотни таких микроскопических пылинок на целый кубический километр.
Эти далеко разбросанные пылинки состояли главным образом из кремния, магния, алюминия и железа, т.е. тех веществ, из которых образованы обыкновенные земные породы. Но, кроме того, некоторые другие элементы, такие, как кислород, углерод и азот, иногда попадались и в составе органических молекул. В межзвездном пространстве находились десятки различных органических молекул. Иначе говоря, химические «блоки» для создания живой материи существовали задолго до того, как начали формироваться Солнце и планеты.
Существуют две теории относительно образования Солнечной системы. В первичном межзвездном облаке формирование Солнечной системы не могло начаться само по себе, хотя бы просто потому, что оно было слишком разреженным. Что-то должно было вызвать сжатие облака.
Мы живем в спиральной Галактике. Некоторые астрономы полагают, что спиральный рукав нашей Галактики проходил через область пространства, в которой мы обитаем, приблизительно 5 млрд. лет назад. Это могло вызвать легкое сжатие межзвездного облака, что, возможно, и послужило толчком к началу звездообразования. Действительно, сегодня мы обнаруживаем много молодых звезд и светящихся газовых облаков, очерчивающих спиральные рукава удаленных галактик.
По мнению других астрономов, где-то поблизости взорвалась неведомая древняя массивная сверхновая звезда. Возникшая в результате этого грандиозного разрушительного взрыва ударная волна могла оказаться достаточно сильной, чтобы сжать межзвездное облако и привести к звездообразованию. Подобная туманность, образовавшаяся при взрыве сверхновой, давшей начало Солнцу, давно исчезла. Тем не менее, изучая метеориты, ученые недавно обнаружили необычное обилие ряда элементов, которые вполне могли бы образоваться при взрыве близкой сверхновой.
До сжатия первичное межзвездное облако находилось в равновесии. Сила тяготения, стремившаяся сжать облако, точно уравновешивалась давлением газа в облаке. Но после сжатия (вызванного либо прохождением облака через спиральный рукав Галактики, либо взрывом сверхновой) микроскопические пылинки в облаке гораздо ближе подошли друг к другу, чем раньше, так что плотность их стала достигать, возможно, 10000 на 1 км3, т. е. она увеличилась примерно в 100 раз. Увеличение плотности межзвездной пыли привело к тому, что свет от ближайших звезд уже не мог проходить через газово-пылевое облако.
Эффект затемнения, вызываемый частичками межзвездной пыли, сыграл важную роль в происхождении Солнечной системы. Поскольку свет звезд не мог больше проникать в облако и нагревать его, температура газа там приблизилась к абсолютному нулю. Давление газа и его температура всегда идут рука об руку. Поэтому, как только температура понизилась, уменьшилось и давление газа. Теперь давление газа в облаке, направленное наружу, уже не могло противостоять силе тяготения, направленной внутрь. Тяготение победило, и облако начало сжиматься.
Астрономы нередко обнаруживают холодные, темные, сжимающиеся облака межзвездных газа и пыли, которые находятся на начальных стадиях звездообразования. Как показано на рис. 4, эти так называемые глобулы легче всего увидеть, когда они вырисовываются на фоне яркой туманности. Размер типичной глобулы - несколько световых лет, а ее вещества достаточно для образования десятка систем, подобных Солнечной системе.
После того как глобула сжалась под действием тяготения, любая случайно возникшая турбулентность в облаке могла привести к образованию вихрей. Вихри вызвали распад облака на более мелкие части. Одной из таких медленно вращающихся частей облака и было суждено стать нашей Солнечной системой.
Так как эта часть облака продолжала сжиматься, ее вращение ускорялось, в результате она приобрела отчетливо выраженную дискообразную форму. Это была первичная солнечная туманность. При поперечнике 10 млрд. км (приблизительно размер орбиты Нептуна) туманность имела толщину около 200 млн. км (приблизительно расстояние от Земли до Солнца), и вещества в ней было в 2 раза больше, чем в настоящее время в Солнечной системе.
На ранних этапах эволюции первичной солнечной туманности тяготение продолжало преобладать, так как все больше вещества сжималось к центру диска. Это привело к тому, что центральные области солнечной туманности оказались значительно горячее, чем внешние. Частицы межзвездной пыли во внутренних областях первичной туманности вскоре полностью улетучились. Огромное различие в температурах в центре и на краях солнечной туманности в конечном счете существенно повлияло на строение Солнечной системы: внутренние планеты ее должны были сильно отличаться от внешних.
Через 50 млн. лет после «рокового» сжатия межзвездного облака формирование солнечной туманности закончилось. Вещество продолжало устремляться к центру туманности - так образовалось протосолнце. Все это время первичное магнитное поле Солнца связывало протосолнце с газами остальной части солнечной туманности. Не будь такой связи, Солнце вращалось бы с бешеной скоростью - точно так фигурист может вращаться с неимоверной скоростью, прижав к себе руки. Но Солнце вращается весьма медленно, делая только один оборот за четыре недели. Движение магнитного поля прото-солнца сквозь газ солнечной туманности должно было приводить к сильному торможению протосолнца. Поэтому солнечная туманность вращалась более или менее равномерно в целом. Эта стадия, в течение которой вращение передавалось от внутренних частей солнечной туманности к внешним, длилась всего несколько тысяч лет. После этого наступило время «рождения» планет.
Вещество первичной солнечной туманности можно было разделить по точкам плавления или кипения на три обширных класса. Во-первых, это вещества, обычно образующие земные породы. К ним относятся силикаты, окислы металлов, кремний, магний, алюминий и железо в различных химических соединениях. Все эти вещества имеют очень высокие точки плавления или кипения, обычно порядка тысяч градусов.
Во-вторых, там присутствовали вещества, обычно существующие в виде жидкостей и льдов. Сюда относятся главным образом химические соединения углерода, азота, водорода и кислорода. Возможно, наиболее знакомыми нам среди этих веществ были вода, углекислый газ, метан и аммиак. Точки плавления или кипения льдов и жидкостей этих веществ лежат в интервале 100-300 градусов по абсолютной шкале температур.
И наконец, в солнечной туманности были вещества, которые почти всегда являются газами: водород, гелий, неон и аргон в чистом виде. Эти вещества при всех условиях, за исключением крайне низких температур вблизи абсолютного нуля, находятся в газообразном состоянии.
Температурный режим играл решающую роль в определении природы планет, которые сформировались на различных расстояниях от Солнца. Поскольку в процессе образования протосолнца огромное количество вещества устремлялось к центру первичной солнечной туманности, температура в ее центральной части была весьма высока. Температура в несколько тысяч градусов была там нормой, и поэтому вещество полностью испарялось. Однако во внешних частях туманности температура никогда значительно не превышала 100 градусов по абсолютной шкале температур. Частицы межзвездной пыли в этих областях, вероятно, были покрыты слоем замерзших воды, углекислого газа, а также метана и аммиака. На эти покрытые льдом удаленные частицы гравитационное сжатие Солнца практически не оказывало влияния.
После того как образовалось протосолнце, температура во внутренних областях солнечной туманности стала падать и, когда температура газа стала достаточно низкой, начался процесс конденсации вещества солнечной туманности. Разумеется, первым должно было перейти в твердое состояние вещество, формирующее породы. Но поскольку температура вблизи протосолнца все же оставалась достаточно высокой, частицы вблизи протосолнца главным образом включали в себя железо, силикаты и окислы металлов.
Несколько дальше от протосолнца температура была еще ниже, и там частицы пыли могли быть покрыты слоем льда. Чем дальше от протосолнца находились частицы пыли, тем толще был слой покрывающего их льда. Но все эти пылинки и близкие, и далекие - по-прежнему находились в огромном облаке водорода и гелия, двух основных газов, которые вместе составляли более 95% вещества солнечной туманности. Однако на этой стадии впервые проявились существенные различия в составе частиц, находящихся на разных расстояниях от протосолнца.
Частицы пыли в солнечной туманности, по-видимому, были довольно рыхлыми, и, как большие снежинки, они легко слипались при столкновениях. Неоднократные столкновения на протяжении многих лет привели к образованию «комьев» пыли размерами порядка нескольких миллиметров или даже сантиметров в диаметре. Постепенно под действием тяготения эти комья оседали к центральной плоскости солнечной туманности.
Процесс оседания продолжался в течение нескольких сотен тысяч лет. К концу этой стадии большая часть твердого вещества в Солнечной системе распределилась в гигантский плоский слой с протосолнцем в центре. Но этот протяженный и весьма тонкий слой был неустойчивым вследствие действия сил тяготения. Те участки слоя, где случайно плотность комочков пыли оказалась несколько выше, притягивали все новые и новые комья из тех участков слоя, где их вначале случайно оказалось меньше. Таким образом комки межзвездной пыли постепенно слипались в астероидоподобные объекты размерами в километры - так называемые планетезимали.
Важно ясно представлять себе, что планетезимали в различных областях солнечной туманности сильно отличались по своему химическому составу. Вблизи прото-солнца они почти целиком состояли из каменистого вещества. Это произошло потому, что первоначальные пылинки (а позже комья) содержали только то вещество, которое могло оставаться твердым во внутренних прогретых областях первичной Солнечной системы. Дальше от протосолнца, где температура была ниже, в них наряду с каменистым веществом входил лед. А планетезимали в далеких холодных областях включали также замерзшие метан и аммиак.
Постепенно в течение нескольких следующих миллионов лет планетезимали объединялись и уплотнялись под действием гравитационного притяжения в значительно более крупные объекты - протопланеты. Во внутренних областях первичной Солнечной системы образовалось четыре протопланеты. И еще четыре протопланеты сформировались гораздо дальше от протосолнца. Есть основание полагать, что Плутон, считающийся в настоящее время самой малой планетой в Солнечной системе, первоначально был спутником Нептуна.
Четырем внутренним протопланетам было суждено стать Меркурием, Венерой, Землей и Марсом. Радиоактивные процессы в недрах протопланет скоро привели к нагреванию, а в конечном счете к расплавлению вещества в их недрах. И снова вступила в действие сила тяготения, в результате чего более тяжелое вещество (в основном железо) опустилось к центрам расплавленных протопланет, а более легкое вещество поднялось вверх, к их поверхностям. Таким образом планеты стали «химически дифференцированными» телами с плотными железными ядрами, окруженными слоями менее плотных пород.
В далекие времена, когда четыре внутренние планеты находились по существу в расплавленном состоянии, газы легко улетучивались из расплавленных пород. Меркурий, самая малая после Плутона планета Солнечной системы, был не в состоянии удержать какие-либо газы. Под воздействием палящего жара молодого Солнца и вследствие малого ускорения силы тяжести на поверхности Меркурия все газы скоро «ускользнули» из его первичной атмосферы.
На Марсе, который по своим размерам лишь незначительно превышает Меркурий, ускорение силы тяжести тоже очень мало. Поэтому Марс также потерял большую часть своей первичной атмосферы. Остался только очень тонкий слой углекислого газа.
Только на Венере и на Земле, наиболее массивных из внутренних планет, ускорения силы тяжести достаточно велики, чтобы удержать атмосферу. Но их атмосферы очень скудны -всего лишь слой газов, прилегающих к поверхности планеты. Большая часть атмосферных газов, окружающих Венеру и Землю, сосредоточена на высотах до 10 км над поверхностями планет. Совершенно иная картина наблюдается на внешних планетах, атмосферы которых простираются на десятки тысяч километров. Основная причина такого различия непосредственно связана с химическим составом исходных частиц пыли, из которых образовались планеты. В прогретых внутренних частях солнечной туманности эти частицы были либо слегка покрыты льдом, либо лишены его полностью. Поэтому четыре внутренние планеты, как и частицы пыли, из которых они сформировались, почти целиком состояли из каменистого вещества. И при нашем первом, всего лишь поверхностном описании строения внутренних планет вряд ли стоит упоминать о ничтожных количествах газа и жидкости, оставшихся вблизи некоторых из них.
Различия химического состава первичных частиц пыли сыграли также определяющую роль в формировании структуры недр четырех внутренних планет. Все они имеют железные ядра, окруженные мантиями из менее плотных пород. Но среди внутренних планет Меркурий явно обладает самым большим по размерам железным ядром. Оно простирается от центра к поверхности на три четверти радиуса планеты. На железное ядро приходится 80% массы Меркурия. У Венеры и Земли радиус железного ядра не превышает половины радиуса планеты. А железное ядро Марса и того меньше.
Железо, никель и окислы некоторых других металлов были первыми веществами, сконденсировавшимися во внутренних горячих областях первичной солнечной туманности, ибо эти вещества имеют самые высокие температуры конденсации. Силикаты и другие породообразующие минералы конденсируются при несколько меньших температурах. Поэтому частицы пыли, которые конденсировались вблизи протосолнца, содержали большее количество железа, чем более удаленные частицы. Таким образом, планета, образовавшаяся ближе всех к Солнцу, более богата железом, чем удаленные планеты.
Образование внешних планет-гигантов должно было начаться приблизительно в то же время и проходить аналогичным образом. Однако планетезимали в далеких холодных областях солнечной туманности содержали значительное количество льдов, и у планет, формировавшихся там, должны были образоваться толстые атмосферы из метана, аммиака и других газов.
При формировании Юпитера и Сатурна объединение и слипание планетезималей было столь эффективным, что сильные гравитационные поля этих огромных протопланет легко притягивали водород и гелий. Помимо того что прото-Юпитер и прото-Сатурн удерживали эти газы, они, обращаясь вокруг молодого Солнца, выметали огромное количество водорода и гелия протопланетного облака. В самом деле, создание Юпитера и Сатурна должно было имитировать образование самой солнечной системы. Каждая из этих планет-гигантов окружена значительной свитой спутников, образуя систему, подобную миниатюрной Солнечной системе.
В случае Урана и Нептуна объединение и уплотнение планетезималей происходило несколько иначе. Эти протопланеты, хотя и очень большие по сравнению с внутренними планетами, никогда не достигали колоссальных размеров Юпитера и Сатурна. Уран и Нептун могли захватить из солнечной туманности только небольшое количество легких газов: водорода и гелия. Поэтому толстые атмосферы Урана и Нептуна содержат меньше водорода и гелия, чем атмосферы Юпитера и Сатурна. Но, подобно своим гигантским соседям. Уран и Нептун окружены спутниками. Возможно, что Плутон, который сейчас является планетой, первоначально был спутником Нептуна.
Пока планеты образовывались из вещества солнечной туманности, протосолнце продолжало изменяться. Под давлением триллионов триллионов тонн газа, направленным внутрь, в центре сжимающегося протосолнца становилось все горячее. Наконец, 4,5 млрд. лет назад температура в центре Солнца достигла такой величины, что там могли начаться процессы термоядерного синтеза -превращения водорода в гелий при температуре в миллионы градусов. Начало таких процессов служит сигналом о рождении звезды. Так родилось наше Солнце.
Астрономы часто обнаруживают на небе молодые и «только что родившиеся» звезды. В ядрах многих из них сейчас только начинаются процессы термоядерного синтеза.
Тщательно наблюдая очень молодые звезды, астрономы в настоящее время установили, что в конце процесса рождения звезды часто выбрасывают значительное количество вещества. Как только вновь образовавшаяся звезда «приспосабливается» к началу термоядерных реакций в ядре, с ее поверхности срывается большое количество газа. Этот выброс вещества называется ветром Т Тельца.
Естественно полагать, что звездные ветры испускают все звезды. Эти «ветры» в действительности представляют собой непрерывное испускание частиц в основном протонов и электронов-с поверхности звезды. Наше Солнце также непрерывно выбрасывает частицы, образующие солнечный ветер. Солнечный ветер был обнаружен в начале 1960-х годов первыми межпланетными космическими аппаратами, и это явилось одним из самых важных успехов программы космических исследований. На орбите Земли средняя скорость солнечного ветра составляет 400 км/с. Средняя плотность солнечного ветра в окрестностях Земли равна 10 частицам на 1 см3. Но иногда наблюдаются сильные «порывы» солнечного ветра. Космические аппараты, совершающие путешествия к другим планетам Солнечной системы, зарегистрировали плотности приблизительно до 100 частиц на 1 см3 и скорости, близкие к 1000 км/с.
Звездные ветры, испускаемые звездами «среднего возраста», - это легкий ветерок по сравнению с ветром Т Тельца Ветер Т Тельца - настоящий ураган, оказывающий существенное давление на все, что встречается на его пути.
«Ветер Т Тельца», сопровождавший рождение Солнца, выдул из первичной солнечной туманности весь избыток водорода и гелия далеко в межзвездное пространство. Первичная солнечная туманность содержала достаточно вещества (в основном водорода и гелия), из которого могло бы сформироваться два Солнца. Но за миллионы лет, когда «ветер Т Тельца» бушевал в молодой Солнечной системе, почти половина первичного газа улетучилась в глубины космического пространства.
«Ветер Т Тельца» «очистил» Солнечную систему. Он был так силен, что внутренние планеты лишились большей части своих первичных атмосфер. Только твердые тела - планеты, спутники, астероиды и метеориты - могли устоять против такого ветра и остаться на орбитах около Солнца.
Хотя планеты и продолжали развиваться в течение последующих нескольких миллиардов лет, создание Солнечной системы завершилось. После того как Солнце прошло стадию Т Тельца, с планетами не происходило действительно радикальных изменений, за исключением таких процессов, как кратерообразование на внутренних планетах. «Ветер Т Тельца» закончил процесс образования планет.
После прекращения «ветра Т Тельца» большая часть вещества, оставшегося в Солнечной системе, сосредоточилась в Солнце. Ту же самую картину мы наблюдаем и в настоящее время; свыше 99,8% массы Солнечной системы заключено в Солнце, а на все планеты вместе остается менее 0,2%. Общая масса комет, астероидов, спутников и метеоритов составляет менее 0,001% массы Солнечной системы.
Если бы космический путешественник, странствующий по Галактике, оказался вдруг в окрестностях Солнечной системы, то с первого взгляда он мог бы заметить только Солнце - слабую карликовую звезду. При тщательном рассмотрении с близкого расстояния, меньше одного светового года, путешественник, возможно, увидел бы Юпитер, а затем Сатурн. Но лишь с большим трудом или с очень близкого расстояния он мог бы заметить какую-нибудь другую планету. Планеты представляют собой буквально микроскопические соринки в бескрайнем космическом вакууме, окружающем Солнце.
Происхождение Солнечной системы напрямую обязано силам тяготения. Именно, благодаря им, существуют Вселенная, галактики, звёзды и планеты. Люди, жившие много столетий назад, предполагали, что должны существовать какие-то таинственные силы, исподволь управляющие миром. Но первым, кто создал математическую модель всемирного тяготения, был английский физик, математик и астроном Исаак Ньютон (1642-1727). Он заложил основы небесной механики.
Именно на основании работ Ньютона появились эмпирические законы Кеплера. Была создана теория движения комет и Луны. Ньютон научно объяснил прецессию земной оси. Всё это по сей день считается огромным вкладом в науку. А вот свои соображения об образовании Солнца и планет высказал впервые немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804).
В 1755 году увидело свет его сочинение "Всеобщая естественная история и теория неба". В ней философ предположил, что все небесные тела и само светило возникли из туманности, которая изначально представляла собой огромное газопылевое облако. Кант первым заговорил о космогонии - происхождении мира.
Для этого необходим первичный материал и силы тяготения. А вот божественное вмешательство в данном вопросе не требуется. То есть мир возник в результате физических законов, а Бог в этом не принимал никакого участия. В то время это было довольно смелое утверждение.
Три стадии образования Солнечной системы
Современные взгляды на происхождение Солнечной системы во многом совпадают с умозаключениями Канта. Недаром же он, если верить Булгакову, постоянно завтракал с самим Дьяволом . Стало быть, философ знал, что говорил, и нынешние учёные умы с ним во многом согласны.
Основная теория предполагает, что на месте нынешней Солнечной системы 5 млрд. лет тому назад существовало гигантское облако из газов и пыли . Оно имело огромные размеры, и было растянуто в пространстве на 6 млрд. км. Аналогичные пылевые облака существуют во многих уголках необъятной Вселенной. Их основная масса состоит из водорода. Это тот газ, из которого первоначально образуются звёзды. Затем, в результате термоядерной реакции, начинает выделяться инертный газ гелий. На долю остальных веществ приходится всего 2%.
В какой-то момент пылевое облако получило внешний мощный импульс, представляющий собой огромный выброс энергии. Это могла быть ударная волна, сгенерированная взрывом сверхновой звезды. А возможно, что внешнего воздействия и не было. Просто за счёт закона притяжения облако стало уменьшаться в объёме и уплотняться.
Данный процесс дал толчок гравитационному коллапсу. То есть произошло быстрое сжатие космической массы. В результате этого в центре возникло раскалённое ядро с очень высокой плотностью. Вся остальная масса рассосредоточилась по краям ядра. А так как в космосе всё вращается вокруг своей оси, то эта масса приобрела форму диска.
Ядро уменьшалось в размере, увеличивая свою температуру и плотность. В результате оно трансформировалось в протозвезду . Так называется звезда, в которой существуют предпосылки для начала термоядерной реакции. А газовое облако вокруг ядра всё больше уплотнялось.
Наконец, в ядре температура и давление достигли критической величины. Это спровоцировало начало термоядерной реакции, и водород начал превращаться в гелий. Протозвезда перестала существовать, а вместо неё возникла звезда под названием Солнце . Весь этот процесс продолжался около одного млн. лет. По космическим меркам совсем немного.
А вот далее пошёл другой процесс. Газопылевые облака, вращающиеся вокруг Солнца, стали стягиваться в плотные кольца. В каждом из них образовался сгусток с более высокой плотностью. Причём наиболее тяжёлые вещества оказались в центре сгустка, а лёгкие создали внешнюю оболочку. Так сформировались ядра планет, окружённые газами.
Выражаясь совсем просто, можно сказать, что с ближайших ядер звезда "сдула" газовые оболочки. Так образовались маленькие планеты, вращающиеся рядом с Солнцем. Это Меркурий, Венера, Земля и Марс . А другие планеты находились на большом расстоянии от светила. Поэтому свои "газовые шубы" и сохранили. В настоящее время они известны как газовые планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун . На все эти трансформации ушло ещё 4 миллиона лет.
В дальнейшем произошло возникновение спутников вокруг планет. Так возле Земли появилась Луна . Остальные планеты также обзавелись спутниками. И, в конце концов, образовалось единое космическое сообщество, которое существует по сей день.
Вот таким образом наука объясняет происхождение Солнечной системы. Кстати, данная теория присуща и другим звёздным образованиям, которых в космосе бесконечное множество. Кто знает, может быть где-то в чёрной бездне существует аналогичная нашей звёздная система. Там есть разумная жизнь, а, следовательно, имеется и какая-то цивилизация. Вполне возможно, что когда-нибудь люди встретят братьев по разуму. Это станет самым выдающимся событием нашей истории .
Ни одна из большого числа различных моделей происхождения и развития Солнечной системы не удостоилась перевода в ранг общепризнанной теории.
Согласно гипотезе Канта – Лапласа система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи, находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.
Впервые английский физик и астрофизик Дж. Х. Джинс (1877 - 1946) предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, превратилась в планеты. Учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется невероятным.
Из современных гипотез происхождения Солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика Х. Альфвена (1908 - 1995) и английского Ф. Хойла (1915 - 2001). Согласно этой теории первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того, как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде – Солнцу, но его магнитное поле остановило движущийся газ на различных расстояниях – как раз там, где находятся планеты. Гравитационные и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение этого газа. В результате образовались планеты. Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, создав, таким образом, системы спутников.
Известна также гипотеза образования Солнечной системы из холодного газопылевого облака, окружающего Солнце, предложенная советским ученым О.Ю. Шмидтом (1891 - 1956).
Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд. лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвездного газопылевого облака. Это начальное облако было, вероятно, размером в несколько световых лет и являлось прародителеи для нескольких звезд.
В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшились и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Центр, где собралась большая часть массы, становился все более и более горячим, чем окружающий диск. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного протопланетного диска с диаметром примерно 200 а.е. и горячей, плотной протозвезды в центре. Полагают, что в этой точке эволюции Солнце было звездой типа Т Тельца. Изучение таких звезд показывает, что они часто сопровождаются протопланетными дисками с массами 0,001 – 0,1 солнечной массы, с подавляющим процентом массы туманности, сосредоточенным непосредственно в звезде. Планеты сформировались аккрецией из этого диска (рис.27).
В течение 50 млн лет давление и плотность водорода в центре протозвезды стали достаточно большими для начала термоядерных реакций. Температура, скорость реакции, давление и плотность увеличились, пока не было достигнуто гидростатическое равновесие, с тепловой энергией, противостоящей силе гравитационного сжатия. На этом этапе Солнце стало полноценной звездой главной последовательности.
Рис.27 Эволюция Солнца
Солнечная система просуществует, пока Солнце не начнет развиваться вне главной последовательности диаграммы Герцшпрунга – Рассела, которая показывает зависимость между яркостью звезд и температурой их поверхности. Более горячие звезды являются более яркими.
Солнце сжигает запасы водородного топлива, при этом выделяющаяся энергия, имеет тенденцию к исчерпанию, заставляя Солнце сжиматься. Это увеличивает давление в его недрах и нагревает ядро, таким образом ускоряя сжигание топлива. В результате Солнце становится ярче на примерно десять процентов каждые 1,1 млрд лет.
Через приблизительно 5 - 6 млрд. лет, водород в ядре Солнца будет полностью преобразован в гелий, что завершит фазу главной последовательности. В это время внешние слои Солнца расширятся примерно в 260 раз – Солнце станет красным гигантом. Из-за чрезвычайно увеличивающейся площади поверхности, она будет гораздо более прохладной, чем при нахождении на главной последовательности (2600 К).
В конечном счете, внешние слои Солнца будут выброшены мощным взрывом в окружающее пространство, образовав планетарную туманность, в центре которой останется лишь небольшое звездное ядро – белый карлик, необычно плотный объект в половину первоначальной массы Солнца, но размером с Землю. Эта туманность возвратит часть материала, который сформировал Солнце, в межзвездную среду.
Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.
Отсутствие общепризнанной версии происхождения планетной системы имеет свое объяснение. Прежде всего, единственность объекта наблюдения исключает применение сравнительного анализа и заставляет решать нелегкую задачу восстановления истории на основании одних только знаний о сегодняшнем состоянии Солнечной системы. Например, представления об эволюции звезд от их рождения до гибели получены благодаря накоплению и статистической обработке наблюдаемых данных о современном состоянии множества звезд разных классов, находящихся на разных стадиях развития. Неудивительно, что о развитии далеких от нас звезд астрономия знает существенно больше, чем о происхождении и развитии места нашего обитания – Солнечной системы.
Таким образом, солнечная система – очень сложное природное образование, сочетающее разнообразие составляющих ее элементов с высочайшей устойчивостью системы как целого. При огромном числе и разнообразии составляющих систему элементов, при тех сложных взаимоотношениях, которые устанавливаются между ними, задача определения механизма ее образования, оказывается очень непростой.
В Солнечную систему входят:
· Солнце;
· 4 планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс и их спутники;
· пояс малых планет – астероидов, куда входит планета – карлик Церера;
· бесчисленное число метеоритных тел, движущихся как роями, так и одиночно.
· 4 планеты – гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и их спутники;
· сотни комет;
· кентавры;
· транснептуновые объекты: пояс Койпера, куда входят 4 планеты – карлика: Плутон, Хаумеа, Макемаке, Эрида и рассеянный диск;
· Отдаленные области, куда входит облако Оорта и Седна;
· Пограничные области.
Солнце
Солнце относится к рядовым звездам нашей Галактики и представляет собой раскаленный газовый (плазменный) шар преимущественно гелиево- водородного состава, который разбавлен примесью (около 1%) остальных химических элементов, соотношение которых изменяется от поверхности к ядру. В верхних слоях Солнца водорода содержится около 90 %, а гелия – 10 %. В ядре содержится лишь 37 % водорода. Соотношение между водородом и гелием с течением времени изменяется в пользу гелия, поскольку уже в течение 4,5 млрд. лет на Солнце протекают термоядерные реакции, превращающие ядра водорода в ядра гелия. Ежесекундно около 600 млн. т водорода превращаются в гелий при температуре около 15 млн. 0 С. При этом 4,3 млн. т переходит в лучистую энергию (рис.28).
Ни одна из большого числа различных моделей происхождения и развития Солнечной системы не удостоилась перевода в ранг общепризнанной теории.
Согласно гипотезе Канта – Лапласа система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи, находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.
Впервые английский физик и астрофизик Дж.Х. Джинс (1877-1946) предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, превратилась в планеты. Учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется невероятным.
Из современных гипотез происхождения Солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика Х. Альфвена (1908-1995) и английского Ф. Хойла (1915-2001). Согласно этой теории первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того, как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде – Солнцу, но его магнитное поле остановило движущийся газ на различных расстояниях – как раз там, где находятся планеты. Гравитационные и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение этого газа. В результате образовались планеты. Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, создав, таким образом, системы спутников.
Известна также гипотеза образования Солнечной системы из холодного газопылевого облака, окружающего Солнце, предложенная советским ученым О.Ю. Шмидтом (1891-1956).
Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвездного газопылевого облака. Это начальное облако было, вероятно, размером в несколько световых лет и являлось прародителем для нескольких звезд.
В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшились, и в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Центр, где собралась большая часть массы, становился все более и более горячим, чем окружающий диск. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного протопланетного диска с диаметром примерно 200 а.е. и горячей, плотной протозвезды в центре. Полагают, что в этой точке эволюции Солнце было звездой типа Т Тельца. Изучение таких звезд показывает, что они часто сопровождаются протопланетными дисками с массами 0,001-0,1 солнечной массы, с подавляющим процентом массы туманности, сосредоточенным непосредственно в звезде. Планеты сформировались аккрецией из этого диска (рис. 26).
Рис. 26. Эволюция Солнца
В течение 50 млн лет давление и плотность водорода в центре протозвезды стали достаточно большими для начала термоядерных реакций. Температура, скорость реакции, давление и плотность увеличились, пока не было достигнуто гидростатическое равновесие, с тепловой энергией, противостоящей силе гравитационного сжатия. На этом этапе Солнце стало полноценной звездой главной последовательности.
Солнечная система просуществует, пока Солнце не начнет развиваться вне главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела, которая показывает зависимость между яркостью звезд и температурой их поверхности. Более горячие звезды являются более яркими.
Солнце сжигает запасы водородного топлива, при этом выделяющаяся энергия имеет тенденцию к исчерпанию, заставляя Солнце сжиматься. Это увеличивает давление в его недрах и нагревает ядро, таким образом ускоряя сжигание топлива. В результате Солнце становится ярче на примерно 10% каждые 1,1 млрд лет.
Через приблизительно 5-6 млрд лет водород в ядре Солнца будет полностью преобразован в гелий, что завершит фазу главной последовательности. В это время внешние слои Солнца расширятся примерно в 260 раз – Солнце станет красным гигантом. Из-за чрезвычайно увеличивающейся площади поверхности она будет гораздо более прохладной, чем при нахождении на главной последовательности (2600 К).
В конечном счете, внешние слои Солнца будут выброшены мощным взрывом в окружающее пространство, образовав планетарную туманность, в центре которой останется лишь небольшое звездное ядро – белый карлик, необычно плотный объект в половину первоначальной массы Солнца, но размером с Землю. Эта туманность возвратит часть материала, который сформировал Солнце, в межзвездную среду.
Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.
Отсутствие общепризнанной версии происхождения планетной системы имеет свое объяснение. Прежде всего, единственность объекта наблюдения исключает применение сравнительного анализа и заставляет решать нелегкую задачу восстановления истории на основании одних только знаний о сегодняшнем состоянии Солнечной системы. Например, представления об эволюции звезд от их рождения до гибели получены благодаря накоплению и статистической обработке наблюдаемых данных о современном состоянии множества звезд разных классов, находящихся на разных стадиях развития. Неудивительно, что о развитии далеких от нас звезд астрономия знает существенно больше, чем о происхождении и развитии места нашего обитания – Солнечной системы.
Таким образом, солнечная система – очень сложное природное образование, сочетающее разнообразие составляющих ее элементов с высочайшей устойчивостью системы как целого. При огромном числе и разнообразии составляющих систему элементов, при тех сложных взаимоотношениях, которые устанавливаются между ними, задача определения механизма ее образования, оказывается очень непростой.
В Солнечную систему входят:
4 планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс и их спутники;
пояс малых планет-астероидов, куда входит планета-карлик Церера;
бесчисленное число метеоритных тел, движущихся как роями, так и одиночно.
4 планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и их спутники;
сотни комет;
кентавры;
транснептуновые объекты: пояс Койпера, куда входят 4 планеты-карлика: Плутон, Хаумеа, Макемаке, Эрида и рассеянный диск;
отдаленные области, куда входят облако Оорта и Седна;
пограничные области.
