Теории происхождения Солнечной системы

1.Введение

Солнечная система — планетная  система, включающая в себя центральную  звезду — Солнце — и все естественные космические объекты, вращающиеся  вокруг неё.

Большая часть массы объектов, связанных с Солнцем гравитацией, содержится в восьми относительно уединённых планетах, имеющих почти круговые орбиты и располагающихся в пределах почти плоского диска — плоскости эклиптики. Четыре меньших внутренние планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс, также называемые планетами земной группы, состоят в основном из силикатов и металлов. Четыре внешних планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, также называемые газовыми гигантами, в значительной степени состоят из водорода и гелия и намного массивнее, чем планеты земной группы.

В Солнечной системе имеются  две области, заполненные малыми телами. Пояс астероидов, находящийся  между Марсом и Юпитером, сходен по составу с планетами земной группы, поскольку состоит из силикатов  и металлов. Крупнейшими объектами  пояса астероидов являются Церера, Паллада и Юнона. За орбитой Нептуна  располагаются транснептуновые  объекты, состоящие из замёрзшей  воды, аммиака и метана, крупнейшими  из которых являются Плутон, Седна, Хаумеа, Макемаке и Эрида. Дополнительно  к тысячам малых тел в этих двух областях другие разнообразные  популяции малых тел, таких как  кометы, метеороиды и космическая  пыль, перемещаются по Солнечной системе.

Шесть планет из восьми и  три карликовые планеты окружены естественными спутниками. Каждая из внешних планет окружена кольцами пыли и других частиц.

Солнечный ветер (поток плазмы от Солнца) создаёт пузырь в межзвёздной  среде, называемый гелиосферой, который  простирается до края рассеянного диска. Гипотетическое облако Оорта, служащее источником долгопериодических комет, может простираться на расстояние примерно в тысячу раз больше по сравнению с гелиосферой.

Солнечная система входит в состав галактики Млечный Путь.

2.Теории происхождения Солнечной системы

Современные теории происхождения Солнечной  системы

Из гипотез происхождения  солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского  астрофизика X. Альвена, усовершенствованная  Ф. Хойлом.. Альвен исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень  сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных  атомов. Под действием излучений  и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных  силовых линий и увлекались вслед  за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку.

Слабость предложенной гипотезы заключалась в том, что атомы  наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы  тяжелых элементов - дальше. Значит, ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших элементов - водорода и гелия, а более отдаленные - из железа и никеля. Наблюдения говорят  об обратном. Чтобы преодолеть эту  трудность, английский астроном Ф. Хойл предложил новый вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества Движения переходил к диску. Затем в  нем образовались планеты. Если предположить, что первоначальная туманность уже  обладала) магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента.

Трудностями и противоречиями гипотезы Хойла являются следующие: во-первых, нелегко представить, как  могли "отсортироваться" избыточный водород и гелий в первоначальном газовом диске, из которого образовались планеты, поскольку химический состав планет явно отличен от химического  состава Солнца; во-вторых, не совсем ясно, каким образом легкие газы покинули Солнечную систему (процесс  испарения, предлагаемый Хойлом, сталкивается со значительными трудностями); в-третьих, главной трудностью гипотезы Хойла  является требование слишком сильного магнитного поля у "протосолнца", резко противоречащее современным  астрофизическим представлениям.

Более многочисленные и надежные экспериментальные данные о Солнечной  системе были получены в послевоенные годы. Методы, которыми были исследованы  метеориты и поверхность Луны, нельзя было бы даже представить во времена Лапласа.

Речь идет о веществе, которое образовалось на самой ранней стадии жизни Солнечной системы  или даже было частью первичной туманности.

Исследования послевоенных лет привели к некоторому прояснению нашего происхождения. Как уже считается  доказанным, Вселенная родилась примерно 15-20 млрд. лет назад в результате "большого взрыва". Спустя миллиард лет из смеси водорода и гелия, заполнявших все пространство, началось образование галактик. Первые звезды, образовавшиеся в те времена, все  еще видны в шаровых скоплениях и в центрах галактик. Вслед  за ними образовались спиральные рукава.

Наиболее массивные звезды, сформировавшиеся в самом начале, прошли очень быструю эволюцию, при  которой водород превращался  в более тяжелые элементы (в  том числе углерод и кислород), а вновь образованное вещество выбрасывалось в окружающее пространство. Такие превращения и сейчас происходят в термоядерных реакциях, поставляющих всю энергию, излучаемую звездами.

Этот "пепел" в свою очередь подвергался локальному сжатию, приводящему к рождению новых  звезд, и цикл повторялся.

Как полагают ученые, наше Солнце образовалось одновременно с другими  звездами. Оно представляет собой  звезду второго или третьего поколения.

Существуют две принципиальные точки зрения на происхождения звезд  и, в частности, Солнца.

Первая гипотеза основывается на предположении, что звезды формируются  из газовой материи - той самой, которая  и в настоящее время наблюдается в Галактике.

Предполагается, что газовая  материя в тех местах, где ее масса и плотность достигают  некоторой величины, начинает под  действием своего собственного притяжения сжиматься и уплотняться, образуя  сначала холодный газовый шар. В  результате продолжающегося сжатия температура газового шара начнет подниматься. Потенциальная энергия частиц в  поле притяжения газового шара при  приближении к центру становится меньше, а это означает, что часть  потенциальной энергии переходит  в тепловую энергию. Совершенно тот  же переход энергии происходит, когда  лежавший на краю пропасти камень, упав на ее дно, теряет часть потенциальной  энергии в силовом поле земного  притяжения, и приобретает тепловую энергию, разогревшись от удара о  дно пропасти.

Когда газовый шар нагреется, он станет отдавать тепловую энергию  через излучение с поверхностных  слоев, которые вследствие этого  будут охлаждаться и посредством  теплопроводности вызывать охлаждение более глубоких слоев. Поэтому если бы в газовом шаре, теперь уже  звезде, не появились новые источники энергии, то процесс сжатия, сопровождающийся излучением энергии, довольно быстро привел бы к исчерпанию энергии и угасанию звезды. Эволюция таких звезд, формирующихся из водорода, была бы очень простой. Однако процесс сжатия приводит к тому, что центральные области звезды разогреваются до очень высоких температур. Они расположены очень глубоко и почти не испытывают влияния охлаждения, вызываемого излучением с поверхностных слоев. Когда температура центральной области достигает нескольких миллионов градусов, в ней начинаются термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением большого количества энергии. Период, в течение которого звезда, сжимаясь из газового облака, достигнет состояния, когда в ее центральных областях начнут действовать термоядерные реакции, называется периодом сжатия. После возникновения термоядерных реакций сжатие звезды прекращается. Некоторое время звезда будет сохранять неизменными свои основные физические характеристики. При этом главными из термоядерных реакций являются реакции, которые приводят к превращению водорода в гелий. Как показывают расчеты, исчерпание водорода должно сопровождаться увеличением радиуса звезды и уменьшением ее температуры.

После того, как в звезде выгорит весь водород, и она достигнет  стадии красного гиганта, сжатие ядра, состоящего теперь уже из гелия, приведет к дальнейшему повышению температуры  до значений более 100 млн. градусов. Тогда  начнет действовать новая термоядерная реакция - образование атома углерода из трех ядер атома гелия. Эта реакция  сопровождается потерей массы и  выделением энергии излучения. Температура  звезды станет возрастать.

Гипотеза происхождения  звезд из газовой материи встречается  и с серьезными трудностями. Одной  из них является малое количество водорода в Галактике, всего около 2% общей ее массы. Если звезды образуются из газа, звездообразование в Галактике  должно было бы практически закончиться. Между тем наша звездная система весьма богата молодыми звездами - голубыми гигантами и сверхгигантами; в этом отношении она уступает очень немногим галактикам.

Далее, горячие гиганты  и сверхгиганты сосредоточены в  звездных ассоциациях, поэтому если звезды образуются из газа, то следовало  ожидать присутствия здесь и  некоторого количества уже заметно  уплотнившихся газовых облаков, постепенно превращающихся в звезды. Нужно сказать, что в некоторых  местах Галактики были обнаружены маленькие  плотные облака, названные глобулами. Но, во-первых, они не показывают тесной связи со звездными ассоциациями, а во-вторых, нет оснований утверждать, что глобулы как раз являются зародышами звезд.

Слабым местом гипотезы является то, что описываемый ею процесс  превращения газовой массы в  звезду, как процесс весьма спокойный, не может объяснить ряда наблюдательных данных, которые, по-видимому, нужно  трактовать как выбрасывание из некоторой  области пространства звезд и  даже галактик.

3.Развитие Солнечной системы

Раньше считалось, что  все планеты сформировались приблизительно на тех орбитах, где находятся  сейчас, однако в конце 20 — начале 21 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, Пояс Койпера  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  Меркурий.

Планеты земного типа

В конце эпохи формирования планет внутренняя Солнечная система  была населена 50-100 протопланетами с  размерами, вырьирующимися 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  был рожден спутник Земли Луна. Эта фаза столкновений продолжалась около 100 миллионов лет до тех  пор, пока на орбитах не осталось 4 массивных  небесных тела известных сейчас.

Одной из нерешенных 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 четырех планет. По одной из гипотез, эти планеты были сформированы в  то время, когда межпланетное пространство ещё содержало значительное количество газопылевого 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 счет взаимодействия с газом, а за счет 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 пояс астероидов. Изначально астероидный пояс содержал достаточное  количество материи чтобы сформировать 2-3 планеты Земля. 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 Сатурном, 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. Однако эта величина 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.