Основные концепции происхождения Солнечной системы. 2
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Волгоградский государственный социально-педагогический университет»
Факультет экономики и управления
Кафедра экономики и управления
Основные концепции
происхождения Солнечной
Контрольная работа
Студент группы Э-41
Прыгунов Григорий Павлович
Волгоград - 2011
Введение
Уже два века существует проблема происхождения Солнечной системы. Она волнует всех мыслителей и ученых нашей планеты. Этой проблемой занималась многие, начиная от философа Канта и математика Лапласа, до разных астрономов и физиков XIX и XX столетий. Также этой проблеме посветил свои исследования советский ученый Отто Юльевич Шмидт. Но при всем этом человечество все еще очень далеко от решения этой проблемы. За последние три десятилетия существенно прояснился вопрос о путях эволюции звезд. Но детали удивительного процесса рождения звезды из газопылевой туманности еще далеко не известны, но мы теперь четко представляем, что с ней происходило на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции. На первый взгляд кажется странным и даже парадоксальным, что астрономы смогли узнать о космических объектах, весьма удаленных и наблюдаемых с большими трудностями, гораздо больше, чем о Солнце и планетах, которые находятся у нас «под боком». Однако в этом нету ничего удивительного. Все дело в том, что астрономы наблюдают и изучают огромное количество звезд, находящихся на разных стадиях эволюции. Изучая звезды в скоплениях, они могут только эмпирически установить, как зависит темп эволюции звезд от начальных условий, к примеру массы. Но если не было бы этого обширного эмпирического материала, вопрос об эволюции звезд был бы предметом более или менее бесплодных спекуляций, как это было примерно до 1950 г. [1]
В данной работе
представлена теоретическая
Основные гипотезы
происхождения Солнечной
История науки знает множество гипотез и/или концепций происхождений Солнечной системы. Причем эти гипотезы появились немного раньше, чем стали известны многие важные закономерности Солнечной системы. Так что же такое Солнечная система вообще? Солнечной системой называют планетную систему, включающую в себя центральную звезду - Солнце - и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг нее. Солнечная система включает Солнце, восемь планет со спутниками, а также пояс астероидов, кометы и метеориты. Восемь планет, вращающиеся вокруг Солнца принято делить, на 2 группы: планеты земной группы и планеты-гиганты. К первой группе относят Меркурий, Венеру, Землю и Марс. Ко второй группе относят Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон (с 1930 года с момента открытия Плутон считался планетой, но решением Конгресса Международного астрономического союза в Праге с 24 августа 2006 года - Плутон не удовлетворяет требованиям новой формулировки и теряет свой «планетарный статус», он переходит в новое качество и становится прообразом отдельного класса карликовых планет). (см. рис. 1). Также считается, что диаметр Солнечной системы приблизительно равен 6 м и на этом расстоянии планеты удерживаются силой тяготения Солнца.[2]
Рисунок 1 – Планеты Солнечной системы
Космогония (греч. kosmos - вселенная и goneia - рождение) - область науки, в которой изучается происхождение и развитие небесных тел и их систем. Космогонию условно разделяют на планетную и звездную. Проблемы их решения во многом взаимосвязаны. Выводы космогонии основываются на данных других разделов астрономии, физики, геологии, а также других наук о Земле. Космогония как и космология (изучает структуры и изменения в современной Вселенной, в то время как научные области космогонии касаются вопроса происхождения Вселенной), тесно связана с философией, она являлась и является борьбой материализма и идеализма, науки и религии. Трудность космогонических проблем обусловлена тем, что процессы развития космических объектов длятся много миллионов и миллиардов лет. В сравнении с этим астрономические наблюдения и даже вся история астрономии охватывают очень маленькие промежутки времени. Трудности планетной космогонии обусловлены еще и тем, что мы можем пока наблюдать непосредственно лишь одну планетную систему. Научная космогония зародилась около двухсот лет назад, когда Кант выдвинул гипотезу об образовании планет из пылевой туманности, окружавшей некогда Солнце. [3]
Значение первых космогонических гипотез состояло прежде всего в том, что они пытались объяснить происхождение небесных тел как результат естественного процесса, а не одновременного акта божественного творения. Кроме этого, некоторые ранние гипотезы содержали правильные идеи о происхождении небесных тел.
В настоящее время наиболее известными гипотезами происхождения солнечной системы являются следующие:
- Небулярная гипотеза Канта - Лапласа
- Приливная гипотеза Джинса
- Гипотеза О.Ю. Шмидта
- Электромагнитная гипотеза Х. Альвена и С. Аррениуса
- Гипотеза Фреда Хойла
- Современная теория
- Теория «катастроф» и теория «пылевого облака»
1. Небулярная гипотеза Канта - Лапласа
В небольшой книге 1755 года «Общая естественная история и теория неба, или опыт об устройстве и механическом происхождении всего мироздания на основании ньютоновских законов» была изложена гипотеза немецкого философа Эммануила Канта. С учения Канта начинается научная космогония, т.к. она опровергла идею о начальном «божественном толчке», которым до этого согласно И. Ньютону, объяснялось возникновение и движение планет Солнечной системы. В своей книге Кант пытался создать стройную и логически развивающуюся картину Мира, основываясь лишь на «несомненных, простых, начальных и общих физических силах - а именно на притяжении и отталкивании». Он развил гипотезу, согласно которой в начале мировое пространство было заполнено материей, находившейся в состоянии первозданного хаоса. Под действием двух сил - притяжения и отталкивания - материя со временем переходила в более разнообразные формы. Элементы, имеющие большую плотность, по закону всемирного тяготения притягивали менее плотные, вследствие этого образовались отдельные сгустки материи. Под действием же сил отталкивания (которые якобы особенно эффективны, когда вещество находится в распыленном состоянии) прямолинейное движение частиц к центру тяготения заменялось кругообразным. Вследствие столкновения частиц вокруг отдельных сгустков и формировались планетные системы. Аналогичным образом внутри большого сгущения возникали меньшие, а внутри них еще более мелкие сгустки - планеты и их спутники. Все это представлялось Канту настолько очевидным, что он не удержался от замечания, ставшего как бы символом естествознания: «Дайте мне материю, и я построю из нее мир, т. е. дайте мне материю, и я покажу всем, как из нее должен образоваться мир...»
В 1796 году французский математик, механик и астроном Пьер Симон Лаплас описал образование Солнца и Солнечной системы из медленно вращающейся раскаленной газовой туманности. Его рассуждения были строже и научнее они были изложены в книге «Изложение системы мира» (1796). По Лапласу, Солнечная система произошла из раскаленной вращающейся туманности, имевшей вид чечевицы. Развитие солнечной системы началось с гигантской расширяющейся газовой туманности, уже медленно вращающейся вокруг своей оси как твердое тело и имевшей в центре сгусток - зародыш будущего Солнца - протосолнце.
Охлаждение и притяжение к центру заставляло туманность сжиматься и принимать сплюснутую форму, а ее уменьшение приводило к прогрессирующему ускорению вращения, наступал, наконец, момент, когда на экваторе туманности сила тяжести уравновешивалась центробежной силой инерции. В этот момент вдоль экватора от протосолнца отделялось гигантское кольцо, которое в дальнейшем охлаждалось и разрывалось на отдельные сгустки. Охладившись, газовые сгустки затвердели, покрылись корой и превратились в планеты, а центральный сгусток породил Солнце. Такой отрыв колец от протосолнца, по мнению Лапласа, происходил даже несколько раз. При создании своей гипотезы Лаплас опирался на известные тогда данные о движении планет и на наблюдения английского астронома У. Гершеля над туманностями. Последние имели ясно выраженные ядра и вид чечевиц.
Гипотезы Канта и Лапласа дополняли друг друга. Вскоре эти гипотезы были объединены и стали называться небулярной гипотезой Канта - Лапласа. Более ста лет она была классической и была обще признанной. Однако в ХХ веке, из-за возросшего уровня знаний, эта гипотеза оказалась не в состоянии объяснить перераспределение момента количества движения между Солнцем и планетами. Потом же стало ясно, что Земля никогда не была ни газовой, ни раскаленной, и непрерывно должен был происходить отрыв вещества, без образования колец, т.к. в пространстве этот газ очень быстро расширяется и рассеивается. Все эти противоречия привели к отходу большинства ученых ХХ века от гипотезы Канта - Лапласа.[4]
2. Приливная гипотеза Джинса
В 20-е годы XX в., а именно,
в 1916 году английским астрономом Д. Джинсом
(сэр Джеймс Хорвуд Джинс) была разработана
приливная теория происхождения Солнечной
Рисунок 2 – Приливная гипотеза Джинса
По мнению Джинса данная теория должна была объяснить парадокс распределения момента импульса. В настоящее время специалисты не поддерживают эту теорию. Если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетарных систем, образовавшихся за десять миллиардов лет ее эволюции, можно было пересчитать по пальцам. Но планетарных систем фактически много, следовательно, эта гипотеза несостоятельна. И ниоткуда не следует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. В 1961 году эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес в нее существенные улучшения. По обеим гипотезам Солнце сталкивается с более или менее «рыхлым» космическим объектом, захватывая части его вещества. Тем самым образование планет связывается с процессом звездообразования.
По мнению американского астронома
Рассела, встреча двух звезд на близком
расстоянии может произойти чрезвычайно
3. Гипотеза О. Ю. Шмидта
Большую роль в разработке
установившихся в настоящее время взглядов
на происхождение планетной системы сыграли
Шмидту удалось рассчитать, что в середине планетной системы должны были возникнуть самые крупные планеты, а ближе к Солнцу - более мелкие и далее всего от него - тоже мелкие, как Плутон. Чем больше возникающая планета, тем больше вещества она должна вобрать в себя из «окрестностей». Эта гипотеза позволила О.Ю.Шмидту, затем Василию Григорьевичу Фесенкову (один из самых крупнейших советских астрономов) теоретически обосновать существующие расстояния планет от Солнца и расстояния между планетами, а раньше этого сделать никому не удавалось.
Вращение планет вокруг своей оси, которое ни одна из прежних теорий не могла удовлетворительно объяснить, теория О. Ю. Шмидта все-таки объяснила. Под влиянием падения метеоритов на планету она должна прийти во вращение, и именно в том же направлении, в каком она вращается вокруг Солнца. Если случайно в той области, где образовалась планета, метеориты с орбитами, мало вытянутыми и мало наклоненными к средней плоскости Солнечной системы, не были в достаточной мере преобладающими, могло возникнуть вращение планеты в обратном направлении, что и объясняет известный случай такого рода - вращение Урана.
Развивая физическую и математическую стороны своей гипотезы, Шмидт нашел несколько удовлетворенных ответов на ряд вопросов, на которые должна ответить космогоническая гипотеза. Однако она содержит еще много пока не доказанных положений.
4. Электромагнитная гипотеза Х. Альвена и С. Аррениуса
На протяжении ХХ в. выдвигался целый ряд противоречащих друг другу гипотез о происхождении Солнца и Солнечной системы, из которых наиболее убедительной и популярной стала гипотеза шведских астрономов Ханнеса Альвена и Сванте Августа Аррениуса. Они исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет вокруг звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. Для объяснения этого механизма они привлекли совокупность различных сил - гравитацию, магнитогидродинамику, электромагнетизм, плазменные процессы. Ученые считают, что сначала из газопылевого облака возникло первичное тело - звезда, а затем к нему из другого газопылевого облака, через которое по своей орбите двигалось Солнце, подступил материал для образования вторичных тел.
Чтобы образовать планетную систему,
звезда должна обладать рядом признаков:
мощным магнитным полем и
Когда Солнце начало свое прохождение через газопылевое облако, мощное гравитационное воздействие звезды начало притягивать поток газовых и пылевых частиц. Там они ионизировались и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от Солнца. В конечном счете, выделились 3-4 концентрические области с разной плотностью.
Крона, по мере накопления
в ней выпадающего вещества, начинала отставать в своем
вращение от центрального тела. Как следствие плазма
начинала вращаться быстрее, а центральное тело
замедлялось во вращение. В результате
между центральным телом и плазмой создалась благоприятная
Множественные соударения между зернами приводили к их объединению в большие группы (зародышевые ядра), к которым продолжали прилипать частицы, и они постепенно разрастались до крупных тел - планетезималей. Планетозималями называются образования, возникающие на последней стадии формирования планеты из протопланетного, т.е. допланетного газово-пылевого вещества.[5]
Зародыш планеты называется протопланета. Сталкиваясь друг с другом, планетезимали образовывали допланетные тела. Наиболее крупные из них стали еще более увеличиваться в размерах, вследствие чего образовались планеты. А как только планетные тела оформились настолько, что возле них появилось достаточно сильное собственное магнитное поле, то начался процесс образования спутников, в миниатюре повторяющий то, что произошло при образовании самих планет.
В общей теории Альвена и
Аррениуса пояс астероидов - это струйный
поток, в котором из-за нехватки выпавшего
вещества процесс планетообразования
прервался на стадии планетезималей.
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.
Четыре планеты, ближайшие к Солнцу - невелики, состоят из плотного каменистого вещества и металлов. Планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун - гораздо массивнее, состоят в основном из лёгких веществ и поэтому, несмотря на огромное давление в их недрах, имеют малую плотность. Девятую планету - Плутон нельзя отнести ни к одной из двух групп. По химическому составу он близок к группе планет-гигантов, а по размерам к земной группе. Меркурий - самая близкая к Солнцу планета Солнечной системы из-за своей близости к Солнцу и малых размеров он долго оставался малоизученной планетой.
5. Гипотеза Фреда Хойла
Английский астроном Фред Хойл предложил свой вариант гипотезы. В 1948 году вместе Германном Бонди и Томасом Голдом разработал стационарную модель Вселенной, которая постулирует независимость процессов появления материи и расширения Вселенной. Согласно ей у Солнца была звезда-близнец, которая взорвалась. Большая часть осколков унеслась в космическое пространство, меньшая - осталась на орбите Солнца и образовала планеты.[6]
Хойл старался избежать противоречия гипотезы Х. Альвена и С. Аррениуса. По его мнению электромагнитные силы должны были играть важную роль в формировании планетной системы, но какую?
Сначала, как и полагалось, в недрах огромной туманности, изначально обладавшей магнитным полем, зародилось Солнце. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, похожей на диск. Этот диск постепенно разгонялся, забирая движение у центрального светила. Момент количества движения переходил в основном к диску, в нем образовались планеты. Солнце же постепенно притормаживалось.
В своей работе ученый так и пишет: «Приобретая момент количества движения, планетное вещество удалялось от солнечного сгущения. Нелетучие вещества конденсировались и отставали от движущегося наружу газа. Именно с этим процессом связан тот факт, что планеты земной группы: 1) имеют малые массы; 2) почти полностью состоят из нелетучих веществ; 3) находятся во внутренней части системы».
Подобный механизм, по мнению Хойла, создавал условия для существования возле Солнца некой каменно-железной зоны, которая в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера переходила в область, где, напротив, преобладали вода и аммиак, а дальше планеты должны были состоять из веществ еще более легких, чем составные части Юпитера и Сатурна. И вот тут-то получался «прокол», ибо плотность вещества Урана и Нептуна снова растет!..
Гипотеза Хойла явилась первой попыткой конкретизировать и количественно обосновать гипотезу о совместном образовании Солнца и протопланетиого облака. Но и она сталкивается с серьезными трудностями. Хойл предполагает, что магнитное сцепление осуществлялось между Солнцем и внутренним краем облака и что передача момента остальным частям, которая и привела к распространению облака по всему пространству современной планетной системы, произошла в результате турбулентных движений и связанного с этим трения. Однако, как признает сам Хойл, характер вращательного движения облака таков, что не приводит к возникновению в нем турбулентности. Не видно и других причин, которые могли бы привести к ее возникновению на всем гигантском протяжении облака. Другая трудность состоит в остывании отделившегося вещества, которое должно было привести к быстрой конденсации в твердые частички всех нелетучих, каменистых веществ. Объединяясь в более крупные тела, они должны были остаться во внутренней части планетной системы. Между тем ледяные ядра комет, являющиеся образчиками вещества внешней холодной части протопланетиого облака, всегда содержат примесь нелетучих веществ. Это проявляется в том, что все кометы, распадаясь, порождают метеорные потоки, т. е. потоки частиц, состоящих из нелетучих, каменистых веществ. [7]
Все гипотезы по-разному трактуют происхождение Солнечной системы и родственные связи между Землей и Солнцем, но они едины в том, что все планеты произошли из единого сгустка материи, а дальше судьба каждой из них решалась по-своему. Однако необходимо заметить, что гипотезы, не имеющей серьезных недостатков и отвечающей на все вопросы о происхождении Земли и других планет Солнечной системы, пока еще нет. Но можно считать установленным, что Солнце и планеты образовались одновременно (или почти одновременно) из единой материальной среды, из единого газово-пылевого облака.
6. Современная теория
Если говорить о современном
представлении, образования Солнечной
системы, которая образовалась около 5
млрд. лет назад происходило по следующим
четырем этапам:
Этап 1: Первоначальное газопылевое
облако достигло заметной плотности и
начало сжиматься под действием гравитационных
сил. Это облако уже содержало не только
первичные водород и гелий, но и многочисленные
тяжёлые элементы (металлы). Планетная
система формируется из того же протозвездного
пылевого вещества, что и звезда, и в те
же сроки (см. рис. 3).
Рисунок 3 – Этап первый
Этап второй: Газопылевое облако сжимается
и раскручивается вокруг центральной
части, в результате происходит формирование
облака в виде характерного диска. Центральная
часть сжимается самостоятельно, что указывает
на образование протозвезды. 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 (см. рис. 4).
Рисунок 4 – Этап второй
Также нужно и учесть тот факт, что
Солнце имело собственное магнитное поле.
Это привело к тому, что вещество диска,
которое впоследствии превратится в планеты,
уносит от Солнца львиную долю вращательного
момента. В сжимающемся газопылевом облаке
возрастает кинетическая энергия, а то
есть растет температура этого облака,
при этом наиболее сильно нагревались
центральные области диска. Часть вещества,
обладающая избыточным моментом вращения,
образует тонкий газопылевой слой - газопылевой
диск. Вокруг протозвезды формируется
протопланетное облако - пылевой субдиск.
В этом протопланетном облаке начинают
формироваться сгустки материи, которые
служат центрами притяжения и за счет
действия молекулярных сил образуются
достаточно массивные тела - планетезимали
(см. рис. 5).
Этап третий: 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 (см. рис. 6)
Рисунок 5 - Этап второй
Рисунок 6 - Этап третий
Этап четвертый: Протозвезда разогревается
до миллионов градусов и в центральной
области протозвезды начинают протекать
термоядерная реакция «горения» водорода,
т.е. образуется обычная звезда. Во внешней
области диска крупные сгущения образовали
планеты, вращающиеся вокруг центрального
светила примерно в одной плоскости и
в одном направлении. Из-за высокой температуры
звезды внутренние области протопланетного
облака испаряются, а под действием солнечного
ветра и давления света легкие химические
элементы (водород и гелий) оттесняются
из окрестностей звезды. В результате
ближние планеты земного типа оказываются
небольшими и относительно плотными из-за
преобладания в их составе тяжелых химических
элементов - в Солнечной системе к этой
категории относятся, как уже было отмечено
ранее Меркурий, Венера, Земля и Марс. Таким
образом, ученые считают, что планеты земной
группы сформировались из веществ, конденсирующихся
при высоких температурах, ближе современного
пояса астероидов, расположенного между
орбитами Марса и Юпитера. Состав планет
земной группы свидетельствуют о том,
что их образование происходило при отсутствии
легких газов, но зато с участием каменистых
частиц и тел, содержавших различное количество
железа и других металлов. В далекой области
от звезды образуется более холодная зона
с температурой примерно 50 К (Кельвин обозначается
«К» - единица измерения температуры в
системе, предложена в 1848 году) и там сформировались
планеты из относительно легких химических
элементов. В результате сформировались
сверхмассивные твердокристаллические
ядра из скальных пород и льда. Их мощное
гравитационное поле привлекло из окрестных
газопылевых скоплений значительные объемы
легких и летучих веществ - гелия и водорода,
образовавших их океаны или атмосферу:
образовались так называемые газовые
гиганты Солнечной системы - Юпитер, Сатурн,
Уран. При огромных по сравнению с планетами
земного типа размерах эти планеты характеризуются
очень низкой средней плотностью вещества.
Известно, что по мере удаления от Солнца
увеличивается число тел, содержащих обогащенные
водой минералы и некоторые летучие вещества.
Крупнейшие спутники Юпитера - Ганимед
и Каллисто - наполовину состоят из воды.
Эти данные свидетельствуют о том, что
водяной лед конденсировался во всей зоне
формирования Юпитера. В области тех внешних
планет, которые формировались при еще
более низких температурах, в составе
пылинок оказались льды аммиака и метена,
твердая углекислота и другие замерзшие
летучие соединения (об этом свидетельствует
химический состав кометных ядер, прилетающих
к нам с далекой периферии Солнечной системы).
7. Теория «катастроф» и теория «пылевого облака»
Среди последующих космогонических
теорий можно найти и теорию «катастроф»,
согласно которой наша Земля обязана своим
образованием некоему вмешательству извне,
например, близкой встрече Солнца с какой-то
блуждающей звездой, вызвавшей извержение
части солнечного вещества. Теория катастроф
ничто иное как видоизмененная теория
Джинса. В результате расширения раскаленная
газообразная материя быстро остывала
и уплотнялась, образуя большое количество
маленьких твердых частиц, скопления которых
были чем-то вроде зародышей планет.
В последние годы американскими и советскими
учеными был выдвинут ряд
новых гипотез. Если раньше считалось,
что в эволюции Земли происходил непрерывный
процесс отдачи тепла, то в новых теориях
развитие Земли рассматривается как результат
многих разнородных, порой противоположных
процессов. Одновременно с понижением
температуры и потерей энергии могли действовать
и другие факторы, вызывающие выделение
больших количеств энергии и компенсирующие
таким образом убыль тепла.
Одно из этих современных
предположений его автор
В связи с этим первоначальная теория
Канта-Лапласа и Джинса были переработаны
с привлечением новейших данных; они могут
сослужить еще хорошую службу в деле объяснения
процесса возникновения Солнечной системы.
Каждая из этих космогонических теорий
внесла свой вклад в дело выяснения сложного
комплекса проблем, связанных с происхождением
Земли и других планет.
Сказав о основных гипотезах происхождения солнечной системы, следовало бы и упомянуть зачем же нам все эти знания, которыми вот уже сколько лет располагает человечество.
Перспективы освоения Солнечной системы
Главный процесс, совершающийся в ноосфере - неуклонное, все ускоряющееся накопление информации. Именно информация уже сегодня осознается человечеством как самое большое богатство, ему принадлежащее, как основной, непрерывно наращиваемый его капитал. Количество информации характеризует степень разнообразия данного объекта, уровень его организации. Разумно воздействуя на окружающую его природу, человек создает вторую, искусственную «природу», отличающуюся большей упорядоченностью, а стало быть, и большим количеством информации, чем естественная среда. Накопление такой производственной информации в ноосфере есть результат производственной деятельности человека, результат взаимодействия природы и общества. Познавая мир, человек обогащает себя и ноосферу научной информацией.
