Эволюция планетных систем

Содержание  

Введение

1.  Происхождение  Солнечной системы и Земли

2.  Взаимодействие  планет земного типа с крупными  планетами

Заключение

Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Вот уже два века проблема  происхождения  Солнечной   системы волнует выдающихся мыслителей нашей планеты.  Этой проблемой занималась, начиная от философа Канта и математика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и XX столетий.  Ей отдал дань наш замечательный соотечественник Отто Юльевич Шмидт.  И все же  мы еще очень  далеки  от решения.  Какие только тайны не были вырваны у природы за эти два столетия! За последние четыре десятилетия существенно прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя детали процесса рождения звезды из газопылевой туманности еще далеко не ясны,  мы теперь четко представляем,  что с ней происходит на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции.  Однако, вопрос о происхождении  и  эволюции  планетной  системы,  окружающий наше Солнце, далеко не так ясен.

     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 планетах и Солнце,  которые находятся у нас  "под  боком". Однако в этом нет ничего удивительного. Дело в том, что астрономы наблюдают огромное количество звезд,  находящихся  на  разных стадиях эволюции.  Изучая звезды в скоплениях, они могут установить,  как зависит темп эволюции звезд  от  начальных  условиях, например  от  массы.  Если бы не было этого обширного материала, вопрос об эволюции звезд был бы предметом более или менее  бесплодных гипотез, как это было до 1950 г.

     В совершенно другом положении находятся исследователи  происхождения  и эволюции нашей планетной системы.  Ведь мы пока не можем непосредственно наблюдать такие системы даже  около  самых близких звезд. Если бы это удалось и мы имели реальные представление,  как выглядят планетные системы на  разных  этапах  своей эволюции или хотя бы как сильно отличаются одни планетные системы от других, и эта волнующая проблема была бы, несомненно решена в сравнительно короткие сроки. Но пока мы наблюдаем планетную систему в "единственном экземпляре".  Более того, необходимо еще доказать, что около других звезд имеются планетные системы.

     Значит ли это,  что мы еще  решительно ничего не можем  сказать  о происхождении Солнечной системы,  кроме тривиального утверждения,  что она как-то образовалась не позже чем 5 млрд. лет назад,  потому  что  таков приблизительно возраст Солнца?  Такая "пессимистическая" точка зрения так же мало  обоснована,  как и излишний оптимизм адептов той или иной космогонической гипотезы. Можно сказать, что кое-что о происхождении семьи планет, обращающихся вокруг Солнца,  мы уже знаем. Во всяком случае, круг возможных гипотез о происхождении Солнечной системы  сейчас  значительно снизился. 

Происхождение Солнечной системы и Земли 
 

     Человеку свойственно  интересоваться  происхождением вещей, их прошлым.  С древнейших времен до нас дошли полуфантастические и  просто  фантастические версии о происхождении Мира.  Это были примитивные идеи, не подкрепленные какими-либо фактическими данными.  Только к XVIII в.  естествознание достигло такого уровня, при которой стала возможной научная космогония - раздел астрономии, изучающий происхождение и эволюцию космических тел.

     Идея развития природы была  четко выражена  великим  русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711 - 1765) в его сочинении "О слоях земных".  Еще за сто лет до  этого  французский философ  Рене Декарт (1596 - 1650) высказал идею о происхождении небесных тел из первичного хаоса, который он мыслил как совокупность некоторых "вихрей".  Однако после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения,  физическое обоснование "вихрей"  потеряло основание. Мысли же М. В. Ломоносова основывались на фактах геологической истории.

     С тех  пор  и  до  наших дней сохранилось несколько  десятков гипотез,  пытающихся объяснить происхождение Солнечной системы и Земли.

     В 1748 г.  французский естествоиспытатель Жорж Бюффон (1707 -  1778) в многотомном труде "Естественная История" предположил, что планетная система родилась  в  результате  катастрофического столкновения кометы с Солнцем.  В то время кометы считали весьма массивными телами, и поэтому удар кометы о Солнце мог, по мнению Бюффона "разбрызгать" солнечное вещество и из этих "брызг" затем могли возникнуть планеты.  Произошло это,  как  полагал  Бюффон, всего лишь десятки тысяч лет назад,  что, впрочем, расходилось с библейской хронологией и навлекло на  Бюффона преследование со стороны католической церкви.

     С современной точки зрения  гипотеза Бюффона, разумеется наивна,  но она положила начало ряду "катастрофических" гипотез, в которых рождение планетной  системе  приписывалось  какой-нибудь катастрофе.  Иная мысль была высказана знаменитым немецким философом Иммануилом Кантом (1724 - 1804).

     В 1755 г. увидела свет его  книга "Всеобщая естественная история и теория неба", где Кант старается объяснить возникновение небесных тел, на основе закона всемирного тяготения. По его мнению,  Солнечная система возникла из огромного облака твердой пыли,  частицы которой взаимно притягивали друг друга.  В подобном облаке,  по Канту, рано или поздно должны были возникнуть сгущения,  самое большое из них стало Солнцем, а остальные - планетами.  Кант не подкрепил свою гипотезу какими-нибудь расчетами, но основная его идея - конденсация планет из холодного распыленного вещества - оказалась весьма плодотворной.

     Спустя четыре десятилетия, 1796 г., французский математик и механик Пьер Лаплас (1749 - 1827),  ничего не знавший о космогонических работах Канта,  предложил иную гипотезу. По мнению Лапласа,  Солнечная система образовалась из раскаленной вращающейся газовой туманности. Туманность остывала, сжималась, и при сжатии скорость ее вращения увеличивалась. На каком-то этапе от экватора  туманности  стали  отделятся  газовые кольца,  которые потом сгустились в планеты.  Центральный же газовый сгусток постепенно превратился в современное Солнце.

     Таким образом согласно гипотезе Лапласа,  планеты образовались  раньше  Солнца.  Однако не смотря на резкое различие между двумя  гипотезами,  общей  их  важнейшей  особенностью  является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности.  Поэтому и принято  называть  эту концепцию "гипотезой Канта - Лапласа".

     Одно время (30-е годы текущего  столетия века) полагали, что планетная система образовалась "по Джинсу". Эта гипотеза во всех отношениях представляет полную противоположность гипотезе  Канта - Лапласа. Если последняя рисует образование планетных систем (в том числе и нашей Солнечной)  как  единый  закономерный  процесс эволюции от простого к сложному,  то в гипотезе Джинса образование таких систем есть дело случая и представляет редчайшее, исключительное явление.

     Согласно гипотезе Джинса,  исходная  материя,  из которой  в дальнейшем образовались планеты, была выброшена из Солнца (которое к тому времени было уже достаточно "старым" и похожим на нынешнее)  при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Это прохождение было настолько близким, что практически его можно было рассматривать как  2столкновение 0. При таком, очень близком прохождении благодаря приливным силам,  действовавшим со стороны налетевшей на Солнце звезды,  из поверхностных слоев Солнца была выброшена струя газа.  Эта струя останется  в  сфере  притяжения Солнца  и после того,  как звезда уйдет от Солнца.  В дальнейшем струя сконденсируется и даст начало планетам.

     Что можно  сказать сейчас по поводу этой гипотезы?  Прежде всего,  она предполагает,  что образование планетных систем, подобных Солнечной системе, есть процесс исключительно маловероятный.  В самом деле, столкновения звезд, а также их взаимные прохождения в нашей Галактике могут происходить чрезвычайно редко.

     Отсюда следует,  что, если бы гипотеза Джинса была правильной,  число  планетных систем,  образовавшихся в Галактике за 10 млрд. лет ее эволюции, можно было буквально пересчитать по пальцам. Так как это, по-видимому, не соответствует действительности и число планетных систем в Галактике достаточно велико, гипотеза Джинса оказывается несостоятельной.

     Несостоятельность этой гипотезы следует также из других соображений.  Прежде  всего он страдает тем же фатальным недостатком,  что и гипотеза Канта-Лапласа: гипотеза Джинса не в состоянии объяснить,  почему подавляющая часть момента количества движения Солнечной системы  сосредоточена  в  орбитальном  движении планет.  Математические расчеты,  выполненные в свое время Н. Н.Парийским,  показали,  что при всех случаях  в  рамках  гипотезы Джинса образуются планеты с очень маленькими орбитами. Еще раньше на эту космогоническую  трудность  применительно  к  гипотезе Джинса указал американец Рессел.

     Наконец, ниоткуда не следует,  что  выброшенная  из  Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. Наоборот, расчеты ряда известных астрофизиков,  в частности, Лаймана Спитцера,  показали, что вещество струи рассеется в окружающем пространстве и конденсации не будет.  Таким образом,  космогоническая гипотеза  Джинса оказалась полностью несостоятельной.  Это стало полностью очевидным уже в конце тридцатых годов текущего  столетия.

     Большим шагом на пути к  научной истине стала гипотеза, высказанная в 1944 г.  знаменитым полярным исследователем, академиком Отто Юльевичем Шмидтом (1891 - 1956).

     По гипотезе Шмидта,  наше Солнце  много миллиардов лет назад было окружено колоссальным "протопланетным"  облаком,  состоящим не  только из холодной пыли,  как у Канта,  но и из частичек замерзших газов.  Составляющие облако частицы вещества  обращались вокруг  Солнца.  Их  было много,  они часто сталкивались,  и при столкновении некоторая доля их энергии излучалась  безвозвратно. В  конце  концов,  теряя энергию и испытывая взаимное тяготение, частицы падая друг на друга,  как бы "слипались", образуя постепенно  растущие  сгущения  -  зародыши будущих планет.  При этом "протопланетное" облако постепенно сплющивалось,  а конденсирующиеся  "протопланеты" приобретали все более и более круговые орбиты.  Последний процесс был вызван тем, что при "слипании" частиц "протопланетного" облака элементы их орбит (величины, характеризующие их форму,  размеры орбит и их положение в  пространстве)  осреднялись,  поэтому чем крупнее получалась планета,  тем больше ее орбита походила на окружность. Прошло очень много времени,  прежде  чем "протопланетное" облако "сгустилось" в современные планеты.

     Таким образом, по гипотезе  Шмидта, наша Земля и другие планеты сконденсировались из множества твердых холодных  частиц  и, следовательно,  никогда не были целиком в огненно-жидком, раскаленном состоянии.

     Дальнейшая эволюция  Земли   выразилась  в перемещениях масс вещества, составляющих нашу планету. Тяжелые породы опускались к центру  Земли,  выдавливая на ее поверхность более легкие.  Этот процесс перераспределения вещества происходит и сейчас,  выражаясь в грозном явлении - землетрясении.

     В поверхностных слоях Земли,  где  скопились  радиоактивные вещества,  выделялась  и  выделяется (при радиоактивном распаде) значительная энергия.  В недрах Земли образуются очаги  расплавленного вещества,  откуда через жерла вулканов на земную поверхность извергается лава.

     Гипотеза Шмидта объясняет основные закономерности Солнечной системы:  формы, размеры и расположение планетных орбит, распределение  планет в пространстве в связи их с массой и многое другое.  В частности она сумела объяснить разделение планет на  две группы: планеты земного типа и планеты - гиганты. Первые образовались из близких к Солнцу частей  "протопланетного"  облака.  В этом случае под действием солнечного тепла частички льдов (воды, метана,  аммиака), входящих в состав облака, испарились (точнее, сублимировались),  и  планеты получились небольшие,  состоящие в основном из тугоплавких элементов.  Вдалеке  от  Солнца  условия благоприятствовали формированию огромных планет, состоящих в основном из легких элементов.

     О. Ю. Шмидту удалось теоретически  объяснить закон планетных расстояний,  т.  е. связь радиуса орбиты планеты с ее номером (в порядке удаления от Солнца).  По мнению О. Ю. Шмидта, "протопланетное" газово-пылевое облако было  захвачено  Солнцем  при  его движении  вокруг центра нашей звездной системы.  Хотя на частном примере О.  Ю. Шмидт показал принципиальную возможность захвата, сама  идея  о захвате "протопланетного" облака теоретически была плохо обоснована,  и эта часть гипотезы Шмидта  оказалась  самой слабой.

     В рамках гипотезы Шмидта плохо разработан вопрос  о  происхождении спутников планет, например Луны, которая обладает относительно большой массой и вместе с Землей образует двойную  планету.  Остались необъясненными обратное вращение Венеры, положение оси вращение Урана и ряд других деталей,  пусть второстепенных, но требующих все-таки объяснения.

     Для расслоения Земли на тяжелое  ядро и более легкие внешние оболочки  требуется,  чтобы  вязкость  первичного ее вещества (а значит и ее температура) была значительной.  Расчеты показывают, что одна радиоактивность такого разогрева дать не может.  Последователи О. Ю. Шмидта (в частности В. С. Сафронов) полагают, что на  первичную Землю падали тела астероидных размеров (до 1000 км в поперечнике) и их удары разогрели внешние слои первичной Земли до температуры 1500 градусов по Цельсию.

     В гипотезе Шмидта Солнцу отводилась в основном чисто  механическая  роль  - динамического центра Солнечной системы.  Между тем в настоящее время почти все космогонисты  пришли  к  выводу, что  происхождение Земли и планет следует рассматривать в тесной связи с происхождением Солнца.  Хотя до сих пор законченной теории происхождения планет не существует, ход событий представляют примерно так.

     Межзвездное вещество  из молекул газа и пыли постепенно уплотнялось, сжималось и в конце концов распалось на ряд сгустков, центральный  и  самый крупный из которых положил начало будущему Солнцу.  Когда масса центрального сгустка достигла десятой  доли массы современного Солнца, сгусток стал непрозрачным. Дальнейшее его сжатие и разогрев привели к образованию Протосолнца,  причем это произошло очень быстро, не более чем за 100 лет.

     Протосолнце росло, захватывая  межзвездное вещество. Примерно через 100000 лет его масса такой же, как у современного Солнца, но радиус был в 100 раз больше. Приток межзвездного вещества прекратился, а вокруг новорожденного Солнца уже существовала газово-пылевая протопланетная туманность в форме диска. Во внешней ее части постепенно сгущались планеты.  Газ в туманности был ионизирован,  и вращающееся Протосолнце  своим  магнитным  полем быстро  закрутило  и  эти ионы - отсюда большой "запас движения" (момент количества движения) планет.

     Сгущение планет  происходило   геологически  быстро  - Земля "доросла" до современных размеров примерно за 100 млн. лет. Отдельные  сгустки (планетозимали)  не  достигли размеров крупных планет и, падая на планеты, образовывали там кратеры. При столкновении  между  собой планетозимали раскалывались,  порождая при этом другие малые тела. 
 

Взаимодействие планет земного типа

с крупными планетами 
 

      Планеты, похожие по своим характеристикам  на Землю очень редки и рассеяны  по всему космосу. Первое комплексное  исследование планетных систем  астрономами показало, что в большинстве случаев такой мир, как наш, не сможет существовать. Известные на сегодняшний день астрономам планетные системы делятся на две группы: с планетами типа Юпитера, но расположенными очень близко к звезде и с более далекими юпитероподобными планетами, вращающимися вокруг своих звезд по эллиптическим орбитам. В обоих видах систем планеты земного типа вряд ли смогли бы обращаться на орбитах обитаемой зоны. Более того, в большинстве вариантов это попросту невозможно.

      Ученые из Принстонского университета  изучили 85 планетных систем –  все известные на момент начала исследования. Они также разработали       динамическую компьютерную модель известных астрономам систем для того, чтобы выяснить, может ли в них похожая на Землю планета просуществовать достаточно долго в "обитаемой" зоне. Этой зоной называется область вокруг звезды, в которой на планете сможет находиться вода – не слишком близко, так как вода может испариться, и не слишком далеко, ведь там она может замерзнуть. В Солнечной системе Земля находится в самом центре этой зоны. Но в большинстве экзопланетных систем планете сделать это было бы очень сложно.

      В системах с "дальними" Юпитерами  землеподобные планеты скорее  всего рухнули бы на звезду  или были бы унесены в межзвездное  пространство. В части таких систем  они могли бы попасть на  элиптическую орбиту внутри обитаемой зоны – что вызвало бы экстремальные перемены климата. Как это повлияло бы на развитие жизни – неизвестно.

      Новый анализ систем, где массивные  планеты обращаются на близком  от звезды расстоянии показывает, что Земля теоретически могла бы здесь удержаться в умеренной зоне. Однако и тут существует угроза – нынешние модели эволюции планетных систем показывают, что "ближние" Юпитеры заняли свое положение, мигрировав с более далеких орбит. Это значит, что при продвижении к Солнцу они могли "прихватить с собой" попавшиеся по пути планеты. А значит, и в таких системах Земля может возникнуть только после того, как массивные планеты мигрируют поближе к звезде.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение 
 

     В этом реферате я рассмотрела наиболее популярные гипотезы о происхождении  Солнечной  системы  и Земли,  связанные с именами И.Канта, П. Лапласа, Джинса, и О.Ю.Шмидта.

     В  гипотезе  И.Канта  рассматривается   образование Солнечной системы из холодного распыленного вещества.

     П.Лапласа рассматривал  образование   Солнечной  системы  из раскаленной газовой туманности.

     Согласно гипотезе  Джинса  образование  планет связывается с тем, что вблизи Солнца пролетала другая звезда и своим тяготением  вырвала  из Солнца исполинскую газовую струю,  которая затем сконденсировалась в планеты.

     Известный советский  исследователь   О.Ю.Шмидт полагал,  что планеты образовались из холодной пыли и частичек  замерзших газов.

     В  нарисованной картине остается много неясного.  Но  это  и понятно  -  трудно достоверно узнать,  что происходило миллиарды лет назад.  И все же можно сказать,  что наиболее признаваемой в современной науке является гипотеза О.Ю.Шмидта. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список литературы 
 

     1. Ф. Ю. Зигель. Астрономия в ее развитии. М., 1988. 159 с. 

     2.  И. С. Шкловский. Вселенная. Жизнь. Разум. М. 1987. 320 с. 

     3.  А. И.  Войцеховский.  Солнечная система - творение разума?

     // Знак Вопроса. с. 4-33. 

     4.  А. Н. Томилин. Занимательно о космогонии. М. 1975. 207 с.