Планетная космогония

Космогония - это изучение происхождения космических систем и объектов, в частности Солнечной системы. С тех пор, как Р.Декарт в 1644 г. предпринял первые попытки применить научные методы в той области знаний, которую теперь назвали бы космологией, было предложено множество различных теорий образования Солнечной системы. Согласно теории «вихрей» Декарта и её более современным версиям, предполагается существование начальной турбулентности, из которой формируются планеты. Такие теории были отвергнуты, поскольку никакого известного механизма создания турбулентности нет. Приливные теории постулируют близкий подход к Солнцу другой звезды, в результате чего часть солнечного вещества отрывается от Солнца и конденсируется в планеты. Такие события теперь также оцениваются как маловероятные. Более вероятными считаются приливные механизмы взаимодействия звёзд и гигантских молекулярных облаков.

Согласно современным представлениям, Солнечная система образовалась из медленно вращающегося газового облака. По мере сжатия облака формировалось плотное непрозрачное ядро (которое, в конечном счете, должно было стать Солнцем), окружённое диском газа и пыли. Впервые эту теорию туманности предложили Кант в 1755 г. и Лаплас в 1796 г. В последнее время гипотезы о механизме формирования планет внутри диска претерпели значительные изменения. Сейчас наибольшее распространение получила гипотеза о постепенном накоплении вещества планет путём аккреции (процесс, при которым маленькие частицы вещества присоединяются к большим массам (или поглощаются ими) под действием взаимной гравитации или при случайных столкновениях, в результате чего постепенно образуются большие небесные тела). Различие между внутренними твёрдыми планетами и внешними газовыми гигантами обусловлено уменьшением нагрева со стороны Солнца.

Жорж-Луи Леклер граф де Бюффон и первая настоящая гипотеза космогонии

В 1749-м году француз Бюффон в первом томе его книги «Естественная история» предложил одну из первых космогонических гипотез, ставших известных в научном мире после того, как Коперник «поместил» Солнце в центр мира.

По его мнению, однажды большая комета столкнулась с Солнцем, благодаря чему произошёл выброс солнечного вещества. Это вещество, разбившись на части, образовало планеты и их спутники. Бюффон не задаётся вопросом о происхождении комет и Солнца. Он считал кометы телами, не принадлежащими Солнечной системе. Кроме того, он ошибочно полагает, что Солнце и кометы являются твёрдыми телами. При скользящем столкновении гигантской кометы с таким Солнцем, последнее должно было приобрести вращение и потерять часть своей массы, которая, расплавившись при ударе, смогла бы образовать вращающиеся вокруг Солнца тела. При этом, все будущие планеты должны приобрести то движение, которое и наблюдается в Солнечной системе: в одном направлении, в плоскости, близкой к плоскости экватора Солнца. Бюффон попытался объяснить наиболее значимые особенности существования нашей планетной системы.

По Бюффону, спутники планет образовались ещё на той стадии, когда сами планеты были жидкими и имели значительную скорость вращения вокруг собственной оси. Из-за быстрого вращения от экваторов планет должны были отделяться частицы вещества, которое и пошло на образование спутников. Как мы увидим, в других космогонических гипотезах эта идея отрыва вещества от быстро вращающихся тел не останется не замеченной.

Очевидны ошибки Бюффона. Солнце, конечно, вовсе не твёрдое, а кометы обладают столь ничтожными массами, что хоть как-то повлиять своим столкновением с гигантским светилом они просто не в состоянии. Исследования Земли говорят нам, что наша планета никогда не переживала время жидкого (расплавленного) состояния, что тоже противоречит идеям Бюффона. Кроме того, выброшенное вещество неминуемо должно было, описав эллиптическую дугу, «упасть» обратно на Солнце. И уж совсем невероятно, что все планеты после столь неуправляемой катастрофы стали двигаться по почти круговым орбитам, подчиняясь при этом некому правилу (закон Тициуса-Боде). Эта формула говорит о том, что расстояния между орбитами планет и орбитой Меркурия возрастают по закону геометрической прогрессии со знаменателем, примерно равным двойке (Нептун выпадает). Очень скоро гипотеза Бюффона попала под критику Пьера Симона Лапласа и навсегда покинула научную сцену.

    Небулярная гипотеза Иммануила Канта

Через несколько лет после появления во Франции гипотезы Бюффона, а точнее в 1755-м году, в Германии известный философ Иммануил Кант, будучи ещё молодым домашним учителем, выпустил книгу «Всеобщая естественная история и теория неба, или исследование о составе и механическом происхождении всего мироздания, построенное на основе принципов Ньютона». До 1791-го года книга оставалась неизвестной, тем более Кант не поставил своего имени на титульном листе, оставив сочинение анонимным.

Кант приписывает Богу лишь создание самой материи и наделение её наблюдаемыми свойствами. Всё остальное развитие Мира происходит без участия Творца. Кант считал, что первоначально материя была сильно разряжена и составляла так называемый Хаос. Подобное начало, надо сказать, встречалось и в древнегреческих философских трудах. Хаос Канта состоял из мелких пылевых частиц, находящихся в покое. Этот покой мог быть лишь в самом начале, сразу после создания Хаоса Богом. После этого отправного момента материя приходит в движение, подчиняясь законам Ньютона. Более массивные частицы начинают из окружающего их пространства притягивать к себе легкие пылинки. Так в Хаосе появились первые сгущения материи. Эти сгущения росли и объединялись в большие шары, из которых и образовались звёзды. Кант понимал, что, следуя только этой логике, он должен был завершить развитие Мира образованием только одного шара. Поэтому он наделил частицы материи ещё и свойством упругости: при столкновении частицы могли отскакивать друг от друга, меняя направление движения, друг друга.

В процессе этих столкновений, как полагал Кант, вблизи каждого большого тела случайным образом должно начать преобладать одно направление движения. Как считал философ, двигаясь по параллельным траекториям, частицы меньше сталкиваются. Таким образом, вблизи каждого шара небольшое количество вещества вовлекается во вращение вокруг центрального тела. Траектории частиц проходят через центр большого шара и лежат в плоскости его экватора: центральное тело раскручивается в ту же сторону, что и большая часть частиц. Так у звёзд могут появиться планеты, а у планет - спутники, причём вращение всех тел одной системы (такой, как Солнечная) происходит в одном направлении.

Происхождение колец Сатурна Кант объяснил слишком быстрым начальным вращением планеты, от которой под действием центробежных сил отделилась часть вещества.   Как видим, здесь гипотеза Канта в чём-то перекликается с идеями Бюффона.

Основной ошибкой Канта является неверное представление о возникновении вращательного движения из прямолинейного движения. Такое не может произойти само по себе в замкнутой системе, которой является Хаос Канта. Для того чтобы это движение началось, нужно воздействие извне, а ни какое материальное тело, ни Творец такого влияния на Хаос не оказывали. Частицы Хаоса Канта и впрямь должны были собраться, в итоге, в одно Мировое Солнце, без планет, спутников и колец.

Гипотеза Канта впервые предположила образование Солнца и планет из туманности. Такие гипотезы называют небулярными («туманностными») Одна из небулярных гипотез в наше время является общепринятой. Идеи же самого немецкого философа не имели верных предпосылок и точного математического объяснения.

Гипотеза Пьера-Симона Лапласа

В 1796-м году впервые увидела свет космогоническая гипотеза французского учёного Лапласа. Во многом её считают схожей с идеей Канта, но исторические исследования говорят нам о том, что Лаплас не был знаком с трудом немецкого философа. Но зато Лаплас знал и критически отзывался о предположениях своего соотечественника Бюффона.

Не пытаясь объять необъятное, Лаплас начинает рассказ о рождении Солнечной системы с уже существующей вращающейся газовой туманности, имеющей центральное сгущение - Солнце. Не имея знаний и доказательных наблюдений, Лаплас не стал измышлять способы образования таких туманностей. Важно то, что в согласии с наблюдениями англичанина Вильяма Гершеля, можно было с уверенностью сказать, что подобные туманности существуют. Гершель обнаружил много различных туманностей, в том числе и те, в которые были погружены отдельные звёзды (пример его наблюдений – Плеяды-  рассеянное звездное скопление).

Туманность представляла собою, по мнению Лапласа, как бы разогретую атмосферу центрального тела. Эта атмосфера вращалась с единой угловой скоростью, то есть каждая частица атмосферы совершала оборот вокруг Солнца за один и тот же промежуток времени. Это не согласуется с законами Кеплера, однако, мы имеем место с целостным объектом - атмосферой, скорости молекул в которой выравниваются благодаря взаимному действию друг на друга. Также Лаплас совершенно верно указывает на то, что такая туманность должна со временем сжиматься к экваториальной плоскости, где орбиты частиц устойчивы, так как их плоскости проходят здесь через центр тяготения. Чем больше скорость вращения, тем больше сжатие.

Далее Лаплас рисует картину остывания туманности. В соответствие законам физики, остывание ведёт к уменьшению атмосферы, а уменьшение вращающегося тела непременно ведёт к увеличению угловой скорости его вращения (закон сохранения момента импульса). Лаплас полагал, что в один момент времени скорость вращения возрастает настолько, что центробежная сила на экваторе туманности становится равной силе тяготения. Частицы, попадающие под это равенство, теряют связь с туманностью и отслаиваются от неё, образуя газовое кольцо, вращающееся с постоянной угловой скоростью независимо от первоначальной туманности. Туманность при этом сжимается дальше, увеличивая скорость вращения. Явление отделение колец происходит несколько раз. Кольца имею большую скорость, чем ближе они расположены к Солнцу.

Наконец, скорость вращения Солнца должна быть ещё больше, чем скорость вращения ближайшего к нему кольца. Как Вы понимаете, из колец, по уразумению Лапласа, образовались планеты, из схожих колец вокруг планет - спутники и, собственно, наблюдаемые кольца (в те времена известны были лишь кольца Сатурна). Лаплас видел подтверждения своей гипотезе в том, что периоды обращения планет уменьшаются с приближением к Солнцу, а Солнце имеет ещё меньший период обращения вокруг своей оси (Меркурий - 88 суток, Солнце - 25 суток).

Неоднородности колец Лапласа позволили образоваться сгущениям, а затем - планетам или спутникам. Если кольцо очень однородно, то, как считал Лаплас, оно остаётся кольцом. Как доказательство он приводил кольца Сатурна, каждое из которых считал газовым и сплошным. Вращение планет Лаплас объясняет тем, что каждое кольцо, породившее планету, имело одну скорость вращения вокруг Солнца, то есть, вращалось как одно целое. При этом частицы, внешней части кольца должны были двигаться с большей скоростью, чем частицы внутренних областей. Они-то и подгоняли внешний край образующейся планеты, подкручивая её в направлении своего движения.

Так Лаплас «получил» планеты, вращающиеся по круговым орбитам в одном направлении, со скоростями, возрастающими с приближением к Солнцу, вращающиеся вокруг оси в одну сторону, со спутниками, вращающимися в ту же сторону, и кольцами. Об исключениях во вращении Урана и Венеры тогда ещё было неизвестно. Кометы Лаплас считал телами, приходящими в Солнечную систему извне, ссылаясь на параболичность их орбит, и не рассматривал их возникновение в рамках своей теории.

С точки зрения нынешних воззрений, Лаплас совершил несколько ошибок, важнейшей из которых является его основная идея о кольцевом происхождении планет и спутников. Отделение частиц от вращающейся туманности должно было происходить не кольцами, а непрерывно, иначе говоря, всё здание теории Лапласа рушится. Также неверно его предположение о целостной природе кольца Сатурна. Теперь известно, что состоит оно из множества свободных частиц, вращение каждой из которых подчиняется законам Кеплера. Неверно исключил он и кометы из Солнечной системы.

Однако, Лаплас, как и Кант (их гипотезы часто называют одной теорией Канта-Лапласа) сделал ещё один шаг вперёд к истине, причём в своей гипотезе он пытался придерживаться принципов научности и доказуемости настолько, насколько это было возможно в то время. Он избегал вмешательства Бога в жизнь Солнечной системы и всякого несоответствия своих предположений астрономическим наблюдениям. Впрочем, ему тонко намекали, что Солнце слишком медленно вращается сейчас, чтобы в прошлом от него могли отделяться кольца…

Гипотеза Джеймса Хопвуда Джинса

Джеймс Хопвуд Джинс, английский учёный, в начале 20-го века изложил очень популярную теорию, потерявшую свою силу лишь во второй половине того же века. Эта теория описывала происхождение Солнечной системы. Джинс сумел разработать проблему гравитационной неустойчивости, благодаря чему научно было обосновано происхождение небесных тел из разреженных сред, какими являются газовые и газопылевые туманности. То, что Лаплас и Кант считали само самой разумеющимся, пусть и не без оснований, Джинс сумел перевести на язык физики и математики.

Гипотеза Джинса, главным образом, знаменита тем, что в ней вещество, из которого образовались планеты, появилось весьма интересным способом. По мнению Джинса, в далёком прошлом мимо Солнца на очень близком расстоянии пролетала некая звезда, которая своим гравитационным воздействием вырвала с поверхности нашего светила часть вещества. Это вещество, разбившись, в дальнейшем, на части, образовало планеты. Но сегодня доказано, что подобный выброс не мог стать прародителем планет.

Как и в ходе кометной катастрофы Бюффона, выброшенное вещество должно было бы вернуться на Солнце, или, в крайнем случае, оно было бы увлечёно проходившей мимо звездой, что, в итоге, повлекло бы падение солнечного вещества на неё. Доказано, что благодаря такому сближению звёзд образование значительного количества материи, вращающейся вокруг Солнца, невозможно. К тому же (и это тоже доказано), планеты не переживали стадию полного расплавления.

Гипотеза О. Ю. Шмидта

В середине 20-го века Отто Юльевич Шмидт, советский учёный, изложил теорию о происхождении планетной системы, нашей и любой ей подобной. Шмидт, его последователи, а также авторы других подобных гипотез — об образовании планет в околосолнечном газопылевом облаке (именно к газопылевому от чисто «метеоритного», т. е. пылевого облака Шмидт перешел в развитии своей гипотезы) — допускали генетическую связь Солнца и протопланетного облака.  Ещё на ранних стадиях возникновения этого облака оно приобрело вращение, благодаря которому возник именно вращающийся сплюснутый диск, а не шар.

Начальный диск на 98-99% состоял из водорода и гелия. Остальные элементы были представлены в ничтожном количестве, однако именно с их наличием сегодня связывают возникновение планет. При остывании облака тугоплавкие вещества (такие как железо, кремний, титан, никель, их соединения и др.) начинали конденсироваться в пылинки. Но для конденсации таких газов как водород и гелий понадобились бы столь низкие температуры и высокие давления, что в естественных условиях газопылевого облака такой конденсации никогда бы не произошло. Кроме того, в до планетном облаке не было подходящих условий для существования большинства веществ в жидком состоянии.      Поэтому газы, более тяжёлые, чем гелий и водород, сразу образовывали твёрдые частицы, жидкую фазу. Так же, к примеру, ведут себя пары воды на Марсе.

Благодаря относительно большой массе, пылинки стремились приобрести более устойчивое движение, перемещаясь к центру диска. Постепенно образовался тонкий пылевой диск внутри толстого газопылевого. С охлаждением облака, число и размеры пылинок росли, плотность пылевого диска увеличивалась, а остальная часть начального диска становилась всё разреженнее. В конце концов, пылевой диск стал во много раз тоньше своего диаметра.

Состав этого пылевого диска был неодинаков в разных его частях и зависел от расстояния до Солнца. Внутренние прогретые Солнцем области состояли только из пылинок тугоплавких веществ. С удалением от центрального светила температура падает, и всё больше веществ могло образовывать твёрдые частички. Водяные пары, например, судя по современным исследованиям, могли переходить в лёд только где-то в районе орбиты Юпитера. С удалением от Солнца падала также и плотность диска. Солнечный ветер выдувал лёгкие молекулы газа из внутренних частей Солнечной системы быстрее, чем из внешних. Из-за этого газ вскоре почти покинул близкие к Солнцу области.

Постепенное охлаждение облака способствовало образованию бессчётного количества соединений, по большей части входивших в растущие пылинки. По законам физики, газы конденсируются именно на уже существующих пылинках, нежели образуют новые.

Ко времени, когда завершилось образование тонкого пылевого диска, его плотность в десятки раз превышала плотность окружающего газа. Размеры твёрдых частиц достигли нескольких сантиметров. Диск стал, как говорят, гравитационно-неустойчивым: случайные уплотнения в нём не рассеивались, а наоборот росли, а разрежения - опустошались за счёт увеличения уплотнений. Этот процесс завершился образованием миллионов тел размером в несколько километров. Такие тела и стали зародышами планет. Их назвали планетезималями. Состав их был неодинаков, в соответствие с температурными условиями и плотностью изначального диска, которые, зависели от расстояния до Солнца.

В течение последующих нескольких сот миллионов лет шёл рост самых больших до планетных тел и разрушение малых. Малые до планетные тела также выбрасывались из Солнечной системы гравитационным влиянием массивных планетезималей.

Рост будущего Юпитера шёл быстрее всего: он находился в той области Солнечной системы, где уже образовывались ледяные водные частицы. Они-то и способствовали быстрому начальному росту гиганта. Вторым важным обстоятельством роста Юпитера, давшим ему преимущество перед остальными планетами-гигантами, было более близкое его расположение к Солнцу, где плотность пылевого диска была выше. Зародыши Сатурна, Урана и Нептуна из-за меньшей плотности диска в районах их образования отстали в росте от Юпитера. Юпитер успел вобрать в свою атмосферу огромное количество газа, пока тот ещё не был рассеян солнечным ветром. Сегодня мы видим, что Юпитер больше всех остальных планет вместе взятых по массе.

Планеты земной группы, хотя и образовывались в самой плотной части до планетного диска, не смогли стать самыми массивными планетами Солнечной системы. Близко к Солнцу из-за высокой температуры и плотных потоков солнечного ветра твёрдые частицы образовывались без особого энтузиазма. Так Солнечная система получила маленькие планеты около Солнца, состоящие, в основном из кремния, железа и их соединений. Среди этих планет только Венера и Земля обладают достаточными массами, чтобы удерживать возле себя атмосферу, да и то состоящую лишь из тяжёлых газов, молекулы которых не так проворны. Поэтому Луна и Меркурий не имеют газовой оболочки, а Марс почти всю её уже растерял.

Планеты-гиганты имеют твёрдые ядра в 2-3 массы Земли и мощную газовую оболочку. После того, как зародыши этих планет достаточно выросли, чтобы удерживать молекулы газа. Так как газа с каждым годом становилось всё меньше, атмосферы планет-гигантов развились по-разному. Первым вырос зародыш Юпитера. Ко времени, когда нужную массу обрёл Сатурн, газа осталось значительно меньше, и теперь Сатурн втрое уступает по массе Юпитеру. Уран и Нептун ещё в шесть раз беднее своими атмосферами