Происхождение и строение Солнечной системы

6. Происхождение и строение Солнечной системы

В Солнечную систему входит Солнце, девять больших планет с их 34 спутниками, более 100 000 малых планет (астероидов), порядка 10¹¹ комет, а также бесчисленное количество мелких, так называемых метеорных тел (поперечником от 100 метров до ничтожно малых пылинок). Центральное положение в Солнечной системе занимает Солнце. Его масса приблизительно в 750 раз превосходит массу всех остальных тел, входящих в эту систему. Гравитационное притяжение Солнца является главной силой, определяющей движение всех вращающихся вокруг него тел Солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца до самой далекой от него планеты Плутон составляет 39,5 а. е., то есть 6 млрд. км, что очень мало по сравнению с расстояниями до ближайших звезд. Только некоторые кометы удаляются от Солнца на 10¹⁵ а. е. и подвергаются воздействию притяжения звезд.

Расстояния планет от Солнца образуют закономерную последовательность – промежутки между соседними орбитами возрастают с удалением от Солнца. Эти закономерности движения планет в сочетании с делением их на две группы по физическим свойствам указывают на то, что Солнечная система не является случайным собранием космических тел, а возникла в едином процессе. Поэтому изучение любого из тел Солнечной системы проливает свет на происхождение всей Солнечной системы, а вместе с тем и на происхождение, эволюцию и современное строение нашей Земли.

Благодаря почти круговой форме планетных орбит и большим промежуткам между ними исключена возможность тесных сближений между планетами, при которых они могли бы существенно изменять свое движение в результате взаимных притяжений. Это обеспечивает длительное существование планетной системы.

Все большие планеты – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон – обращаются вокруг Солнца в одном направлении (в направлении осевого вращения самого Солнца), по почти круговым орбитам, мало наклоненным друг к другу (и к солнечному экватору). Плоскость земной орбиты – эклиптика принимается за основную плоскость при отсчете наклонений орбит планет и других тел, обращающихся вокруг Солнца. Планеты вращаются также вокруг своей оси, причем у всех планет, кроме Венеры и Урана, вращение происходит в прямом направлении, то есть в том же направлении, что и их обращение вокруг Солнца. Чрезвычайно медленное вращение Венеры происходит в обратном направлении, а Уран вращается как бы лежа на боку.

Сатурн, Юпитер и Уран кроме отдельных спутников заметных размеров имеют множество мелких спутников, как бы сливающихся в сплошные кольца. Эти спутники движутся по орбитам, на столь близко расположенным к планете, что ее приливная сила не позволяет им объединиться в единое тело. Подавляющее большинство орбит ныне известных малых планет располагается в промежутке между орбитами Марса и Юпитера.

Все малые планеты обращаются вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, но их орбиты, как правило, вытянуты и наклонены к плоскости эклиптики. Кометы движутся в основном по орбитам, близким к параболическим. Некоторые кометы обладают вытянутыми орбитами сравнительно небольших размеров – в десятки и сотни а. е. У этих комет, называемых периодическими, преобладают прямые движения, то есть движения в направлении обращения планет.

Будучи вращающейся системой тел, Солнечная система обладает моментом количества движения (МКД). Главная часть его связана с орбитальным движением планет вокруг Солнца, причем массивные Юпитер и Сатурн дают около 90%. Осевое вращение Солнца заключает в себе лишь 2% общего МКД всей Солнечной системы, хотя масса Солнца составляет более 99,8% общей массы. Такое распределение МКД между Солнцем и планетами связано с медленным вращением Солнца и огромными размерами планетной системы – ее поперечник в несколько тысяч раз больше поперечника Солнца. Момент количества движения планеты приобрели в процессе своего возникновения: он перешел к ним от того вещества, из которого они образовались.

Основная масса вещества, движущегося вокруг Солнца, содержится в девяти больших планетах. К их числу принадлежит и наша Земля. Планеты делятся на две группы, отличающиеся по массе, химическому составу (это проявляется в различиях их плотности), скорости вращения и количеству спутников. По своим физическим характеристикам они делятся на планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс и планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Данных о девятой планете – Плутоне – пока мало, но уже ясно, что ее нельзя отнести ни к одной из этих групп.

Планеты земной группы (как и наша планета) состоят из оксидов и других соединений тяжелых химических элементов: железа, алюминия и других металлов, а также кремния и других неметаллов. Из всех химических элементов преобладает кислород, входящий в состав большинства соединений. Планеты-гиганты состоят в основном из водорода и гелия, а также таких соединений, как метан и аммиак. Химический состав этих планет близок к среднему химическому составу Солнца, в котором преобладают наиболее просто устроенные атомы водорода и гелия. Планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун – гораздо массивнее, состоят в основном из легких веществ и поэтому, несмотря на огромное давление в их недрах, имеют малую плотность. У Юпитера и Сатурна главную долю их массы составляют водород и гелий. В них содержится также до 20% каменистых веществ и легких соединений кислорода, углерода и азота, способных при низких температурах конденсироваться во льды. У Урана и Нептуна льды и каменистые вещества составляют главную часть их массы.

Недра планет и некоторых крупных спутников (например, Луны) находятся в раскаленном состоянии. У планет земной группы и спутников вследствие малой теплопроводимости наружных слоев внутреннее тепло очень медленно просачивается наружу и не оказывает заметного влияния на температуру поверхности. У планет-гигантов конвекция в их недрах приводит к заметному потоку тепла из недр, превосходящему поток, получаемый ими от Солнца.

Венера, Земля и Марс обладают атмосферами, состоящими из газов, выделившихся из их недр. У планет-гигантов атмосферы представляют собой непосредственное продолжение их недр: эти планеты не имеют твердой или жидкой поверхности. При погружении внутрь атмосферные газы постепенно переходят в конденсированное состояние.

Ядра комет по своему химическому составу родственны планетам-гигантам: они состоят из водяного льда и льдов различных газов с примесью каменистых веществ. Почти все малые планеты по своему составу относятся к каменистым планетам земной группы. Только недавно открытый астероид Хирон, движущийся в основном между орбитами Сатурна и Урана, вероятно, подобен ледяным ядрам комет и небольшим спутникам далеких от Солнца планет. Обломки малых планет, образующиеся при их столкновении друг с другом, иногда выпадают на Землю в виде метеоритов. У малых планет, именно вследствие их малых размеров, недра прогревались значительно меньше, чем у планет земной группы, и поэтому их вещество зачастую претерпело лишь небольшие изменения со времени их образования. Измерения возраста метеоритов (по содержанию радиоактивных элементов и продуктов их распада) показали, что они, а, следовательно, и вся Солнечная система существует около 5 млрд. лет. Этот возраст Солнечной системы находится в согласии с измерениями возрастов древнейших земных и лунных образцов.

Динамические и физические особенности строения Солнечной системы указывают на то, что планеты сформировались из газопылевого вещества, некогда образовавшего протопланетное облако вокруг Солнца. Планеты земной группы образовались в результате аккумуляции каменистых твердых частиц, а у планет-гигантов образование началось с аккумуляции каменисто-ледяных частиц, а потом на некотором этапе их роста дополнилось присоединением газов, в основном водорода и гелия.

Согласно современным представлениям, все тела, обращающиеся вокруг Солнца, имеют общее происхождение. Они возникли в ходе продолжавшегося несколько миллиардов лет процесса эволюции огромного первоначально холодного газопылевого облака, частицы которого двигались по самым разнообразным орбитам вокруг Солнца, находившегося тоже в стадии формирования.

Столкновение частиц и обмен энергией между ними приводили к изменению их орбит и формы облака в целом. Орбиты частиц становились круговыми, а облако постепенно сплющивалось. Крупные частицы присоединяли к себе мелкие, и эти сгустки образовывали вокруг Солнца диск, толщина которого была в тысячу раз меньше его диаметра.

В первоначально однородном по своему составу облаке происходило одновременно перераспределение вещества. Сильный нагрев облака вблизи Солнца привел к тому, что наиболее распространенные в нем водород и гелий улетучивались на окраины, а в его центральной части остались только твердые тугоплавкие частицы. Из них-то и образовались планеты земной группы. В удаленных от Солнца частях газопылевого облака царила низкая температура, поэтому газы здесь намерзали на твердые частицы. Планеты-гиганты образовались из этого вещества, в составе которого преобладает водород и гелий.

В планетах на протяжении миллиардов лет происходили процессы расплавления, кристаллизации и другие физико-химические процессы, которые значительно изменили первоначальный состав и строение вещества, из которого образовались все ныне существующие тела Солнечной системы.

Далеко не все сгустки выросли в планеты. Многие остались в Солнечной системе в виде астероидов, и более мелких метеоритных тел. На окраинах Солнечной системы эти сгустки в виде ледяных глыб существуют до сих пор. В этом космическом холодильнике в виде ядер комет сохранилось в неизменном виде вещество допланетного облака.

Современная наука решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия приводит серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Так, примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обнаружено избыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые, возможно, являются начальным этапом формирования планетных систем.

На протяжении нескольких лет канадскими учеными измерялись очень слабые периодические изменения скорости движения 16 звезд. Такие изменения возникают из-за возмущения движения звезды под действием гравитационного связанного с ней тела, размеры которого много меньше, чем у самой звезды. Обработка данных показала, что у десяти из шестнадцати звезд изменения скорости указывают на наличие около них планетных спутников, масса которых превышает массу Юпитера, по аналогии с Солнечной системой указывает на большую вероятность существования и семейства более мелких планет.

О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключений. Сегодня существует много гипотез о происхождении Солнечной системы. Согласно одной из самых интересных версий (Х. Альвена и Г. Аррениуса) Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад. Причем Солнце – звезда второго (или еще более позднего) поколения. Солнечная система возникла из продуктов жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых облаках. Авторы исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. К моменту, когда начали образовываться планеты, центральное тело системы уже существовало. Чтобы образовать планетную систему, центральное тело должно обладать магнитным полем, а пространство в его окрестностях должно быть заполнено разряженной плазмой. Без этого процесс планетообразования невозможен.

Солнце имеет магнитное поле. Источником плазмы служила корона молодого Солнца. Сегодня она стала меньше. Но даже сейчас планеты земной группы практически погружены в разряженную атмосферу Солнца, а солнечный ветер доносит ее частицы и к более далеким планетам.

Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и планет из одного массива вещества в одном нераздельном процессе. Они считают, что сначала из газопылевого облака возникает первичное тело, затем к нему извне поступает материал для образования вторичных тел. Мощное гравитационное воздействие центрального тела притягивает поток газовых и пылевых частиц, пронизывающих пространство, которому предстоит стать областью образования вторичных тел.

Для такого утверждения есть основания. Были подведены итоги многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов, Солнца, Земли. Обнаружены отклонения в изотопном составе тех же элементов на Солнце. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из одного газопылевого облака, из которого и образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила материалом для формирования метеоритов и частично планет. Смешение двух газопылевых облаков произошло примерно 4,5 млрд. лет назад, что и положило начало образованию Солнечной системы.

Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженную намагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца вырывались протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни миллионов километров и достигали орбиты современного Плутона. Токи в них существовали в сотни миллионов ампер и больше. Это способствовало стягиванию плазмы в узкие каналы. В них возникали разрывы, пробои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и неравномерной. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы вещества под действием гравитации падали к центральному телу. Но в короне они ионизировались и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела, т.е. с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по химическому и весовому составу. В конечном счете, выделилось 3-4 концентрических области, плотность частиц в которых примерно на 7 порядков превышала плотность таких же частиц в промежутках. Это объяснило тот факт, что вблизи Солнца расположены планеты, которые при относительно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5 г/см³), а планеты-гиганты имеют намного меньшую плотность (1 – 2 г/см³). Метеориты и кометы формировались на окраине Солнечной системы за орбитой Плутона. В отдаленных от Солнца областях существовала особая плазма, в ней механизм выпадения вещества еще работал, но струйные потоки, в которых рождаются планеты, образовываться не могли. Слипание выпавших частиц привело в этих областях к единственно возможному результату – к образованию каменных тел.

Сегодня есть уникальные сведения о планетных системах Юпитера, Сатурна, Урана. Можно уверенно говорить о наличии общих характерных особенностей у них и у Солнечной системы как целого.

Совсем недавно появилась еще одна версия происхождения Солнечной системы, согласно которой все тела, вращающиеся вокруг Солнца: планеты, кометы, астероиды, метеориты в разное время рождены в плазме Солнца и им же выведены на орбиты.Планеты выводились Солнцем на первоначальные (околосолнечные) орбиты через временные интервалы 1,2–1,7 млрд. лет в виде плотных слоистых сфер, имеющих температуру внутри, близкую к абсолютному нулю. Слои сферы были сложены атомами химических элементов: каждому слою соответствовал тот или иной химический элемент. Сферы имели горячую плазменную атмосферу и собственное свечение.

Орбиты планет не замкнутые, а спиралевидные, т.е. все планеты удаляются от Солнца. Рожденные первыми Нептун и Плутон, имеющие возраст около 12 млрд. лет, успели удалиться на окраину Солнечной системы, а молодой Меркурий, возраст которого 1,7 млрд. лет, вращается относительно недалеко от Солнца. Возможно, существует совсем юная планета, имеющая возраст десятки тысяч лет. Ее орбита находится в непосредственной близости от Солнца внутри его короны. Юная планета невелика, обладает собственным свечением, возможно, такой же яркости как Солнце и поэтому на фоне Солнца заметить ее довольно сложно.

Спутники планет-гигантов – Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна – рождены и выведены на орбиты самими планетами. То есть спутники названных планет – это «внуки» Солнца. Удаляются от Солнца, обращаясь по более сложным, но не замкнутым, орбитам и остальные тела Солнечной системы. Кометы, имеющие параболические орбиты, скорее всего, пришельцы из других звездных систем.

Дифференциация химического состава планет позволяет предположить, что в процессе образования химических элементов в плазме Солнца должна существовать некоторая эволюционная периодичность, направленная от простых элементов к более сложным. Рождение планеты соответствует завершению образования химических элементов того или иного периода периодической системы Менделеева. Рожденные первыми внешние планеты (Плутон, Нептун, Сатурн, Юпитер) сложены химическими элементами 1–4-го периодов. Элементов более высоких периодов во время их образования на Солнце еще не было. Земля родилась 7-ой по счету, если считать Нептун и Плутон, родившимися совместно. Поэтому в химическом составе Земли наблюдается 7 периодов элементов. Марс был рожден шестым, поэтому в его химическом составе должны отсутствовать все элементы 7-го периода или частично, например, уран. По этой же причине, возможно, что на Венере, Меркурии и Юной планете могут быть новые более сложные и тяжелые элементы с порядковыми номерами значительно выше урановых.

Земля зародилась в плазме Солнца и выведена им на околосолнечную орбиту более 4,5 млрд. лет назад. Новорожденная была довольно шустрой. Она облетала вокруг Солнца примерно за 8 часов, а на оборот вокруг своей оси затрачивала около одного часа. Юная Земля представляла собой сферу радиусом в 1,5–2 раза меньше радиуса современной Земли. Внутри сфера имела тонкослоистое строение, где каждый слой плотностью от 5 до 500 м (всего 150–200 тыс. слоев) был сложен тем или иным элементом периодической таблицы Менделеева и имел температуру, близкую к абсолютному нулю. Поверхность Земли имела тонкий расплавленный слой, образовавшийся вследствие разогрева замороженных атомарных слоев и перехода их в молекулярное состояние еще в плазме Солнца. Поверхностный слой представлял собой магму основного состава с температурой выше 1500 градусов. У Земли была горячая плазменная атмосфера, поэтому юная Земля светилась как звезда.

На околосолнечной орбите под действием мощных центробежных сил, имевших место вследствие быстрого осевого вращения Земли, часть расплавленного слоя в виде большой капли отделилась от Земли и стала вращаться вокруг нее. Так образовалась Луна. За 4,5 млрд. лет Земля и Луна удалились по спирали от Солнца и заняли предопределенные им законом тяготения современные орбиты. Луна за это время изменилась не сильно. Она лишь остыла и увеличила околоземный радиус орбиты. В настоящее время Луна представляет собой практически однородную сферу, выполненную магматическими породами основного состава. В ядре Луны не исключено присутствие еще не остывшей расплавленной магмы также основного состава.

Основные понятия темы:

Вселенная – (1) весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве, и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.

 – (2) часть материального мира, которая доступна исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки.

Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.

Космогония – учение о происхождении и эволюции космических тел и их систем.

Космология – учение о Вселенной как целом, основанное на исследовании той ее части, которая доступна для астрономических наблюдений и других способов ее изучения.

Сингулярность – начальное сверхплотное состояние Вселенной.

Галактика – гигантские (до сотен миллиардов звезд) звездные системы.

Звезда – самосветящееся небесное тело, состоящее из раскаленных газов.

Протозвезда – обособившиеся из газопылевого облака в результате его гравитационной неустойчивости плотной конденсации вещества, в недрах которых еще не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерных реакций – основного источника энергии звезд.

Белые карлики – звезды, отличающиеся большой плотностью вещества, имеющие размеры и светимость, в сотни и тысячи раз меньшие, чем размеры и светимость Солнца, и вместе с тем высокую температуру.

Красный гигант – звезда высокой светимости, в сотни и тысячи раз превышающая размеры Солнца.

Сверхновая звезда – звезда, излучающая во время вспышки свет в сотни миллионов раз интенсивнее, чем Солнце.

«Черная дыра» – космический объект, обладающий гигантскими силами тяготения и ничего из себя не выпускающий.

Квазар – мощный источник космического радиоизлучения, представляет собой, скорее всего, исключительно активные ядра очень далеких галактик.

Пульсар – источник космического радиоизлучения с очень большой стабильностью периода.

Планета – массивное небесное тело шарообразной формы, которое движется вокруг Солнца и светит отраженным светом.

Астероид – малые планеты.

Реликтовое излучение – фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 К.

Световой год – единица для измерения расстояний во Вселенной, соответствует длине пути, который проходит свет за 1 год.

Тема 10. Пространство и время в современной научной картине мира