Современный взгляд на происхождение солнечной системы

 

 

3. Гипотеза П. 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 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 - Плеады) [11].

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. 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 туманности ведёт к уменьшению атмосферы, а уменьшение вращающегося тела непременно ведёт к увеличению угловой скорости его вращения. 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 имеют тем 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) [8].

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…[7]

 

 

 

 

 

 

4. Теория Джинса

 Облако межзвездного  вещества может изолировать себя  от окружающей среды и сжаться в звезду, только если его собственное гравитационное поле преодолеет действие теплового, магнитного и «центробежного» давлений.

В этом отношении  типичное межзвездное облако находится  в довольно невыгодном положении: оно имеет весьма малую плотность и, следовательно, небольшое отношение гравитационной энергии к кинетической. Кроме того, поскольку облако участвует во вращательном движении Галактики, оно имеет довольно большой момент количества движения. Оно наследует также магнитный момент из общего магнитного поля Галактики, который при сжатии облака в конце концов дает очень большую плотность магнитной энергии. Чтобы облако стало звездой, оно должно каким-то образом преодолеть несколько барьеров. По существу мы должны быть удовлетворены такой ситуацией; если бы путь образования звезд был легким, то все облака давно стали бы звездами и мы не смогли бы понять, почему после долгого существования Галактики мы все еще являемся свидетелями рождения звезд [6].

Тепловой барьер.

Джинс впервые исследовал эту старую проблему для бесконечной однородной среды, а впоследствии многие изучали ее для более реальных ситуаций. Результаты не очень сильно различаются, и критерий длины Джинса все еще достаточно хорошо описывает ситуацию для наших иллюстративных целей.

Этот критерий длины говорит, что облако может коллапсировать только тогда, когда время его свободного падения меньше времени распространения звуковой волны через все облако. Тогда тепловое движение не успевает противодействовать гравитационному притяжению.

В облаке с массой М, радиусом R, плотностью температурой Т скорость свободного падения равна [7]

и время свободного падения

для большинства  облаков заключено между 106 и 107 лет. Скорость звука vs определяется выражением

где Р - давление, у - отношение теплоемкостей. Отсюда Vs - 104 Т 1/2см/с (или -1 км/с для большинства облаков). Тогда минимальный размер облака будет

а масса (в солнечных  единицах)

Довольно похожее  соотношение получается, если потребовать, чтобы тепловая энергия Ет облака была меньше его гравитационной энергии Eg.

Типичная температура  облака Т = 100 К и плотность n_н = 10 см-3. Отсюда начальная масса должна быть >, 103 М<s , чтобы облако коллапсировало. Это прекрасно, так как мы знаем, что большинство звезд рождается в звездных скоплениях. Но тогда необходимо изучить процессы фрагментации, которые должны произойти, прежде чем образуются отдельные звезды (эту проблему изучал, в частности, Хойл в 1948 г.) [7].

Вероятно, возникновению  такого коллапса могут помочь случайные движения в газе. Подробно обсуждалась возможность того, что отдельные события, такие, как близкие взрывы сверхновых или световое давление близких молодых звезд, могут иногда способствовать этим «случайным» движениям.

Чтобы межзвездное облако или конденсация с массой, равной солнечной, были гравитационно связаны и способны сжаться в звезду, критерий Джинса требует, чтобы облако было гораздо плотнее и (или) холоднее по сравнению с типичными условиями в межзвездной среде. Последние радио- и оптические наблюдения показали, что измеренные температуры и плотности во многих темных облаках и глобулах находятся как раз в требуемых пределах величин, а поскольку эти темные облака часто связаны с очень молодыми звездами, то представляется вероятным, что они действительно являются областями, в которых образуются звезды. В темных облаках температуры колеблются в пределах от 5 до 20 К (типичное значение близко к 10 К). Чтобы при такой температуре начался гравитационный коллапс конденсации с массой, равной солнечной, плотность, согласно критерию Джинса, должна быть близка к 10~19г/См³. Соответствующий радиус равен примерно 1,6*1017 см. Согласие этих теоретических значений с наблюдаемыми свойствами некоторых глобул, описанных Боком и др., подтверждает предположение, что в основном начальные свойства протозвезд определяются критерием Джинса [10].

 

 

5. Теория О. Шмидта

В области астрономии Шмидт во главе коллектива ученых разработал космогоническую теорию «холодного» образования Земли  и других планет Солнечной системы  из газопылевого облака, окружавшего  Солнце. По этой теории, мелкие частицы  прото-планетного облака сначала слипались в тела небольших размеров, а затем уже в планеты. Особой заслугой Шмидта как теоретика было то, что он доказал принципиальную возможность захвата Солнцем случайно встреченного им протопланетного облака. Гипотеза Шмидта позволила дать объяснение распределению момента количества движения между Солнцем и планетами, впервые согласовывала между собой многие астрономические, геофизические и геологические факты: например, объясняла наблюдаемую закономерность в распределении планет Солнечной системы и хорошо согласовывалась с оценками возраста Земли по возрасту горных пород. Гипотеза Шмидта является важным вкладом в небесную механику и звездную динамику [2].

В количественной теории, развитой Шмидтом [12] этап эволюции играет основную роль. Однако один существенный эффект раньше не учитывался. Он обусловлен тем фактом, что столкновения между частицами на кеплеровских орбитах ведут не к расхождению, а к выравниванию орбит частиц в том важном случае, когда частота столкновений меньше частоты орбитального движения. Такая ситуация в любой теории указанного выше типа либо преобладает вначале, либо развивается благодаря аккумуляции. В результате частицы фокусируются в струйные потоки, в которых элементы орбит и скорости отдельных частиц становятся все более сходными между собой. Частично неупругие столкновения приводят к росту зародышей; некоторые из них в конце концов достигают таких размеров когда все более важной становится гравитационная аккумуляция.

 Важная роль  неупругих столкновений была понятна Лигондесу и даже Канту и несколько раз подчеркивалась академиком О. Ю. Шмидтом.

Одна из важных сторон теории О. Ю. Шмидта и ее последующего развития заключается в том, что в ней привлекается внимание к значению динамики твердых частиц и к процессам аккумуляции тел планетезимального типа как наиболее многообещающему пути для понимания роста тел до размеров планет.

В настоящее  время общепризнано, что планеты  образовались путем объединения твердых тел и частиц. В последжинсовскую космогонию эта идея впервые была ясно и четко внесена О. Ю. Шмидтом в 1944 г.

Шмидт [12] подчеркивал, что после того, как была показана возможность образования в процессе роста планет тел астероидных размеров, отпадает необходимость в каких-либо специальных гипотезах о происхождении астероидов. Близость массивного Юпитера, увеличившего относительные скорости тел, остановила процесс их аккумуляции в поясе астероидов на промежуточной стадии.

В различных  космогонических гипотезах вращение планет объясняется по-разному в зависимости от предложенного механизма их образования. Шмидт пытался объяснить прямое вращение планет из анализа общих уравнений сохранения энергии и момента количества движения вещества планеты в процессе его аккумуляции в одно тело. Однако в дальнейшем было показано, что одних уравнений сохранения для решения проблемы вращения планет недостаточно, так как при этом остаются неизвестными тепловые потери энергии при образовании планеты. И вращение планеты, и тепловые потери должны определяться конкретными условиями объединения тел в планету [5].

Неоднократно  подчеркивалось (в частности, Альвеном), что системы спутников имеют большое сходство с планетной системой и потому теория происхождения планет должна непременно включать в себя и аналогичное объяснение происхождения спутников. Этому требованию, например, не удовлетворяет гипотеза образования планет из газовых сгустков. Шмидт выдвинул идею об образовании спутников в едином процессе с планетой из твердых частиц и тел, захваченных гравитационным полем планеты при их неупругих столкновениях в ее окрестности. В образовавшемся вокруг планеты рое в уменьшенном масштабе протекали те же процессы, что и при образовании планет.

Начальное состояние  Земли определялось в первую очередь  ее начальной температурой. Гравитационной энергии, выделившейся при образовании Земли, было бы достаточно для нагревания ее вещества в среднем на 40 000. Но доля этой энергии, оставшаяся в недрах Земли, существенно зависела от способа ее формирования. Шмидтом была высказана важная идея об относительно холодном начальном состоянии Земли, оказавшая большое влияние на развитие геологии и геофизики [2].

 

6. Обзор теорий (английский, немецкий, русский, французский)

Форму Земли, на поверхности которой не равномерно распределились материки и океаны, сложно свести к какой-либо известной геометрической фигуре. И для нее было создано специальное название - геод, что в переводе с греческого означает - «Земля имеет форму, похожую на Землю», т.е. под геодом подразумевается только форма Земли. «Подобие можно поискать среди клубней картофеля», - шутили ученые.

Дальнейшие  исследования показали, что форма  нашей планеты гораздо сложнее  любой картофелины. На ее поверхности отражаются приливы и отливы. В районе северной полярной оси она выпукла, а в районе южной - вогнута. Судя по фотографиям, полученным с помощью искусственных спутников, Земля своими контурами, скорее всего, похожа на сердце. И она дышит! Это дало основания назвать землю кардиодом. «Вдох» Земли длится чуть более недели, немногим меньше — «выдох». «Вдох» — благоприятный период для всех землян. Во время «выдоха» планета как бы притормаживает, и для нас начинаются неприятности: аварии, техногенные катастрофы, стихийные бедствия [6].