Происхождение Солнечной системы. Гипотезы Канта, Лапласа и Джинса. Современные представления о происхождении и эволюции Солнечной системы.

Понятие о космогонии

• Вопросы происхождения и эволюции небесных тел изучаются в особом разделе астрономической науки,

который называется космогонией.

• Космогонические проблемы имеют большое значение для развития научного мировоззрения в целом и, т.о.,

они интересуют не только астрономов.

• Вместе с тем космогонические проблемы относятся к числу наиболее трудных астрономических задач.

• Проблема происхождения Солнечной системы относится к разделу планетной космогонии.

Основная гипотеза происхождения Солнечной системы

• Строение Солнечной системы обладает рядом закономерностей, указывающих на совместное образование всех планет и Солнца в едином процессе. Такими закономерностями являются:

1. Движение всех планет в одном направлении по эллиптическим орбитам, лежащим почти в одной плоскости.

2. Вращение Солнца в том же направлении вокруг оси, близкой к перпендикуляру к центральной плоскости планетной системы.

3. Осевое вращение в том же направлении большинства планет (за исключением Венеры и Урана).

4. Обращение в том же направлении большинства спутников планет.

5. Закономерное возрастание расстояний планет от Солнца.

6. Деление планет на родственные группы, отличающиеся по массе, химическому составу и количеству спутников.

Гипотезы Канта и Лапласа

• Ранние гипотезы происхождения Солнечной системы, одна из которых принадлежит Канту (1755), заключались в том, что Солнечная система образовалась из облака газа и пыли. В центре облака возникло Солнце, в периферийных частях – планеты.

• В 1796 г. Лаплас высказал предположение, что в процессе образования планет большую роль может играть вращение первичной туманности.

• При сжатии планетной туманности массой М на элемент массой m действуют две силы: сила тяжести F т и центробежная сила F цб:

• Центробежная сила при сжатии растёт быстрее, чем сила тяжести, а при их равенстве возникает т.н. ротационная неустойчивость, при которой туманность сплющивается, и с её экватора отделяется вещество. Из выброшенного вещества вокруг туманности образуются плоские кольца. Лаплас полагал, что газ, выброшенный из туманности, впоследствии конденсируется в планеты.

Гипотеза Джинса

• Неполнота гипотезы Канта – Лапласа заключается в следующем:

• В Солнечной системе 98% момента количества движения принадлежит планетам и только 2% – Солнцу. Если же момент количества движения отнести к единице массы (удельный угловой момент), то различие получается уже не в 50, а в 50 000 раз. Гипотезы Канта и Лапласа в их классической форме этого объяснить не могли, т.к. в первичной туманности перед началом сжатия все элементы равноправны и имеют одинаковые угловые скорости.

• В начале XX века Джинс предложил другую космогоническую гипотезу, которая как будто бы позволяла обойти эту трудность. В гипотезе Джинса предполагалось, что Солнце, как и другие звёзды, сформировались без планетной системы, а планетная система сформировалась только в результате катастрофы: другая звезда прошла рядом с Солнцем настолько близко, что вырвала из него часть вещества, в результате конденсации

которого образовались планеты.

Возражения против гипотезы Джинса следующие:

Вероятность достаточно близкого прохождения звёзд очень мала. Удельный угловой момент выброшенного из Солнца вещества не может быть больше, чем соответствующий угловой момент проходящей мимо звезды. Т.о., для образования Солнечной системы по Джинсу необходимо, чтобы Солнце и другая звезда встретились со скоростью около 5 000 км/с, что на порядок больше, чем параболическая скорость в Галактике (300 км/с).

Спектральный анализ показывает, что содержание лития и дейтерия на Солнце гораздо меньше, чем на Земле. Литий и дейтерий «выгорают» на Солнце в результате ядерных реакций, и если на планетах их больше, то это

означает, что планетное вещество отделилось от солнечного еще до того, как последнем начались ядерные реакции. Расчёт показывает, что для остывания и конденсации вырванного из Солнца газа необходимо несколько месяцев, а для разлёта газа – всего несколько часов.

Основные этапы происхождения и эволюции Солнечной системы

• Звёзды солнечного типа образуются в газопылевых комплексах с массой ≥ 105 M (Солнца).

• Известный пример такого комплекса – туманность Ориона, в которой идёт активное

звёздообразование.

• Возможно, и Солнце образовалось вместе с группой звёзд в ходе перемежающихся процессов сжатия и фрагментации подобной туманности.

Первый этап:

• Уплотнение облака межзвёздного вещества, состоящего из молекул (Н2, Н2О, ОН и др.) и пыли. • Возможно, что это уплотнение началось в результате взрыва сверхновой (СН) звезды под действием ударной волны, которая распространилась от неё во все стороны.

• Продукты этого взрыва проникли в межзвёздную пыль, которая вошла впоследствии в состав углистых хондритов. Следы этих продуктов обнаруживаются при тонком химическом и изотопном анализе этих метеоритов.

• Неоднородное сжатие продолжается в течение 102 – 103 лет.

Второй этап (a)

• Если в некотором объёме, заполненном газом и пылью, масса вещества превысит определённую критическую величину (порядка массы звезды), то оно начнёт сжиматься по действием

силы тяготения – происходит гравитационный коллапс.

• Начавшее сжиматься массивное облако, участвующее в общем вращении Галактики, не может сжаться до высокой плотности из-за большого момента количества движения. Поэтому облако распадается на фрагменты, один из которых впоследствии порождает Солнце и Солнечную систему. Часть момента вращения при этом переходит в момент относительного движения фрагментов.

Второй этап (b)

• В центре сжимающегося фрагмента образуется сгущение пыли и газа, которое является ядром аккреции.

• Процесс аккреции – это захват окружающей разреженной среды, приток которой постепенно

увеличивает массу ядра.

• Гравитационный коллапс продолжается в течение 103 – 105 лет.

Третий этап (a)

• Когда масса центрального сгущения достигает ~0,1 M (Солнца), вещество становится непрозрачным, температура возрастает и пыль испаряется. Это происходит через 104–105 лет после начала сжатия фрагмента.

• Вскоре после испарения пыли происходит диссоциация молекулярного водорода.

• Центральное сгущение сжимается, образуя газовую протозвезду – Протосолнце (ПС). Формирование протозвезды происходит всего за 10–100 лет.

Третий этап (b)

• Аккреция межзвёздного вещества Протосолнцем продолжается, его масса и радиус увеличиваются. Ещё примерно через 105 лет масса достигает современного значения, а радиус

становится примерно в 100 раз больше современного.

• Приток межзвёздного вещества прекращается. Начинается стадия гравитационного сжатия Протосолнца.

• В течение этого периода уже существует дискообразная газопылевая протопланетная туманность, центром которой является Протосолнце.

Третий этап (c)

• Протопланетная туманность формируется благодаря ротационной неустойчивости одновременно с Протосолнцем, но продолжает расти в процессе дальнейшей аккреции.

• Диск протопланетной туманности приобретает кольцевую структуру. Возможно, уже на этой стадии во внешней части диска начинается формирование планет-гигантов, которое идёт в общих чертах по тому же пути, что и образование Протосолнца, включая образование дисков, из которых впоследствии формируются системы спутников.

Третий этап (d)

• При этом часть пылевого вещества, испарившегося в перед образованием протозвезды, вновь возвращается в твёрдую фазу – происходит процесс конденсации, в котором возникли частицы обычных хондритов, в т.ч. сами хондры.

• Чтобы объяснить наблюдаемое распределение момента количества движения в Солнечной системе, в современных моделях предполагается, что газ в протопланетной туманности является частично ионизированным, а Протосолнце имеет значительное магнитное поле. В результате

взаимодействия плазмы и поля возникают газовые потоки, передающие момент в протопланетную туманность.

Четвёртый этап (a)

• Продолжается гравитационное сжатие Протосолнца. Его размеры уменьшаются, приближаясь к

современным.

• Солнечный ветер, интенсивность которого намного выше, чем в современную эпоху, выметает газ из внутренних областей протопланетной туманности. В результате этого во внутренней части будущей Солнечной системы возникают благоприятные условия для зародышей планет земной группы, а на периферии – газовых планет- гигантов.

Четвёртый этап (b)

• Пылевое вещество протопланетной туманности всё более конденсируется к некоторой средней плоскости. Пылинки сталкиваются всё чаще, появляются всё более крупные частицы. Идёт процесс аккумуляции твёрдых тел. Возникают планетезимали (зародыши планет) – крупные

тела, подобные астероидам.

• Сначала допланетные тела двигались по круговым орбитам в плоскости породившего их пылевого слоя. Они росли, сливаясь друг с другом, и вычерпывали окружающее рассеянное вещество. Гравитационное взаимодействие тел, усиливавшееся по мере их роста, постепенно изменяло их орбиты, увеличивая эксцентриситеты и наклоны к центральной плоскости диска.

Четвёртый этап (c)

Формируются несколько особо крупных тел, которые становятся ядрами аккреции, вокруг которых происходит формирование планет земной группы. При объединении в планеты многих тел произошло усреднение их индивидуальных характеристик движения, и поэтому орбиты

планет получились почти круговыми и копланарными. Количество планетезималей в эту эпоху очень велико. При столкновениях они не только объединяются, но часто и разрушаются. Такие

разрушения порождают дифференцированные метеориты. Этот этап продолжался около 100 млн. лет.

40. Экзапланеты. Методы обнаружения планет у других звёзд.

• Экзопланета (экстрасолнечная планета) — планета, обращающаяся вокруг звезды, отличной от Солнца, то есть не принадлежащая Солнечной системе.

• В настоящее время (октябрь 2011 года) известно 695 экзопланет в 571 планетный системе, причём в 81 обнаружено более одной планеты.

Астрометрический метод обнаружения экзопланет

Астрометрический метод. Т.к. планета и звезда обращаются вокруг общего центра масс, то при массе планеты порядка массы Юпитера и орбитальном периоде около 12 лет амплитуда периодических отклонений близкой (5 пк или 16,3 св. года) звезды от прямолинейной траектории,

обусловленной собственным движением звезды в Галактике, должна составлять около (0,5–1)*10–³". Такая величина слишком мала для того, чтобы быть уверенно зарегистрированной с поверхности Земли.

Затменный метод обнаружения экзопланет

Затменный (транзитный) метод. Ослабление света звезды при прохождении крупной планеты по её диску может достигать около 1%. Т.о., в случае затмения Солнца Юпитером продолжительность затмения составит около 27 часов, а период следования затмений – 12 лет, при глубине затмений ~0,01 ^m. С помощью такого метода открыто более 15% планет.

Гравитационная линза

• Гравитационная линза – массивный объект, искривляющий своим гравитационным полем направление распространения излучения. В результате этого возникают изображения-«духи» или «призраки», причём яркость «призраков» может быть много больше яркости самого линзируемого объекта.

• В качестве источника гравитационной линзы может выступать как светящийся массивный объект, так и тёмный. Во втором случае «призраки» видны особенно отчётливо.

• При микролинзировании звёзд скоплениями тёмных несветящихся тел (нейтронными звёздами, чёрными дырами, коричневыми карликами и др.) угловое разделение «призраков» слишком мало (около 0″,001), и они не наблюдаются раздельно. Однако при этом наблюдается изменение блеска линзируемой звезды, вызванное относительным перемещением звезды, линзы и наблюдателя.

• Повторное наблюдение невозможно. Метод чувствителен к планетам с малой массой, вплоть до земной. С помощью такого метода открыто около 5% планет.

Доплеровский метод обнаружения экзопланет

• Четвёртый способ – доплеровский, основанный на точном измерении доплеровских смещений линий в спектре звезды.

• Точность обычных измерений лучевых скоростей звёзд составляет величину порядка 1 км/с. Скорость орбитального движения Солнца вокруг общего с планетами центра масс ~13 м/с. В эту величину 12,5 м/с вносят гравитационные возмущения от Юпитера и 2,7 м/с – от Сатурна. Вклад остальных планет составляет менее 1 м/с.

• Т.о., для гарантированного обнаружения планеты при помощи доплеровского сдвига спектральных линий излучения, обусловленного возмущением движения звезды, необходима точность измерения лучевой скорости звезды порядка 1 м/с. В настоящее время такая точность уже достигнута, а с помощью такого способа открыто более 80% планет.