Солнечная система. Происхождение и эволюция

Согласно этим гипотезам, время от времени в пределы  Солнечной системы входят небесные тела извне, т. е. из других частей Галактики, из других галактик и из межгалактического  пространства. Под влиянием различных факторов: притяжения Солнцем и планетами, столкновения с другими блуждающими небесными телами или астероидами и кометами Солнечной системы, либо при прохождении через газово-пылевое облако, в котором как раз находится Солнечная система при своем обращении вокруг центра Галактики - под влиянием этих факторов инородные тела тормозятся и, погасив скорость своего движения, становятся пленниками Солнца или одной из планет Солнечной системы, перейдя с гиперболической орбиты на эллиптическую.Однако, избежав целого ряда противоречий, свойственных небулярным гипотезам, гипотезы захвата имеют другие, специфические противоречия, не свойственные небулярным гипотезам. Прежде всего, возникает серьезное сомнение, может ли крупное небесное тело, такое, как планета, особенно планета-гигант, так сильно затормозиться, чтобы перейти с гиперболической орбиты на эллиптическую. Очевидно, ни пылевая туманность, ни притяжение Солнца или планеты не могут создать такой силы тормозящий эффект.Остается столкновение. Но не разлетятся ли вдребезги на мелкие куски две планетозимали при своем столкновении? Ведь под влиянием притяжения Солнца, вблизи которого должно произойти столкновение, они разовьют большие скорости, в десятки км. в секунду. Можно предположить, что обе планетозимали рассыплются на осколки и частично упадут на поверхность Солнца, а частично умчатся в космическое пространство в виде большого роя метеоритов. И только, быть может, несколько осколков будут захвачены Солнцем или одной из его планет и превратятся в их спутники - астероиды.

Второе возражение, которое  выдвигают оппоненты авторам  гипотез захвата, относится к  вероятности такого столкновения. По расчетам, выполненным многими небесными  механиками, вероятность столкновения двух крупных небесных тел вблизи третьего, еще более крупного небесного  тела, очень мала, так что одно столкновение может произойти за сотни миллионов лет. А ведь это  столкновение должно произойти очень  «удачно», т. е. столкнувшиеся небесные тела должны иметь определенные массы, направления и скорости движения и столкнуться они должны в  определенном месте Солнечной системы. И при этом они должны не только перейти на почти круговую орбиту, но и остаться целыми и невредимыми. А это нелегкая задача для природы.Кроме того, можно поставить и такой вопрос авторам гипотез захвата: а имеются ли в космическом пространстве блуждающие, «бездомные» небесные тела, да еще такие крупные, как планеты-гиганты? Если имеются, то почему они до сих нор не столкнулись с одной из многочисленных в Галактике звезд, мимо которых они двигались в течение миллиардов лет? И как возникли блуждающие планеты-гиганты в космическом пространстве? Можно предположить, что скорее всего все небесные тела мирового пространства движутся по эллиптическим орбитам вокруг того иди иного центрального тела: планеты, звезды, центра галактики и т. д. А это в огромной степени уменьшает вероятность столкновения двух крупных небесных тел вблизи третьего, еще более крупного тела.

Но допустим все же, что  захват произошел. Тогда возникает  ряд вопросов. Почему все захваченные  планеты и большинство других небесных тел Солнечной системы  обращаются вокруг Солнца в одном  направлении и почти в одной  плоскости? Почему они имеют почти  круговые орбиты? Почему вблизи Солнца располагаются небольшие планеты  земной группы, а вдали - планеты-гиганты? Почему в межпланетных расстояниях  имеется определенная закономерность? Почему одни планеты вращаются вокруг своей оси в прямом направлении, а другие (Венера, Уран) - в обратном? Гипотезы захвата не дают ответа на эти вопросы, по крайней мере, на все. Что же касается захвата блуждающих планетозималей без столкновения, за счет одной лишь силы гравитационного притяжения (при помощи третьего тела), то такой захват либо невозможен, либо его вероятность ничтожна мала, настолько мала, что такой захват можно считать не закономерностью, а редчайшей случайностью. А между тем в Солнечной системе имеется большое количество крупных тел: планет, их спутников, астероидов и больших комет, что опровергает гипотезы захвата.

3. Другие гипотезы

Помимо гипотез захвата  и небулярных гипотез существуют гипотезы, согласно которым планеты  и другие небесные тела Солнечной  системы образовались в результате выбросов или отрыва от Солнца части  его вещества, то ли при вспышке (новой, сверхновой), то ли в результате быстрого вращения в прошлом Солнца вокруг своей оси.

Но небесные механики доказали, что если в каком-то месте с  поверхности Солнца произойдет выброс, то выброшенное вещество либо уйдет  от Солнца в межзвездное пространство по гиперболической орбите и рассеется, либо, если оно будет двигаться  по эллипсу, облетит вокруг Солнца и  упадет на него в том же самом  месте. Образоваться же из этого сгустка  газа планеты не могут. А если бы планета, хотя бы одна, вопреки расчетам небесных механиков, все же образовалась, то она, надо полагать, состояла бы из газов  (водорода и гелия) которые образуют внешнюю оболочку Солнца и других звезд. А откуда же в планетах силикатная компонента - горные породы и металлы?Кроме того, гипотезы образования планет из солнечного вещества не в состоянии объяснить, почему третья часть спутников планет Солнечной системы обращается по своим орбитам в обратном, по отношению к Солнечной системе, направлении; почему половина планет Солнечной системы имеет большие наклонения плоскостей экваторов к плоскостям своих орбит; почему орбиты планет являются почти круговыми; почему одни планеты вращаются вокруг своей оси в прямом направлении, а другие в обратном т. д.

Из гипотез происхождения  Солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского  астрофизика X. Альвена, усовершенствованная Ф. Хойлом.. Альвен исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку.Слабость предложенной гипотезы заключалась в том, что атомы наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых элементов - дальше. Значит, ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших элементов - водорода и гелия, а более отдаленные - из железа и никеля. Наблюдения говорят об обратном. Чтобы преодолеть эту трудность, английский астроном Ф. Хойл предложил новый вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества Движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты. Если предположить, что первоначальная туманность уже обладала магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента.

Трудностями и противоречиями гипотезы Хойла являются следующие: во-первых, нелегко представить, как могли "отсортироваться" избыточный водород и гелий в первоначальном газовом диске, из которого образовались планеты, поскольку химический состав планет явно отличен от химического состава Солнца; во-вторых, не совсем ясно, каким образом легкие газы покинули Солнечную систему (процесс испарения, предлагаемый Хойлом, сталкивается со значительными трудностями); в-третьих, главной трудностью гипотезы Хойла является требование слишком сильного магнитного поля у "протосолнца", резко противоречащее современным астрофизическим представлениям.

Исследования послевоенных лет привели к некоторому прояснению нашего происхождения. Как уже считается  доказанным, Вселенная родилась примерно 15-20 млрд. лет назад в результате "большого взрыва". Спустя миллиард лет из смеси водорода и гелия, заполнявших все пространство, началось образование галактик. Первые звезды, образовавшиеся в те времена, все  еще видны в шаровых скоплениях и в центрах галактик. Вслед  за ними образовались спиральные рукава.

Наиболее массивные звезды, сформировавшиеся в самом начале, прошли очень быструю эволюцию, при  которой водород превращался  в более тяжелые элементы (в  том числе углерод и кислород), а вновь образованное вещество выбрасывалось  в окружающее пространство. Это и  сейчас происходят в термоядерных реакциях, поставляющих всю энергию, излучаемую звездами.Этот "пепел" подвергался локальному сжатию, приводящему к рождению новых звезд, и цикл повторялся. Существуют две принципиальные точки зрения на происхождения звезд и, в частности, Солнца.Первая гипотеза основывается на предположении, что звезды формируются из газовой материи - той самой, которая и в настоящее время наблюдается в Галактике.

Предполагается, что газовая  материя в тех местах, где ее масса и плотность достигают  некоторой величины, начинает под  действием своего собственного притяжения сжиматься и уплотняться, образуя  сначала холодный газовый шар. В  результате продолжающегося сжатия температура газового шара начнет подниматься. Потенциальная энергия частиц в  поле притяжения газового шара при  приближении к центру становится меньше, а это означает, что часть  потенциальной энергии переходит  в тепловую энергию. Совершенно тот  же переход энергии происходит, когда  лежавший на краю пропасти камень, упав на ее дно, теряет часть потенциальной  энергии в силовом поле земного  притяжения, и приобретает тепловую энергию, разогревшись от удара о  дно пропасти.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ  СИСТЕМЫ

1. Происхождение  колец планет-гигантов

По мере увеличения массы  планет и других небесных тел наступает  такой период в их эволюции, когда  они становятся способными удерживать в своей атмосфере не только тяжелые газы, но и легкие: водород и гелий. С точки зрения наличия и состава атмосфер у небесных тел, последние проходят в своем развитии три этапа. Малые тела Солнечной системы - ледяные планетки, кометы, астероиды, небольшие спутники и спутнички и метеорные тела - по-видимому, вообще не имеет никакой атмосферы. Или, точнее, они приобретают ее во время очередной галактической зимы, но после ее окончания постепенно теряют, поскольку сила гравитационного притяжения около их поверхности мала, и атомы и молекулы газовой атмосферы рассеиваются в межпланетное пространство.Но масса небесных тел постепенно увеличивается за счет силикатного и ледяного компонента и наступает время, когда они приобретают возможность удерживать возле себя атмосферу, состоящую из тяжелых газов - азота, углекислого газа, кислорода и др. Но все они не способны удерживать около своей поверхности легкие газы - водород и гелий, которые являются самыми распространенными элементами во Вселенной.Когда планеты-гиганты были меньше по размерам и массе и еще не являлись гигантами, они также не имели мощной водородно-гелиевой атмосферы. Они в то время ничем не отличались от таких небесных тел, как современные Плутон, Титан или Каллисто. Но постепенно их масса увеличивалась, и в один прекрасный момент эти некогда ледяные планеты одна за другой начали удерживать в своих атмосферах легкие газы. Их масса в то время достигала порядка 10 масс Земли. После этого они быстрыми темпами стали расти, главным образом за счет легких газов, их масса и размеры стали увеличиваться, а плотность, с учетом атмосферы - уменьшаться. Легкая атмосфера, состоящая преимущественно из водорода и гелия, достигает огромных размеров, в десятки тысяч километров.В этой водородно-гелиевой атмосфере постоянно находятся облака, состоящие из капелек и кристалликов углекислоты, воды, метана, аммиака и т. д. Атмосфера вместе с облаками вращается одновременно с планетами вокруг их осей вращения. При этом облака достигают большой высоты: у Юпитера - 70 тыс. км., у Сатурна - 60 тыс. км., у Урана и Нептуна - около 25 тыс. км от центра планет.

Поскольку облака достигают  большой высоты, а планеты-гиганты  быстро вращается вокруг своих осей, облака, находящиеся в верхних  слоях атмосферы планет-гигантов, имеют большую линейную скорость движения относительно центра планеты. У Сатурна верхние слои облаков  обращаются вокруг его центра со скоростью около 10 км/сек., а у Юпитера - около 12 км/сек. Для сравнения укажем, что облака Земли обращаются вокруг ее оси вращения со скоростью всего около 0,5 км/сек.

Но атмосфера планет-гигантов не оканчивается там, где оканчивается облачный покров планет. Достаточно сказать, что атмосфера Земли простирается до 2 тыс. км., в то время как облака - только до 15 км. То же самое имеет место и у планет-гигантов. Можно предположить, что их верхние слои водородно-гелиевой атмосферы простираются намного выше облачного слоя, по-видимому, достигая ближайших к планетам спутников, составляющих самое внутреннее кольцо планет-гигантов. При этом линейная скорость атомов и молекул верхних слоев атмосферы вращающейся планеты почти достигает орбитальной скорости спутников ближайшего кольца.

Так обстоит дело в настоящее  время, в условиях галактического лета. При наступлении же галактической  зимы положение резко меняется. Однако, во время галактических зим все небесные тела испытывают торможение в газовой среде, при этом они начинают приближаться к центральном у телу. Спутнички планет-гигантов, составляющие их кольца, находятся ближе всего к планетам и, следовательно, имеют наибольшую орбитальную скорость. Они имеют наименьшую массу, размеры и плотность из всех спутников. Поэтому они имеют огромное относительное торможение, во много раз большее, чем другие спутники. И, вследствие этого обстоятельства, они становятся первыми жертвами наступающей галактической зимы. При погружении Солнечной системы в газово-пылевую среду туманности или плоскости Галактики спутнички колец планет-гигантов быстро тормозятся, быстро приближаются к планете, входят в ее верхние слои атмосферы (в это время зимняя атмосфера планеты, по-видимому, еще не сформировалась), еще более тормозятся и падают на ее поверхность. Впрочем, поверхности планеты они могут и не достичь, поскольку разогреются при трении в атмосфере, испарятся и присоединятся, хотя бы отчасти, к облачному слою.Но затем во время галактической зимы увеличатся массы и размеры планеты, особенно ее атмосферы, увеличится скорость ее вращения, возрастет линейная скорость верхних слоев атмосферы. При достижении планетой и ее атмосферой достаточно большой величины и скорости вращения, верхние слои атмосферы начнут обращаться вокруг оси вращения планеты с первой космической скоростью. Но планета продолжает увеличиваться, увеличивается и скорость ее вращения, что приводит к дальнейшему увеличению линейной скорости движения верхних слоев атмосферы. В конце концов, линейная скорость их возрастает настолько, что начинают образовываться газовые кольца, о чем мы уже говорили выше. Этих колец будет все больше и больше и в конце концов планеты-гиганты приобретут огромные по размерам (диаметру) газовые диски.

Но увеличение протяженности  атмосферы и скорости вращения планеты  приведет к тому, что облака, состоящие  из капелек и кристалликов воды, углекислоты, аммиака, метана и других веществ ледяной компоненты будут  подниматься от поверхности планеты  все выше. При этом их линейная скорость будет расти и достигнет первой космической скорости. В результате вслед за газовой компонентой из экваториальной области планеты начнет перемещаться в газовый диск под действием центробежной силы и ледяная компонента, та ее часть, которая во взвешенном состоянии находится в виде облачного покрова в верхних слоях атмосферы, а так же некоторое количество пыли, и так будет продолжаться до конца галактической зимы.