Основные концепции происхождения Солнечной системы

Государственное образовательное  учреждение

Высшего профессионального  образования

«Волгоградский государственный социально-педагогический университет»

 

Факультет экономики и  управления

Кафедра экономики и управления

 

Основные концепции  происхождения Солнечной системы

Контрольная работа

 

 

                                                        Выполнил:

                                                       Гончаров Е.Ю.

Студент группы Э-41

                                                       Проверил:

            Прыгунов Григорий Павлович

 

 

 

Волгоград - 2011

 

Введение

  Уже два века существует проблема происхождения Солнечной системы. Она волнует всех мыслителей и ученых нашей планеты. Этой проблемой занималась многие, начиная от философа Канта и математика Лапласа, до разных астрономов и физиков XIX и XX столетий. Также этой проблеме посветил свои исследования советский ученый Отто Юльевич Шмидт. Но при всем этом человечество все еще очень далеко от решения этой проблемы. За последние три десятилетия существенно прояснился вопрос о путях эволюции звезд. Но детали удивительного процесса рождения звезды из газопылевой туманности еще далеко не известны, но мы теперь четко представляем, что с ней происходило на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции. На первый взгляд кажется странным и даже парадоксальным, что астрономы смогли узнать о космических объектах, весьма удаленных и наблюдаемых с большими трудностями, гораздо больше, чем о Солнце и планетах, которые находятся у нас «под боком». Однако в этом нету ничего удивительного. Все дело в том, что астрономы наблюдают и изучают огромное количество звезд, находящихся на разных стадиях эволюции. Изучая звезды в скоплениях, они могут только эмпирически установить, как зависит темп эволюции звезд от начальных условий, к примеру массы. Но если не было бы этого обширного эмпирического материала, вопрос об эволюции звезд был бы предметом более или менее бесплодных спекуляций, как это было примерно до 1950 г. [1]

  В данной работе  представлена теоретическая база  происхождения Солнечной системы,  а также раскрываются возможности  человечества, который может дать  космос и его изучение.

 

Основные гипотезы происхождения Солнечной системы

  История науки знает множество гипотез и/или концепций происхождений Солнечной системы. Причем эти гипотезы появились немного раньше, чем стали известны многие важные закономерности Солнечной системы. Так что же такое Солнечная система вообще? Солнечной системой называют планетную систему, включающую в себя центральную звезду - Солнце - и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг нее. Солнечная система  включает Солнце, восемь планет со спутниками, а также пояс астероидов, кометы и метеориты. Восемь планет, вращающиеся вокруг Солнца принято делить, на 2 группы: планеты земной группы и планеты-гиганты. К первой группе относят Меркурий, Венеру, Землю и Марс. Ко второй группе относят Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон (с 1930 года с момента открытия Плутон считался планетой, но решением Конгресса Международного астрономического союза в Праге с 24 августа 2006 года  -  Плутон не удовлетворяет требованиям новой формулировки и теряет свой «планетарный статус», он переходит в новое качество и становится прообразом отдельного класса карликовых планет). (см. рис. 1). Также считается, что диаметр Солнечной системы приблизительно равен 6 м и на этом расстоянии планеты удерживаются силой тяготения Солнца.[2]

Рисунок 1 – Планеты Солнечной  системы

  Космогония (греч. kosmos - вселенная и goneia - рождение) - область науки, в которой изучается происхождение и развитие небесных тел и их систем. Космогонию условно разделяют на планетную и звездную. Проблемы их решения во многом взаимосвязаны. Выводы космогонии основываются на данных других разделов астрономии, физики, геологии, а также других  наук о Земле. Космогония как и космология (изучает структуры и изменения в современной Вселенной, в то время как научные области космогонии касаются вопроса происхождения Вселенной), тесно связана с философией, она являлась и является борьбой материализма и идеализма, науки и религии. Трудность космогонических проблем обусловлена тем, что процессы развития космических объектов длятся много миллионов и миллиардов лет. В сравнении с этим астрономические наблюдения и даже вся история астрономии охватывают очень маленькие промежутки времени. Трудности планетной космогонии обусловлены еще и тем, что мы можем пока наблюдать непосредственно лишь одну планетную систему. Научная космогония зародилась около двухсот лет назад, когда Кант выдвинул гипотезу об образовании планет из пылевой туманности, окружавшей некогда Солнце. [3]

  Значение первых космогонических гипотез  состояло прежде всего в том, что они пытались объяснить происхождение небесных тел как результат естественного процесса, а не одновременного акта божественного творения. Кроме этого, некоторые ранние гипотезы содержали правильные идеи о происхождении небесных тел.

  В настоящее  время наиболее известными гипотезами происхождения солнечной системы являются следующие:

1. Небулярная гипотеза Канта - Лапласа
2. Приливная гипотеза Джинса
3. Гипотеза О.Ю. Шмидта
4. Электромагнитная гипотеза Х. Альвена и С. Аррениуса
5. Гипотеза Фреда Хойла
6. Современная теория
7. Теория «катастроф» и теория «пылевого облака»

 

1. Небулярная гипотеза  Канта - Лапласа

  В небольшой книге  1755 года «Общая естественная история и теория неба, или опыт об устройстве и механическом  происхождении всего мироздания на основании ньютоновских законов» была изложена гипотеза немецкого философа Эммануила Канта. С учения Канта  начинается научная космогония, т.к. она опровергла идею о начальном «божественном толчке», которым до этого согласно И. Ньютону, объяснялось возникновение и движение планет Солнечной системы. В своей книге Кант пытался создать стройную и логически развивающуюся картину Мира, основываясь лишь на «несомненных, простых, начальных и общих физических силах - а именно на притяжении и отталкивании». Он развил гипотезу, согласно которой в начале мировое пространство было заполнено материей, находившейся в состоянии первозданного хаоса. Под действием двух сил - притяжения и отталкивания - материя со временем переходила в более разнообразные формы. Элементы, имеющие большую плотность, по закону всемирного тяготения притягивали менее плотные, вследствие этого образовались отдельные сгустки материи. Под действием же сил отталкивания (которые якобы особенно эффективны, когда вещество находится в распыленном состоянии) прямолинейное движение частиц к центру тяготения заменялось кругообразным. Вследствие столкновения частиц вокруг отдельных сгустков и формировались планетные системы. Аналогичным образом внутри большого сгущения возникали меньшие, а внутри них еще более мелкие сгустки - планеты и их спутники. Все это представлялось Канту настолько очевидным, что он не удержался от замечания, ставшего как бы символом естествознания: «Дайте мне материю, и я построю из нее мир, т. е. дайте мне материю, и я покажу всем, как из нее должен образоваться мир...»

  В 1796 году французский математик, механик и астроном Пьер Симон Лаплас описал образование Солнца и Солнечной системы из медленно вращающейся раскаленной газовой туманности. Его рассуждения были строже и научнее они были изложены в книге «Изложение системы мира» (1796). По Лапласу, Солнечная система произошла из раскаленной вращающейся туманности, имевшей вид чечевицы. Развитие солнечной системы началось с гигантской расширяющейся газовой туманности, уже медленно вращающейся вокруг своей оси как твердое тело и имевшей в центре сгусток - зародыш будущего Солнца  - протосолнце.

  Охлаждение  и притяжение к центру заставляло туманность сжиматься и принимать  сплюснутую форму, а ее уменьшение приводило  к прогрессирующему ускорению вращения, наступал, наконец, момент, когда на экваторе туманности сила тяжести уравновешивалась центробежной силой инерции. В этот момент вдоль экватора от протосолнца отделялось гигантское кольцо, которое в дальнейшем охлаждалось и разрывалось на отдельные сгустки. Охладившись, газовые сгустки затвердели, покрылись корой и превратились в планеты, а центральный сгусток породил Солнце. Такой отрыв колец от протосолнца, по мнению Лапласа, происходил даже несколько раз. При создании своей гипотезы Лаплас опирался на известные тогда данные о движении планет и на наблюдения английского астронома У. Гершеля над туманностями. Последние имели ясно выраженные ядра и вид чечевиц.

  Гипотезы  Канта и Лапласа дополняли  друг друга. Вскоре эти гипотезы были объединены и стали называться небулярной гипотезой Канта - Лапласа. Более ста лет она была классической и была обще признанной. Однако в ХХ веке, из-за возросшего уровня знаний, эта гипотеза оказалась не в состоянии объяснить перераспределение момента количества движения между Солнцем и планетами. Потом же стало ясно, что Земля никогда не была ни газовой, ни раскаленной, и непрерывно должен был происходить отрыв вещества, без образования колец, т.к. в пространстве этот газ очень быстро расширяется и рассеивается. Все эти противоречия привели к отходу большинства ученых ХХ века от гипотезы Канта - Лапласа.[4]

 

2. Приливная гипотеза Джинса

  В 20-е годы XX в., а именно, в 1916 году английским астрономом Д. Джинсом (сэр Джеймс Хорвуд Джинс) была разработана приливная теория происхождения Солнечной системы. Он выдвинул предположение, что Солнечная  система - из-за редкого случая сближения Солнца с какой-либо звездой на Солнце образовалась гигантская приливная волна, приведшая к тому, что из двух противоположных точек его поверхности началось мощное извержение струй газа. Эти газовые массы очень быстро сгущались в облака, превращаясь в  небольшие твердые тела, из которых в дальнейшем сформировались планеты (см. рис. 2).

Рисунок 2 – Приливная гипотеза Джинса

 

  По мнению Джинса данная теория должна была объяснить парадокс распределения момента импульса. В настоящее время специалисты не поддерживают эту теорию. Если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетарных систем, образовавшихся за десять миллиардов лет ее эволюции, можно было пересчитать по пальцам. Но планетарных систем фактически много, следовательно, эта гипотеза несостоятельна. И ниоткуда не следует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. В 1961 году эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес в нее существенные улучшения. По обеим гипотезам Солнце сталкивается с более или менее «рыхлым» космическим объектом, захватывая части его вещества. Тем самым образование планет связывается с процессом звездообразования.

  По  мнению американского астронома  Рассела, встреча двух звезд на близком  расстоянии может произойти чрезвычайно редко. Миллионы звезд  возникнут и потухнут, ни разу не испытав такой встречи, большая часть вещества, исторгнутого из Солнца, либо упала бы на него обратно, либо увлеклась бы вслед за звездой, но не образовала бы ничего похожего на существующую систему планет.  Еще в 1935 году Рассел предполагал, что Солнце было двойной звездой. Вторая звезда была разорвана силами гравитации при тесном сближении с другой, третьей звездой. Девятью годами позже Хойл высказал теорию, что Солнце было двойной звездой, причем вторая звезда прошла весь путь эволюции и взорвалась как сверхновая, сбросив всю оболочку. Из остатков этой оболочки и образовалась планетная система.

 

3. Гипотеза  О. Ю. Шмидта

  Большую роль в разработке установившихся в  настоящее время взглядов на происхождение  планетной системы сыграли работы советского астронома Отто Шмидта. В основе теории О. Ю. Шмидта (1957) лежат два предположения: планеты сформировались из холодного газопылевого облака и это облако было захвачено Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики. Шмидт предполагал, что вещество, из которого возникли планеты, было захвачено Солнцем  при его движении среди Галактики. Первоначально предположил, захват роя тел, а позднее - захват пыле- газового облака, собственное движение которого в Галактике и преобразовалось в современное движение планет. При столкновении с Солнцем облако вследствие потери части кинетической энергии сплющивалось, становилось более плотным, приобретало вращение, и далее в нем формировался рой отдельных небольших сгущений, которые объединились в планеты и другие тела солнечной системы.

  Шмидту удалось рассчитать, что в середине планетной системы должны были возникнуть самые крупные планеты, а ближе к Солнцу - более мелкие и далее всего от него - тоже мелкие, как Плутон. Чем больше возникающая планета, тем больше вещества она должна вобрать в себя из «окрестностей». Эта гипотеза позволила О.Ю.Шмидту, затем Василию Григорьевичу Фесенкову (один из самых крупнейших советских астрономов) теоретически обосновать существующие расстояния планет от Солнца и расстояния между планетами, а раньше этого сделать никому не удавалось.

  Вращение  планет вокруг своей оси, которое  ни одна из прежних теорий не могла  удовлетворительно объяснить, теория О. Ю. Шмидта все-таки объяснила. Под влиянием падения метеоритов на планету она  должна прийти во вращение, и именно в том же направлении, в  каком она вращается вокруг Солнца. Если случайно в той области, где образовалась планета, метеориты с орбитами, мало вытянутыми и мало наклоненными к средней плоскости Солнечной системы, не были в достаточной мере преобладающими, могло возникнуть вращение планеты в обратном направлении, что и объясняет известный случай такого рода - вращение Урана.

  Развивая  физическую и математическую стороны  своей гипотезы, Шмидт нашел несколько удовлетворенных ответов на ряд  вопросов, на которые должна ответить космогоническая гипотеза. Однако она  содержит еще много пока не доказанных положений. 

 

4. Электромагнитная  гипотеза  Х. Альвена и С. Аррениуса

   На  протяжении ХХ в. выдвигался целый ряд  противоречащих друг другу гипотез  о происхождении Солнца и Солнечной  системы, из которых наиболее убедительной и популярной стала гипотеза шведских астрономов Ханнеса Альвена и Сванте Августа Аррениуса. Они исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет вокруг звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. Для объяснения этого механизма они привлекли совокупность различных сил - гравитацию, магнитогидродинамику, электромагнетизм, плазменные процессы. Ученые считают, что сначала из газопылевого облака возникло первичное тело - звезда, а затем к нему из другого газопылевого облака, через которое по своей орбите двигалось Солнце, подступил материал для образования вторичных тел.

  Чтобы образовать планетную систему, звезда должна обладать рядом признаков: мощным магнитным полем и пространством  в окрестностях звезды, которое заполнено  разряженной плазмой (создает солнечный  ветер). Так Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело  размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его  окружала гигантская крона, представляющая собой разряженную намагниченную плазму. Плазма этой кроны вследствие солнечных выбросов быстро становилась неоднородной и неравномерной.

  Когда Солнце начало свое прохождение через газопылевое облако, мощное гравитационное воздействие звезды начало притягивать поток газовых и пылевых частиц. Там они ионизировались и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от Солнца. В конечном счете, выделились 3-4 концентрические области с разной плотностью.