Образование солнечной системы

0

 

Проблема происхождения солнечной системы занимает ученых со времен Декарта, т. е. в течение уже более трех столетий. На протяжении большей части этого времени ученые располагали ничтожно малым количеством фактов о солнечной системе, необходимых для ее объяснения. К этим фактам можно отнести правильность орбит планет, ориентацию векторов моментов количества движения в пределах солнечной системы и медленное вращение Солнца. Теперь очевидно, что последнее свойство не имеет ничего общего с происхождением солнечной системы. Первоначально высокая скорость вращения Солнца могла быть легко уменьшена до нынешнего уровня под влиянием магнитного взаимодействия Солнца и испускаемого им солнечного ветра. Не удивительно, что такое малое число граничных условий может послужить началом для самых разнообразных теорий, пытающихся дать им объяснение. За последние два десятилетия вся проблема происхождения солнечной системы в целом претерпела существенные изменения в связи с установлением новых граничных условий. К ним относятся данные о физических и химических свойствах, основанные на изучении метеоритов, результаты исследования отдаленных тел солнечной системы с помощью космических зондов, а также сведения, полученные при исследовании человеком Луны. Это привело к ограничению теорий происхождения солнечной системы, однако и сейчас их существует еще довольно много.

Почти все теории происхождения солнечной системы, появившиеся за последние три века, можно подразделить на монистические и дуалистические. Монистические теории исходят из того, что развитие Солнца и планет происходит в пределах замкнутой системы, не связанной с какими-либо внешними системами. Дуалистические же теории, наоборот, признают участие в космогоническом процессе и внешних систем, обычно других звезд. Есть теории, которые, признавая отдельные дуалистические посылки, носят в основном монистический характер. Несмотря на возможную двусмысленность, такая классификация все же полезна.

Автором первой монистической теории был Декарт, опубликовавший в 1634 г. теорию образования солнечной системы из газового вихря. Первая из дуалистических теорий появилась в 1745 г., когда Бюффон высказал предположение о том, что планеты образовались из вещества, оторванного от Солнца кометой, пронесшейся в непосредственной близости к нему. В те времена считалось, что кометы обладают массами, близкими к массе Солнца, и это была, по существу, первая дуалистическая теория, допускавшая вторжение посторонней звезды. Со времени появления этих двух теорий и вплоть до настоящего

времени, за исключением последних 30 лет, не существовало какой-либо одной определенной точки зрения на происхождение солнечной системы, причем мнение об этом вопросе постоянно колебалось между сторонниками монистических и дуалистических теорий. Читатель, интересующийся историческим развитием этих теорий, может ознакомиться с историческим обзором Тер-Хаара и Камерона.

В настоящее время любые формы дуалистических теорий совершенно отвергнуты астрономами. Попытки объяснить процесс образования планет за счет отрыва вещества от Солнца встречаются с многими трудностями. Среди них следует отметить различные трудности гидродинамического характера: вещество, оторванное от Солнца, должно быть очень горячим и, следовательно, стремиться расшириться и рассеяться в пространстве, а не образовывать планеты после химических превращений. Было также показано, что при отрыве вещества от Солнца вследствие близкого прохождения другой звезды момент количества движения, приобретаемый основной массой оторванного вещества, должен быть настолько мал, что оторванное вещество должно упасть снова на Солнце после удаления звезды. Современная теория эволюции Солнца указывает на то, что уничтожение первоначально имевшегося в составе Солнца дейтерия должно было произойти в результате термоядерных реакций на ранних стадиях эволюции Солнца, тогда, когда оно было полностью конвективным и, следовательно, полностью перемешано. Поэтому присутствующий в составе океанов Земли дейтерий не мог быть получен от Солнца ни на одной из стадий после очень ранней стадии сгорания дейтерия на Солнце, и можно поэтому предполагать, что остальное вещество Земли тоже не солнечного происхождения.

Большинство современных теорий образования солнечной системы носят монистический характер и включают некоторые предположения о свойствах первичной солнечной туманности, из которой, как принимается, образовались планеты, а, возможно, также и Солнце.

Вероятно, наибольшее исключение из этой общей картины составляет теория Аррениуса и Альвена. Эти авторы считают, что доминирующую роль в образовании планет и их спутников играют неравновесные плазменные процессы. Аррениус и Альвен полагают, что межзвездные газы, приближающиеся к Солнцу, уплотняются и частично ионизируются. Образующаяся при этом плазма во время движения через солнечную систему может частично захватываться магнитными полями, причем из плазмы могут конденсироваться различные твердые частицы, аккумулирующиеся в более крупные тела под влиянием гравитационных самофокусирующихся процессов, формирующих, как они назвали, «струйные потоки». Согласно этой теории, предполагается, что Солнце образовалось как изолированное тело под действием некоего механизма, еще не получившего объяснения, что во время образования планет Солнце обладало магнитным полем, гораздо более сильным, чем в настоящее время, и что не было никакого солнечного ветра, который мог бы предотвратить приближение межзвездной плазмы в непосредственные окрестности Солнца. В некотором смысле эту теорию можно считать дуалистической, хотя в качестве внешней системы здесь участвует газ межзвездной среды, а не постороннее звездное тело и для образования планет не предполагается отрыв вещества от Солнца.

Современные теории первичной солнечной туманности можно подразделить на две группы: теории минимально малой солнечной туманности и теории массивной солнечной туманности. Минимально малая солнечная туманность содержит около 0,1 массы Солнца, т. е. столько способного к конденсации вещества, сколько нужно для образования современных планет, а также большого избыточного количества летучих веществ, удаляемых в процессе образования планет. Массивная солнечная туманность может содержать около двух масс Солнца и от минимальной солнечной туманности отличается тем, что первоначально не имеет в своем центре Солнца. Она просто представляет собой вращающийся газовый диск, из которого должно образоваться Солнце.

Большинство теорий солнечных туманностей, появившихся за последние три десятилетия, относятся к теориям минимально малой солнечной туманности. К наиболее ранним из этих теорий принадлежит теория фон Вейцзекера, Койпера и Тер-Хаара. В этих теориях делался акцент на роль турбулентности в физических процессах, протекающих в первичной солнечной туманности.

Однако хотя турбулентность и играет очень большую роль в солнечной туманности, по-видимому, нельзя признавать доминирующей роль, приписываемую ей в этих теориях. Авторы этих теорий исходят из предположения о том, что турбулентность обязательно должна присутствовать в системе с очень большим числом Рейнольдса, что практически неизбежно для любой большой космической газовой системы. Однако они не дали определенных механизмов (рассчитанных детально), с помощью которых в большие вихри могла бы поступать энергия, необходимая для поддержания турбулентности и компенсации потерь при естественных процессах рассеяния. Тем не менее эти теории сыграли очень большую историческую роль, так как они впервые указали на турбулентность как на процесс, который следует принимать во внимание в теории происхождения солнечной системы, а также показали, что газодинамические процессы могут привести к весьма быстрому рассеянию солнечной туманности, при этом шкала времени для диссипации может выражаться всего лишь 102 или 103 годами.

Тем временем были предложены монистические теории в России. О. Ю. Шмидт, выдвинул теорию происхождения солнечной системы, согласно которой планеры возникли в результате аккреции мельчайших частиц из роя частиц, захваченных когда-то Солнцем и образовавших вокруг него диск. Впоследствии О. Ю. Шмидт развил свою теорию, высказав предположение о возможности присутствия в окружающей Солнце туманности не только пыли, но и газа. Дальнейшее развитие эти идеи получили у Б. Ю. Левина и В. С. Сафронова, сделавших попытку более подробно рассчитать образование планет из диска, содержащего пыль и газ, а также изучить происходящие при этом процессы диссипации.

Под термином «минимально малая солнечная туманность» понимают количественный процесс, рассмотренный Хойлом в теории, выдвинутой около 10 лет тому назад и развитой затем Фоулером, Гринстейном и Хойлом. При этом Хойл отмечал, что ледяные и каменистые компоненты вещества солнечной системы составляют около 0,015 массы, а одни только каменистые компоненты — около 0,003 массы. Таким образом, минимальное количество массы, из которой должна была состоять солнечная туманность, должно было быть примерно в 300 раз больше масс внутренних планет, каменистых по своему составу, включая массы Юпитера и Сатурна, которые Хойл считал в основном типичными по составу для солнечной системы, а также включая 60—70 масс Урана и Нептуна, состоящих, по мнению Хойла, преимущественно из льда и камня. Следует отметить, что любая подобная теория минимально малой солнечной туманности требует, чтобы подходящий конденсирующийся материал собирался в планеты с почти 100%-ной эффективностью.

Согласно теории Хойла, предполагается, что под действием момента, возникающего под влиянием межзвездного магнитного поля, взаимодействующего с межзвездным веществом, окружающим облако, фрагмент коллап-сирующего межзвездного облака теряет значительную долю своего момента количества движения. Затем происходит дальнейший коллапс вещества до радиуса, несколько меньшего радиуса орбиты Меркурия. Далее часть межзвездного магнитного поля сжимается с коллапсирующим материалом в протосолнце, а сразу по окончании коллапса под действием этого магнитного поля в экваториальных областях протосолнца возникает момент, раскручивающий их и вызывающий образование туманности, радиус которой, увеличиваясь, возрастает до нескольких десятков астрономических единиц. В развитие этой теории Фоулер, Гринстейн и Хойл высказали предположение, что внутри такой туманности могут происходить химические конденсации с образованием тел, с типичной величиной диаметра порядка нескольких десятков метров, которые, по мере того как происходит дальнейшее ускорение газа и увеличение радиуса туманности, остаются сзади. Предполагается, что вслед за этим в протосолнце попадает большое количество магнитной энергии и часть этой энергии вызывает ускорение заряженных частиц до нескольких сотен миллионов электронвольт. Эти частицы высокой энергии бомбардировали затем сконденсировавшиеся тела, оставшиеся во внутренней части солнечной системы, и в результате ядерных реакций расщепления образовали легкие элементы, не образующиеся в ходе обычных ядерных реакций внутри звезд: литий, бериллий и бор. Предполагается, что дейтерий в метеоритах и Земле образовался в результате непосредственного расширения, а также захвата нейтронов, образовавшихся при расщеплении, водородом, содержащимся в ледяных массах этих тел.

Аспекты теории Фоулера, Гринстейна и Хойла, связанные с бомбардировкой частицами высокой энергии, были встречены всеобщим недовольством, поскольку они предсказывали вариации в некоторых изотопных отношениях определенных элементов в метеоритах, которые многие ученые усиленно пытались искать, но не нашли. Эта теория позволяла сделать несколько вполне определенных предсказаний относительно существования таких вариаций и таким образом стимулировала проведение большой исследовательской работы с метеоритами с целью обнаружения этих вариаций. Однако другие аспекты подхода к образованию солнечной туманности в этой и других теориях минимально малой солнечной туманности не позволяют делать каких-либо детальных предсказаний; таким образом, эти аспекты не могут быть легко проверены и, следовательно, приняты или отвергнуты.

Главным сторонником теории массивной солнечной туманности является Камерон. В этой теории делается попытка увязать образование солнечной системы с уже рассмотренными нами выше процессами образования звезд в галактическом пространстве. Случайная турбулентность в коллапси-рующем межзвездном газовом облаке передает настолько большой момент количества движения той части облака, из которой впоследствии образуется солнечная система, что под его действием газ принимает форму плоского диска, не имеющего в центре какого-либо центрального звездного тела. Количество вещества в массивной первичной солнечной туманности намного превышает массу Солнца по двум причинам: согласно наблюдениям у вновь образовавшихся звезд происходит быстрая потеря массы в пространство (на так называемой стадии Т Тельца), не вся масса первичной солнечной туманности сгущается в Солнце: некоторая часть массы должна оставаться на значительном удалении и поглотить момент количества движения, утраченный веществом, образующим Солнце. Впоследствии, когда начинается потеря Солнцем массы на стадии Т Тельца, этот газ будет выброшен. Камерон и Пайн рассчитали довольно подробные численные модели массивной первичной солнечной туманности, в которых термодинамические условия увязывались с историей стадии коллапса межзвездного облака. Камерон и Пайн нашли, что отдельные элементы их моделей характеризовались неустойчивостью к конвекционному теплообмену, а некоторые другие элементы проявляли тенденцию к радиационному равновесию. Указанными авторами были высказаны предположения о том, что в связи с внутренним переносом момента количества движения под действием циркулирующих внутри диска потоков через несколько тысяч лет должно произойти рассеяние их моделей с образованием Солнца.

Вывод об этих повторяющихся кратковременных, периодах диссипации явился как бы вызовом всем теориям первичной солнечной туманности. Объединение твердых частиц в более крупные тела гораздо легче происходит в газе, чем в вакууме. В настоящее время в условиях вакуума твердые тела сталкиваются в зоне малых планет и в результате дробятся на более мелкие, а не объединяются в более крупные. В газовой среде тела разного размера движутся с различными относительными скоростями, что способствует их столкновению, но благодаря присутствию газа скорости сталкивающихся тел не настолько велики, чтобы вызвать их дробление.

Камерон провел исследование общих процессов аккумуляции масс в свете своей теории первичной солнечной туманности большой массы. Он установил, что началом для быстрого скопления планетных тел в присутствии газа послужили процессы аккумуляции, происходившие на стадии коллапса межзвездного облака, из которого образуется первичная солнечная туманность. Под влиянием происходящих в таком газе турбулентных явлений зерна межзвездного вещества приобретают довольно высокие относительные скорости, и если допустить, что при столкновении они объединяются, то ко времени образования первичной солнечной туманности должно произойти объединение таких зерен в тела, достигающие в радиусе нескольких сантиметров. В дальнейшем эти тела могут довольно быстро аккумулироваться у центральной плоскости первичной солнечной газовой туманности, где под влиянием градиентов давления газа будет происходить движение конденсирующихся твердых тел и продолжаться их дальнейшее быстрое объединение в еще более крупные тела. По расчетам, проведенным Камероном, небесные тела могут таким образом вырасти до размера планет за время порядка нескольких тысяч лет в пределах большей части пространства, занимаемого первичной солнечной туманностью, от областей с относительно небольшими радиальными расстояниями, где происходит образование планет земного типа, до значительно более далеких от центра областей, где образуются планеты, состоящие в основном изо льда. Пожалуй, наибольшее сомнение в этих расчетах вызывает предположение о том, что тела при столкновении соединяются. Слишком мало известно о природе поверхностей химически сконденсировавшегося вещества первичной солнечной туманности, для того чтобы можно было оценить вероят

ность объединения при столкновении тел, двигающихся с различными скоростями.

По мере дальнейшего развития теорий образования солнечной системы они, несомненно, будут обогащаться благодаря изучению метеоритов новыми важными сведениями, которые послужат основой для новых суждений о физической природе первичной солнечной туманности. К таким новым достижениям относятся космотермометры и космобарометры, разработанные Андерсом и его коллегами. При образовании метеоритов при какой-то определенной температуре в первичной солнечной туманности многие элементы, содержащиеся ранее в газе, целиком войдут в состав метеоритов, другие элементы в основном останутся в газе, а в состав метеоритов они войдут лишь в виде незначительных «следов». С другой стороны, конденсация некоторых элементов в метеориты может произойти только частично и распространенность их в различных метеоритах может быть самой различной. Эти последние элементы могут выполнять роль космотермометра: метеорит, содержащий большее количество такого элемента, должен образоваться при меньшей температуре, чем метеорит с меньшим содержанием этого элемента, а точный термодинамический анализ разброса распространенности элемента позволяет определять эти температуры. Такая методика определения температуры позволяет предположить, что образование обычных хондритных метеоритов в первичной солнечной туманности протекало при температуре 400—500° К, в то время как образование углистых хондритов происходило ближе к 300° К. В качестве космотермометра могут служить также относительные изотопные отношения кислорода. Определенные минеральные фазы, в которые конденсируются некоторые элементы, могут выступать в роли грубых космобарометров, так же как и парциальное давление абсорбированных газов, например аргона в метеоритах.

Все эти средства познания указывают на то, что аккумуляция обычных хондритных метеоритов в первичной солнечной туманности происходила при общих давлениях порядка 10-5 атм. Такие термодинамические условия при соответствующей величине радиуса характерны для моделей массивной первичной солнечной туманности, предложенных Камероном. Однако модели солнечной туманности минимальной массы характеризуются гораздо меньшими давлениями, чем давления, определенные с помощью указанных космгбарометров, хотя эти модели и могут быть в некотором смысле произвольными в связи с допущением, что распределение температуры в таких моделях определяется тепловой энергией солнечных лучей при обычно незначительной экранизации, создаваемой пылевым веществом.

 

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Пароль на архив: privetstudent.com

Категория: Рефераты / Астрономия

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.