Походження Сонячноi системи

Ось вже бiльше двох столiть проблема походження Сонячноi системи хвилюi видатних мислителiв нашоi планети. Цiiю проблемою займалася, починаючи вiд фiлософа Канта i математика Лапласа, плеяда астрономiв i фiзикiв XIX i XX сторiч. РЗй вiддав дань наш чудовий спiввiтчизник, людина рiзносторонньо талановита, Отто Юлiiвич Шмiдт. Та все ж людство ще дуже далеко вiд ii рiшення. Якi тiльки таiмницi не були вирванi у природи за цi минулi два сторiччя! За останнi десятирiччя XX столiття iстотно яснiшало питання про шляхи еволюцii зiрок. РЖ хоча деталi дивного процесу народження зiрки з газопиловоi туманностi ще далеко не яснi, ученi тепер чiтко уявляють, що з нею вiдбуваiться протягом мiльярдiв рокiв подальшоi еволюцii. На жаль, питання про походження i еволюцiю планетноi системи, що оточуi наше Сонце, далеко не так ясне.

На перший погляд здаiться дивним i навiть парадоксальним, що астрономи змогли дiзнатися про космiчнi об'iкти, вельми видаленi i спостережуванi з великими труднощами, набагато бiльше, нiж про планети i Сонце, якi (по астрономiчних масштабах, розумii) знаходяться у нас "пiд боком". Проте в цьому немаi нiчого дивного. Рiч у тому, що астрономи спостерiгають величезну кiлькiсть зiрок, що знаходяться на рiзних стадiях еволюцii. Вивчаючи зiрки в скупченнях, вони можуть чисто емпiрично встановити, як залежить темп еволюцii зiрок вiд початкових умов, наприклад маси. Якби не було цього обширного емпiричного матерiалу, питання про еволюцiю зiрок було б предметом бiльш менш безплiдних спекуляцiй, як це i було приблизно до 1950 р.

В абсолютно iншому положеннi знаходяться дослiдники походження i еволюцii нашоi планетноi системи. Адже ми поки не можемо безпосередньо спостерiгати такi системи навiть бiля найближчих зiрок. Якби це вдалося, i ми мали реальне уявлення, як виглядають планетнi системи на рiзних етапах своii еволюцii або хоча б як сильно вiдрiзняються однi планетнi системи вiд iнших, ця хвилююча проблема була б, поза сумнiвом, вирiшена в порiвняно короткi термiни. Але поки ми спостерiгаiмо планетну систему, так би мовити, в iдиному екземплярi. Бiльш того, необхiдно ще довести, що бiля iнших зiрок i планетнi системи. Ученi вже намагалися це зробити, але не реально, а користуючись спостережуваними характеристиками зiрок (не планет!). Навiть про власну планетну систему астрономи знають далеко не все. Зовсiм недавно прозвучала iнформацiя, що знайдена (тiльки-тiльки!) десята планета нашоi Сонячноi системи.

Чи значить це, що ми ще рiшуче нiчого не можемо сказати про походження Сонячноi системи, окрiм тривiального твердження, що вона якось утворилася не пiзнiше, нiж 5 млрд. рокiв тому, тому що такий приблизно вiк Сонця? Така песимiстична точка зору так само мало обгрунтована, як i зайвий оптимiзм адептiв тiii або iншоi космогонической гiпотези. Можна сказати, що дещо про походження сiм'i планет, що звертаються навкруги Сонця, ми вже знаiмо. В усякому разi, круг можливих гiпотез про походження Сонячноi системи зараз значно звузився.

Переходячи до викладу (з потреби вельми короткому) рiзних космогонiчних гiпотез, що змiнювали одна iншу протягом останнiх двох сторiч, ми почнемо з гiпотези, вперше виказаноi великим нiмецьким фiлософом Кантом i через декiлька десятирiч незалежно запропонованою чудовим французьким математиком Лапласом. З подальшого буде видно, що iстотнi передумови цiii класичноi гiпотези витримали випробування часом, i зараз в самих модернiстських космогонiчних гiпотезах ми легко можемо знайти основнi iдеi гiпотези Канта тАУ Лапласа.

Точки зору Канта i Лапласа у рядi важливих питань рiзко вiдрiзнялися. Кант, наприклад, виходив з еволюцiйного розвитку холодноi пиловоi туманностi, в ходi якого спершу виникло центральне масивне тiло тАУ майбутнi Сонце, а потiм вже планети, тодi як Лаплас рахував первинну туманнiсть газовоi i дуже гарячiше, що знаходиться в станi швидкого обертання. Стискаючись пiд дiiю сили всесвiтнього тяжiння, туманнiсть, унаслiдок закону збереження моменту кiлькостi руху, оберталася все швидше i швидше. Через великi вiдцентровi сили, що виникають при швидкому обертаннi в екваторiальному поясi, вiд нього послiдовно вiддiлялися кiльця. Надалi цi кiльця конденсувалися, утворюючи планети.

Таким чином, згiдно гiпотезi Лапласа, планети утворилися ранiше Сонця. Проте, не дивлячись на таку рiзку вiдмiннiсть мiж двома гiпотезами, загальною iх найважливiшою особливiстю i уявлення, що Сонячна система виникла в результатi закономiрного розвитку туманностi. Тому i прийнято називати цю концепцiю "гiпотезою Канта тАУ Лапласа".

Вже в серединi XIX сторiччя було ясно, що ця гiпотеза стикаiться з фундаментальною труднiстю. Рiч у тому, що наша планетна система, що складаiться з дев'яти (за останнiми даними з десяти) планет вельми рiзних розмiрiв i маси, володii однiiю чудовою особливiстю. Йдеться про незвичайний розподiл моменту кiлькостi руху Сонячноi системи мiж центральним тiлом тАУ Сонцем i планетами.

Момент кiлькостi руху i одна з найважливiших характеристик всякоi iзольованоi вiд зовнiшнього свiту механiчноi системи. Саме як таку систему ми можемо розглядати Сонце i оточуючу його сiм'ю планет. Момент кiлькостi руху може бути визначений як "запас обертання" системи. Це обертання складаiться з орбiтального руху планет i обертання навкруги своiх осей Сонця i планет.

Математично "орбiтальний" момент кiлькостi руху планети щодо центру мас системи (вельми близького до центру Сонця) визначаiться як твiр маси планети на ii швидкiсть i на вiдстань до центру обертання, тобто Сонця. У разi сферичного тiла, яке ми вважатимемо твердим, що обертаiться, момент кiлькостi руху щодо осi, що проходить через його центр, рiвний 0,4 MVR, де M тАУ маса тiла, V тАУ його екваторiальна швидкiсть, R тАУ радiус. Хоча сумарна маса всiх планет складаi всього лише 1/700 сонячноi, враховуючи, з одного боку, великi вiдстанi вiд Сонця до планет i з iншою тАУ малу швидкiсть обертання Сонця (швидкiсть обертання Сонця на його екваторi складаi всього лише 2 км/с, що в 15 разiв менше швидкостi Землi на орбiтi), ми одержимо шляхом простих обчислень, що 98% всього моменту кiлькостi руху Сонячноi системи пов'язане з орбiтальним рухом планет i лише 2% тАУ з обертанням Сонця навкруги осi. Момент кiлькостi руху, пов'язаний з обертанням планет навкруги своiх осей, виявляiться нехтуючий малим через порiвняно малi маси планет i iх радiусiв.

Знайдемо, наприклад, момент кiлькостi руху Юпiтера I. Маса Юпiтера рiвна M = 2 x 1030 г (тобто 10-3 маси Сонця), вiдстань вiд Юпiтера до Сонця R = 7,8 x 1013 см (або 5,2 астрономiчних одиниць), а орбiтальна швидкiсть V = 1,3 x 106 см/с (близько 13 км/с). Звiдси I = MVR = 190 x 1048. Значення моментiв данi в системi одиниць CGS. В цих одиницях момент кiлькостi руху Сонця, що обертаiться, рiвний всього лише 6 x 1048. Таким чином, всi планети земноi групи тАУ Меркурiй, Венера, Земля i марс тАУ мають сумарний момент в 380 разiв менший, нiж Юпiтер. Левова частка моменту кiлькостi руху Сонячноi системи зосереджена в орбiтальному русi планет-гiгантiв Юпiтера i Сатурна.

З погляду гiпотези Лапласа, це вчинено незрозумiло. Насправдi, в епоху, коли вiд первинноi, швидко обертаiться туманностi вiддiлялося кiльце, шари туманностi, з яких згодом сконденсувалося Сонце, мали (на одиницю маси) приблизно такий же момент, як речовина кiльця, що вiддiлилося, оскiльки кутовi швидкостi кiльця i частин, що залишилися, були майже однаковi. Оскiльки маса кiльця була значно менше маси основноi частини туманностi (протосонця), то повний момент кiлькостi руху у кiльця повинен бути багато менше нiж у протосонця. В гiпотезi Лапласа вiдсутнiй якiй би то не було механiзм передачi моменту вiд протосонця до кiльця. Тому протягом всiii подальшоi еволюцii момент кiлькостi руху протосонця, а потiм i Сонця повинен бути значно бiльше, нiж у кiлець i планет, що утворилися з них. Але цей висновок знаходиться в разючiй суперечностi з фактичним розподiлом моменту кiлькостi руху мiж Сонцем i планетами.

Для гiпотези Лапласа ця труднiсть виявилася непереборною. На змiну нею стали висуватися iншi гiпотези. Не будемо iх тут навiть перераховувати тАУ зараз вони представляють тiльки iсторичний iнтерес. Зупинимося лише на гiпотезi Джiнса, що набула повсюдне поширення в першiй третинi минулого сторiччя. Ця гiпотеза в усiх вiдношеннях i повною протилежнiстю гiпотезi Канта тАУ Лапласа. Якщо остання малюi утворення планетних систем (у тому числi i нашоi Сонячноi) як iдиний закономiрний процес еволюцii вiд простого до складного, то в гiпотезi Джiнса утворення таких систем i справа випадку i представляi найрiдкiснiше, виняткове явище.

Згiдно гiпотезi Джiнса, початкова матерiя, з якоi надалi утворилися планети, була викинута з Сонця (яке на той час було вже достатньо "старим" i схожим на нинiшнi) при випадковому проходженнi поблизу нього деякоi зiрки. Це проходження було настiльки близьким, що практично його можна розглядати як зiткнення. При такому дуже близькому проходженнi завдяки приливним силам, що дiяли зiрки, що iз сторони налетiла на Сонцi, з поверхневих шарiв Сонця був викинутий струмiнь газу. Цей струмiнь залишиться у сферi тяжiння Сонця i пiсля того, як зiрка пiде вiд Сонця. Надалi струмiнь сконденсуiться i дасть початок планетам.

Що можна сказати зараз з приводу цiii гiпотези, що володiла розумом астрономiв протягом трьох десятирiч? Перш за все, вона припускаi, що утворення планетних систем, подiбних нашою Сонячною, i процес виключно маловiрогiдний. Насправдi, зiткнення зiрок, а також iх близькi взаiмнi проходження в нашiй Галактицi можуть вiдбуватися надзвичайно рiдко. Пояснимо це конкретним розрахунком.

Вiдомо, що наше Сонце по вiдношенню до найближчих зiрок рухаiться з швидкiстю близько 20 км/с. Навiть найближча до нас зiрка тАУ Проксима Центавра знаходиться вiд нас на вiдстанi 4,2 свiтловi роки. Щоб подолати цю вiдстань, Сонце, рухаючись з вказаною швидкiстю, повинне витратити приблизно 100 тис. рокiв. Вважатимемо (що в даному випадку правильне) рух Сонця прямолiнiйним. Тодi вiрогiднiсть близького проходження (скажiмо, на вiдстанi трьох радiусiв зiрки) буде, очевидно, рiвна вiдношенню тiлесного кута, пiд яким видний iз Землi збiльшений в 3 рази диск зiрки, до 4П. Можна переконатися, що дане вiдношення складаi близько 10-15. Це означаi, що за 5 млрд. рокiв свого життя Сонце мало один шанс з десяткiв мiльярдiв зiткнутися або дуже зближуватися з якою-небудь зiркою. Оскiльки в Галактицi налiчуiться всього близько 150 млрд. зiрок, та повна кiлькiсть таких близьких проходжень у всiй нашiй зорянiй системi повинна бути близько 10 за останнi 5 млрд. рокiв.

Звiдси витiкаi, що, якби гiпотеза Джiнса була правильною, число планетних систем, що утворилися в Галактицi за 10 млрд. рокiв ii еволюцii, можна було перерахувати буквально по пальцях. Оскiльки це, мабуть, не вiдповiдаi дiйсностi i число планетних систем в Галактицi достатньо велике, гiпотеза Джiнса виявляiться неспроможною.

Неспроможнiсть цiii гiпотези слiдуi також i з iнших мiркувань. Перш за все, вона страждаi тим же фатальним недолiком, що i гiпотеза Канта тАУ Лапласа: гiпотеза Джiнса не в змозi пояснити, чому переважна частина моменту кiлькостi руху Сонячноi системи зосереджена в орбiтальному русi планет. Математичнi розрахунки, виконанi свого часу Н.Н. Парiйським, показали, що при всiх випадках в рамках гiпотези Джiнса утворюються планети з дуже маленькими орбiтами. Ще ранiше на цю класичну космогоническую труднiсть стосовно гiпотези Джiнса вказав американець Рессел.

Нарештi, нiзвiдки не витiкаi, що викинутий з Сонця струмiнь гарячого газу може сконденсуватися в планети. Навпаки, розрахунки ряду вiдомих астрофiзикiв, зокрема Лаймана Спiтцера, показали, що речовина струменя розсiiться в навколишньому просторi i конденсацii не буде. Т.ч., космогонiчна гiпотеза Джiнса виявилася повнiстю неспроможною. Це стало очевидним вже в кiнцi тридцятих рокiв минулого сторiччя.

Тим бiльше дивним представляiться вiдродження iдеi Джiнса на новiй основi, яке вiдбулося в останнi десятирiччя минулого столiття. Якщо в первинному варiантi гiпотези Джiнса планети утворилися з газового згустку, викинутого з Сонця приливними силами при близькому проходженнi мимо нього зiрки, то новiтнiй варiант, Вулфсоном, що розвиваiться, припускаi, що газовий струмiнь, з якого утворилися планети, був викинутий з проходячого мимо Сонця космiчного об'iкту. Як останнi приймаiться вже не зiрка, а протозiрка тАУ рихлий об'iкт величезних розмiрiв (в 10 разiв перевищуючий радiус нинiшньоi земноi орбiти) i порiвняльно невеликоi маси ~ 0,25 M Сонця. Пропрацювала схема такого "зiткнення", заснована на точних розрахунках. В цьому випадку протозiрка повинна знаходитися на гiперболiчнiй орбiтi навкруги Сонця. Все явище близького проходження протозiрки займаi близько 30 рокiв. В результатi деформуiться поверхня протозiрки пiд впливом приливних сил i утворюються рiзнi орбiти iз захоплених Сонцем окремих шматкiв протозвездного згустка. Розрахунки показують, що деякi орбiти так само видаленi вiд Сонця, як орбiта Юпiтера i навiть далi тАУ до 30 астрономiчних одиниць. Т.ч., новiтня модифiкацiя гiпотези Джiнса знiмаi основну труднiсть, з якою зiткнувся ii первинний варiант тАУ пояснення аномально великого обертального моменту планет. В схемi Вулфсона це досягаiться припущенням про великi розмiри об'iкту, що "стикаiться" з Сонцем, i його порiвняльно невеликiй масi. З розрахункiв також видно, що первиннi орбiти згусткiв були вельми ексцентричнi. Оскiльки явно не весь захоплений Сонцем газ змiг конденсуватися в планети, навкруги згусткiв, що рухаються, повинне було утворитися деяке газове середовище, яке гальмувало б iх рух. При цьому, як вiдомо, спочатку ексцентричнi орбiти поступово ставатимуть круговими. На це буде потрiбно порiвняно мало часу тАУ близько декiлькох мiльйонiв рокiв. Кожний такий згусток досить швидко еволюцiонуватиме в протопланету. Обертання протопланет може бути обумовлено дiiю приливних сил, витiкаючих вiд Сонця. В рамках цiii моделi можна також зрозумiти походження супутникiв планет. Останнi вiддiляються вiд протопланет при стисненнi через iх несиметричну фiгуру. Слiд зазначити, що ця гiпотеза порiвняно легко пояснюi походження великих планет i iх супутникiв. Для пояснення планет земноi групи необхiдно привернути новi уявлення.

Гiпотеза Джiнса в модифiкацii Вулфсона заслуговуi уваги. Вона, по сутi, зв'язуi утворення планет з утворенням зiрок. Останнi утворюються з мiжзоряного газопилового середовища групами в так званих зоряних асоцiацiях. В таких групах, як показують нагляди, спершу утворюються порiвняно масивнi зiрки, а потiм всякi "зорянi дрiбнi грошi", якi еволюцiонують в карлики. Це добре узгоджуiться з гiпотезою Джiнса тАУ Вулфсона. Розрахунки показують, проте, що якщо цей механiзм був би iдиною причиною утворення зоряних систем, то iх кiлькiсть в Галактицi була б вельми мало (одна планетна система, приблизно, на 100 тис. зiрок), хоча i не так катастрофiчно мало, як в первиннiй гiпотезi Джiнса. По сутi, це i iдиним уразливим пунктом сучасноi модифiкацii гiпотези Джiнса. Якщо з достовiрнiстю буде доведено, що бiля хоча б деяких найближчих до нас зiрок i планетнi системи, ця гiпотеза буде остаточно похована.

Вище вже було згадано, що видатний радянський вчений О.Ю. Шмидт в 1944 р. запропонував свою теорiю походження Сонячноi системи. Согласно О.Ю. Шмiдту наша планетна система утворилася з речовини, захопленоi з газопиловоi туманностi, через яку нiколи проходило Сонце, вже тодi мало майже сучасний вигляд. При цьому нiяких труднощiв з обертальним моментом планет не виникаi, оскiльки первинний момент речовини хмари може бути скiльки завгодно великим. Починаючи з 1961 р. цю гiпотезу розвивав англiйський космогонист Лiттлтон, який внiс в неi iстотнi полiпшення. неважко бачити, що блок-схема "аккрецiонноi" гiпотези Шмiдта тАУ Лiттлтона спiвпадаi з блок-схемою "гiпотези захоплення" Джiнса тАУ Вулфсона. В обох випадках майже сучасне Сонце стикаiться з бiльш менш рихлим космiчним об'iктом, захоплюючи частини його речовини. Слiдуi, втiм, помiтити, що для того, щоб Сонце захопило достатньо багато речовини, його швидкiсть по вiдношенню до туманностi повинна бути дуже маленькою, близько ста метрiв в секунду. Якщо врахувати, що швидкiсть внутрiшнiх рухiв елементiв хмари повинна бути не меншою, то, по сутi, йдеться про "застрягле" в хмарi Сонце, яке, швидше за все, повинне мати загальне з хмарою походження. Тим самим утворення планет зв'язуiться з процесом звездообразования. РД гiпотези, в яких планети i Сонце утворилися з iдиноi "сонячноi" туманностi. По сутi, йдеться про подальший розвиток гiпотези Канта тАУ Лапласа.

Вместе с этим смотрят:

Aerospace industry in the Russian province

РЖсторiя ракетобудування Украiни

Авиационно-космические отрасли в российской провинции

Аналiз гiпотез виникнення Землi i Сонячноi системи

Антропний принцип у Всесвiтi