АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

Тема 2.1. Фізика тіл Сонячної системи

§ 16. Космогонія Сонячної системи

Вступ

Походження Сонячної системи — одна з найскладніших і не вирішених до кінця проблем астрономії. Поки що немає жодної загальновизнаної гіпотези, яка б задовільно пояснювала всі відомі факти. Ще якихось 20 років тому ми нічого не знали про існування планетних систем біля інших зір. Тому астрономи не могли порівнювати будову Сонячної системи з іншими подібними утвореннями у Всесвіті. Це одна з причин нашої низької обізнаності щодо походження Сонячної системи.

Цілі вивчення § 16

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти поняття планетеземалі; основні гіпотези і теорії виникнення Сонячної системи; головні етапи формування Сонячної системи; схематично механізм утворення планет у Сонячній системі;

• уміти сформулювати характерні особливості будови Сонячної системи;

• оцінювати значення вивчення тіл Сонячної системи для природничих наук.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Бажано повторити матеріал усіх параграфів цього підручника з теми «Фізика тіл Сонячної системи».

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Питання походження Сонячної системи — хороша ілюстрація однієї важливої особливості астрономії, а саме — її еволюційного характеру. Ідеться про те, що астрономія вивчає небесні тіла не лише в якийсь певний фіксований час їх існування, але й простежує їхній розвиток (еволюцію) від минулого до майбутнього. Ба більше, майже завжди розглядає походження небесного тіла і його прикінцеві етапи існування. Якраз про виникнення Сонячної системи як цілісного об’єкта, йдеться в цьому параграфі. Важливо звернути увагу на загальні характеристики будови Сонячної системи. Вони є початковими умовами для пошуку відповіді про зародження й еволюцію нашої планетної системи. Адже будь-яка теорія цього процесу має їх передбачувати й пояснювати.

Космогонія — розділ астрономії, що вивчає походження й розвиток (еволюцію) різних небесних тіл, зокрема і Сонячної системи в цілому та її окремих об’єктів. Завдання космогонії — з’ясувати коли, з якої форми матерії (пилу, газу тощо) і як (за яких фізичних умов) утворився той чи інший астрономічний об’єкт. Які процеси передували та сприяли його виникненню, і яким буде його розвиток надалі. Космогонія намагається виявити зв’язки різних небесних тіл, знайти загальні закономірності еволюції однорідної групи тіл. Це дозволяє не лише прогнозувати майбутнє космічних об’єктів, але й свідчить про закономірності розвитку матерії та розкриває механізми переходу однієї її форми в іншу. Отак космогонія показує матеріальну єдність нашого Всесвіту.

1. Загальні параметри будови Сонячної системи. У процесі вивчення тіл Сонячної системи та її загальної будови з’ясовано, що вона має низку параметрів (табл. 16.1), які в сукупності визначають її особливість. Зрозуміло, що теорія походження нашої планетної системи зазначені параметри має пояснити.

Таблиця 16.1

Характерні особливості будови Сонячної системи

1.

Площини орбіт усіх планет і всіх супутників, за винятком супутників Урана, майже збігаються з площиною Сонячного екватора.

2.

Усі планети обертаються навколо Сонця в одному й тому самому напрямку, що збігається з напрямком обертання Сонця навколо своєї осі. Цей напрямок обертання в астрономії називають прямим.

3.

Планети обертаються навколо своїх осей у прямому напрямку, за винятком Венери й Урана, які мають зворотне обертання.

4.

Еліптичні орбіти великих планет і супутників дуже близькі до кіл.

5.

Більшість супутників обертаються навколо своїх планет також у прямому напрямку.

6.

Великі планети поділяються на дві групи — планети земної групи (Меркурій, Венера, Земля, Марс) і планети-гіганти (Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун). Обидві групи відмінні між собою розмірами і складом речовини.

7.

Середні відстані від Сонця для майже всіх великих планет підпорядковуються правилу Тиціуса-Боде.

8.

Майже всі комети мають витягнуті орбіти (часто параболічні й навіть гіперболічні). Ці орбіти по-різному орієнтовані щодо площини екліптики.

9.

99,86% маси Сонячної системи припадає на Сонце і лише 0,14% на всі інші тіла, однак 98% її моменту загальної кількості руху припадає на планети.

2. Гіпотези утворення Сонячної системи. В космогонії Сонячної системи за останні понад 350 років було сформульовано кілька різних гіпотез (Р. Декарт — 1596 - 1650 рр.; І. Кант — 1724 - 1804 рр.; П. Лаплас — 1749 - 1827 рр.; Дж. Джінс — 1877 -1946 рр. та ін.), що намагалися пояснити походження нашої планетної системи. Серед них продуктивними виявилися гіпотези, які пояснювали походження Сонячної системи з газопилового диска, що обертався навколо Сонця. Поступова фрагментація такого диска врешті-решт привела до формування планет. Ці загальні уявлення існували в такому вигляді до середини ХХ ст. Далі почався новий етап вивчення питання походження Сонячної системи. У 1950-х роках О.Ю. Шмідт і його послідовники (В.С. Сафронов) докладно розробили гіпотезу Канта-Лапласа і на її підставі створили теорію походження нашої планетної системи.

Важливим елементом теорії стало уявлення про те, що в газопиловому диску, маса якого становила кілька відсотків від маси Сонця, навколо Протосонця на якомусь етапі існування почався процес злипання окремих пилинок. Це привело до утворення спершу невеликих, а потім дедалі більших згустків, які зіштовхуючись і злипаючись, утворили рій допланетних тіл різного розміру — планетезималей. Ці об’єкти стали будівельним матеріалом для планет, а найбільші планетезималі — їхніми «зародками».

Через високу температуру та видування летких елементів у центральній частині диска залишилися важкі тугоплавкі частинки — кам’янисті сполуки, залізо та інші метали. З них сформувалися планети земної групи. А у віддаленіших зонах, де залишалось багато газів і води, утворилися планети-гіганти та їхні супутники. Причому спочатку, як і в планетах земної групи, в них утворилися ядра з кам’янистих сполук і металів, поверх яких потім нарощувались воднево-гелієві оболонки.

Під час формування планет-гігантів процес випадання речовини (акреція) на планети супроводжувався утворенням навколо них газопилових дисків. З цих дисків утворилися супутники та кільця.

Для пояснення перерозподілу моменту кількості руху між Сонцем і планетами припускають, що Протосонце мало відчутне магнітне поле. Це поле, взаємодіючи з газом протопланетного диска, гальмувало власне обертання Протосонця і прискорювало обертання протопланетної речовини.

Особливості обертання Венери й Урана можна пояснити тим, що на початку існування Сонячної системи планети пережили зіткнення з дуже масивними планетезималями. Енергії зіткнення виявилось досить для того, щоб Уран «покласти на бік», а у Венери змінити напрямок обертання не протилежний.

Формування планетної системи відбувалося доволі швидко, від 100 млн до 500 млн років. Причому через особливості гравітаційної взаємодії швидкість формування планет майже не залежала від відстані до Сонця: близька до нього Земля наростила 98% своєї маси за 10 років, а віддаленіші Уран і Нептун — за 109 р. Загальний вік нашої планетної сім’ї, визначений по зразках речовини метеоритів та місячного ґрунту, становить близько 4,6 млрд років.

Рис. 16.1. Схема формування Сонячної системи.

Астероїди внутрішнього поясу та планетоїди поясу Койпера теж утворені з первинної речовини газопилової хмари, що через різні обставини не була увібрана великими планетами під час їхнього формування. Причому тверді кам’янисті тіла поясу астероїдів формувалися за орбітою Марса і густинами ближчі до планет земної групи. А планетоїди поясу Койпера з великим вмістом льодів різного походження формувались у віддаленій зоні Сонячної системи і споріднені з карликовою планетою Плутон. На думку вчених, саме з поясу Койпера в центральні ділянки Сонячної системи приходять комети, що мають періоди до кількох сотень, тисяч чи навіть десятків тисяч років.

Раніше вважали, що Марс свого часу гравітаційною силою захопив два астероїди з внутрішнього поясу, які і стали його супутниками. Але аналізуючи речовину супутників, отриману в результаті космічних місій, науковці виявили, що їх хімічний склад близький до складу мінералів на Марсі. Тому тепер астрономи схиляються до думки, що супутники Марса утворилися з речовини, яку викинуло на орбіту з поверхні червоної планети колосальне зіткнення з іншим космічним тілом ще в далекій «юності» Сонячної системи. Схоже, що й Місяць колись утворився на орбіті Землі з таких самих причин.

Але деякі супутники планет-гігантів, що рухаються тепер навколо них не в прямому, а у зворотному напрямку, колись таки були астероїдами.

Якщо за часів Шмідта існування газопилового диска було лише припущенням, то в останні десятиріччя ХХ ст. такі диски відкрито в багатьох молодих зір, а наприкінці минулого століття відкриті перші планети та системи планет біля інших зір (див. § 22. п.3). Значення цього відкриття важко переоцінити: ми, земляни, пересвідчились, що наша планетна система не є винятком у безмежному Всесвіті.

Відкриття інших планетних систем стало новим етапом у розвитку ідей щодо походження Сонячної системи. Астрономи отримали змогу порівнювати системи планет. Але це порівняння виявило суттєві відмінності між Сонячною системою й виявленими планетами біля інших зір. Наприклад, планети-гіганти типу Юпітера обертаються на дуже близьких відстанях від материнських зір (для порівняння, там, де в Сонячній системі рухаються Венера і Меркурій, а то й ще ближче!). Такі факти нинішня теорія формування Сонячної системи не пояснює. Ще одна проблема — зі спостережень молодих зір виявлено, що протопланетні диски існують не більше за 10 млн років, далі їхня речовина розсіюється. Але формування планет Сонячної системи, згідно з попередніми уявленнями, тривало сотні мільйонів років. Ось лише окремі проблеми, що виникли після відкриття планет біля інших зір.

У нашій зоряній системі є планетні системи, схожі на сонячну. Виявити їх досить важко через обмежені можливості наземних і космічних телескопів, хоча планети з твердими поверхнями (тверді чи кам’янисті планети) вже відкрито. Але вже очевидно, що багато питань, які начебто знайшли пояснення в космогонії Сонячної системи, доведеться переглядати.

Нині вивчення питань походження Сонячної системи виходить на новий рівень, бо, завдяки новим телескопам, з’являється дедалі більше інформації про процеси, що відбуваються в протопланетних дисках, та про особливості планет біля інших зір. А завдяки новим космічним місіям багато нового відкрилося і про об’єкти Сонячної системи. Наприклад, з 2011 р. в Чилі діє телескоп субміліметрового діапазону «ALMA» (Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array). Цей інтерферометр з високим кутовим розділенням дозволяє докладно вивчати структуру протопланетних дисків. І вже отримано перші дані про механізм злипання пилинок і утворення з них тіл більшого розміру.

Отже, теорія формування Сонячної системи нині в загальних рисах пояснює походження планет та інших об’єктів, але вимагає суттєвих уточнень деталей цього процесу. А що буде з нашою планетною системою далі? Згідно з сучасними уявленнями, вона існуватиме практично в такому ж вигляді, як нині, ще принаймні кілька мільярдів років. Її зміни пов’язують з еволюцією Сонця (§ 23, п. 2), що на сьогодні прораховано досить докладно. У дуже загальних рисах — на прикінцевій стадії еволюції Сонце перетвориться в червоний гігант, випарує Меркурій і Венеру, а Земля стане непридатною для життя.

Навчальне завдання

• Поясніть, чому питання походження Сонячної системи досі є складним в астрономії?

Висновки

Згідно з сучасними уявленнями, всі тіла нашої планетної системи, серед них і Сонце, утворилися з велетенської газопилової хмари шляхом її стискання, акреції та дефрагментації приблизно 4,6 млрд років тому.

Запитання для самоперевірки

1. Назвіть 2—3 характерні особливості будови Сонячної системи.

2. Назвіть 2—3 прізвища астрономів, авторів гіпотез походження Сонячної системи.

3. Сонце і планети утворились з газопилової хмари?

4. Чи спостерігають астрономи газопилові диски біля інших зір?

5. Назвіть хоча б одну відмінність в будові Сонячної системи та відомих планетних систем біля інших зір.

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 16

• Пункт «Сонячна система» розділу «Науково-популярні статті» Українського астрономічного порталу. (http://www.astrosvit.in.ua/statti/soniachna-systema)

Додатки

Додаток 1

Гіпотези утворення Сонячної системи

Автор, час

Суть гіпотези

Жорж Бюффон, XVIII ст.

Унаслідок удару комети об Сонце з нього було викинуто масу речовини, з якої утворилися всі інші тіла Сонячнї системи.

Іммануїл Кант, XVIII ст.

Сонячна система (і Сонце також) утворилася з газопилової хмари, що оберталася. Тіла

 

планетної системи сформувалися шляхом конденсації речовини хмари.

П’єр Лаплас, XVIII ст.

Сонце і планети утворилися зі сплющеної розжареної газопилової туманності шляхом її охолодження, стискання і фрагментації на окремі кільця. У її центральній частині виникло Сонце.

Джеймс Джинс, ХХ ст.

Масивна зоря, проходячи повз Сонце, вирвала з нього довгий сигароподібний струмінь розжареної речовини. Він розділився на три частини: перша, найближча до Сонця, впала назад на його поверхню; з другої утворилися планети і супутники, а третя — розсіялася в просторі.

Т.К. Чемберлін та Ф.Р. Мультон, ХХ ст.

Повз Сонце на відносно близькій відстані пройшла зоря, спричинивши викид сонячної речовини, яка швидко охолола й затверділа, утворивши окремі згустки — планетезималі. З них шляхом акреції речовини утворилися планет і їхні супутники.

О.Ю. Шмідт, ХХ ст.

Сонце захопило в Галактиці холодну газопилову хмару. Далі у процесі швидкого обертання відбулася її фрагментація на окремі частини і конденсація речовини в тіла Сонячної системи.

А. Гофмейстер і Р. Крісс, ХХІ ст.

Утворення Сонця і планет з об’ємної (а не з дископодібної) газопилової хмари шляхом акреції речовини. Формування Сонця і планет відбувається практично одночасно. Гіпотеза пояснює кілька особливостей будови Сонячної системи, які не пояснює класична теорія В. Сафронова та Джорджа Візерхілла.

За результатами вивчення § 16 Ви маєте:

знати й розуміти

поняття планетеземалі; основні гіпотези і теорії виникнення Сонячної

 

системи; основні етапи формування Сонячної системи; схематично механізм утворення планет у Сонячній системі.

уміти

сформулювати характерні особливості будови Сонячної системи.

оцінювати

значення вивчення тіл Сонячної системи для природничих наук.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.