КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина VIII

ПРОБЛЕМИ КОСМОГОНІЇ ТА КОСМОЛОГІЇ

Розділ 21

ПРОБЛЕМИ КОСМОГОНІЇ

21.7. Елементи планетної космогонії

Проблема походження планетних систем — одна з найважливіших у сучасному природознавстві. Проте її розв'язано лише в найзагальніших рисах. Адже якщо передбачення теорії еволюції зір значною мірою можна зіставити з результатами спостережень багатьох зір, що перебувають на різних етапах розвитку, то планетна система, яка оточує наше Сонце, є унікальною (тільки в останнє десятиліття з'явилась реальна можливість вивчати властивості планетних систем поблизу інших зір). Через потребу врахування багатьох найрізноманітніших факторів, які зіграли свою роль у процесі формування планет (магнітні поля, турбулентність у протопланет- ній хмарі, ефекти теплової та гравітаційної нестійкості, дисипація газового компонента, неоднорідність обертання протосонця тощо), моделювання цього процесу виявилося вкрай складним завданням.

Теорія, що вивчає походження планетної системи Сонця, передусім повинна пояснити такі властивості і закономірності її будови.

1. Орбіти всіх планет (крім орбіти Плутона) лежать практично в одній площині, яка майже співпадає з площиною сонячного екватора.

2. Усі планети обертаються навколо Сонця майже по колових орбітах в одному напрямі, який співпадає з напрямом обертання Сонця навколо своєї осі.

3. Напрям осьового обертання планет (за винятком Венери та Урана) співпадає з напрямом їх обертання по навколосонячній орбіті.

4. Середня відстань планет від Сонця (за винятком Нептуна і Плутона) підлягає емпіричному правилу Тіціуса-Боде (13.1).

5. Сумарна маса планет у 750 разів менша від маси Сонця, однак на них припадає 98% моменту кількості руху усієї Сонячної системи.

6. Планети діляться на дві групи — планети земної групи і планети-гіганти, які істотно відрізняються між собою за фізичними властивостями та хімічним складом.

7. Майже всі супутники планет обертаються навколо них практично по колових орбітах, які лежать переважно у площині планетного екватора, причому (за декількома винятками) напрям їхнього руху співпадає з напрямом обертання планети.

За останні 300 років висловлено декілька десятків космогонічних гіпотез, в яких розглядали найрізноманітніші варіанти ранньої історії Сонячної системи. За гіпотезою французького вченого П'єра Сімона Лапласа (1749—1827), на ранній стадії розвитку Сонце мало форму гігантської розжареної туманності, яка повільно оберталася. Під дією сили тяжіння протосонце стискалося, швидкість його обертання зростала. І як тільки на екваторі сила тяжіння врівноважувалася відцентровою силою, від Сонця відділялося кільце, яке згодом розвалювалося на окремі згустки. З них і формувалися планети. Таке явище, за Лапласом, повторювалося декілька разів. Аналогічно мали б утворитися і супутники планет. Однак наприкінці XIX ст. виявили, що ця гіпотеза не може пояснити перерозподіл моменту кількості руху між Сонцем і планетами. Крім того, кільцеподібні фрагменти гарячого газу швидко розширилися б і розсіялися у просторі.

Велику роль у розробці майже загальноприйнятих тепер поглядів на походження планетної системи зіграли праці Отто Юлійовича Шмідта (1891 — 1956). В основі його теорії лежали два припущення: 1) планети сформувалися з холодної газопилової хмари, 2) її Сонце захопило під час обертання навколо центра Галактики. Друге припущення невдовзі відкинули. Загальну ж схему розвитку нашої планетної системи тепер можна описати так.

Близько 5 млрд. років тому у протяжному фрагменті газовопилової хмари, пронизаному магнітними силовими лініями, за впливом зовнішньої причини утворилося центральне згущення — протосонце, яке почало стискуватися. Інша частина хмари з масою, приблизно в десять разів меншою, повільно оберталася навколо нього. Унаслідок зіткнень атомів, молекул і пилинок, туманність, яка оберталася, поступово сплющувалася і розігрівалася. Так навколо протосонця утворився протяжний газовий диск. Силові лінії його магнітного поля, «намотуючись» у процесі обертання на протосонце, сприяли передачі моменту від центра зовнішнім шарам диска. Таким чином, незважаючи на нехтовно малу масу речовини диска, з якого потім сформувалися планети, він акумулював в собі більшу частину моменту кількості обертального руху (п'ята властивість). Площина самого диска, природно, співпадала з площиною протосонячного екватора, тому орбіти планет виявилися розташованими майже в одній площині (перша властивість).

В процесі формування протосонця і поступового зростання його густини, зростала і його поверхнева температура. Взаємодія протосонячного випромінювання з речовиною диска привела до встановлення певного розподілу температури в останньому. Природно, що центральна частина диска виявилася значно сильніше нагрітою, ніж його периферійні зони. Результати моделювання температурного розподілу в первинному протопланетному диску показані на рис. 21.4.

Наступним етапом еволюції протопланетного газового диска була конденсація в ньому атомів і молекул у пилинки. Там, де температура була вищою (від 400 К до 1600 К), першими конденсувались атоми тугоплавких елементів — магнію, кальцію, хрому, заліза, нікелю, а також їхніх сполук — оксидів, карбидів, силікатів. І навпаки, низька температура (менше 200 К) сприяла формуванню сполук вуглецю, азоту, кисню та деяких інших елементів із воднем та їхньої наступної конденсації в крижані частинки. Цей процес був практично неможливий у безпосередній близькості від протосонця, тому існують суттєві відміни і в хімічному складі планет, які перебувають на близьких до Сонця орбітах, і планет, віддалених від нього. Так, ці другі містять значну кількість метану (CH4), етану (C2H6), аміаку (NH3), води (H2O) тощо, тоді як у складі планет земної групи домінують такі елементи, як магній, кремній, залізо. Цим пояснюється шоста властивість Сонячної системи.

image67

Рис. 21.4. Розподіл температури в протопланетному диску

За одним з варіантів еволюції протопланетної хмари спочатку в ній відбувся поділ компонентів — газу і пилу. Осідання пилу в центральній площині супроводжувалося зростанням розмірів пилинок до близько 1 см. Як тільки густина у цьому пиловому диску досягла критичного значення, у ньому виникла гравітаційна нестійкість. Спочатку утворилися кільця, які швидко розпалися на окремі згустки. За рахунок власного тяжіння ці згущення надалі стискалися, ущільнювалися, більші зростали, а менші руйнувалися. Перетворення сконденсованого пилу в окремі тверді тіла — планетезималі (від англ. planet — планета, infinitesimal — нескінченно мала величина) на відстані в 1 а. о. тривало близько 10 000 років. Земля ж зростала до сучасних розмірів усього 100 млн. років.

Щоб узгодити обчислення зі спостереженнями, вважають, що частина первинної речовини диска була викинута на далеку периферію Сонячної системи. Значну роль тут відіграв тиск протосонячного випромінювання на газову і пилову складові протопланетного диска. Так сформувалася хмара Оорта кометних тіл (точніше — сферичний шар), яка одержала свою назву на честь нідерландського астронома Яна Оорта (1900—1992) — автора цієї космогонічної гіпотези.

Напрям і швидкість обертання планети навколо своєї осі, які обумовлюють другу і третю властивість Сонячної системи, визначають статистично як сумарний результат об'єднання багатьох планетезималей. Як виявилося, за нахилом осі обертання планети до площини екліптики можна обчислити масу найбільших тіл, що випадали на планету. Зокрема, для нашої планети ці маси не перевищували 0,001 маси Землі. Те, що вісь обертання Урана нахилена до площини його орбіти під кутом 98°, пов'язане з впливом Юпітера і Сатурна. Як тільки маси цих планет зросли до двох-трьох мас Землі, вони своїм притяганням збурювали рух інших планетезималей, надаючи їм великі швидкості, достатні для вильоту за межі Сонячної системи. Випадкове зіткнення цих тіл з протоураном і призвело до згаданої аномалії в його обертанні навколо своєї осі.

Зародки планет-гігантів не лише перешкоджали формуванню окремої планети в зоні астероїдів між Марсом і Юпітером, а й призвели до значного зменшення маси Урана.

Бомбардування первісної Землі згустками речовини протопланетного диска, а також її стискування спричинили поступовий нагрів надр планети. З часом у цьому все більшу роль відігравали процеси радіоактивного розпаду деяких ізотопів. Тому в окремих зонах Землі речовина плавилася і диференціювалася: важчі хімічні елементи та їхні сполуки опускалися донизу, легші підіймалися вгору. Цей початковий етап формування структури Землі тривав близько 1 млрд. років.

Після формування планет залишки речовини, які оберталися навколо них, конденсувалися і утворювали біля деяких із них супутникові системи. Тут у мініатюрі повторився процес формування Сонячної системи (сьома властивість).

Так, наприклад, протоземля на ранній стадії розвитку могла бути оточена роєм невеликих супутників, радіуси яких сягали 100 км. З часом з них і сформувався Місяць. Але дослідження зразків місячного ґрунту показало, що він за своїм складом відрізняється від земного. Це може свідчити про те, що утворення Місяця, як небесного тіла, відбувалося на значно більшій відстані від Землі і, ймовірно, він був захоплений Землею вже після формування.

Система Земля — Місяць перебуває у безперервній зміні. Причиною змін, що виявляються як на Землі, так і на Місяці, служить гравітаційна припливна взаємодія. Сила тертя, обумовлена припливами, прагне загальмувати обертання Землі. І справді, земна доба зростає з цієї причини приблизно на 1,5 мілісекунди за сторіччя. Мільярди років тому земна доба за своєю тривалістю була істотно коротша від теперішньої (приблизно 5—6 годин). Унаслідок того, що Місяць менший від Землі за масою, Земля своєю припливною дією на Місяць уже істотно загальмувала його обертання і «привела» період обертання у відповідність з орбітальним рухом Місяця таким чином, що один оберт навколо своєї осі Місяць виконує за час, рівний одному оберту навколо Землі. Такий ефект зветься синхронізацією обертання і часто зустрічається в подвійних зоряних системах. Саме тому Місяць завжди обернений до Землі одним і тим самим боком. Наявність при

пливної взаємодії відбивається і на характеристиках місячної орбіти. Із зазначених вище причин Місяць поступово віддаляється від Землі зі швидкістю близько 3,8 см на рік.

Закономірність у розподілі відстаней планет від Сонця згідно з правилом Тіціуса — Боде (четверта властивість) все ще не має теоретичного обгрунтування.

Вважається досить імовірним, що зовнішньою причиною виникнення Сонячної системи був спалах близької Наднової зорі. Її оболонка, викинута з великою швидкістю в міжзоряний простір, через певний час зіткнулася з протосонячною хмарою, спричинила стиск останньої і збагатила цю первинну хмару хімічними елементами, важчими за водень і гелій. Ці дві обставини близько 5 млрд. років тому мали вирішальне значення для подальшого формування Сонця і планет, як також зародження і розвитку життя на Землі.






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.