Теории происхождения солнечной системы

Исходные  данные о Солнечной  системе

     Основными известными во времена Лапласа характерными особенностями Солнечной системы, с которыми ему пришлось считаться  при разработке своей гипотезы, были следующие.

     1. Подавляющая часть Солнечной  системы (99,87%) заключена в Солнце.

     2. Плоскости орбит всех планет  и всех спутников почти совпадают  друг с другом и с плоскостью  солнечного экватора.

      3. Все планеты обращаются вокруг  Солнца в одном и том же  направлении, одинаковом с направлением  вращения Солнца вокруг своей  оси. (Это направление вращение  в астрономии называется прямым.)

     4. Спутники вращаются вокруг планет  также в прямом направлении. 

     5. Сами планеты вращаются вокруг  своей оси тоже в прямом  направлении. 

     6. Эллиптические орбиты большинства  планет и спутников очень близки  к окружностям. 

     7. Вокруг одной из планет - Сатурна  - наблюдается очень тонкое, но  широкое кольцо, состоящее из  нескольких концентрических колец.

      8. Орбиты комет (туманного вида  светил, проносящихся через Солнечную  систему) являются либо сильно  вытянутыми эллипсами, либо представляют  собой параболы.

     Что же касается состава Солнечной системы, то на тот период времени астрономам было известно 7 основных планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн и  Уран- 7-ая планета Солнечной системы  была открыта в 1781 г. В. Гершелем.

Рождение  планет

       Итак, обширная раскаленная газовая  туманность, будущая Солнечная система,  вращается вокруг своей оси,  испуская в пространство большое  количество тепла. Вследствие  этого вращения она конечно  охлаждается. Охлаждение же туманности  должно было сопровождаться ее  сжатием, т. е. уменьшением ее  размеров и возрастанием плотности.  Чем больше возрастает плотность  туманности, тем больше скорость  ее вращения, а, следовательно,  тем больше центробежная сила. Под действием этой силы туманность  постепенно сплющивается у своих  полюсов, приобретая форму линзы.  Частички, лежащие ближе всего  к экватору и испытывающие  при вращении центробежную силу, равную силе их притяжения  к центру, теряли связь с основной  массой туманности и отслаивались  от нее. Они продолжали вращаться  уже самостоятельно, на определенном  расстоянии от центра и постоянной  скоростью. Так как процесс  охлаждения и сжатия туманности  шел непрерывно, то от внутренних  частей туманности, вращающейся  все быстрее, в экваториальной  плоскости частицы отрывались  слой за слоем, всякий раз  как центробежная сила для  этих частиц уравнивалась тяготением.

     Таким образом, туманность постепенно превратилась в шар, оставшийся от центрального ядра, окруженный системой тонких неоднородных и почти плоских газовых колец, лежащих в экваториальной плоскости. Образование колец является наиболее характерной чертой для гипотезы Лапласа. Охлаждение и взаимное тяготение  частиц вело к дальнейшему сжатию колец. Из-за неоднородности их структуры  в них неизбежно должны были встречаться  уплотнения и разрежения газа. Более  массивные комки должны были постепенно притянуть и собрать вокруг себя остальные, более мелкие частички. Каждое неоднородное кольцо сбивалось в  один газовый шар, несущийся вокруг Солнца на том расстоянии и с той  скоростью, которые имело газовое кольцо.

Вращение  планет. Образование  спутников.

       Возникновение вращения планет  вокруг своей оси Лаплас объяснял тем, что частицы кольца, движущиеся с одинаковой угловой скоростью, имели скорость на внутренней стороне меньшую, чем на внешней. Поэтому внешние частицы как бы забегали вперед и привели этим во вращение образующийся из вещества кольца газовый шар, дальнейшее сжатие и охлаждение которого способствовало формированию очередной планеты. Незначительная вначале скорость вращения планеты впоследствии должна была увеличиться из-за ее сжатия при охлаждении. Однако прежде чем отвердеть, многие пришедшие во вращение газовые шары - будущие планеты - испытали тот же процесс, в результате которого они сами образовались. Их охлаждение и сжатие также привело к отслоению от них колец, лежащих почти в той же плоскости, что и путь планеты около Солнца. Так, по гипотезе Лапласа, образовались спутники планет - их луны. Лишь у Сатурна газовые кольца, отслоившиеся от будущей планеты, оказались настолько однородными, что не смогли собраться в отдельные большие тела, а распались на множество небольших частиц, которые образовали метеоритные кольца.

     В 1843 г. Плато проделал опыт, при помощи которого гипотеза Лапласа, казалось, была подтверждена. Он взял смесь воды со спиртом, плотность которого была одинаковой с плотностью жидкого  масла. Если в какую жидкость влить  масло, то оно соберется в ней  в виде шара, находящегося в безразличном равновесии, не всплывая на поверхность  и не опускаясь на дно. Проткнув этот шар палочкой насквозь и приведя  ее в быстрое вращение, Плато смог наблюдать, как при быстром вращении палочки шар также приходит во вращение. В процессе этого вращения шар сплющивается, и от него в  плоскости экватора начинают отделяться кольца. В скорости кольца распадаются  на отдельные шарики, продолжающие вращаться вокруг большого шара, проткнутого  палочкой. Казалось бы, получается полная аналогия с картиной происхождения  Солнечной системы, нарисованной Лапласом. Однако позднее выяснилось, что маслянистый  шар Плато, плавающий в спирте, не имеет ничего общего с огромной разреженной и раскаленной туманностью  Лапласа.

Кометы: их движение и происхождение  по Лапласу

       Кроме планет и спутников, двигавшимся  по почти круговым орбитам, причем в одном и том же направлении (об исключениях из этого Лаплас еще не знал), Солнечную систему в разных направлениях бороздили кометы. И поскольку их движение далеко не всегда совпадало с направлением и плоскостью движения основных членов Солнечной системы, то требовалось дополнительное рассмотрение и объяснение движения этих космических тел. Лаплас считает, что кометы являются "посторонними в отношении к планетной системе ... конденсация туманной материи, с помощью которой мы объяснили прямое вращение и обращение планет и спутников в одинаковом направлении и в мало отличающихся плоскостях, объясняет также причины отклонения комет от этого общего закона". Большой эксцентриситет кометных орбит, по мнению Лапласа, также вытекает из его теории.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Дальнейшее  развитие космогонии Солнечной системы

      Поскольку естествознание не  стояло на месте, и представления  о нашей Солнечной системе  продолжали меняться: открывались  новые планеты, выяснялись новые  элементы движения этих планет и их спутников и т. д., то и космогонические теории и гипотезы менялись и развивались. Среди ученых, занимавшихся проблемами происхождения Солнечной системы, были как последователи теории Лапласа, так и ее противники.

Э.А. Рош: попытка математизации  гипотезы Лапласа

     Ученик  и последователь Лапласа, Рош  в конце 40-х годов XIX в. взялся за математизацию  некоторых аспектов небулярной гипотезы Лапласа. Он исследовал вопрос о том, какую форму может принимать  большая газовая масса под  действием вращения.

     Он  показал, что туманность Лапласа, охлаждаясь, действительно должна вращаться  все быстрее и быстрее. При  этом она обязательно сплющится  под действием центробежной силы и приобретет чечевицеобразную форму. При дальнейшем вращении от ребра "чечевицы" должен начаться отрыв и отделение  вещества. Это Рош объяснял тем, что центробежная сила этого вещества не уравновешивается силой притяжения. По предположению Роша при охлаждении туманности (у поверхности) частицы с ее периферии будут падать внутрь, на ядро, приводя к его уплотнению и росту. Размер же всей туманности при этом почти не уменьшится. Однако сам процесс отделения колец от общей массы туманности по расчетам Роша оказался более сложным. Он считал, что периоды роста центрального сгущения должны сменяться периодами сокращения всей чечевицеобразной массы, течение которых только и могут возникать газовые кольца.

       Однако, если представить себе оторвавшееся от туманности кольцо, как сплошной газовый диск, то плотность окажется столь незначительной, что причин собираться диффузному веществу в более плотное образование - планету - нет никаких, так как сила притяжения между частицами слишком мала. Чтобы обойти возникшее затруднение, Рош предположил, что отделение вещества происходило отдельными узкими "внутренними" кольцами. Эта мысль не только снимала затруднение, но и впервые более или менее удовлетворительно объясняла прямое вращение планет.

       Развивая гипотезу Лапласа, Рош  впервые детально рассмотрел  приливные эффекты в Солнечной  системе. Занимаясь этой проблемой,  он сделал очень важное открытие: открыл критическое состояние  от планеты, ближе которого  малое тело может быть разорвано  на куски приливным воздействием  большого. Именно этим воздействие  он объяснял наличие колец  у Сатурна. Он считал, что они  образовались из-за разрыва спутника  под действием планеты, поскольку  расстояние от планеты до всей  системы колец меньше критического.

Теория  приливной эволюции Дж. Дарвина (на примере  системы Земля - Луна)

     Приливы вызываемые Луной и Солнцем происходят не только на поверхности Земли, в  морях и океанах, но и в теле самой Земли, недра которой - горячая  магма, раскаленное ядро и даже земная кора - обладают некоторой вязкостью. Работа Дж. Дарвина посвящена вопросам эволюции двойной планеты "Земля - Луна". Он задался целью выяснить космогоническое влияние приливов, порождаемых Луной в недрах Земли, и соответственно тех, что вызывает Земля в Луне. Эти приливные  волны, движение которых направлено в сторону, противоположную вращению Земли, тормозят ее, понемногу удлиняя  ее сутки. Согласно вычислениям примерно за 100 тысяч лет мы теряем 1 секунду. Вследствие приливного трения Луна в  свою очередь удаляется от нас, одновременно замедляя движение вокруг своей оси (по этой причине она обращена теперь к Земле одной стороной). Подобное замедление будет продолжаться до тех  пор, пока сутки на Земле не сравняются по своей длине с месяцем, т.е. с периодом обращения Луны.

       По одним расчетам месяц и  сутки оба станут равны 1400 часам,  по другим данным - 11240 часам (в  зависимости от величины трения солнечного прилива). И если не произойдет вмешательства посторонней силы в приливную эволюцию, то будет достигнуто "приливное равновесие" системы "Земля - Луна".

     С помощью механизмов приливов Дарвин попытался объяснить изменение  направления движения планет (с прямого  на обратное). Он говорил, что первоначально  все планеты имели обратное направление  вращения. Однако планеты, сконцентрировавшиеся из раскаленного газообразного вещества, первое время находились в жидком состоянии. Тогда приливные процессы происходили в них во много  раз сильнее, чем это можно  наблюдать сегодня. "Приливные  волны так тормозили небесные тела, что те в конце концов почти  остановились в своем вращении. Теперь, повернувшись одной стороной к Солнцу, они делали один оборот вокруг своей  оси за год. Если к этому времени  планета охладилась и затвердела, то характер ее движения мог сохраниться  на долгое время. Если же процесс ее охлаждения и сжатия продолжался, то по законам механики должна была непрерывно расти и скорость ее вращения. То есть планеты постепенно начинали вращаться  в прямую сторону".

     Дарвин  делает вывод о том, что такой  механизм и заставил вращаться в  прямом направлении ближайшие к  Солнцу планеты, тогда как более  удаленные от него значительно меньше подвергались действию приливных сил  и сохранили первичное направление  вращения в обратную сторону.

Небулярные  гипотезы с конца XIX в. до середины XX в. (Гипотезы Фая и Лигонде)

       В течение почти всего XIX века  огромное влияние на широкую  аудиторию имела гипотеза Лапласа.  Она приводилась либо в своем  первоначальном виде, либо с добавлениями  и уточнениями некоторых частностей. Однако далеко не на все  новые вопросы, возникающие по  мере открытий и новых наблюдений, исследователи могли найти ответы  в этой теории. Очень часто  задавались вопросы о происхождении  самого вращения Солнца и туманности  и об обратном вращении планет.

     И начиная с 80-х годов XIX века предпринимались  попытки ответить на эти вопросы  путем внесения изменений в теорию Лапласа. Наиболее оригинальной, производившей  впечатление была идея вихрей внутри облака некой первозданной материи, наподобие вихрей-смерчей в земной атмосфере. Выдвинул эту гипотезу крупный  метеоролог и астроном, французский  ученый Э. Фай (1884 г.). Планеты и Солнце по этой гипотезе сформировались в  одном из таких вихрей. Причем в  начале, во внешних частях, сформировались планеты, а уже позднее в самом  центре всосанная туда космическим  смерчем материя сгустилась в  Солнце. Позже всего сформировались крайние планеты - Уран и Нептун. Таким образов Фай, представляя  вращение вихря как твердого тела, объясняет прямое вращение внутренних планет и обратное вращение у некоторых  внешних планет и спутников, возникших  из частиц, вращавшихся вокруг Солнца уже по законам Кеплера. Но эта  гипотеза была слишком искусственной  и не учитывала приливные эффекты, чем вызвала резкую критику у  Дж. Дарвина и его сторонников. Все это заставило отказаться от нее.