Теории происхождения солнечной системы

       Этап второй-разогревание. Внутри  планет, в смеси с другими оказываются  зажатыми, "запертыми" радиоактивные  вещества, постоянно выделяющие  тепло, которому некуда выйти  в недрах планеты. Тепло накапливается,  и от этого радиоактивного  разогрева начинается размягчение  всей толщи планеты. В размягченном  виде вещества, в свое время  хаотично, бессистемно слепившие  её, начинают теперь распределятся  по весу. Тяжелые постепенно опускаются, тонут к центру, легкие выдавливаются  ими, поднимаются выше, всплывают  все ближе к поверхности. Постепенно  планеты приобретают строение, подобное  теперешней нашей Земле, - в центре, сжатой чудовищным весом навалившихся  сверху слоев, тяжелое ядро, окруженное "мантией" - толстым слоем вещества  полегче весом. И, наконец, снаружи  - совсем тонкая, толщиной всего  в несколько десятков километров, "кора", состоящая из наиболее  легких горных пород. Радиоактивные  вещества в основном содержатся  в легких породах. Поэтому теперь они скопились в "коре", греют её. Основное тепло с поверхности планеты уходит в космос, - от планеты "чуть повеяло теплом". А на глубине десятков километров тепло сохраняется, разогревая горные породы.

     Этап  третий - вулканическая деятельность. В некоторых местах недра планеты  накаляются докрасна. Потом даже больше. Камни плавятся, превращаются в раскаленную, светящуюся оранжево-белым светом огненную кашу - "магму". В толще коры ей тесно. В ней полно сжатых газов, которые готовы были бы взорвать, разбросать всю эту магму во все стороны  огненными брызгами. Но сил для  этого не хватает. Слишком крепка и тяжела окружающая и придавившая  сверху кора планеты. И огненная магма, пытаясь хоть как-нибудь вырваться  наверх, на свободу, нащупывает между  сжимающими её глыбами слабые места, протискивается в щели, подплавляя их стенки своим жаром. И понемногу  с годами, столетиями набирая силу, поднимается из глубин к поверхности  планеты. И вот победа! "Канал" пробит! Сотрясая скалы, с грохотом вырывается из недр столб огня. Клубы  дыма и пара вздымаются к небу. Летят  вверх камни и пепел. Огненная магма, которая называется теперь "лава", выливается на поверхности планеты, растекается в стороны. Происходит извержение вулкана. Таких "пробитых изнутри дырок" на планете много. Они помогают молодой планете "бороться с перегревом". Через них она  освобождается от накопившейся огненной магмы, "выдыхает" распирающие  её горячие газы - в основном углекислый газ и водяной пар, а с ними - разные примеси, такие, как метан, аммиак. Постепенно в атмосфере почти  исчезли водород и гелий, и  она стала состоять в основном из вулканических газов. Кислорода  в ней пока нет и в помине. Для жизни эта атмосфера совершенно непригодна. Очень важно, что вулканы  выбрасывают на поверхность большое  количество водяного пара. Он собирается в облака. Из них на поверхность  планеты льются дожди. Вода стекает  в низины, накапливается. И понемногу  на планете образуются озера, моря, океаны, в которых может развиться  жизнь.  
 
 
 
 
 
 
 
 

     5. Развитие представлений о возникновении Солнечной системы после Шмидта.

     1. Гипотеза Вайцзеркера.

     Газовые диффузные туманности - "типичные" места для рождения звезд, имеют, по наблюдениям, турбулентные скорости 5-10км/с. Если ячейка такой туманности, содержащая столько же вещества, как и Солнце, сожмется от первоначальной плотности, равной 10-22 г/см3, до плотности Солнца (1,4 г/см3), хаотические движения никогда полностью не прекратятся; некоторый угловой момент больше того, который имеет Солнечная система сейчас, останется.

     Впервые физическая теория турбулентности была приложена к проблеме возникновения  Солнечной системы Вайцзеркером в 1943 г. Вайцзеккер предполагал, что  первоначальная туманность имела плотность  примерно 10-9 г/см3 и составляла около 0,1 массы Солнца. Он постулировал, что  большая часть туманности рассеялась в пространстве, унеся с собой  значительную часть углового момента. Однако для его гипотезы нашлись  оппоненты. Гамов и Хайнек выражали сомнение, что рост планет может  происходить так, как это предполагал  Вайцзеккер. По поводу этой теории были выдвинуты и другие возражения. Например, Койпер показал, что вихри, в особенности  маленькие завихрения, не могут существовать настолько долго, чтобы планеты  успели вырасти, как это предполагал Вайцзеркер. Однако его оппоненты все же говорили, что он, несомненно, внес «свежую струю в стоячее болото теории происхождения планет». Вайцзеккер продолжал развивать свою гипотезу в 1943- 1947 годах.

     2. Гипотезы В. Г.  Фесенкова

     В 1918 г. впервые в советской науке  с космогонической гипотезой  выступил молодой тогда ученый, будущий  академик-астрофизик В. Г. Фесенков. Эта  его ранняя гипотеза возникла на основе вихревой небулярной гипотезы Фая. И  хотя от подобных гипотез вскоре отказались, гипотеза Фесенкова была интересна  тем, что он впервые ввел в космогонию идею необходимости учета астрофизических  процессов. Так он обратил внимание на возможную роль в формировании первичных вихрей - зародышей планет конвекционных токов вещества в  протопланетной туманности. Представим себе быстро вращающееся Солнце, только что выделившееся из газовой среды. Вначале оно будет разреженным  гигантом низкой температуры. Солнце должно сжиматься, так как пока не имеет  источников энергии. При этом будет  происходить ускорение его вращения, и в недрах его начнутся ядерные  реакции с участием углерода, требующие температуры в десятки миллионов градусов. Равновесное состояние вещества в Солнце нарушается, и от него вдоль экватора начнет отделяться в основном водород. Так Солнце окружалось газовой туманностью, постепенно рассеивающейся в пространстве. При быстром вращении на Солнце образуется с одной стороны выступ. Этот выступ, участвуя во вращении Солнца, отделившись, унесет с собой часть его энергии. Механизм возникновения прямого вращения в подобном случае был рассмотрен еще Лапласом. В образовавшейся подобным образом Солнечной системе планеты вначале должны были быть близки одна к другой. Планеты, как известно, состоят главным образом из тяжелых элементов, которые в Солнце представлены в ничтожной пропорции. Следовательно, из отделившейся первоначальной массы только ничтожная часть могла пойти на образование планет, все же остальное должно было образовать межпланетную среду, в дальнейшем рассеявшуюся из Солнечной системы.

     Дальнейшая  история Солнечной системы в  первый период ее существования, по Фесенкову, состояла главным образом в том, что в результате приливного трения в самое первое время, а затем  уменьшения массы Солнца, т. е. ослабления гравитационных связей между Солнцем  и планетами, последние все более  и более увеличивали размеры  своих орбит, пока, наконец, Солнечная  система не пришла в современное  состояние.

     Гипотеза  В.Г. Фесенкова хотя и использует общую идею Рессела о Солнце как  двойной звезде, но совершенно по-новому, эволюционно представляет эту ситуацию: планеты возникают в процессе самого формирования двойной звездной системы. Гипотеза остроумна, нова в  своих физических основах и является, по-видимому, первой, связывающей образование  планет с внутренним развитием уже  образовавшегося Солнца. Но и в  этой - гипотезе имеются явные недостатки. Существование длинного выступа  у Солнца (который можно сравнить с иглой, воткнутой в арбуз), да еще вращающегося вместе с ним, выглядит неправдоподобно. Ничего не говорится  об образовании систем крупных спутников. Нет четкости в объяснении различного состава планет земной группы, которые  состоят из тяжелых элементов, и  внешних планет-гигантов, в основном газовых.

3. Гипотеза Хойла

       Английский астрофизик-теоретик  Ф. Хойл предложил две противоположные  планетные космогонические гипотезы: сначала о формировании планет  из горячего звездного (1944г.), позднее  - из холодного межзвездного (1960 г.) вещества. Он известен в космогонии  как автор идеи о возможности  переноса момента количества  движения от Солнца к планетам  электромагнитным путем. 

     В 1958 г. Хойл рассмотрел идею протосолнца, обладающего такой массой и таким  вращением, для которых ротационная  неустойчивость его наступала при  радиусе, меньшем радиуса орбиты Меркурия. Затем Хойл использовал  интересную идею шведского физика Альвена о возможности "магнитного сцепления" между протосолнцем и ионизованным веществом в его окрестностях. По Хойлу, магнитное сцепление и передало момент количества движения от протосолнца этому веществу, что привело к его распространению на вес пространство будущей планетной системы и в то же время затормозило вращение Солнца, прекращая тем самым дальнейшее отделение вещества от него. Казалось бы затруднение Шмидта о моменте вращения снято. Однако это было не так. Длительное магнитное сцепление оказалось невозможным из-за неустойчивости плазмы. Обсуждение идеи Хойла встретило возражения, и она пока не признана выходом из главного затруднения для всех гипотез о происхождении Солнечной системы. Однако и полного отказа от идеи Хойла еще нет.

4. Гипотеза Койпера

     Американский  астроном, известный исследователь  планет и новых звезд, спектроскопист Дж.П. Койпер является автором, одной  из наиболее разработанных в ряде отношений космогонических гипотез. Его гипотезу называют еще теорией  приливной устойчивости.

     В 1951 г. он подробно изложил свою гипотезу с математической аргументацией. Койпер предполагает, что Солнце образовалось в очень плотном межзвездном  облаке и что при этом осталась туманность в форме диска радиусом в несколько десятков астрономических  единиц, которая вращалась вокруг Солнца. Наклонение, плоскостей планетных  орбит показывает, что койперовская солнечная туманность должна была иметь  значительную толщину в направлениях, перпендикулярных плоскости ее первоначальной симметрии. Последнюю можно уподобить  так называемой "неизменяемой плоскости" Солнечной системы. Она представляет собой среднюю плоскость системы  и может измениться только под  действием внешних сил. Если наклонение любой планетной орбиты изменилось в результате возмущения, то наклонение другой или нескольких других орбит  должно измениться в противоположном  направлении. В современной космогонии, однако, основная идея Койпера о  большой начальной массе планет считается весьма сомнительной.

     5.Гипотеза  Мак-Кри

       Мак-Кри, известный английский  астрофизик-теоретик, изучал звездные  атмосферы и внутреннее строение  звезд. Рассматривая процессы  гравитационной конденсации околозвездной  туманности размером до двух  световых лет (2*1018 см), он проанализировал ее возможную эволюцию при неоднородной плотности на основе своей идеи о случайных перемещениях ее элементов - сгустков. Эту идею он использовал сначала для объяснения происхождения Солнечной системы. Примем, что конденсирующаяся туманность состоит из N сгустков, имеющих (каждый) среднюю скорость хаотических движений порядка 5 км/с (наблюдаемые турбулентные скорости) и массу 2*1033/Arг, т. е. по массе туманность близка к Солнцу. В этом случае к ней применима статистическая теория случайных перемещений. Если вначале облако состояло из очень малого числа сгустков, скорости которых были одинаковы, а направления движения распределены случайным образом, то угловой момент сгустков относительно их центра масс никогда не мог быть близок к нулю. Если сейчас у Солнечной системы наблюдаемый угловой момент такой же, что и в период, предшествующий конденсации облака, то в нем должно было существовать примерно 1014 сгустков. Подчеркивается, что статистическая теория дает только наиболее вероятное значение момента вращения N сгустков, но не говорит прямо, насколько различна эта величина у разных облаков. Однако можно показать, что угловые моменты, отличающиеся, скажем, в 10 раз от наиболее вероятной величины, будут встречаться крайне редко. Значение N=1014 неожиданно велико. Оно не согласуется с известными размерами турбулентных вихрей в туманности Ориона ив других подобных ей газовых галактических туманностях. В процессе конденсации такого облака наблюдаемый угловой момент порядка 3*1050 г*см*с-1 почти наверняка достался гораздо меньшему числу сгустков. Более того, в первоначальной туманности облачные сгустки рассматриваемого здесь размера будут сталкиваться с другими облаками и, следовательно, обмениваться энергией и угловым моментом. Мак-Кри рассмотрел ту же самую проблему в другой работе. Он не интересовался ранней стадией конденсации и начал с изучения очень плотного облака радиусом примерно 40 а.е., в котором между планетами и Солнцем в конце концов устанавливается распределение угловых моментов в отношении 50:1. Изучение турбулентных движений в газовых туманностях показывает, что звезда не может сформироваться посредством процесса сжатия по Кельвину (или Гельмгольцу) - процесса, описанного в гипотезе, выдвинутой в XIX в. для объяснения поддержания солнечного излучения в течение многих тысячелетий. При этом сжатии потенциальная энергия тяготения звёзды переходит в тепловую. Сейчас считают, что такой процесс может происходить лишь на ранних стадиях звездной эволюции. Выражение, полученное Мак-Кри для ожидаемой величины углового момента системы, состоящей из N сгустков, может стремиться к нулю, лишь если N очень велико. На пути космогонических теорий, основанных на гипотезе сжатия по Кельвину, стоят следующие две трудности:

     1. Конденсирующееся облако должно  сохранить свою цельность, несмотря  на действие приливных сил,  оказываемое на него основной  массой Млечного Пути и соседними  звездами.

      2. Конденсация должна также преодолеть  так называемый критерий устойчивости  Джинса, который гласит, что звезды  могут образоваться только из  очень холодных облаков, в которых  скорости отдельных частиц составляют  примерно 0,2 км/с.

     6. Гипотезы Камерона  и Шацмана

     Эти гипотезы родственны гипотезе Хойла. А. Камерон (1962 г., США) изучал сжатие массивного однородного протосолнца. Скорость его вращения предполагалась такой, что отделение вещества начинается при радиусе большем, чем радиус орбиты Плутона. Оно продолжается в  ходе дальнейшего сжатия. Никакого центрального сгущения не образуется, и все вещество протосолнца переходит  в диск, внутренняя зона которого очень  массивна.

       Камерон рассматривает образование  планет из готового диска, пренебрегая  тем, что без наличия центрального  массивного тела диск является  неустойчивым. По его мнению, в  ходе дальнейшей эволюции большая  доля вещества из зоны планет  земной группы в результате  какого-то непонятного перераспределения  момента количества движения  выпадает к центру протосолнца,  образуя отсутствовавшее Солнце. Медленность вращения современного  Солнца остается необъясненной.  Кроме того, такое позднее образование  Солнца едва ли может быть  согласовано с данными о составе  планет.

     Несмотря  на то, что представление Камерона о массивной внутренней зоне протопланетного  облака остается необоснованным, многие космохимики используют вытекающее из него представление о высокой  температуре вещества в этой зоне, связанной с выделением гравитационной энергии при стягивании вещества к центральной области диска, и о медленном остывании этой зоны. Близкую к этой гипотезу развил в 1967 г. французский астрофизик-теоретик Э.Шацман. Он рассмотрел модель протосолнца, обладающего такой скоростью  вращения, что отделение вещества от него, т. е. образование протопланетного  облака, начинается, когда его радиус сокращается до радиуса орбиты Плутона. Для получения протопланетного  облака малой массы Шацман предполагает, что значительная часть вещества протосолнца концентрируется к  его центру и что такое распределение  сохраняется в ходе сжатия и дальнейшего  отделения вещества с поверхности, происходившего уже после преобразования протосолнца в Солнце. Улетающее  ионизованное вещество вплоть до больших  расстояний сохраняет взаимодействие с магнитным полем вращающегося Солнца и приобретает большой  момент количества движения, который  и уносит с собой. Это объяснение медленности вращения Солнца и доныне остается наиболее вероятным. В то же время гипотеза Шацмана об образовании  протопланетного облака не получила признания из-за нереальности предположения  о том, что высокая концентрация массы к центру протосолнца и его вращение как твердого тела сохраняются в ходе отделения протоплаиетного облака.