Образование и эволюция Солнечной системы.

Ещё в XVI в. Джордано Бруно предположил, что звезды, подобно Солнцу, окружены свитой планет и эти миры непрерывно рождаются, развиваются и умирают. Два века спустя в работах немецкого философа Иммануила Канта и французского математика Пьера Симона Лапласа зародилась космогония - наука о происхождении небесных тел. Существует космогония планетная - она изучает проблемы возникновения Земли и планет вообще. С ней тесно связана космогония: звёздная, рассматривающая происхождение звёзд, и прежде всего Солнца - ближайшей к нам звезды. Движение планет в Солнечной системе упорядочено: они вращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости. Расстояния от одной планеты до другой возрастают закономерно. Орбиты планет близки к окружностям, что и позволяет им вращаться вокруг Солнца миллиарды лет, не сталкиваясь друг с другом. Если движение планет подчиняется одному и тому же порядку, то процесс их образования должен быть единым. Это показали в XVIII в. Иммануил Кант и Пьер Лаплас. Они пришли к выводу, что на месте планет вокруг Солнца первоначально вращалась туманность из газа и пыли. Но откуда взялась эта туманность? И каким образом газ и пыль превратились в крупные планетные тела? Эти вопросы оставались нерешёнными в космогонии XIX и начала ХХ в. Камнем преткновения была и проблема момента количества движения планет. Масса всех планет системы в 750 раз меньше массы Солнца. При этом на долю Солнца приходится лишь 2% общего момента количества движения, а остальные 98% заключены в орбитальном вращении планет. Вплотную этими проблемами нaука занялась лишь во второй половине ХХ в. Почти до конца 80-х гг. раннюю историю нашей планетной системы приходилось "воссоздавать" лишь на основе данных о ней самой. И только к 90-м гг. стали доступны для наблюдений невидимые ранее объекты - газопылевые диски, вращающиеся вокруг некоторых молодых звёзд, сходных с Солнцем. Газопылевую туманность, в которой возникли планеты, их спутники, мелкие твёрдые тела - метеороиды, астероиды и кометы, называют протопланетным (или допланетным) облаком. Плaнeты вращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости, а значит и само газопылевое облако имело уплощенную чечевицеобразную форму, поэтому его называют ещё диском. Учёные полагают, что и Солнце, и диск образовались из одной и той же вращающейся массы межзвёздного газа - протосолнечной туманности. Начальная фаза пpoтосолнечной туманности - предмет исследования астрофизики и звёздной космогонии. Изучение же её эволюции, приведшей к появлению планет, - центральная задача космогонии планетной. Возраст Солнца насчитывает чуть меньше 5 млрд лет. Возраст древнейших метеоритов почти такой же: 4,5-4,6 млрд лет. Столь же стары и рано затвердевшие части лунной коры. Пoэтому принято считать, что 3емля и другие планеты сформировались 4,6 млрд лет назад. Солнце относится к звёздам так называемого второго поколения Галактики. Самые старые её звёзды значительно (на 8-10 млрд лет) старше Солнечной системы. В Галактике есть и молодые звезды, которым всего 100 тыс. - 100 млн лет (для звезды это совсем юный возраст). многие Из них похожи на Солнце, и по ним можно судить о начальном состоянии нашей системы. Наблюдая несколько десятков подобных объектов, ученые пришли к следующим выводам. Размер допланетного облака Coлнечной системы должен был превышать радиус орбиты последней планеты - Плутона. химический состав молодого Солнца и окружавшего его газопылевого облака-диска, по-видимому, был одинаков. Общее содержание водорода и гелия достигало в нем 98%. На долю всех остальных, более тяжелых элементов приходилось лишь 2%; среди них преобладали летучие соединения, включающие углерод, азот и кислород: метан, аммиак, вода, углекислота. Расчеты показывают, что в пределах орбиты Плутона, т.е. диска радиусом 40 а.е., общая масса всех планет вместе с утерянными к настоящему времени летучими веществами должна быть составлять 3-5% от массы Солнца. Такую модель облака называют облаком умеренно малой массы, она подтверждается и наблюдениями околозвездных дисков. Если бы масса облака была сопоставима с массой центрального тела, то должна была бы образоваться звезда - компаньон Солнца (или же надо найти объяснение выбросу огромных излишков вещества из Солнечной системы). Наименее изучена самая ранняя стадия - выделение протосолнечной туманности из гигантского родительского молекулярного облака, принадлежащего Галактике.

Согласно современным представлениям, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного молекулярного облака. Большая часть вещества оказалась в гравитационном центре коллапса с последующим образованием звезды — Солнца. Вещество, не попавшее в центр, сформировало вращающийся вокруг него протопланетный диск, из которого в дальнейшем сформировались планеты, их спутники, астероиды и другие малые тела Солнечной системы. Гипотеза об образовании Солнечной системы из газопылевого облака — небулярная гипотеза — первоначально была предложена в XVIII веке Эммануилом Сведенборгом, Иммануилом Кантом и Пьером-Симоном Лапласом. В дальнейшем её развитие происходило с участием множества научных дисциплин, в том числе астрономии, физики, геологии и планетологии. С началом космической эры в 1950-х годах, а также с открытием в 1990-х годах планет за пределами Солнечной системы (экзопланет), эта модель подверглась многократным проверкам и улучшениям для объяснения новых данных и наблюдений. Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного газопылевого облака. В общих чертах, этот процесс можно описать следующим образом: Спусковым механизмом гравитационного коллапса стало небольшое (спонтанное) уплотнение вещества газопылевого облака (возможными причинами чего могли стать как естественная динамика облака, так и прохождение сквозь вещество облака ударной волны от взрыва сверхновой, и др.), которое стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества — центром гравитационного коллапса. Облако уже содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы (Металличность), оставшиеся после звёзд предыдущих поколений. Кроме того, коллапсирующее облако обладало некоторым начальным угловым моментом. В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска. Как следствие сжатия росла плотность и интенсивность столкновений друг с другом частиц вещества, в результате чего температура вещества непрерывно возрастала по мере сжатия. Наиболее сильно нагревались центральные области диска. При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться — сформировалась протозвезда. Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. За счёт гидродинамических неустойчивостей, в них стали развиваться отдельные уплотнения, ставшие локальными гравитационными центрами формирования планет из вещества протопланетного диска. Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов кельвинов, в центральной области началась термоядерная реакция горения водорода. Протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, вращающиеся вокруг центрального светила примерно в одной плоскости и в одном направлении. Раньше считалось, что все планеты сформировались приблизительно на тех орбитах, где находятся сейчас, однако в конце XX — начале XXI века эта точка зрения радикально изменилась. Сейчас считается, что на заре своего существования Солнечная система выглядела совсем не так, как она выглядит сейчас. По современным представлениям, внешняя Солнечная Система была гораздо компактнее по размеру чем сейчас, пояс Койпера был гораздо ближе к Солнцу, а во внутренней Солнечной системе помимо доживших до настоящего времени небесных тел существовали и другие объекты, по размеру не меньшие чем Меркурий. В конце эпохи формирования планет внутренняя Солнечная система была населена 50-100 протопланетами с размерами, варьирующимися от лунного до марсианского. Дальнейший рост размеров небесных тел был обусловлен столкновениями и слияниями этих протопланет между собой. Так, например, в результате одного из столкновений Меркурий лишился большей части своей мантии, в то время как в результате другого был рождён спутник Земли Луна. Эта фаза столкновений продолжалась около 100 миллионов лет до тех пор, пока на орбитах не осталось 4 массивных небесных тела известных сейчас. Одной из нерешённых проблем данной модели является тот факт, что она не может объяснить, как начальные орбиты протопланетных объектов, которые должны были обладать высоким эксцентриситетом, чтобы сталкиваться между собой, смогли в результате породить стабильные и близкие к круговым орбиты оставшихся четырёх планет. По одной из гипотез, эти планеты были сформированы в то время, когда межпланетное пространство ещё содержало значительное количество газо-пылевого материала, который за счёт трения снизил энергию планет и сделал их орбиты более гладкими. Однако этот же самый газ должен был предотвратить возникновение большой вытянутости в первоначальных орбитах протопланет. Другая гипотеза предполагает, что коррекция орбит внутренних планет произошла не за счёт взаимодействия с газом, а за счёт взаимодействия с оставшимися более мелкими телами системы. По мере прохождения крупных тел сквозь облако мелких объектов последние из-за гравитационного влияния стягивались в регионы с более высокой плотностью, и создавали таким образом «гравитационные гребни» на пути прохождения крупных планет. Увеличивающееся гравитационное влияние этих «гребней», согласно этой гипотезе, заставляло планеты замедляться и выходить на более округлую орбиту. Внешняя граница внутренней Солнечной системы располагается между 2 и 4 а.е. от Солнца и представляет собой пояс астероидов. Изначально астероидный пояс содержал достаточное количество материи, чтобы сформировать 2-3 планеты размером с Землю. Эта область содержала большое количество планетозималей, которые слипались между собой, образуя всё более крупные объекты. В результате этих слияний в поясе астероидов сформировалось около 20-30 протопланет с размерами от лунного до марсианского. Однако начиная с того времени, когда в относительной близости от пояса сформировалась планета Юпитер, эволюция этой области пошла по другому пути. Мощные орбитальные резонансы с Юпитером и Сатурном, а также гравитационные взаимодействия с более массивными протопланетами этой области разрушали уже сформированные планетозимали. Попадая в область действия резонанса при прохождении поблизости планеты-гиганта планетозимали получали дополнительное ускорение, врезались в соседние небесные тела и дробились вместо того чтобы плавно сливаться. По мере миграции Юпитера к центру системы возникающие возмущения имели всё более выраженный характер. В результате этих резонансов планетозимали меняли эксцентриситет и наклонение своих орбит и даже выбрасывались за пределы астероидного пояса. Некоторые из массивных протопланет также были выброшены Юпитером за пределы пояса астероидов, в то время как другие протопланеты, вероятно, мигрировали во внутреннюю Солнечную систему, где сыграли финальную роль в увеличении массы нескольких оставшихся планет земного типа. В течение этого периода истощения влияние планет-гигантов и массивных протопланет заставило астероидный пояс «похудеть» до всего лишь 1 % от Земной массы, которую составляли в основном маленькие планетозимали. Однако эта величина в 10-20 раз больше современного значения массы астероидного пояса, которая теперь составляет 1/2000 массы Земли. Считается, что второй период истощения, который и привёл массу астероидного пояса к текущим значениям, наступил, когда Юпитер и Сатурн вошли в орбитальный резонанс 2:1. Вполне вероятно, что период гигантских столкновений в истории внутренней Солнечной системы сыграл важную роль в получении Землёй её запасов воды (~6·1021 кг). Дело в том, что вода — слишком летучее вещество, чтобы возникнуть естественным образом во время формирования Земли. Скорее всего она была занесена на Землю из внешних, более холодных областей Солнечной системы. Возможно именно протопланеты и планетозимали, выброшенные Юпитером за пределы астероидного пояса, занесли воду на Землю. Другими кандидатами на роль главных доставщиков воды являются также кометы главного пояса астероидов, обнаруженные в 2006 году, в то время как кометы из пояса Койпера и из других отдалённых областей предположительно занесли на Землю не более 6 % воды.

Проблема происхождения Солнечной системы - одна из важнейших в современном природоведении. Тем не менее, она разрешена лишь в общих чертах. Ведь если теорию эволюции звезд в значительной мере можно сопоставить с результатами наблюдений многих звезд в галактике, которые находятся па разных этапах развития, то планетная система, которая окружает наше Солнце, является уникальной. Через потребность учета многих разнообразнейших факторов, которые сыграли свою роль в процессе формирования планет (магнитные поля, турбулентность в протопланетной туче, эффекты тепловой и гравитационной нестойкости, диссипация газового компонента, неоднородность обращения протосолнца и т.п.), моделирование этого процесса оказалось крайне сложной задачей. Теория, которая изучает происхождение планетной системы, должна объяснить такие закономерности в ее строении: 1. Орбиты всех планет (кроме орбиты Плутона) лежат практически в одной плоскости, которая почти совпадает с плоскостью солнечного экватора. Все планеты вращаются вокруг Солнца почти по круговым орбитам в одном направлении, которое совпадает с направлением вращения Солнца вокруг своей оси. Направление осевого обращения планет (за исключением Венеры и Урана) совпадает с направлением их вращения вокруг Солнца. Среднее расстояние планет от Солнца (за исключением Нептуна и Плутона) описывается правилом Тициуса - Боде. Суммарная масса планет в 750 раз меньше массы Солнца, однако на них приходится 98% момента количества движения всей Солнечной системы. Планеты делятся на две группы (планеты земной группы и планеты-гиганты), которые существенным образом отличаются между собой за физическими свойствами. Почти все спутники планет вращаются вокруг них практически по круговым орбитам, которые лежат преимущественно в плоскости экватора планеты, причем (за несколькими исключениями) направление их движения совпадает с направлением вращения планеты. За последние 300 лет были высказаны несколько десятков различных космогонических гипотез, в которых рассматривали разнообразнейшие варианты ранней истории Солнечной системы. Первой такой гипотезой была гипотеза, сформулированная в 1755 году немецким философом Иммануилом Кантом. Кант считал, что солнечная система возникла из некой первичной материи, до того свободно рассеянной в космосе. Частицы этой материи перемещались в различных направлениях и, сталкиваясь друг с другом, теряли скорость. Наиболее тяжелые и плотные из них под действием силы притяжения соединялись друг с другом, образуя центральный сгусток - Солнце, которое, в свою очередь, притягивало более удаленные, мелкие и легкие частицы. Таким образом, возникло некоторое количество вращающихся тел, траектории которых взаимно пересекались. Часть этих тел, первоначально двигавшихся в противоположных направлениях, в конечном счете, были втянуты в единый поток и образовали кольца газообразной материи, расположенные приблизительно в одной плоскости и вращающиеся вокруг Солнца в одном направлении, не мешая друг другу. В отдельных кольцах образовывались более плотные ядра, к которым постепенно притягивались более легкие частицы, формируя шаровидные скопления материи; так складывались планеты, которые продолжали кружить вокруг Солнца в той же плоскости, что и первоначальные кольца газообразного вещества. За гипотезой Лапласа на ранней стадии развития Солнце имело форму гигантской раскаленной туманности, которая медленно вращалась. Под действием сил тяготения протосонце сжималось, скорость его обращения возрастала. И как только на экваторе сила тяготения уравновешивалась центробежной силой, от Солнца отделялось кольцо, которое со временем разделялось на отдельные сгустки. Из них и сформировались планеты. Такое процесс, за Лапласом, повторялся несколько раз. Аналогично должны были образоваться и спутники планет. Но в конце XIX в. было доказано, что эта гипотеза не может объяснить перераспределение момента количества движения между Солнцем и планетами. Кроме того, фрагменты горячего газа быстро расширились бы и рассеялись в пространстве. Большую роль в разработке почти современных взглядов на происхождение планетной системы сыграли работы Отто Юльевича Шмидта (1891-1956). В основе его теории лежали два предположения: планеты сформировались из холодной газово-пылевой тучи, которую захватило Солнце во время обращения вокруг центра Галактики. Общую же схему развития нашей планетной системы можно описать так. Около 5 млрд. лет тому в протяжном фрагменте газово-пылевой тучи, пронизанном магнитными силовыми линиями, образовался центральный сгусток - протосонце, которое медленно сжималось. Другая часть тучи с массой, приблизительно в десять раз меньшей, медленно вращалась вокруг него. Вследствие столкновений атомов, молекул и пылинок туманность постепенно сплющивалась и разогревалась. Вокруг Солнца образовался протяжный газово-пылевой диск. Его магнитное поле, «наматываясь» на протосонце, оказывало содействие передаче момента внешним пластам диска. По одному из вариантов эволюции протопланетного облака сначала в ней произошел раздел компонентов - газа и пыли. Оседание пыли в центральной плоскости сопровождалось ростом размеров пылинок до 1 см. Как только плотность в этом пылевом диске достигала критического значения, в нем возникла гравитационная нестойкость. Сначала образовались кольца, которые быстро распались на отдельные сгустки. За счет собственного тяготения эти сгустки в дальнейшем сжимались, уплотнялись, большие разрастались, а меньшие разрушались. Преобразование сконденсированной пыли в отдельные твердые тела - планетезимали на расстоянии в 1 а. е. длилось всего около 10 000 лет. Земля же разрасталась до современных размеров всего 100 млн. лет. Чтобы согласовать вычисления с наблюдениями, считают, что значительная часть твердого вещества была выброшена на далекую периферию Солнечной системы. Так сформировалась туча Оорта кометных тел. Направление и скорость вращения планеты вокруг своей оси определяют статистически, как суммарный результат объединения многих планетезималей. Как оказалось, за наклоном оси обращения планеты к плоскости эклиптики можно вычислить массу наибольших тел, которые выпадали на планету. В частности, для нашей планеты эти массы не превышали 0,001 массы Земли. То, что ось обращения Урана наклонена к плоскости его орбиты под углом 98°, связанно с влиянием Юпитера и Сатурна. Как только массы этих планет возросли до двух-трех масс Земли, они своим притягиванием возмущали движение других планетезималей. Случайное столкновение этих тел с протоураном и привело к упомянутой аномалии в его вращении вокруг своей оси. Зародыши планет-гигантов не только препятствовали формированию планеты в зоне астероидов между Марсом и Юпитером, а и привели к значительному уменьшению массы Урана. Выпадение отдельных сгустков на Землю и ее сжатие послужили причиной постепенного нагрева недр планеты. Со временем в этом все большую роль отыгрывали процессы радиоактивного распада. Поэтому в отдельных зонах Земли вещество плавилось, и дифференцировалось: более тяжелые химические элементы и их соединения опускались вниз, более легкие поднимались вверх. Этот этап длился около 1 млрд. лет. На ранней стадии развития протоземля была окруженная роем небольших спутников, радиусы которых достигали 100 км. Со временем из них на расстоянии около десяти земных радиусов сформировалась Луна. Вместе с тем, вследствие приливного взаимодействия она начала медленно отдаляться от Земли. Этот процесс продолжается и сегодня и сопровождается уменьшением скорости вращения Земли вокруг своей оси.