Сонячна система

ВСТУП

      Вивченням Сонячної системи займалися різні  вчені, починаючи від грецьких філософів  до астрономів і фізиків XXI століття. Але й сьогодні, коли науково-технічний прогрес дозволяє запускати супутники на Марс, походження Сонячної системи залишається загадкою. Але цілком можливо, що вчені в найближчому майбутньому з'ясують питання, пов'язані з народженням Сонячної системи, тому що за останні три десятиліття прояснилися деякі моменти еволюції зір. Хоча залишаються нерозкритими деталі народження зір з газопилової туманності, але вже уявляється загальна картина того, що з нею відбувається протягом мільярдів років подальшої еволюції.

      Со́нячна  систе́ма — планетна система навколо  Сонця, до складу якої входить вісім  великих планет і одної карликової із більш ніж 100 супутниками, понад 100 000 астероїдів, понад 1000 комет, а також незліченна кількість дрібних, так званих метеорних тіл (розміром від 100 метрів до мізерно малих порошин).

      Основна роль у Сонячній системі належить Сонцю. Його маса приблизно в 750 разів  перевищує масу всіх інших тіл, що входять до системи. Гравітаційне тяжіння Сонця є визначною силою для руху всіх тіл Сонячної системи, які обертаються навколо нього. Середня відстань від Сонця до найдальшої від нього планети Нептун складає 30 а.о., тобто 4,5 млрд. км., що дуже мало в порівнянні з відстанями до найближчих зір. Тільки деякі комети віддаляються від Сонця на 1015 а.о. і можуть відчувати істотний вплив тяжіння інших зір.

      Під час руху в Галактиці, Сонячна  система час від часу потрапляє  до міжзоряних газопилових хмар. Внаслідок високої розрідженості речовини цих хмар занурення Сонячної системи в хмару може виявитися лише в невеликому поглинанні і розсіюванні сонячних променів. Вплив цього ефекту в минулому історії Землі поки не встановлено.

      Сонячна система, як і будь-яка система, що обертається, має момент кількості руху (МКР). Головна частина його пов'язана з орбітальним рухом планет навколо Сонця, МКР масивних Юпітера і Сатурна становить близько 90%. Осьове обертання Сонця складає лише 2% МКР усієї Сонячної системи, хоча маса Сонця становить більше 99,8% загальної маси. Такий розподіл МКР між Сонцем і планетами пов'язано із повільним обертанням Сонця і величезними розмірами планетної системи — її поперечник у кілька тисяч разів більший поперечника Сонця. МКР планети набули в процесі утворення: він перейшов до них від тієї речовини, з якої вони утворилися.

      Усі великі планети — Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун — обертаються навколо Сонця  в одному напрямку (в напрямку осьового обертання самого Сонця), майже круговими орбітами, площини яких мають невеликий нахил одна до одної (і до площини сонячного екватора). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ПРОБЛЕМИ ПОХОДЖЕННЯ  СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ  ТА ЗЕМЛІ

      Перші уявлення наукового характеру про  виникнення Землі сформулювались у ХVII-XVIII століттях, тобто припадають на період розвитку матеріалізму. Одним з перших, хто спромігся пояснити утворення Землі з врахуванням всіх досягнень тогочасної науки (законів Ньютона, матеріалістичного розуміння світу, тощо) був французький дослідник Ж.Д. Леклерк де Бюффон. Він висунув гіпотезу, згідно з якою Земля, і планети Сонячної системи в тому числі, утворилися внаслідок зіткнення Сонця з масивною кометою, в результаті чого від Сонця відокремились згустки речовини, які згодом застигли і утворили планети. Це була перша з так званих катастрофічних гіпотез виникнення планет Сонячної системи, які неодноразово пропонувалися і пізніше, але завжди зазнавали різкої критики.

      Основними недоліками цих гіпотез слід вважати:

1) вони  тлумачили утворення планет, не пояснюючи при цьому як могло утворитися саме Сонце і Сонячна система, в той час як хімічний, а головне ізотопний склад, вік та інші особливості вказують на те, що планети і Сонце виникли з однієї і тієї ж речовини і, практично, одночасно;

2) надання  народженню планет випадкового  характеру, а не закономірного  процесу.

      Краще наукове обґрунтування мала гіпотеза німецького філософа І. Канта, опублікована ним у 1755 р. В її основі лежали уявлення про те, що матерія, яка наповнює Всесвіт, у первісному стані була розпорошена на елементарні часточки, які рівномірно заповнювали простір. Поступово, під впливом сил всесвітнього тяжіння, почали виникати центри скупчення матерії, одним з яких і було Сонце; одночасно матерія набувала і обертового руху. В подальшому з хмари пилу, яка оберталася навколо Сонця, утворилися планети.

     Математично обґрунтував та вдосконалив гіпотезу Канта французький математик  П.С. Лаплас у 1796 р. і від тоді вона стала називатися гіпотезою Канта-Лапласа. Згідно з уявленнями Лапласа, на початковій стадії формування Сонячної системи існувала газоподібна туманність, що оберталася та поступово ущільнювалася під впливом всесвітнього тяжіння. В центрі такої туманності знаходилося центральне згущення, з якого в подальшому утворилося Сонце. По мірі зростання ущільнення туманності та обертання від неї відокремлювалися кільця, які, у свою чергу, розпадалися з утворенням центральних згущень – зародків планет. На початкових стадіях розвитку планети та супутники повинні були мати вигляд розжарених газових куль, які згодом остигали, вкривалися твердою кіркою. Враховуючи зазначений механізм формування Сонячної системи та її планет, гіпотеза Лапласа дістала назву “гарячої” і впродовж усього XIX століття була основою для розробки моделей формування та розвиту Всесвіту. Проте, як з’ясувалось пізніше, ця гіпотеза булла неспроможна пояснити механізм розподілу моменту кількості руху в Сонячній системі, що власне і зумовлює її існування як природного об’єкта надпланетного рівня організації природної речовини. Цей момент визначається як добуток маси тіла на відстань від центру системи та швидкість його обертання.

      Враховуючи  механізм утворення Сонця і планет за схемою яку допускає гіпотеза Канта-Лапласа, випливає, що Сонце, яке володіє більше 90% всієї маси системи, характеризується також найбільшим моментом кількості руху. Насправді ж, внаслідок дуже повільного обертання Сонце володіє лише 2% загального моменту кількості руху, а 98% належить іншим планетам і, в першу чергу, планетам-велетням. Пояснити це протиріччя гіпотеза Канта-Лапласа була неспроможною. Перший крок у напрямку вирішення зазначеної проблеми був зроблений англійським астрономом Джінсом, який вважав, що планети утворилися зі згустку сонячної матерії відірваної від Сонця зіркою, яка проходила повз нього. Подібних поглядів дотримувалися також американські дослідники Ф.Мультон і Т.Чемберлен. які вважали, що внаслідок проходження повз Сонця великої зірки виникли потужні припливи. Це спричинило відокремлення від нього газів, які конденсувались у невеликі планетезималі (частки протопланетної речовини), які злипаючись утворювали астероїди та планети. Уявлення про планетезималі та їх утворення збереглися в науці і сьогодні, однак сама гіпотеза Мультона-Чемберлена була відкинута.

      Принципово  нові погляди на утворення планет закладені в метеоритних, або як їх ще називають“холодних”, гіпотезах, серед яких найбільш вдалою і повною є гіпотеза О.Ю. Шмідта, розроблена у 1944 р. За цими гіпотезами, Сонце і планети утворилися з різних джерел. На одній зі стадій свого розвитку Сонце(походження якого не розглядається) захопило холодну газопилову туманність. Обертання останньої в сильному сонячному гравітаційному полі призвело до складного перерозподілу положення метеоритних часток за масою, щільністю та розмірами. В результаті цього частина метеоритів, відцентрова сила обертання яких виявилася слабшою за силу тяжіння, булла поглинена Сонцем. В подальшому, при зіткненні метеоритів, почався процесс акреції, тобто їх злипання, утворення більших за масою агрегатів і приєднання до них дрібніших часток, що попадали в сферу їхньої гравітаційної дії.

      За  такою схемою, згідно з гіпотезою  О.Ю.Шмідта, відбувався процес формування планет та їхніх супутників з первинної метеоритної речовини (рис. 4.1). Проте, недолік цієї гіпотези полягає у надзвичайно малій вірогідності захоплення Сонцем холодної газопилової (метеоритної) речовини та відсутності пояснень щодо утворення самого Сонця. Результати дослідження Космосу, отримані протягом останніх десятиліть внесли значний вклад у дослідження проблеми походження Сонячної системи. При цьому відбулося, так би мовити, повернення на новому рівні до вихідних ідей

Канта. Астрономам вдалось безпосередньо спостерігати процесс зародження зірок з міжзоряної плазми, яка складається з газу та пилу (“пилова плазма”). Було також з’ясовано, що утворення зірок може відбуватися завдяки протидії магнітних полів і тиску газу та випромінювання лише вздовж зовнішніх спіральних рукавів галактик, у тому числі і нашої. Початок стиснення міжзоряної туманності може бути спричинений близьким вибухом “наднової” зірки. Про це свідчить наявність в Сонячній системі важких та надважких елементів і зокрема їхніх недовговічних радіоактивних ізотопів. Припускається, що ці ізотопи могли бути продуктами потужних ядерних реакцій, які відбуваються лише в результаті вибуху масивних зірок, перетворюючи останні в “наднові”.

      Коли  Сонце досягло певних розмірів, в  його надрах почалися термоядерні реакції з перетворенням водню в гелій. Для молодих зірок, особливо масивних, властивим є на даній стадії розвитку губити частину речовини у вигляді “зоряного вітру”. Стосовно Сонця – це сонячний вітер. Прикладом такої зірки, яку мають можливість сьогодні спостерігати астрономи, може слугувати зірка Тільця, окутана щільною газопиловою туманністю. Навколо неї можуть утворюватися кільця на зразок кілець Сатурна.

      Космічна  речовина кілець конденсується спочатку в планетезималі, а пізніше – у планети та їх супутники, які виникають навколо найбільших планетезималей. Протопланетна туманність, що обгортає Сонце, і саме Сонце на початкових стадіях існування Сонячної системи характеризувались швидким обертанням, але поступово магнітогідродинамічні сили сповільнили обертання Сонця та перерозподілили момент кількості руху в Сонячній системі.

      Таким чином, найвірогідніша схема утворення Сонячної системи включає наступні етапи:

      - утворення Сонця і сплющення міжзоряної газопилової туманності, яка обертається навколо нього під впливом близького вибуху “наднової” зірки;

      - еволюція Сонця та навколосонячної туманності з передачею електромагнітним або турбулентно-конквективним шляхом моменту кількості руху від Сонця планетам;

      - конденсація “пилової плазми” у кільця навколо Сонця, а матеріалу кілець – в планетезималі;

      - подальша конденсація планетезималей в планети;

      - повторення подібного процесу навколо планет з утворенням їхніх супутників.

Мал. 1. Етапи  виникнення Землі й планет з газопилової  хмари за гіпотезою О. Ю. Шмідта. 

      1.1 Космогонічні гіпотези

      Космогонія  — розділ астрономії, що вивчає походження й розвиток небесних тіл (Сонця, планет та їхніх супутників, зір, галактик) і їхніх систем. Астрономи спостерігають космічні тіла на різних стадіях розвитку: що утворилися зовсім недавно й у далекому минулому, що швидко «старіють» або майже застигли у своєму розвитку. Зіставляючи численні дані спостережень із фізичними проце-сами; що можуть відбуватися за різних умов у космічному просторі, вчені намагаються пояснити, як і з чого утворюються небесні тіла. Єдиної, завершеної теорії утворення зір, планет або галактик дотепер не існує. Проблеми, із якими стикалися вчені, часом важко піддаються вирішенню. Наприклад, вирішення питання про походження Землі і Сонячної системи загалом значно ускладнюється тим, що інших подібних систем учені поки не знайшли. Нашу Сонячну систему досі немає з чим порівнювати, хоча подібні їй системи повинні бути досить поширеними, а їхнє виникнення має бути не випадковим явищем, а закономірним.

      Сьогодні  всі гіпотези про походження Сонячної системи значною мірою грунтуються  на даних про хімічний склад і вік порід Землі й інших тіл Сонячної системи. Найбільш точний метод визначення віку порід полягає в підрахунку відношення кількості радіоактивного урану до кількості свинцю, що знаходиться в цій породі. Швидкість такого утворення відома точно, і її неможливо змінити жодним чином. Проби порід показали, що найбільш давні з них нараховують кілька мільярдів років. Земля як якась субстанція виникла, мабуть, трохи раніше, ніж земна кора.

      Якщо  розглядати різні космогонічні гіпотези, що висувалися протягом останніх двох сторіч, то особливої уваги заслуговують гіпотези німецького філософа Канта й теорія, яку через кілька десятиліть незалежно запропонував французький математик Лаплас. Передумови до створення цих теорій досить цікаві і витримали іспит часом.

      Погляди Канта й Лапласа щодо важливих питань різко відрізнялися. Кант запропонував свою теорію утворення Сонячної системи, що грунтується на законі всесвітнього тяжіння. Філософ виходив з еволюційного розвитку холодної пилової туманності, упродовж якого спочатку виникло центральне масивне тіло, яке в перспективі мало б стати тим, що ми називаємо Сонцем, а потім планети. Лаплас зі свого боку докладно описав гіпотезу утворення Сонця і планет із туманності, яка вже обертається. Він вважав первісну туманність не пиловою, а газовою, дуже гарячою і з високою швидкістю обертання. Стискаючись під дією сили всесвітнього тяжіння, туманність, унаслідок закону збереження моменту кількості руху, набирала обертів й оберталася чимраз швидше й швидше. Через високу швидкість і великі відцентрові сили, що виникають при швидкому обертанні в екваторіальному поясі, від газоподібного тіла послідовно відокремлювалися кільця. Потім у результаті високотемпературної конденсації у них тугоплавких «породоутворюючих» елементів утворилися планети. Спираючись на- гіпотезу Лапласа, мимоволі напрошується висновок, що планети утворилися раніше, ніж Сонце. Однак, незважаючи на розходження між теоріями Канта і Лапласа, загальною й важливою особливістю є уявлення, шо Сонячна система виникла в результаті закономірного розвитку газопилової туманності. Тому цю концепцію прийнято називати «гіпотезою Канта—Лапласа».