Происхождение солнечной системы

Из гипотез происхождения солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика X. Альвена, усовершенствованная Ф. Хойлом.. Альвен исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку.

Слабость  предложенной гипотезы заключалась в  том, что атомы  наиболее легких элементов  должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых  элементов - дальше. Значит, ближайшие  к Солнцу планеты  должны были бы состоять из наилегчайших элементов - водорода и гелия, а более отдаленные - из железа и никеля. Наблюдения говорят об обратном. Чтобы преодолеть эту трудность, английский астроном Ф. Хойл предложил новый вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества Движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты. Если предположить, что первоначальная туманность уже обладала) магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента [10, c.141-143].

Трудностями и противоречиями гипотезы Хойла являются следующие: во-первых, нелегко представить, как могли "отсортироваться" избыточный водород и гелий в первоначальном газовом диске, из которого образовались планеты, поскольку химический состав планет явно отличен от химического состава Солнца; во-вторых, не совсем ясно, каким образом легкие газы покинули Солнечную систему (процесс испарения, предлагаемый Хойлом, сталкивается со значительными трудностями); в-третьих, главной трудностью гипотезы Хойла является требование слишком сильного магнитного поля у "протосолнца", резко противоречащее современным астрофизическим представлениям.

Более многочисленные и  надежные экспериментальные  данные о Солнечной  системе были получены в послевоенные годы. Методы, которыми были исследованы метеориты  и поверхность  Луны, нельзя было бы даже представить  во времена Лапласа.

Речь  идет о веществе, которое образовалось на самой ранней стадии жизни Солнечной системы или даже было частью первичной туманности.

Исследования  послевоенных лет  привели к некоторому прояснению нашего происхождения. Как уже считается  доказанным, Вселенная  родилась примерно 15-20 млрд. лет назад в результате "большого взрыва". Спустя миллиард лет из смеси водорода и гелия, заполнявших все пространство, началось образование галактик. Первые звезды, образовавшиеся в те времена, все еще видны в шаровых скоплениях и в центрах галактик. Вслед за ними образовались спиральные рукава.

Наиболее  массивные звезды, сформировавшиеся в  самом начале, прошли очень быструю  эволюцию, при которой  водород превращался  в более тяжелые  элементы (в том  числе углерод  и кислород), а  вновь образованное вещество выбрасывалось в окружающее пространство. Такие превращения и сейчас происходят в термоядерных реакциях, поставляющих всю энергию, излучаемую звездами.

Этот "пепел" в свою очередь  подвергался локальному сжатию, приводящему  к рождению новых  звезд, и цикл повторялся.

Как полагают ученые, наше Солнце образовалось одновременно с другими  звездами. Оно представляет собой звезду второго  или третьего поколения.

Существуют  две принципиальные точки зрения на происхождения  звезд и, в частности, Солнца.

Первая  гипотеза основывается на предположении, что звезды формируются из газовой материи - той самой, которая и в настоящее время наблюдается в Галактике (см.: [4]).

Предполагается, что газовая материя  в тех местах, где  ее масса и плотность  достигают некоторой  величины, начинает под действием своего собственного притяжения сжиматься и уплотняться, образуя сначала холодный газовый шар. В результате продолжающегося сжатия температура газового шара начнет подниматься. Потенциальная энергия частиц в поле притяжения газового шара при приближении к центру становится меньше, а это означает, что часть потенциальной энергии переходит в тепловую энергию. Совершенно тот же переход энергии происходит, когда лежавший на краю пропасти камень, упав на ее дно, теряет часть потенциальной энергии в силовом поле земного притяжения, и приобретает тепловую энергию, разогревшись от удара о дно пропасти.

Когда газовый шар нагреется, он станет отдавать тепловую энергию  через излучение  с поверхностных  слоев, которые вследствие этого будут охлаждаться и посредством теплопроводности вызывать охлаждение более глубоких слоев. Поэтому если бы в газовом шаре, теперь уже звезде, не появились новые источники энергии, то процесс сжатия, сопровождающийся излучением энергии, довольно быстро привел бы к исчерпанию энергии и угасанию звезды. Эволюция таких звезд, формирующихся из водорода, была бы очень простой. Однако процесс сжатия приводит к тому, что центральные области звезды разогреваются до очень высоких температур. Они расположены очень глубоко и почти не испытывают влияния охлаждения, вызываемого излучением с поверхностных слоев. Когда температура центральной области достигает нескольких миллионов градусов, в ней начинаются термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением большого количества энергии. Период, в течение которого звезда, сжимаясь из газового облака, достигнет состояния, когда в ее центральных областях начнут действовать термоядерные реакции, называется периодом сжатия. После возникновения термоядерных реакций сжатие звезды прекращается. Некоторое время звезда будет сохранять неизменными свои основные физические характеристики. При этом главными из термоядерных реакций являются реакции, которые приводят к превращению водорода в гелий. Как показывают расчеты, исчерпание водорода должно сопровождаться увеличением радиуса звезды и уменьшением ее температуры.

После того, как в звезде выгорит весь водород, и она достигнет  стадии красного гиганта, сжатие ядра, состоящего теперь уже из гелия, приведет к дальнейшему  повышению температуры  до значений более 100 млн. градусов. Тогда начнет действовать новая термоядерная реакция - образование атома углерода из трех ядер атома гелия. Эта реакция сопровождается потерей массы и выделением энергии излучения. Температура звезды станет возрастать.

Гипотеза происхождения звезд из газовой материи встречается и с серьезными трудностями. Одной из них является малое количество водорода в Галактике, всего около 2% общей ее массы. Если звезды образуются из газа, звездообразование в Галактике должно было бы практически закончиться. Между тем наша звездная система весьма богата молодыми звездами - голубыми гигантами и сверхгигантами; в этом отношении она уступает очень немногим галактикам.

Далее, горячие гиганты  и сверхгиганты сосредоточены  в звездных ассоциациях, поэтому если звезды образуются из газа, то следовало ожидать присутствия здесь и некоторого количества уже заметно уплотнившихся газовых облаков, постепенно превращающихся в звезды. Нужно сказать, что в некоторых местах Галактики были обнаружены маленькие плотные облака, названные глобулами. Но, во-первых, они не показывают тесной связи со звездными ассоциациями, а во-вторых, нет оснований утверждать, что глобулы как раз являются зародышами звезд.

Слабым  местом гипотезы является то, что описываемый  ею процесс превращения газовой массы в звезду, как процесс весьма спокойный, не может объяснить ряда наблюдательных данных, которые, по-видимому, нужно трактовать как выбрасывание из некоторой области пространства звезд и даже галактик (см. о недостатках гипотезы [1]).  

3. Гипотеза о возникновении  Солнца из газовой  туманности

Итак, согласно классической гипотезе, Солнечная  система возникло из газопылевого облака, состоящего на 98% из водорода. В первоначальную эпоху плотность  вещества в этой туманности была очень низка. Отдельные "куски" туманности двигались друг относительно друга с беспорядочными скоростями (около 1 км/с). В процессе вращения такие облака вначале превращаются в плоские дискообразные сгущения. Затем в процессе вращения и гравитационного сжатия в центре происходит концентрация вещества с наибольшей плотностью. Как пишет И. Шкловский, "в результате существования "магнитной" связи между отделившимся от протозвезды диском и ее основной массой из-за натяжения силовых линий вращение протозвезды будет тормозиться, а диск начнет уходить наружу по спирали. С течением времени диск вследствие трения "размажется", и часть его вещества превратится в планеты, которые таким образом "унесут" с собой значительную часть момента" [10, c.142].

Таким образом, в центре облака образуются солнца, а по периферии - планеты.

Высказывается несколько гипотез  по поводу подобного  образования солнц  и планет. Одни склонны  этот процесс связывать  с внешней причиной - вспышкой по соседству  звезд. Так, С. К. Всехсвятский считает, что около нашего газопылевого облака 5 млрд. лет назад на расстоянии 3,5 световых лет вспыхнула звезда. Это и привело к разогреву газопылевой туманности, образованию Солнца и планет. Того же мнения придерживается и Клейтон (впервые эта идея была высказана в 1955 г. эстонским астрономом Эпиком). СогласноКлейтону, сжатие, в результате которого образовалось Солнце, было вызвано сверхновой, которая, взрываясь, сообщила движение межзвездному веществу и, как метла, толкала его впереди себя; так происходило до тех пор, пока за счет силы тяготения не сформировалось стабильное облако, продолжавшее сжиматься, превращая собственную энергию сжатия в тепло. Вся эта масса начала нагреваться, и за очень короткое время (десяток миллионов лет) температура внутри облака достигла 10-15 млн. градусов. К этому времени термоядерные реакции шли полным "ходом и процесс сжатия закончился. Принято считать, что именно в этот "момент", от четырех до шести миллиардов лет назад, и родилось Солнце.

Эта гипотеза, имеющая  небольшое число  сторонников, получила подтверждение в результате изучения в 1977 г. американским ученым из Калифорнийского технологического института "метеорита Алленде", найденного в безлюдном районе северной Мексики. В нем обнаружено необычное сочетание химических элементов. Избыточное присутствие в нем кальция, бария и неодима указывает на то, что они попали в метеорит при вспышке сверхновой звезды по соседству с нашей Солнечной системой. Эта вспышка произошла менее чем за 2 млн. лет до образования Солнечной системы. Такая дата получена по результатам определения возраста метеорита по радиоизотопу алюминий-26, имеющему период полураспада Т =0,738 млн. лет [9, c.46].

Другие  ученые, а их большинство, считают, что процесс  образования Солнца и планет происходил в результате естественного развития газопылевого облака при его вращении и уплотнении. По одной из таких гипотез считается, что конденсация Солнца и планет произошла из горячей газовой туманности (по И. Канту и П. Лапласу), а по другой - из холодного газопылевого облака (по О. Ю. Шмидту). Впоследствии гипотезу с холодным началом развивали академики В. Г. Фесенков, А. П. Виноградов и др.

Наиболее  последовательным сторонником  гипотезы образования  Солнечной системы  из первичной "солнечной" туманности является американский астроном Камерон. Он связывает в единый процесс образование звезд и планетных систем. Вспышки сверхновых в процессе конденсации облаков межзвездной среды вследствие их гравитационной неустойчивости являются как бы "стимуляторами" процесса звездообразования.

Однако  ни одна из перечисленных гипотез полностью не удовлетворяет ученых, поскольку с их помощью невозможно объяснить все нюансы, связанные с происхождением и развитием Солнечной системы. При образовании планет из "горячего" начала считают, что на ранней стадии они представляли собой высокотемпературные однородные тела, состоящие из жидкой и газовой фаз. В дальнейшем при остывании таких тел из жидкой фазы вначале выделялись железистые ядра, затем из сульфидов, окислов железа и силикатов сформировалась мантия. Газовая фаза привела к образованию атмосферы у планет и гидросферы на Земле.

В настоящее время  наибольшее признание  получила гипотеза "холодного" начала. Ее сторонники считают, что формирование Солнечной системы  началось из газопылевого облака, располагавшегося в экваториальной плоскости нашей Галактики. Облако состояло в основном из следующих летучих веществ: водорода, гелия, азота, кислорода, паров воды, метана и углерода, а также пылинок в виде окислов кремния, магния и железа. Газы тоже присутствовали, и они конденсировались, образуя органические соединения, в состав которых входит углерод. Затем образовались углеводороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота. Температура облака - 220° С. Вначале оно было однородным, а затем в нем стали появляться сгущения, главным образом за счет гравитационного сжатия. В итоге вещество в нем стало разогреваться и дифференцироваться путем разделения химических элементов и их соединений в поле силы тяжести. Так, американский астрофизик Л. Спитцер показал, что если масса облака в 10-20 тыс. раз превышает массу Солнца, а плотность вещества в нем свыше 20 атом/см³, то такое облако под действием собственной массы начинает сжиматься. В нашей Галактике аналогичных облаков весьма много. Процессы образования звезд и планет в ней до сих пор продолжаются.

Астрофизики предполагают, что  Протосолнце с  протопланетным облаком  образовалось около 6 млрд. лет тому назад [9, c.47]. Вещество в протопланетном облаке располагалось равномерно, а затем стало скучиваться в отдельных областях. Так начали образовываться планеты. Они постепенно стали собирать вокруг себя вещество, начиная от пылинок и кончая огромными космическими телами - плането-земалями. На главную последовательность ГР-диаграммы наше Солнце вышло 5 млрд. лет тому назад.

Подтверждением зарождения солнечных систем из холодного газопылевого облака служит открытие в 1977 г. американскими астрономами такого процесса в созвездии Лебедя, отстоящего от нас на расстоянии 10 тыс. световых лет. В области этого созвездия вначале был обнаружен светящийся дискообразный объект. Так проявляют себя облака газа и пыли, вращающиеся вокруг уплотненного ядра. Для того чтобы заглянуть внутрь такого облака, ученые стали его периодически фотографировать в инфракрасных лучах. На снимках они увидели процесс зарождения новой звезды в центре облака и семейства планет на периферии. Диаметр этого облака соответствует диаметру нашей Солнечной системы. Ученые установили, что светимость облака, окружающего ядро, ежемесячно убывает на 1%. Частицы в облаке постоянно испытывают столкновения, в результате чего облако разогревается и светит. Скорость частиц при столкновениях уменьшается, а движение их по спирали приводит в конце концов к падению на ядро. В итоге плотность частиц в облаке уменьшается, уменьшается и его светимость. Ядро под действием гравитационных сил постепенно разогревается. После того как его масса станет свыше 0,08 Me, в нем начнут протекать термоядерные реакции. Облако в момент его обнаружения имело диаметр в 20 раз больше диаметра ядра и светилось в 10 раз ярче ядра. Через 100 лет, по расчетам астрономов, облако перестанет светиться, а ядро засияет в виде новой звезды. Затем потребуется еще 1000 лет, чтобы протозвезда набрала надлежащую массу для протекания в ней термоядерных реакций.