Походження Сонячної системи
i фiзикiв XIX i XX сторiч. Їй вiддав дань наш чудовий спiввiтчизник, людина рiзносторонньо талановита, Отто Юлiєвич Шмiдт. Та все ж людство ще дуже далеко вiд її рiшення. Якi тiльки таємницi не були вирванi у природи за цi минулi два сторiччя! За останнi десятирiччя XX столiття iстотно яснiшало питання про шляхи еволюцiї зiрок. І хоча деталi дивного процесу народження зiрки з газопилової туманностi ще далеко не яснi, ученi тепер чiтко уявляють, що з нею вiдбувається протягом мiльярдiв рокiв подальшої еволюцiї. На жаль, питання про походження i еволюцiю планетної системи, що оточує наше Сонце, далеко не так ясне.
На перший погляд здається дивним i навiть парадоксальним, що астрономи змогли дiзнатися про космiчнi об'єкти, вельми видаленi i спостережуванi з великими труднощами, набагато бiльше, нiж про планети i Сонце, якi (по астрономiчних масштабах, розумiє) знаходяться у нас "пiд боком". Проте в цьому немає нiчого дивного. Рiч у тому, що астрономи спостерiгають величезну кiлькiсть зiрок, що знаходяться на рiзних стадiях еволюцiї. Вивчаючи зiрки в скупченнях, вони можуть чисто емпiрично встановити, як залежить темп еволюцiї зiрок вiд початкових умов, наприклад маси. Якби не було цього обширного емпiричного матерiалу, питання про еволюцiю зiрок було б предметом бiльш менш безплiдних спекуляцiй, як це i було приблизно до 1950 р.
i ми мали реальне уявлення, як виглядають планетнi системи на рiзних етапах своєї еволюцiї або хоча б як сильно вiдрiзняються однi планетнi системи вiд iнших, ця хвилююча проблема була б, поза сумнiвом, вирiшена в порiвняно короткi термiни. Але поки ми спостерiгаємо планетну систему, так би мовити, в єдиному екземплярi. Бiльш того, необхiдно ще довести, що бiля iнших зiрок є планетнi системи. Ученi вже намагалися це зробити, але не реально, а користуючись спостережуваними характеристиками зiрок (не планет!). Навiть про власну планетну систему астрономи знають далеко не все. Зовсiм недавно прозвучала iнформацiя, що знайдена (тiльки-тiльки!) десята планета нашої Сонячної системи.
Чи значить це, що ми ще рiшуче нiчого не можемо сказати про походження Сонячної системи, окрiм тривiального твердження, що вона якось утворилася не пiзнiше, нiж 5 млрд. рокiв тому, тому що такий приблизно вiк Сонця? Така песимiстична точка зору так само мало обгрунтована, як i зайвий оптимiзм адептiв тiєї або iншої космогонической гiпотези. Можна сказати, що дещо про походження сiм'ї планет, що звертаються навкруги Сонця, ми вже знаємо. В усякому разi, круг можливих гiпотез про походження Сонячної системи зараз значно звузився.
Переходячи до викладу (з потреби вельми короткому) рiзних космогонiчних гiпотез, що змiнювали одна iншу протягом останнiх двох сторiч, ми почнемо з гiпотези, вперше виказаної великим нiмецьким фiлософом Кантом i через декiлька десятирiч незалежно запропонованою чудовим французьким математиком Лапласом. З подальшого буде видно, що iстотнi передумови цiєї класичної гiпотези витримали випробування часом, i зараз в самих модернiстських космогонiчних гiпотезах ми легко можемо знайти основнi iдеї гiпотези Канта – Лапласа.
майбутнє Сонце, а потiм вже планети, тодi як Лаплас рахував первинну туманнiсть газової i дуже гарячiше, що знаходиться в станi швидкого обертання. Стискаючись пiд дiєю сили всесвiтнього тяжiння, туманнiсть, унаслiдок закону збереження моменту кiлькостi руху, оберталася все швидше i швидше. Через великi вiдцентровi сили, що виникають при швидкому обертаннi в екваторiальному поясi, вiд нього послiдовно вiддiлялися кiльця. Надалi цi кiльця конденсувалися, утворюючи планети.
система виникла в результатi закономiрного розвитку туманностi. Тому i прийнято називати цю концепцiю "гiпотезою Канта – Лапласа".
Вже в серединi XIX сторiччя було ясно, що ця гiпотеза стикається з фундаментальною труднiстю. Рiч у тому, що наша планетна система, що складається з дев'яти (за останнiми даними з десяти) планет вельми рiзних розмiрiв i маси, володiє однiєю чудовою особливiстю. Йдеться про незвичайний розподiл моменту кiлькостi руху Сонячної системи мiж центральним тiлом – Сонцем i планетами.
кiлькостi руху може бути визначений як "запас обертання" системи. Це обертання складається з орбiтального руху планет i обертання навкруги своїх осей Сонця i планет.
"орбiтальний" момент кiлькостi руху планети щодо центру мас системи (вельми близького до центру Сонця) визначається як твiр маси планети на її швидкiсть i на вiдстань до центру обертання, тобто Сонця. У разi сферичного тiла, яке ми вважатимемо твердим, що обертається, момент кiлькостi руху щодо осi, що проходить через його центр, рiвний 0,4 MVR, де M – маса тiла, V – його екваторiальна швидкiсть, R – радiус. Хоча сумарна маса всiх планет складає всього лише 1/700 сонячної, враховуючи, з одного боку, великi вiдстанi вiд Сонця до планет i з iншою – малу швидкiсть обертання Сонця (швидкiсть обертання Сонця на його екваторi складає всього лише 2 км/с, що в 15 разiв менше швидкостi Землi на орбiтi), ми одержимо шляхом простих обчислень, що 98% всього моменту кiлькостi руху Сонячної системи пов'язане з орбiтальним рухом планет i лише 2% – з обертанням Сонця навкруги осi. Момент кiлькостi руху, пов'язаний з обертанням планет навкруги своїх осей, виявляється нехтуючий малим через порiвняно малi маси планет i їх радiусiв.
Знайдемо, наприклад, момент кiлькостi руху Юпiтера I. Маса Юпiтера рiвна M = 2 x 1030 г (тобто 10-3 маси Сонця), вiдстань вiд Юпiтера до Сонця R = 7,8 x 1013 см (або 5,2 астрономiчних одиниць), а орбiтальна швидкiсть V = 1,3 x 106 см/с (близько 13 км/с). Звiдси I = MVR = 190 x 1048. Значення моментiв данi в системi одиниць CGS. В цих одиницях момент кiлькостi руху Сонця, що обертається, рiвний всього лише 6 x 1048. Таким чином, всi планети земної групи – Меркурiй, Венера, Земля i марс – мають сумарний момент в 380 разiв менший, нiж Юпiтер. Левова частка моменту кiлькостi руху Сонячної системи зосереджена в орбiтальному русi планет-гiгантiв Юпiтера i Сатурна.
З погляду гiпотези Лапласа, це вчинено незрозумiло. Насправдi, в епоху, коли вiд первинної, швидко обертається туманностi вiддiлялося кiльце, шари туманностi, з яких згодом сконденсувалося Сонце, мали (на одиницю маси) приблизно такий же момент, як речовина кiльця, що вiддiлилося, оскiльки кутовi швидкостi кiльця i частин, що залишилися, були майже однаковi. Оскiльки маса кiльця була значно менше маси основної частини туманностi (протосонця), то повний момент кiлькостi руху у кiльця повинен бути багато менше нiж у протосонця. В гiпотезi Лапласа вiдсутнiй якiй би то не було механiзм передачi моменту вiд протосонця до кiльця. Тому протягом всiєї подальшої еволюцiї момент кiлькостi руху протосонця, а потiм i Сонця повинен бути значно бiльше, нiж у кiлець i планет, що утворилися з них. Але цей висновок знаходиться в разючiй суперечностi з фактичним розподiлом моменту кiлькостi руху мiж Сонцем i планетами.
Для гiпотези Лапласа ця труднiсть виявилася непереборною. На змiну нею стали висуватися iншi гiпотези. Не будемо їх тут навiть перераховувати – зараз вони представляють тiльки iсторичний iнтерес. Зупинимося лише на гiпотезi Джiнса, що набула повсюдне поширення в першiй третинi минулого сторiччя. Ця гiпотеза в усiх вiдношеннях є повною протилежнiстю гiпотезi Канта – Лапласа. Якщо остання малює утворення планетних систем (у тому числi i нашої Сонячної) як єдиний закономiрний процес еволюцiї вiд простого до складного, то в гiпотезi Джiнса утворення таких систем є справа випадку i представляє найрiдкiснiше, виняткове явище.
"старим" i схожим на нинiшнє) при випадковому проходженнi поблизу нього деякої зiрки. Це проходження було настiльки близьким, що практично його можна розглядати як зiткнення. При такому дуже близькому проходженнi завдяки приливним силам, що дiяли зiрки, що iз сторони налетiла на Сонцi, з поверхневих шарiв Сонця був викинутий струмiнь газу. Цей струмiнь залишиться у сферi тяжiння Сонця i пiсля того, як зiрка пiде вiд Сонця. Надалi струмiнь сконденсується i дасть початок планетам.
маловiрогiдний. Насправдi, зiткнення зiрок, а також їх близькi взаємнi проходження в нашiй Галактицi можуть вiдбуватися надзвичайно рiдко. Пояснимо це конкретним розрахунком.
Вiдомо, що наше Сонце по вiдношенню до найближчих зiрок рухається з швидкiстю близько 20 км/с. Навiть найближча до нас зiрка – Проксима Центавра знаходиться вiд нас на вiдстанi 4,2 свiтловi роки. Щоб подолати цю вiдстань, Сонце, рухаючись з вказаною швидкiстю, повинне витратити приблизно 100 тис. рокiв. Вважатимемо (що в даному випадку правильне) рух Сонця прямолiнiйним. Тодi вiрогiднiсть близького проходження (скажiмо, на вiдстанi трьох радiусiв зiрки) буде, очевидно, рiвна вiдношенню тiлесного кута, пiд яким видний iз Землi збiльшений в 3 рази диск зiрки, до 4П. Можна переконатися, що дане вiдношення складає близько 10-15. Це означає, що за 5 млрд. рокiв свого життя Сонце мало один шанс з десяткiв мiльярдiв зiткнутися або дуже зближуватися з якою-небудь зiркою. Оскiльки в Галактицi налiчується всього близько 150 млрд. зiрок, та повна кiлькiсть таких близьких проходжень у всiй нашiй зорянiй системi повинна бути близько 10 за останнi 5 млрд. рокiв.
Звiдси витiкає, що, якби гiпотеза Джiнса була правильною, число планетних систем, що утворилися в Галактицi за 10 млрд. рокiв її еволюцiї, можна було перерахувати буквально по пальцях. Оскiльки це, мабуть, не вiдповiдає дiйсностi i число планетних систем в Галактицi достатньо велике, гiпотеза Джiнса виявляється неспроможною.
частина моменту кiлькостi руху Сонячної системи зосереджена в орбiтальному русi планет. Математичнi розрахунки, виконанi свого часу Н. Н. Парiйським, показали, що при всiх випадках в рамках гiпотези Джiнса утворюються планети з дуже маленькими орбiтами. Ще ранiше на цю класичну космогоническую труднiсть стосовно гiпотези Джiнса вказав американець Рессел.
струменя розсiється в навколишньому просторi i конденсацiї не буде. Т. ч., космогонiчна гiпотеза Джiнса виявилася повнiстю неспроможною. Це стало очевидним вже в кiнцi тридцятих рокiв минулого сторiччя.
Тим бiльше дивним представляється вiдродження iдеї Джiнса на новiй основi, яке вiдбулося в останнi десятирiччя минулого столiття. Якщо в первинному варiантi гiпотези Джiнса планети утворилися з газового згустку, викинутого з Сонця приливними силами при близькому проходженнi мимо нього зiрки, то новiтнiй варiант, Вулфсоном, що розвивається, припускає, що газовий струмiнь, з якого утворилися планети, був викинутий з проходячого мимо Сонця космiчного об'єкту. Як останнє приймається вже не зiрка, а протозiрка – рихлий об'єкт величезних розмiрiв (в 10 разiв перевищуючий радiус нинiшньої земної орбiти) i порiвняльно невеликої маси ~ 0,25 M Сонця. Пропрацювала схема такого "зiткнення", заснована на точних розрахунках. В цьому випадку протозiрка повинна знаходитися на гiперболiчнiй орбiтi навкруги Сонця. Все явище близького проходження протозiрки займає близько 30 рокiв. В результатi деформується поверхня протозiрки пiд впливом приливних сил i утворюються рiзнi орбiти iз захоплених Сонцем окремих шматкiв протозвездного згустка. Розрахунки показують, що деякi орбiти так само видаленi вiд Сонця, як орбiта Юпiтера i навiть далi – до 30 астрономiчних одиниць. Т. ч., новiтня модифiкацiя гiпотези Джiнса знiмає основну труднiсть, з якою зiткнувся її первинний варiант – пояснення аномально великого обертального моменту планет. В схемi Вулфсона це досягається припущенням про великi розмiри об'єкту, що "стикається" з Сонцем, i його порiвняльно невеликiй масi. З розрахункiв також видно, що первиннi орбiти згусткiв були вельми ексцентричнi. Оскiльки явно не весь захоплений Сонцем газ змiг конденсуватися в планети, навкруги згусткiв, що рухаються, повинне було утворитися деяке газове середовище, яке гальмувало б їх рух. При цьому, як вiдомо, спочатку ексцентричнi орбiти поступово ставатимуть круговими. На це буде потрiбно порiвняно мало часу – близько декiлькох мiльйонiв рокiв. Кожний такий згусток досить швидко еволюцiонуватиме в протопланету. Обертання протопланет може бути обумовлено дiєю приливних сил, витiкаючих вiд Сонця. В рамках цiєї моделi можна також зрозумiти походження супутникiв планет. Останнi вiддiляються вiд протопланет при стисненнi через їх несиметричну фiгуру. Слiд зазначити, що ця гiпотеза порiвняно легко пояснює походження великих планет i їх супутникiв. Для пояснення планет земної групи необхiдно привернути новi уявлення.
Гiпотеза Джiнса в модифiкацiї Вулфсона заслуговує уваги. Вона, по сутi, зв'язує утворення планет з утворенням зiрок. Останнi утворюються з мiжзоряного газопилового середовища групами в так званих зоряних асоцiацiях. В таких групах, як показують нагляди, спершу утворюються порiвняно масивнi зiрки, а потiм всякi "зорянi дрiбнi грошi", якi еволюцiонують в карлики. Це добре узгоджується з гiпотезою Джiнса – Вулфсона. Розрахунки показують, проте, що якщо цей механiзм був би єдиною причиною утворення зоряних систем, то їх кiлькiсть в Галактицi була б вельми мало (одна планетна система, приблизно, на 100 тис. зiрок), хоча i не так катастрофiчно мало, як в первиннiй гiпотезi Джiнса. По сутi, це є єдиним уразливим пунктом сучасної модифiкацiї гiпотези Джiнса. Якщо з достовiрнiстю буде доведено, що бiля хоча б деяких найближчих до нас зiрок є планетнi системи, ця гiпотеза буде остаточно похована.
Вище вже було згадано, що видатний радянський вчений О. Ю. Шмидт в 1944 р. запропонував свою теорiю походження Сонячної системи. Согласно О. Ю. Шмiдту наша планетна система утворилася з речовини, захопленої з газопилової туманностi, через яку нiколи проходило Сонце, вже тодi мало майже сучасний вигляд. При цьому нiяких труднощiв з обертальним моментом планет не виникає, оскiльки первинний момент речовини хмари може бути скiльки завгодно великим. Починаючи з 1961 р. цю гiпотезу розвивав англiйський космогонист Лiттлтон, який внiс в неї iстотнi полiпшення. неважко бачити, що блок-схема "аккрецiонної" гiпотези Шмiдта – Лiттлтона спiвпадає з блок-схемою "гiпотези захоплення" Джiнса – Вулфсона. В обох випадках майже сучасне Сонце стикається з бiльш менш рихлим космiчним об'єктом, захоплюючи частини його речовини. Слiдує, втiм, помiтити, що для того, щоб Сонце захопило достатньо багато речовини, його швидкiсть по вiдношенню до туманностi повинна бути дуже маленькою, близько ста метрiв в секунду. Якщо врахувати, що швидкiсть внутрiшнiх рухiв елементiв хмари повинна бути не меншою, то, по сутi, йдеться про "застрягле" в хмарi Сонце, яке, швидше за все, повинне мати загальне з хмарою походження. Тим самим утворення планет зв'язується з процесом звездообразования. Є гiпотези, в яких планети i Сонце утворилися з єдиної "сонячної" туманностi. По сутi, йдеться про подальший розвиток гiпотези Канта – Лапласа.
|
