Происхождение Солнечной системы

Солнечная система находится к нам гораздо ближе, чем прочие объекты мегамира, однако ее теоретическое описание оказывается более сложным, т.к. 1) это единственная известная нам планетная система; 2) имеется большое количество данных о ней, в том числе и мелких подробностей. В частности, космогония Солнечной системы должна объяснять следующие факты:

1) орбиты планет и астероидов находятся практически в одной плоскости (солнечного экватора);

2) форма их орбит близка к круговой;

3) направление движения планет за редкими исключениями совпадает с направлением вращения Солнца и планет вокруг собственных осей;

4) 99% массы приходится на Солнце, а 99% момента импульса системы – на
остальные тела;

5) выделяются два класса планет, существенно отличающихся по плотности: планеты земной группы (4000–5500 кг/м³) и планеты-гиганты (700–1600 кг/м³).

Некоторые факты были известны уже в XVII веке, и к этому же времени относятся первые гипотезы.

Декарт (1644) предположил, что мировое пространство заполнено эфиром, частицы которого находятся в вихреобразном движении. Планеты захвачены вихрем, который вращается вокруг Солнца, увлекая их за собой.

Сведенборг (XVIII век) развил эту идею в своеобразную космогонию. Вращение вихря Солнца ускорилось, внешние слои сжались и затвердели, а затем разрушились, и из обломков образовались планеты.

Ньютон теоретически показал, что для устойчивости орбиты любой из планет необходимо, чтобы плотность вихря была равна плотности планеты, следовательно, солнечный вихрь Декарта должен иметь везде разную плотность. Кроме того, движение вихрей должно подчиняться строгим законам движения планет. Ньютон не смог объяснить устойчивость солнечной системы только механическими причинами. По его мнению, каждая планета подвергается воздействию всех остальных, и эти случайные воздействия могут изменить с течением времени ее орбиту.

Бюффон (1745) предположил, что часть вещества Солнца была выброшена при встрече с кометой, и из этого вещества образовались планеты.

Кант (1755) полагал, что Солнце и планеты образовались из одного космического облака в результате действия сил притяжения между частицами облака и сил отталкивания между формирующимися планетами в процессе их движения.

Классическая космогония Солнечной системы сложилась только после труда Лапласа «Изложение системы мира» (1796).

Лаплас предложил конкретный механизм образования планет. Первоначально Солнце представляло собой раскаленную туманность, которая вращалась вокруг своей оси. Силы гравитации сжимали Солнце, скорость вращения увеличивалась, туманность сплющивалась, от нее отделялись кольца вещества, охлаждались и распадались на частицы, из которых образовались планеты путем слипания.

Лаплас объяснил устойчивость Солнечной системы чисто механическими причинами, а также почти все известные факты наблюдений.

Не согласовывались с выводами теории только некоторые детали, например, медленное вращение Солнца (2 км/с) вокруг своей оси. Наконец, как у Бюффона, так и у Лапласа оставалось непонятным образование планеты из горячего вещества, так как это вещество должно быть газообразным и быстро расширяться.

В XX веке появились новые идеи, оживившие классическую космогонию. Шмидт (1940) предположил, что туманное облако было захвачено Солнцем при его движении вокруг центра Галактики, и планеты образовались из холодного вещества. При этом туманность разделилась на несколько кольцеобразных зон, в каждой из которых сформировалась планета.

Современная схема происхождения Солнечной системы подтверждена геологическими, астрономическими и космическими исследованиями. Вот как она выглядит.

Около 5 млрд. лет назад в космическом облаке возникло сгущение – Солнце. Оно сжималось, при этом 0,1 часть его массы вращалась вокруг него, сплющиваясь в диск. Слипание частиц происходило медленно, образуя сначала твердые зародыши планет. Диск распался на зоны, слипание в земной зоне шло около 10 тыс. лет, в зоне Юпитера – миллион лет. Между Марсом и Юпитером планета не образовалась – остался реликтовый пояс 5000 астероидов.

Солнечное излучение вызывало следующие процессы:

1) нагрев вещества вблизи Солнца и улетучивание легких газов на периферию;

2) торможение более тяжелых пылинок.

Поэтому планеты земной группы содержат более тяжелые вещества, чем планеты-гиганты.

Рост Земли от зародыша диаметром 10 км до современных размеров (~12800 км) продолжался в течение 10⁸ лет за счет притяжения к ней вещества земной зоны. Земля сформировалась в основном около 4,56∙10⁹ лет назад. Затем рост продолжался еще (120-150)∙10⁶ лет за счет падения метеоритов. Они разогрели поверхность Земли, а радиоактивные превращения и гравитационное сжатие увеличили температуру недр. В течение 10⁹ лет происходило перераспределение тяжелых и легких элементов в недрах Земли. Поверхность представляла собой жидкую магму глубиной 200-400 км, затем (4,44 – 4,41)∙10⁹ лет назад сформировались атмосфера, ядро и континенты.

Древнейшие породы: (4,2 – 4,3) ∙10⁹ лет (Австралия),

3,96∙10⁹ лет (Канада),

(3,7 – 3,8) ∙10⁹ лет (Гренландия).

Наконец, из спутникового облака вокруг Земли радиусом до 100 км образовалась Луна на расстоянии 60000 км, которая затем удалилась на современное расстояние (~390000 км).

Возраст горных пород можно оценить по относительному содержанию в них радиоактивных элементов и продуктов их распада. Например, период полураспада урана составляет лет, что сравнимо с возрастом Земли. Цепочка его радиоактивных превращений заканчивается стабильным изотопом свинца: .

Пусть порода содержит 36% свинца по отношению к урану (по массе), т.е. . Тогда в соответствии с законом радиоактивного распада , где – число атомных ядер урана в породе, – число атомных ядер свинца, образовавшихся из атомных ядер урана за время t.

Число ядер пропорционально массе: , , где – число Авогадро, = 238 г/моль, = 206 г/моль – молярные массы элементов.

Окончательно, предполагая время распада t равным возрасту породы и выражая его из закона радиоактивного распада, можно получить:

лет.