Гипотезы происхождения планет солнечной системы

19

Содержание

Введение

1. Общие положения происхождения Солнечной системы

2. Небулярные гипотезы

3. Гипотезы захвата

4. Другие гипотезы

5. Процесс образования планет и их спутников

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Темой данной контрольной работы выступает: Гипотеза происхождения планет солнечной системы.

Актуальность темы обусловлена тем, что единой, завершённой теории образования звёзд, планет или галактик пока не существует. Проблемы, с которыми столкнулись учёные, подчас трудно разрешимы. Решение вопроса о происхождении Земли и Солнечной системы в целом значительно затрудняется тем, что других подобных систем мы пока не наблюдаем. Нашу солнечную систему не с чем пока ещё сравнивать, хотя системы, подобные ей, должны быть достаточно распространены и их возникновение должно быть не случайным, а закономерным явлением

На протяжении многих веков вопрос о происхождении Земли оставался монополией философов, так как фактический материал в этой области почти полностью отсутствовал. Первые научные гипотезы относительно происхождения Земли и солнечной системы, основанные на астрономических наблюдениях, были выдвинуты только лишь в 18 веке. С тех пор не переставали появляться все новые и новые теории, соответственно росту наших космогонических представлений

Солнечная система состоит из центральной звезды Солнца и окружающих его множества небольших спутников - планет, астероидов (малых планет), комет, метеоритов и бесчисленных мелких метеорных частиц и пылинок. Девять планет явл. главными спутниками Солнца, но и у них суммарная масса в 743 раза меньше . Суммарная же масса всех остальных малых тел Солнечной системы, включая облако комет, составляет . Концепции современного естествознания /Ред. Лавриненко В.Н., Ратников В.П. - М., 2005. с - 92.

Современная наука располагает богатым материалом о физико-химической основе жизни, о путях, которые могли несколько миллиардов лет привести к возникновению примитивных организмов.

Целью контрольной работы является изучение основных гипотез развития Солнечной системы, которые сыграли огромную роль в развитии физики и астрономии.

1. Общие положения происхождения Солнечной системы

Серьезным поводом для философствования о возможном устройстве Вселенной могло стать открытие «блуждающих светил» (планет). Попытки разгадать непонятные петли, которые описывают планеты на фоне якобы неподвижных звезд, привели к построению первых астрономических картин или моделей мира. Апофеозом их по праву считается геоцентрическая система мира Клавдия Птолемея (II век н. э.). Древние астрономы пытались (в основном безуспешно) определить (но еще не доказать!), какое место Земля занимает по отношению к семи известным тогда планетам (таковыми считались Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн). И только Николаю Копернику (1473-1543) это наконец удалось.

Птолемея называют создателем геоцентрической, а Коперника -- гелиоцентрической системы мира. Но принципиально эти системы отличались только содержащимися в них представлениями о расположении Солнца и Земли по отношению к истинным планетам (Меркурию, Венере, Марсу, Юпитеру, Сатурну) и к Луне.

Коперник, по существу, открыл Землю как планету, Луна заняла подобающее ей место спутника Земли, а центром обращения всех планет оказалось Солнце. Солнце и движущиеся вокруг него шесть планет (включая Землю) -- это и была Солнечная система, какой ее представляли в XVI веке.

В начале 2002 года американские ученые «пообщались» со своей автоматической межпланетной станцией «Пионер-10», которая была запущена 30 лет назад и успела улететь от Солнца на расстояние 12 млрд километров. Ответ на радиосигнал, посланный с Земли, пришел через 22 ч 06 мин (при скорости распространения радиоволн около 300 000 км/сек). Учитывая сказанное, «Пионеру-10» еще долго придется лететь до «границ» Солнечной системы (конечно, достаточно условных!). А дальше он полетит к ближайшей на его пути звезде Альдебаран (самая яркая звезда в созвездии Тельца). Туда «Пионер-10», возможно, домчится и доставит заложенные в нем послания землян только через 2 млн лет…

Предполагали, что звезды -- далекие светила, но природа их была неизвестна. Правда, Джордано Бруно, развивая идеи Коперника, гениально предположил, что звезды -- это далекие солнца, причем, возможно, со своими планетными системами. Правильность первой части этой гипотезы стала совершенно очевидной только в XIX веке. А первые десятки планет около других звезд были открыты лишь в самые последние годы недавно закончившегося XX века.

Далеко не сразу стало понятно, что звезды, наблюдаемые в разных направлениях неба, имеют какое-то отношение к звездам Млечного Пути. Одним из первых, кому удалось это доказать, был английский астроном и оптик В. Гершель. Поэтому с его именем связывают открытие нашей Галактики (ее иногда так и называют -- Млечный Путь).

Итак, открыты Солнечная система и наша Галактика, в которой Солнце -- одна из триллионов звезд (невооруженным глазом на всей небесной сфере видно около 6000 звезд), а Млечный Путь -- проекция части Галактики на небесную сферу. Но подобно тому, как в XVI веке земляне поняли, что наше Солнце -- самая рядовая звезда, мы теперь знаем, что наша Галактика -- одна из множества ныне открытых других галактик.

В чрезвычайно огромном и практически скрытом от глаз мегамире (или в Метагалактике) удалось открыть его важные закономерности и свойства: расширение, крупномасштабную структуру. Все это несколько напоминает другой, уже открытый и во многом разгаданный микромир. Там исследуются совсем близкие к нам, но тоже невидимые кирпичики мироздания (атомы, адроны, протоны, нейтроны, мезоны, кварки). Познав устройство атомов и закономерности взаимодействия их электронных оболочек, ученые буквально «оживили» Периодическую систему элементов Д. И. Менделеева.

Вновь обратимся к истории астрономии. Одной из ее триумфальных страниц было открытие планеты Нептун «на кончике пера». Гравитационное воздействие какой-то массы на движение Урана натолкнуло ученых на мысль о существовании неизвестной еще планеты, позволило талантливым математикам определить ее местоположение в Солнечной системе, а потом точно указать астрономам, где ее искать на небесной сфере. И в дальнейшем гравитация оказывала астрономам подобные услуги: помогала открывать разные «диковинные» объекты -- белых карликов, черные дыры. Так вот и теперь исследование движения звезд в галактиках и галактик в их скоплениях привело ученых к выводу о существовании таинственного невидимого («темного») вещества (а может быть, вообще какой-то неведомой нам формы материи), и запасы этого «вещества» должны быть колоссальными.

Принципиально новым шагом были работы И. Ньютона, предложившего во 2-й половине 17 века динамическую модель Солнечной системы, основанную на законе всемирного тяготения. Динамическая модель согласуется с кинематической моделью, предложенной Кеплером, так как из динамической системы двух тел «Солнце -- планета» следуют законы Кеплера.

К 40-м годам 19 века выводы динамической модели, объектами которой были видимые планеты, вошли в противоречие с накопленными к тому времени наблюдениями. Именно, наблюдаемое движение Урана уклонялось от теоретически вычисляемого движения. У. Леверье в 1846 расширил систему наблюдаемых планет новой гипотетической планетой, названной им Нептуном, и, пользуясь новой моделью Солнечной системы, определил массу и закон движения новой планеты так, что в новой системе противоречие в движении Урана было снято. Планета Нептун была открыта в месте, указанном Леверье. Аналогичным методом, используя расхождения в теоретической и наблюдаемой траектории Нептуна, в 1930 была открыта планета Плутон.

2. Небулярные гипотезы

Все космогонические гипотезы можно разделить на несколько групп: небулярные (Канта, Лапласа и др., к ним же относится и гипотеза О. Ю. Шмидта), гипотезы захвата, выброса и др. Небулярные гипотезы, а их больше всего, можно, в свою очередь разделить на две подгруппы Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. - М., 2005. с - 103. . Согласно первой из них Солнце и все тела Солнечной системы: планеты, спутники, астероиды, кометы и метеорные тела - образовались из единого газово-пылевого, или пылевого облака. Согласно второй Солнце и его семейство имеют различное происхождение, так что Солнце образовалось из одного газово-пылевого облака (туманности, глобулы), а остальные небесные тела Солнечной системы - из другого облака, которое было захвачено каким-то, не совсем понятным, образом Солнцем на свою орбиту и разделилось каким-то, еще более непонятным образом на множество самых различных тел (планет, их спутников, астероидов, комет и метеорных тел) имеющих самые различные характеристики: массу, плотность, эксцентриситет, направление обращения по орбите и направление вращения вокруг своей оси, наклонение орбиты к плоскости экватора Солнца (или эклиптики) и наклон плоскости экватора к плоскости своей орбиты.

В связи с тем, что наш читатель более всего знаком с гипотезой О. Ю. Шмидта, мы более подробно остановимся на ней. Как утверждают небесные механики, небулярные гипотезы Канта, Лапласа и др. среди прочих имеют следующий существенный недостаток: они не объясняют, почему Солнце и планеты так неравномерно распределили между собой количество движения (момент количества движения): на долю Солнца приходится около 2% момента количества движения, а на долю планет - около 98%, хотя совокупная масса всех планет в 750 раз меньше массы Солнца.

По-видимому, желая избежать этого противоречия, Шмидт исходит в своей гипотезе из различного происхождения Солнца и планет. Но если быть последовательным до конца, то следовало бы предположить, что раздельно возникло не только Солнце от планет, но имеют раздельное происхождение и все планеты, поскольку они также имеют различный удельный момент количества движения, т. е. количество движения на единицу массы. Если удельный момент количества движения Земли принять за 1, то планеты Солнечной системы будут иметь следующие удельные моменты количества движения Грушевская Т.Г. , Садохин П.П. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие: Высшая школа., М.: 1998 с - 123. :

(Левин Б.С. Происхождение Земли и планет. М. 1964, стр. 14).

Те части протопланетного газово-пылевого облака, которое когда-то якобы встретилось с Солнцем, было им захвачено на свою орбиту, эти части облака, если только последнее не вращалось (если облако вращалось, оно, по-видимому, должно было еще до встречи с Солнцем рассеяться под влиянием центробежной силы в межзвездном пространстве), должны были иметь абсолютно одинаковый удельный момент количества движения, поскольку они до захвата двигались в одном направлении и имели одинаковую скорость. И планеты тоже должны были бы иметь одинаковый удельный момент количества движения, если бы они произошли согласно гипотезе Шмидта. А они имеют его весьма и весьма различным. Почему? Каким образом Меркурий передал свой избыток количества движения Плутону, а Венера, Земля и Марс - Нептуну или Урану и т. д.? Гипотеза Шмидта на этот вопрос ответа не дает.

Неубедительно объясняется в гипотезе Шмидта и вопрос о закономерности в межпланетных расстояниях. По Шмидту, эти расстояния растут в арифметической прогрессии (почему?), но почему-то планеты земной группы имеют одну разность - 0,20, а дальние планеты - другую - 1,00. Гипотеза не объясняет, почему между Марсом и Юпитером образовалась брешь, в которой вместо пресловутой планеты Фаэтон обращается вокруг Солнца большое количество астероидов. Гипотеза не объясняет, почему Плутон так «близко» находится около Нептуна, что время от времени пересекает его орбиту.

Шмидт пытается объяснить межпланетные расстояния с помощью удельного момента количества движения планет, но ведь последний сам требует своего объяснения.

Слабым местом гипотезы Шмидта является объяснение распределения массы вещества протопланетного облака между планетами. В самом деле, наибольшая масса облака, обращающегося вокруг Солнца в форме диска (баранки), должна находиться в центре его сечения. Казалось бы, и наиболее массивная планета должна была образоваться именно в середине ряда планет, по обе стороны от нее должны образоваться менее массивные планеты.

Если поперек сечения газово-пылевого диска Шмидта провести линию, которая бы симметрично рассекала его на две равные по длине части (рис.1а), то половина планет с половинной суммарной массой вещества должна бы находиться по одну сторону от симметричной линии, а другая половина - по другую сторону, как показано на рис.1б. Но на рис.1в мы видим совсем другую картину. А именно так и распределена масса вещества между планетами и их орбитами.

Шмидт объясняет это тем, что дальние планеты, очевидно, пользуясь своей отдаленностью от Солнца, разбросали вещество протопленного диска в межпланетное пространство, преимущественно на периферию Солнечной системы. Если не считать Урана, который возник как раз в центре сечения диска, то по одну сторону центра (или симметричной линии) диска образовалось шесть планет с совокупной массой в 415 масс Земли, а по другую сторону - всего лишь две планеты с массой в 17 масс Земли. Трудно согласиться с тем, что Нептун расшвырял такое огромное количество вещества - около 400 масс Земли. К тому же гипотезе Шмидта противоречит тот факт, что Нептун имеет большую массу, чем Уран, а Марс имеет меньшую массу, чем Земля и Венера. По Шмидту, должно быть все наоборот.

Ни в какие рамки гипотезы Шмидта не укладывается тот факт, что третья часть спутников планет Солнечной системы имеет обратное по отношению к Солнечной системе направление обращения. Это один из крупнейших в Солнечной системе спутник Нептуна Тритон, затем спутник Сатурна Феба, четыре внешних небольших спутника Юпитера и пять спутников Урана (последние по отношению к Урану обращаются в прямом направлении).

Согласно гипотезе Шмидта, все небесные тела Солнечной системы, кроме Солнца, образовались из одного облака, которое после захвата его Солнцем, в полном соответствии с законом сохранения количества движения, обращалось вокруг него в одном направлении (прямом). Но тогда и все тела Солнечной системы, происшедшие из этого газово-пылевого облака, также должны обращаться вокруг Солнца в этом же направлении.

Представьте себе, что Вы плывете по реке вниз по течению. Подплывая к дельте реки, где русло разделяется на десяток рукавов, Вы проплываете по одному из них в море и не замечаете в этом ничего необычного. Но что бы Вы сказали, если бы кто-то взялся утверждать, что в одном (или в нескольких) из рукавов реки, в ее дельте вода течет вспять, и что по этому рукаву в море проплыть нельзя? Именно в таком положении находится гипотеза Шмидта, как и все небулярные гипотезы, утверждающая, что все небесные тела Солнечной системы, как те, которые обращаются вокруг центрального тела (Солнца или планеты) в прямом направлении, так и те, которые обращаются против «течения», т. е. в обратном направлении, произошли из одного протопланетного облака, которое и до захвата его Солнцем, и после захвата двигалось в одном (прямом) направлении. Это самым вопиющим образом противоречит закону сохранения количества движение, который в данном контексте можно назвать законом сохранения количества и направления движения.

С точки зрения закона сохранения количества движения гипотезе Шмидта, как и всем небулярным гипотезам, противоречит и тот факт, что половина планет Солнечной системы имеют большие наклоны плоскости экватора к плоскости своей орбиты, которые превышают 23° у Земли, Марса, Сатурна и Нептуна, а у Урана наклон равен 98°. Если бы планеты образовались из одного облака, они бы имели одинаковое наклонение своих орбит к плоскости экватора Солнца и не имели бы наклона плоскостей своих экваторов к общей плоскости своих орбит. Если же предположить, что эти характеристики со временем изменились, то эти изменения были бы более или менее одинаковыми, равнозначными.

3. Гипотезы захвата

Очевидно что небулярная гипотеза Шмидта, а равным образом и все небулярные гипотезы, имеют целый ряд неразрешимых противоречий. Желая избежать их, многие исследователи выдвигают идею индивидуального происхождения как Солнца, так и всех тел Солнечной системы. Это так называемые гипотезы захвата Горелов А.А. Концепции современного естествознания. Хрестоматия для студентов гуманитарных вузов. - М., 2004. с - 156.

Согласно этим гипотезам, время от времени в пределы Солнечной системы входят небесные тела извне, т. е. из других частей Галактики, из других галактик и из межгалактического пространства. Под влиянием различных факторов: притяжения Солнцем и планетами, столкновения с другими блуждающими небесными телами или астероидами и кометами Солнечной системы, либо при прохождении через газово-пылевое облако, в котором как раз находится Солнечная система при своем обращении вокруг центра Галактики - под влиянием этих факторов инородные тела тормозятся и, погасив скорость своего движения, становятся пленниками Солнца или одной из планет Солнечной системы, перейдя с гиперболической орбиты на эллиптическую. Однако, избежав целого ряда противоречий, свойственных небулярным гипотезам, гипотезы захвата имеют другие, специфические противоречия, не свойственные небулярным гипотезам. Прежде всего, возникает серьезное сомнение, может ли крупное небесное тело, такое, как планета, особенно планета-гигант, так сильно затормозиться, чтобы перейти с гиперболической орбиты на эллиптическую. Очевидно, ни пылевая туманность, ни притяжение Солнца или планеты не могут создать такой силы тормозящий эффект. Остается столкновение. Но не разлетятся ли вдребезги на мелкие куски две планетозимали при своем столкновении, так сказать, лоб в лоб, центрально? Ведь под влиянием притяжения Солнца, вблизи которого должно произойти столкновение, они разовьют большие скорости, в десятки км в секунду. Можно предположить, что обе планетозимали рассыплются на осколки и частично упадут на поверхность Солнца, а частично умчатся в космическое пространство в виде большого роя метеоритов. И только, быть может, несколько осколков будут захвачены Солнцем или одной из его планет и превратятся в их спутники - астероиды Суханов А.Д., Голубева О.Н. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. - М., 2000. с - 111. .

При моделировании отдельных стадий эволюции протопланетного облака и образования планет большое внимание уделяется начальной стадии - опусканию пылинок в центральной плоскости диска и их слипанию в условиях допланетного облака. От быстроты роста пылинок зависит время их опускания и образование уплощенного пылевого диска. Последующий распад пылевого диска, образование пылевых сгущений и их превращение в рой компактных тел астероидных размеров с космогонической точки зрения был весьма быстрым (<10⁶ лет). Следующий этап - аккумуляция планет из роя "промежуточных" тел и их обломков - занял гораздо больше времени. При исследовании этого этапа все шире используется моделирование на ЭВМ. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск, 1997. с 183 Результаты расчетов наглядно продемонстрировали зависимость конечного числа планет от массы вещества в допланетном облаке. С. Доул (США) нашел, что при массе облака > 0,15 аккумулирующиеся тела сливаются в единый звездообразный спутник Солнца. Это явл. еще одним подтверждением правильности модели маломассивного допланетного облака. Численное моделирование в принципе позволяет определять одновременно распределение масс и распределение скоростей допланетных тел. Однако сложность учета гравитационного взаимодействия многих тел долгое время не позволяла получать надежные результаты. Недавно Дж. Везерил (США) проделал весьма трудоемкие расчеты динамики роя тел в "зоне питания" планет земной группы, которые подтвердили как характер распределения скоростей на заключительном этапе роста планет, так и время аккумуляции Земли (~ 10⁸ лет), оценивавшиеся ранее аналитическими методами. Процесс образования планет земной группы прослежен уже достаточно детально. Получаемым методом численного моделирования расстояния между планетами, их массы, периоды собств. вращения, наклоны осей удовлетворительно согласуются с наблюдениями.

Процесс образования планет-гигантов был более сложным, и многие его детали еще предстоит выяснить. Существуют две гипотезы о пути формирования Юпитера и Сатурна, содержащих много водорода и гелия (по своему составу они ближе к Солнцу, чем др. планеты). Первая гипотеза ("контракции") объясняет "солнечный" состав планет-гигантов тем, что в протопланетном диске большой массы образовались массивные газово-пылевые сгущения - протопланеты, которыерые затем в процессе гравитационного сжатия превратились в планеты-гиганты Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск, 1997. с - 190. Эта гипотеза не объясняет удаления из Солнечной системы больших излишков вещества, не вошедшего в планеты, а также причин отличия состава Юпитера и Сатурна от солнечного (Сатурн содержит больше тяжелых хим. элементов, чем Юпитер, который, в свою очередь, содержит их относительно больше, чем Солнце). Согласно второй гипотезе ("аккреции"), образование Юпитера и Сатурна протекало в два этапа. На первом, длившемся около лет с области Юпитера и лет в области Сатурна, происходила аккумуляция твердых тел таким же образом, как в области планет земной группы. Когда самые крупные тела достигли критической массы (около двух масс Земли), начался второй этап - аккреция газа на эти тела, длившийся не менее 10⁵-10⁶ лет. На первом этапе из области Юпитера диссипировала часть газа, и его состав оказался отличным от солнечного; еще больше это проявилось у Сатурна. На стадии аккреции наибольшая температура наружных слоев Юпитера достигала 5000 К, а у Сатурна - около 2000 К. Значит. прогревание Юпитером своей окрестности определило силикатный состав его близких спутников. Согласно гипотезе контракции на ранней стадии планеты-гиганты также имели высокие температуры, однако динамика процессов в рамках гипотезы аккреции более обоснована. Образование Урана и Нептуна, содержащих всего 10-20% H и He, также лучше объясняется второй гипотезой. К моменту достижения ими критической массы (за время ~ 10⁸ лет) большая часть газа уже покинула Солнечную систему.

Заключение

Среди последующих космогонических теорий можно найти и теорию «катастроф», согласно которой наша Земля обязана своим образованием некоему вмешательству извне, например, близкой встрече Солнца с какой-то блуждающей звездой, вызвавшей извержение части солнечного вещества. В результате расширения раскаленная газообразная материя быстро остывала и уплотнялась, образуя большое количество маленьких твердых частиц, скопления которых были чем-то вроде зародышей планет. В последние годы американскими и отечественными учеными был выдвинут ряд новых гипотез. Если раньше считалось, что в эволюции Земли происходил непрерывный процесс отдачи тепла, то в новых теориях развитие Земли рассматривается как результат многих разнородных, порой противоположных процессов. Одновременно с понижением температуры и потерей энергии могли действовать и другие факторы, вызывающие выделение больших количеств энергии и компенсирующие таким образом убыль тепла. Одно из этих современных предположений его автор американский астроном Ф. Л. Уайпль (1948) назвал «теорией пылевого облака». Однако по существу это ничто иное как видоизмененный вариант небулярной теории Канта-Лапласа. Любопытно, что на новом уровне, вооруженные более совершенной техникой и более глубокими познаниями о химическом составе солнечной системы, астрономы вернулись к мысли о том, что Солнце и планеты возникли из обширной, нехолодной туманности, состоящей из газа и пыли. Мощные телескопы обнаружили в межзвездном пространстве многочисленные газовые и пылевые «облака», из которых некоторые действительно конденсируются в новые звезды. Каждая из этих космогонических теорий внесла свой вклад в дело выяснения сложного комплекса проблем, связанных с происхождением Земли. Все они рассматривают возникновение Земли и солнечной системы как закономерный результат развития звезд и вселенной в целом. Земля появилась одновременно с другими планетами, которые, как и она, вращаются вокруг Солнца и являются важнейшими элементами солнечной системы.

Список использованной литературы

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. Хрестоматия для студентов гуманитарных вузов. - М., 2004.

2. Грушевская Т.Г. , Садохин П.П. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие: Высшая школа., М.: 1998

3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск, 1997.

4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. - М., 2005.

5. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. - М., 1996.

6. Концепции современного естествознания. /Ред. Романов А.Н. - М., 1997.

7. Концепции современного естествознания /Ред. Лавриненко В.Н., Ратников В.П. - М., 2005.

8. Суханов А.Д., Голубева О.Н. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. - М., 2000.