происхождение солнечной системы

ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ (планетная космогония). Происхождение и эволюция Солнца рассматриваются теориями звездообразования и эволюции звёзд, а при изучении П. С. с. осн. внимание уделяется проблеме образования планет, и прежде всего Земли. Звёзды с планетными системами могут составлять промежуточный класс между одиночными и двойными звёздами. Не исключено, что строение планетных систем и способы их формирования могут быть весьма различными. Строение Солнечной системы (СС) обладает рядом закономерностей, указывающих на совм. образование всех планет и Солнца в едином процессе. Такими закономерностями являются: движение всех планет в одном направлении по эллиптич. орбитам, лежащим почти в одной плоскости; вращение Солнца в том же направлении вокруг оси, близкой к перпендикуляру к центр. плоскости планетной системы; осевое вращение в том же направлении большинства планет (за исключением Венеры, к-рая очень медленно вращается в обратном направлении, и Урана, к-рый вращается как бы лёжа на боку); обращение в том же направлении большинства спутников планет; закономерное возрастание расстояний планет от Солнца; деление планет на родств. группы, отличающиеся по массе, хим. составу и кол-ву спутников (группа близких к Солнцу планет земного типа и далёкие от Солнца планеты-гиганты, также подразделяющиеся на 2 группы); наличие пояса малых планет между орбитами Марса и Юпитера.

Краткая история. Начало развитию планетной космогонии положено гипотезой Канта-Лапласа. И. Кант (I. Kant, 1755) выдвинул идею о формировании планет из разреженного пылевого вещества, обращавшегося вокруг Солнца. Согласно П. С. Лапласу (P. S. Laplace, 1796), материалом для образования планет послужила часть газового вещества, отделившаяся от сжимающегося протосолнца. Наряду с гипотезой Канта-Лапласа предлагались гипотезы, основанные на идее "катастрофич. события". В 1920-30-х гг. известностью пользовалась гипотеза Дж. X. Джинса (J. Н. Jeans), считавшего, что планеты образовались из вещества, вырванного из Солнца притяжением пролетевшей поблизости звезды. Однако уже в кон. 30-х гг. выяснилось, что гипотеза Джинса не способна объяснить размеры планетной системы. Ряд важных исследований по проблеме образования околосолнечной туманности и формирования в ней планет был проведён в 30-40-х гг. X. Альфвен (Н. Alfven) и Ф. Хойл (F. Hoyle) привлекли внимание к магнитогидродинамич. эффектам, играющим важную роль на ранних стадиях формирования звезды и её окружения. X. Берлаге (Н. Berlage) и К. Вайцзеккер (С. Weizsacker) построили первые газодинамич. модели первичного околосолнечного диска. Начало планомерной разработке теории П. С. с. положено работами О. Ю. Шмидта. В трудах отечеств. школы планетной космогонии выяснены осн. черты эволюции протопла-нетного диска и процессов, сопровождающих формирование планет. К 80-м гг. получен обширный материал наблюдательных данных по современному звездообразованию. Благодаря полётам космич. аппаратов неизмеримо возрос объём информации о строении, составе и свойствах тел СС. Лаб. изучение внеземного вещества и использование ЭВМ при моделировании астрофиз. событий позволили перейти к построению достаточно детальных количеств моделей П. С. с.

Образование Солнца и допланетного диска. Звёзды солнечного типа образуются в газопылевых комплексах с массойМ(М- масса Солнца). Пример такого комплекса - известная туманность Ориона, в к-рой идёт активное звездообразование. По-видимому, и Солнце образовалось вместе с группой звёзд в ходе перемежающихся процессов сжатия и фрагментации подобной туманности.

Начавшее сжиматься массивное облако, участвующее в общем вращении Галактики, не может сжаться до высокой плотности из-за большого момента кол-ва движения (момента вращения). Поэтому оно стремится распасться на отд. фрагменты. Часть момента вращения при этом переходит в момент относит. движения фрагментов. Процесс последоват. фрагментации, сопровождаемый беспорядочными (турбулентными) движениями, ударными волнами, запутыванием магн. полей, приливным взаимодействием фрагментов, сложен и понят недостаточно. Однако эволюция изолиров. фрагмента с массой1 М, обладающего не слишком большим нач. моментом вращения , может быть прослежена путём расчётов на ЭВМ. Расчёты показывают, что при большем моменте вращения вместо протозвезды может возникнуть неустойчивое кольцо, разбивающееся на фрагменты. Таким путём, возможно, формируются кратные звёзды. При много меньшем значении момента вращения более вероятно образование одиночной звезды. В 80-х гг. появились первые расчёты по образованию около сжимающейся, медленно вращающейся протозвезды (Солнца) уплощённого газопылевого диска. Большая часть газа, окружающего протозвез-ду (вращающаяся оболочка), аккрецирует (см. Аккреция)на неё. Согласно оценкам, в экваториальной области сжимающейся протозвезды должна существовать область с интенсивным перераспределением момента вращения. В случае эфф. турбулентности, вызванной продолжающейся аккрецией газа, всё новые порции вещества с избыточным моментом выносятся наружу, образуя вращающийся газопылевой диск. Часть вещества из сжимающейся оболочки аккрецирует непосредственно на диск. Залет диск вырастает до размеров порядка радиуса совр. планетной системы (40-50 а. е.) и имеет массу 0,05-0,1 М. Центр. область протозвезды, от к-рой передавался значит. вращат. момент, сжимаясь, превращается в звезду залет. Не исключено, что в зависимости от нач. условий в газопылевом комплексе, влияния соседних фрагментов, а также вспыхивающих поблизости новых звёзд и сверхновых звёзд массы и размеры образующихся дисков могут варьировать в широких пределах. Важную роль в ранней эволюции таких дисков играет активность молодой звезды - её излучение в рентг. и УФ-диапазонах, общая светимость и интенсивность звёздного ветра. Согласно этим гидродинамич. моделям околосолнечного газопылевого диска, вращающегося вокруг такого активного Солнца, темп-pa в центр. плоскости диска падает с расстоянием от Солнцакак, составляя 300-400 К на расстоянии= 1 а. е. p лишь десятки Кельвинов на= 10-30 а. е. Внеш. разреженные слои диска могли нагреваться КВ-излучением Солнца до весьма высоких темп-р, что вело к потере газа (его рассеянию в межзвёздное пространство). Этому процессу способствовал также интенсивный солнечный ветер.

Эволюция допланетного диска: а - опускание пыли к центральной плоскости; б - формирование пылевого субдиска; в - распад пылевого субдиска на пылевые сгущения; г - формирование из пылевых сгущений компактных тел (по Б. Ю. Левину, 1964).

Эволюция допланетного диска: динамические аспекты. При моделировании отд. стадий эволюции диска (рис.) и образования планет большое внимание уделяется нач. стадии - опусканию пылинок к центр. плоскости диска и их слипанию в турбулентном газе. Время опускания пыли и образования пылевого субдиска зависит от интенсивности турбулентных движений в газовой составляющей диска и оценивается в - лет. При достижении в пылевом слое критич. плотности в результате гравитационной неустойчивости пылевой субдиск должен был бы распасться на множество пылевых сгущений. На разных расстояниях от Солнца времена образования пылевых сгущений и их массы могли несколько отличаться, но, по оценкам, в ср. их массы были близки к массам крупнейших совр. астероидов. Столкновения сгущений вызывали объединение (и сжатие) большинства из них и образование компактных тел - плаветезималей. Этот процесс, с космогонич. точки зрения, был также весьма быстрым (лет).

Следующий этап - аккумуляция планет из роя пла-нетезималей и их обломков - занял гораздо больше времени ( лет). Численное моделирование позволяет определять одновременно распределение масс и скоростей допланетных тел. Сначала тела двигались по круговым орбитам в плоскости породившего их пылевого слоя. Они росли, сливаясь друг с другом и вычерпывая окружающее рассеянное вещество (остатки "первичной" пыли и обломки, образовавшиеся в процессе столкновений планетезималей). Гравитац. взаимодействие тел, усиливавшееся по мере их роста, постепенно изменяло их орбиты, увеличивая ср. эксцентриситет и ср. наклон к центр. плоскости диска. Наиб. массивные тела оказались зародышами будущих планет. При объединении в планеты многих тел произошло усреднение их индивидуальных характеристик движения, и поэтому орбиты планет получились почти круговыми и компланарными. Оценённые аналитически и получаемые в численных расчётах относит. расстояния между планетами, их массы и общее число, периоды собств. вращения, наклоны осей, эксцентриситеты и наклоны орбит удовлетворительно согласуются с наблюдениями.

Процесс образования планет-гигантов был более сложным, многие его детали ещё предстоит выяснить. Их образование осложнялось длительным присутствием газовой компоненты и эфф. выбросом вещества во внеш. зоны и даже за пределы СС. Согласно моделям, образование Юпитера и Сатурна протекало в два этапа. На первом этапе, длившемся десятки млн. лет в области Юпитера и около ста млн. лет в области Сатурна, происходила аккумуляция твёрдых тел, подобная той, что была в зоне планет земной группы. Когда крупнейшие тела достигали нек-рой критич. массы (5 Мз, Мз - масса Земли), начинался 2-й этап эволюции - аккреция газа на эти тела, длившийсялет. Из зоны планет земной группы газ рассеивался за время лет, в зоне Юпитера и Сатурна он оставался неск. дольше. Образование твёрдых ядер Урана и Нептуна, находящихся на больших расстояниях, заняло сотни млн. лет. К этому времени газ из их окрестностей был уже практически потерян. Темп-ры в этой внеш. части СС не превышали 100 К, в результате, помимо силикатной компоненты, в состав этих планет и их спутников вошло много конденсатов воды, метана и аммиака.

Малые тела СС - астероиды и кометы - представляют собой остатки роя промежуточных тел. Крупнейшие из совр. астероидов (поперечником100 км) образовались ещё в эпоху формирования планетной системы, а средние и мелкие - в большинстве своём обломки крупных астероидов, раздробившихся при столкновениях. Благодаря столкновениям астероидных тел непрерывно пополняется запас пылевого вещества в межпланетном пространстве. Др. источник мелких твёрдых частиц - испарение и распад кометных ядер при пролёте их вблизи Солнца. Ядра комет, по-видимому, представляют собой остатки каменисто-ледяных тел зоны планет-гигантов. Массы планет-гигантов ещё до завершения их роста стали столь большими, что своим притяжением начали сильно изменять орбиты пролетавших мимо них малых тел. В результате нек-рые из этих тел приобрели очень вытянутые орбиты, уходящие далеко за пределы планетной системы. На тела, удалявшиеся дальше 20-30 тыс. а. е. от Солнца, заметное грави-тац. воздействие оказали ближайшие звёзды. В большинстве случаев воздействие звёзд приводило к тому, что малые тела переставали заходить в область планетных орбит. Планетная система оказалась окружённой роем каменисто-ледяных тел, простирающимся до расстоянийа. е. и являющимся источником ныне наблюдаемых комет (облако Оорта).

Происхождение системы регулярных спутников планет, движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости её экватора, обычно объясняется процессами, аналогичными тем, к-рые привели к образованию планет. Согласно моделям, в ходе формирования планеты в результате неупругих столкновений планетезималей часть из них могла быть захвачена на околопланетную орбиту, образовав околопланетный доспутниковый диск. Оценки показывают, что характерные времена аккумуляции и разрушения небольших спутников при дроблении много меньше характерного времени образования самой планеты. Вещество в доспутниковых дисках неоднократно обновлялось, прежде чем смогла образоваться относительно устойчивая спутниковая система. Согласно модельным расчётам, массы доспутниковых дисков- от массы планеты, что достаточно для формирования спутниковых систем планет-гигантов. В системе регулярных спутников Юпитера имеется деление на две группы: силикатную и водно-силикатную. Различия в хим. составе спутников показывают, что молодой Юпитер был горячим. Нагрев мог быть обеспечен выделением гравитац. энергии при аккреции газа. В системе спутников Сатурна, состоящих в осн. из льда, нет деления на две группы, что связывают с более низкой темп-рой в окрестностях Сатурна, при к-рой могла конденсироваться вода. Происхождение иррегулярных спутников Юпитера, Сатурна и Нептуна, т. е. спутников, обладающих обратным движением, а также небольшого внеш. спутника Нептуна, обладающего прямым движением по вытянутой орбите, объясняют захватом. У медленно вращающихся планет (Меркурия и Венеры) спутников нет. Они, по-видимому, испытали приливное торможение со стороны планеты и упали в конце концов на её поверхность. Действие приливного торможения проявилось также в системах Земля - Луна и Плутон - Харон, где спутники, образуя с планетой двойную систему, всегда повёрнуты к планете одним и тем же полушарием.

Происхождение Луны чаще всего связывают с образованием её на околоземной орбите, однако продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землёй готовой Луны, отделения Луны от Земли. Разрабатывается и компромиссная гипотеза, связывающая появление массивного околоземного доспутникового диска с гигантским выбросом вещества, вызванным столкновением протоземли с крупным телом (с размерами порядка Меркурия или даже Марса). Согласно расчётам, из массивного спутникового роя могла образоваться система из неск. крупных спутников, орбиты к-рых с разной скоростью эволюционировали под действием приливного трения, и, в конечном счёте, спутники объединились в одно тело - Луну.

Космохимические аспекты (эволюция состава). В основе физ--хим. исследований ранних стадий эволюции СС лежат данные по составу межзвёздной и межпланетной пыли, планет и их атмосфер, астероидов и комет. Особое место принадлежит лаб. исследованиям метеоритов - образцов астероидного вещества. Вещество, вошедшее в тела СС, проходило неоднократную физ--хим. переработку и во многом утратило память о ранних стадиях эволюции. Однако отд. тела СС содержат вещество, хранящее ту или иную информацию в виде реликтовых минеральных фракций, включений и т. п. Образцы такого вещества используются как "космохроно-метры", "космотермометры", "космобарометры".

Хим. состав первичного допланетного диска обычно полагают близким к солнечному ("среднекосмическо-му"). В первичном диске газ (в осн. молекулы водорода и гелия) составлял 98-99% всей массы. Пыль (фер-ромагнезиальные силикаты и алюмосиликаты во внутр. части диска, к к-рым добавлялись льды во внеш. части) вначале играла второстепенную роль. В ходе образования и эволюции допланетного диска происходили изменения элементного и изотопного состава газовой и конденсированной компонент, разнообразные процессы обмена между этими двумя осн. резервуарами. Согласно моделям, в процессе образования диска в ближней к Солнцу окрестности межзвёздная пыль в ходе аккреции испарялась и лишь после частичного охлаждения газа происходила реконденсация тугоплавких и умеренно тугоплавких соединений. Во внеш. зоне СС в состав первичных тел могла войти межзвёздная пылевая компонента. Лаб. анализы образцов наиб. примитивных углистых хондритов указывают на присутствие в них вещества, близкого по особенностям элементного, изотопного и минерального состава к межзвёздной пыли. В целом определения изотопного состава земных и лунных образцов, метеоритов и межпланетной пыли показывают относит. однородность, а следовательно, хорошую перемешанность осн. массы протопланетного вещества. Это сильный довод в пользу образования допланетного диска и Солнца в едином процессе. Т. о., установленный для Земли, Луны и древнейших метеоритов возраст в 4,5-4,6 млрд. лет можно считать возрастом СС. В то же время изотопный состав газовой и конденсированной компонент в ходе формирования диска и в последующем при формировании планет несомненно менялся. Интерпретация вариаций содержания отд. изотопов в образцах внеземного вещества зачастую неоднозначна и зависит от выбора динамич. модели. Важно, однако, что находки дочерних продуктов распада короткоживущих изотопов и др. позволяют получить оценки длительности отдельных ранних стадий. Полученные оценки, основанные на ряде изотопных систем, включающих вымершие коротко-живущие изотопы, не противоречат динамич. оценкам длительности стадий формирования планет лет).

Недра крупнейших первичных тел подвергались разогреву до 300-700 К, а иногда и до 1000-1500 К, что достаточно для частичного и полного плавления. Об этом говорят представители особых классов метеоритов, состав и физ. свойства к-рых указывают на то, что их родительские тела прошли стадии нагрева и дифференциации вещества. Причины разогрева до конца неясны. Возможно, он был связан с выделением теплоты при распаде короткоживущих радиоакт. изотопов; существ. нагрев мог быть обеспечен взаимными столкновениями.

Ограничения на характер процессов в ранней СС получены при исследовании образцов внеземного вещества, взаимодействовавшего с галактич. и солнечными космическими лучами. Так, исследование зёрен метеоритного вещества, облучённого солнечными космич. лучами, позволило сделать вывод, что к моменту формирования протопланет в зоне земной группы газ в осн. был уже потерян. Это важный аргумент в пользу представлений о вторичности атмосфер Земли, Венеры и Марса.

Начальное состояние и эволюция планет. В результате столкновений растущих планет с телами размером 100-1000 км протопланеты испытывали значит. нагрев, дегазацию, плавление и дифференциацию недр. Изотопный анализ (по изотопам урана и свинца) свидетельствует о раннем образовании земного ядра. Его осн. масса, вероятно, сформировалась более 4 млрд. лет назад, т. е. в первые сотни млн. лет существования Земли. Древний характер поверхностей Меркурия и Луны и ряд косвенных данных о строении Марса и Венеры не противоречат концепции раннего образования ядер планет земной группы. Данные о возможном составе планет говорят о том, что образование ядер планет земной группы произошло вследствие отделения богатого железом расплава от силикатов. Физикохимия процесса отделения железного расплава и динамика опускания его к центру планеты изучены недостаточно. Разогрев планет в ходе их роста сопровождался выделением летучих компонент, содержавшихся в веществе падавших планетезималей. В случае Земли водяные пары сконденсировались в воды первичных бассейнов, а газы образовали атмосферу. Согласно изотопному анализу (по изотопам йода и ксенона), осн. масса атмосферы Земли была накоплена к моменту завершения роста планеты. Состав древней атмосферы известен пока плохо.

Процесс хим. расслоения земных недр происходит и в наше время. Лёгкие расплавы в виде магмы поднимаются из мантии в кору. Они частично застревают и застывают внутри земной коры, а частично прорывают кору и в виде лавы изливаются наружу при вулка-нич. извержениях. Крупномасштабные перемещения вещества в недрах, вызванные тепловой конвекцией и хим. дифференциацией, проявляются в виде подъёмов и опусканий больших участков поверхности, перемещения литосферных плит, на к-рые расчленена земная кора, в виде процессов вулканизма и горообразования, а также землетрясений (см. Сейсмология ).О совр. строении планетных недр см. в ст. Планеты и спутники.

Лит.: Protostars and planets, v, 1-2, Tucson, 1978-85; Сафронов В, С., Витязев А. В., Происхождение Солнечной системы, в кн„: Итоги науки и техники, сер. Астрономия, т., 24, М., 1983. А. В. Витязев.

   <<      Предметный указатель      >>