VІІІ. Теоретична частина

Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 1011

Космогонічні проблеми належать до числа найбільш складних астрономічних задач, оскільки те, що ми спостерігаємо в наш час є одномоментним знімком Всесвіту. Можна визначити за допомогою цього знімку, який він зараз, але набагато складніше говорити про його минуле та майбутнє.

Небулярні гіпотези. Французький математик і філософ Рене Декарт (1596-1650) в своїй роботі “Принципи філософії” (1654) виказав ідею про утворення Сонячної системи з хмари газу і пилу, з яких утворилися Сонце і планети.

Через 100 років після Декарта в роботі “Загальна природнича історія та теорія неба” (1755) славнозвісний німецький філософ Іммануіл Кант (1724-1804) висловив припущення, за яким світ спочатку перебував у “найпримітивнішому стані, що настав за небуттям”, причому увесь простір спочатку був більш-менш рівномірно заповнений нерухомими холодними твердими частинками. “Привівши світ у стан найпростішого хаосу, я для розвитку великого порядку природи не застосував ніяких інших сил, крім сили притягання та сили відштовхування, двох сил, однаково безсумнівних і водночас однаково первісних та загальних. Перша – тепер безсумнівний закон природи. Другу, яка в природознавстві Ньютона не виявляється, може, з такою ясністю, як перша, я приймаю лише за тих обставин, за яких її ніхто не буде заперечувати, саме за найдрібнішого розпаду матерії, як, наприклад, у пари”. ”Небесні тіла є круглі маси, отже, мають найпростішу форму, яку лише може мати тіло, походження якого досліджується. Їхні рухи також не ускладнені. Вони є ніщо інше, як вільне продовження раз наданого руху, котрий, поєднаний з притяганням тіла, що розташоване в центрі, стає колоподібним. Мені здається, тут можна було б, мислячи тверезо, сказати без усякої зухвалості: дайте мені матерію і я побудую з неї світ.”

За уявленням Канта, частинки хаосу в перший момент були нерухомі, але “в матерії зразу ж з’являється намагання формуватися”. Під дією відштовхувальних сил (які нібито, особливо ефективні, коли речовина перебуває у розпорошеному стані) прямолінійний рух частинок до центра тяжіння змінюється колоподібним. Унаслідок зіткнення частинок навколо окремих згустків формуються планети. За Кантом, Сонце на ранньому етапі розвитку не мало того жару, який виник після завершення формування. Кант пише: “Минуло, можливо, ряд мільйонів років та століть, перш ніж та сфера організованої природи, у якій ми перебуваємо, досягла довершеності, котру вона тепер має, і, можливо, пройде такий же тривалий період, перш ніж природа зробить такий самий крок у хаос”. “… без вагання можна погодитися з тим, що після того, як кінцева слабкість обертальних рухів у світобудові повалить усі планети й комети на Сонце, його жар невимірно збільшиться внаслідок змішування цих великих мас… І жар розсіє ті елементи у тому самому величезному просторі, який вони займали до першого формування природи, щоб пізніше, коли сила центрального вогню, внаслідок майже повного розсіювання його маси, ослабне, повторити з неменшою правильністю, шляхом поєднання притягальних та відштовхувальних сил, попередні витвори та створити нову світобудову.”

В пошуках прикладів гальмування обертальних рухів Кант прийшов до висновку, що обертання Землі навколо осі сповільнюється припливними хвилями, які виникають на її поверхні під дією притягання Місяця і Сонця, і що аналогічно, загальмувалося обертання Місяця навколо Землі. Ця думка блискуче підтвердилася подальшими теоретичними дослідженнями.

Кант зробив помилку. Сили відштовхування за його представленням нагадували взаємне розташування молекул при зіткненнях. Але такі сили не могли породити коловий рух. І якщо в туманності не було від початку обертального руху, то ніякі внутрішні сили не зможуть цей обертальний рух надати. У цьому суть закону збереження моменту кількості руху в ізольованій системі.

Книга І. Канта “Загальна природнича історія та теорія неба” була надрукована без імені автора. Крім того через банкрутство видавництва її тираж залишився майже не реалізованим. Лише через 36 років друг і учень Канта Й. Гензіхен в 1791 році дав виклад його гіпотезі. Отже, довгий час праця І. Канта була поза увагою вчених.

Через чотири роки після популяризації гіпотези І. Канта французький математик і астроном П’єр Симон Лаплас (1749-1827) в своїй праці “Виклад системи світу” (1796) запропонував гіпотезу про виникнення з первинної туманності одночасно Сонця і планет. В цій роботі Лаплас перелічує п’ять головних особливостей Сонячної системи, яку повинна пояснити теорія:

1. Планети обертаються навколо Сонця в одному напрямі і приблизно в одній площині.

2. Супутники рухаються навколо своїх планет у тому ж напрямі, що і планети навколо Сонця.

3. Обертання всіх планет і Сонця навколо своїх осей відбувається у один і той же бік, а площини їх екваторів мають нахил до площин їх орбіт.

4. Ексцентриситети орбіт планет і супутників дуже малі.

5. Орбіти комет, навпаки, мають великі ексцентриситети і будь-які кути нахилу до площини екліптики.

За Лапласом на місті Сонячної системи була велетенська дуже розжарена туманність, яка повільно оберталася навколо осі, що проходила через її центр. Внаслідок охолодження туманність стискувалася, її кутова швидкість обертання при цьому збільшувалася, сама ж туманність сплющувалася. Відцентрова сила, що діє на матеріальні частинки, досягла найбільшого значення в екваторіальній площині. І як тільки ця сила перевищила силу тяжіння, від туманності відірвалося тонке кільце речовини, яке продовжувало обертатися в тому ж напрямі, що і вся туманність. З часом кожне таке кільце розпалося на окремі згустки, які об’єднувалися між собою, утворюючи планети. Аналогічно мали б утворитися і супутники планет.

В цій гіпотезі велику роль відіграє обертання первинної туманності. Справді, якщо елемент маси т має кутову швидкість і рухається по орбіті радіуса r, то момент кількості руху цього елемента буде:

.

Якщо момент кількості руху І залишається сталим, то при стисненні туманності зростає кутова швидкість . Якщо повна маса туманності М, то на елемент маси т діє сила тяжіння:

;

і відцентрова сила:

.

Порівнюючи вирази для сили і бачимо, що відцентрова сила при стисненні зростає швидше, ніж сила тяжіння ( ; ). Виникає ротаційна нестабільність, при якій туманність сплющується, приймаючи форму чечевиці, і з її екватора відділяються кільця речовини.

Гіпотеза Лапласа задовільно пояснювала ряд закономірностей (перші чотири з наведених вище). Але вона не могла пояснити, чому планети, маса яких становить близько 0,15% від маси Сонця, мають 98% моменту кількості руху Сонячної системи. Інакше кажучи Сонце обертається навколо своєї осі занадто повільно. Другою помилкою в роботі Лапласа є те, що розігрітий газ не може згущуватися, і кільця, що відділилися, розсіювалися б у просторі.

До небулярних гіпотез слід віднести гіпотезу Евра Огюста Фая (1814-1902), яку він виклав в своїй книжці “Про походження світу” (1884). Гіпотеза Фая є відродженням вихрової теорії Декарта. За Фаєм початковим станом речовини були хаотично розсіяні у просторі частинки типу метеоритного пилу, які перебували у безперервному, невпорядкованому русі. Такий рух породжував локальні завихрення і простір поділявся на окремі “вихрові клітини”. Непружні зіткнення пилинок призводили до злипання та розігріву частинок. Частина речовини втягувалася в центр вихору, де і формувалося Сонце.

Катастрофічні гіпотези. В 1748 році в своїй книжці “Природнича історія” французький астроном Жорж Бюффон (1707-1783) висловив думку, що Земля і інші планети утворилися з уламків, які відірвалися від Сонця при його катастрофічному зіткненні з кометою. Щоб оцінити вік Землі, Бюффон робив досліди з охолодження розжарених гарматних ядер різного діаметра. Він обрахував, що охолодження Землі від початкової високої температури до сучасної тривало 75 000 років. Запропонований час значно перевищував той, що випливав з даних Біблії. Бюффона звинуватили в безбожництві і на засіданні ради Паризького університету його тези було засуджено у січні 1751 року.

Гіпотеза Бюффона не підтверджувалася ні фактами, ні обрахунками. Головне, як згодом довів Лаплас, викинуті з Сонця згустки речовини не могли рухатися по майже колових орбітах, а описавши витягнуті еліптичні орбіти, вони повинні були впасти назад на Сонце.

Прикладом катастрофічної гіпотези утворення Сонячної системи є гіпотеза, яку в 1900 році запропонували американські вчені, геолог Томас Кроудер Чемберлін (1843-1923) і астроном Орест Врой Мільтон (1872-1952). За цією гіпотезою планетна система виникла з речовини самого Сонця. В наслідок істотного зближення іншої зорі з Сонцем стався викид сонячної речовини, яка отримавши від цієї зорі частину її моменту кількості руху, спочатку закручувалася навколо Сонця, а потім, внаслідок охолодження і конденсації газу, утворилися дрібні тверді частинки планетезималі. Планети та їх супутники утворилися з планетезималей. Розігрів речовини при її злипанні не дає температури, необхідної для плавлення, а це суперечило загальноприйнятій думці геологів, за якою Земля пройшла через вогняно-рідку стадію розвитку.

Ще одним прикладом катастрофічної гіпотези є гіпотеза Джеймса Хопвуда Джинса (1877-1946), члена Лондонського королівського товариства, який у своїй роботі “Рух мас, що не перебувають під дією припливних сил, з подальшим застосуванням до космогонічних теорій” в 1917 році представив послідовність подій. Декілька мільярдів років тому шлях Сонця перетнула інша більш масивна зоря. Як тільки відстань між ними наблизилась до границі Роша, з вершини припливного конуса поверхні Сонця, як з вулкана, розпочалося бурхливе виверження речовини. Цей викид за формою був подібний до сигари, яка згодом розпалася на окремі згустки так, що з її середньої частини утворилися планети-гіганти. Зоря, що спричинила цю катастрофу, передала речовині (отже – планетам) момент кількості руху і напрям обертання. За Джинсом орбіти планет спочатку були витягнутими, але через гальмування планет в залишковій газовій речовині орбіти набували колової форми. При проходженні планети через перигелій еліптичної орбіти на ній під дією Сонця виникали припливні горби, речовина відривалася і формувалися супутники планети.

Теоретичний розгляд цього питання привів Джинса до висновку, що маса зорі, яка спричинила катастрофічний сигароподібний викид сонячної речовини, повинна перевищувати масу Сонця в таке число разів, яке дорівнює кубові найменшої відстані між центрами обох тіл, виражений в радіусах Сонця. Якщо зоря пройшла на відстані, наприклад, 4 радіуси Сонця, то її маса мала би дорівнювати 32 маси Сонця. Імовірність такого проходження . Джинс писав “… зорі дуже рідко наближаються одна до одної і майже неймовірним є випадок для двох зір підійти настільки близько, щоб народилися планети”.

Через 12 років після роботи Джинса Херолд Джеффріс (1891-1989) запропонував вдосконалити роботу Джинса для усуненні труднощів з поясненням осьового обертання планет. Для цього Джеффріс замінив в гіпотезі Джинса тісне зближення дотичним зіткненням. Але низька імовірність такого процесу залишалася.

Ще однією модифікацією катастрофічно-небулярної гіпотези є гіпотеза Отто Юльєвича Шмідта (1891-1956), яку від представив в 1944 році в роботі “Метеоритна теорія походження Землі і планет”. Шмідт припускав, що планети утворилися з хмари дифузної метеорно-пилової матерії, яку було захоплено Сонцем при перетині площини Галактики. Шмідт поділив процес утворення планет умовно на два етапи. Протягом першого етапу тривалістю років з пилової компоненти, захопленої Сонцем хмари, утворилися проміжні тіла розміром в сотні кілометрів. Протягом другого етапу, тривалістю років, з рою “проміжних” тіл та їх уламків акумулювалися планети.

Одним з головних експериментальних доводів на користь утворення планет земної групи не з газових або газово-пилових згустків, а шляхом аккумуляції твердої холодної речовини є дефіцит на Венері, Землі і Марсі важких інертних газів Ne, Ar.

Але гіпотеза Шмідта не пояснювала повільне обертання Сонця навколо осі, яка майже перпендикулярна до центральної площини планетної системи.

Вірогідність захоплення Сонцем холодної метеорно-пилової хмари мізерно мала і до того ж геологія вбачає обов’язковим розжарений стан речовини Землі на початкових етапах її еволюції.

Електромагнітні гіпотези. Відомий шведський астрофізик Ханнес Олоф Альфвен (1908-1971) за допомогою “вморожених” магнітних полів пояснив розподіл моменту кількості руху в Сонячній системі. Він вважав, що Сонце в період формування планет мало потужне магнітне поле. Згідно його космогонічній теорії перенос моменту кількості руху назовні здійснюється за допомогою магнітного поля, через взаємодію між магнітним полем Сонця і зарядженими частинками, в хмарі з якої утворилися планети і їх супутники. Нейтральні атоми газової хмари, які поступово випадали на Сонце під дією його притягання, іонізувалися як в результаті зіткнень, так і під дією сонячного випромінення. Іонізована речовина гальмувалася магнітним полем і захоплювалася магнітними силовими лініями Сонця, яке оберталося, і примушена була теж обертатися навколо нього. Очевидно, Сонце при цьому свій обертальний момент.

Однак, за цією гіпотезою виходило, що найближчі до Сонця планети повинні складатися з найбільш легких елементів (водню та гелію), які мали найбільш високий потенціал іонізації. На відстанях планет-гігантів заліза та нікелю, повинні були би гальмуватися атоми оскільки для кожного сорту атомів можна оцінити відстань від Сонця, на який повинна відбуватися їх іонізація і гальмування. В дійсності спостерігається обернена картина.

Подальший розвиток уявлень про вирішальну роль електромагнітних сил в еволюції протопланетної хмари належить Фрейду Хойлу (1915 – 1987), англійському астроному, який у 1944 році запропонував гіпотезу утворення планет з високонагрітої зоряної речовини, а в 1960 році запропонував іншу гіпотезу про утворення Сонця і планет в єдиному процесі з холодної міжзоряної речовини.

Хойл вважав, що протопланетна туманність утворилася з речовини первинного Сонця. Ця туманність через швидке обертання Сонця повинна була сплющуватися. Після того, як такий диск став зовнішнім по відношенню до Сонця, момент кількості обертання переходив до диска. Обертання Сонця сповільнювалося, а планети прискорювалися.

Щоб пояснити, чому планети земної групи майже не вміщують водень, Хойл припустив, що передача моменту кількості руху за Альфвеном відбулася тільки для газових частинок і вони віддаляються від Сонця, а тверді частинки – залишаються.

Гіпотеза не пояснювала особливостей супутникових систем планет.

В 60-х роках ХХ ст. з’явилися перші кількісні теорії спільного утворення Сонця і протопланетної хмари, серед яких була гіпотеза американського астронома А. Дж. Камерона (1962). Він вважав, що Сонячна система виникла в результаті стиснення міжзоряної хмари масою ≈ 2М_¤. В 1970 р. Камерон і Тру ран припускали, що відбувся вибух наднової зорі, який інжектував речовину в протопланетну хмару і сприяв її стисненню.

Сучасні уявлення про етапи зародження і розвитку Сонячної системи. Уявлення про походження і ранню еволюцію Сонячної системи до сьогодні не набули вигляду закінченої теорії. Але основні риси «сценарію», за яким розгорталися події під час зародження Сонця і планет, вже визначилися. Можна виділити декілька етапів:

1. Згущення газопилової хмари міжзоряної речовини, яка складається з молекул Н₂, Н₂О, ОН і пилу. Таке згущення можливо почалося в результаті вибуху наднової зорі під дією ударної хвилі, яка розповсюдилася від неї у всі сторони. Продукти такого вибуху потрапили в міжзоряний пил, який став складовою вуглистих хондритів. Залишки цих продуктів визначаються тепер при тонкому хімічному та ізотопному аналізі.

Всі частини газопилової хмари були рівноправними і мали деяке обертання (момент кількості руху). Внаслідок дії закону збереження моменту по мірі стискування хмари кутова швидкість її обертання збільшувалася.

2. Гравітаційне стискування. Якщо в деякому об’ємі, який заповнено газом та пилом, з деяких причин маса речовини перевершить деяку критичну величину, то ця речовина почне стискатися під дією сили тяжіння. В найбільш густій частині газопилової хмари утворюється фрагмент, в центрі якого народжується згущення газу та пилу, яке є ядром акреції. Процес акреції є процесом захвату цим ядром оточуючого розрідженого середовища, приток якого поступово збільшує масу акреційного ядра.

3. Формування Протосонця. Коли маса акреційного ядра сягає близько 0,1М_¤, тоді речовина стає непрозорою, температура зростає і в результаті пил випаровується. Такі процеси відбуваються через 10⁴ – 10⁵ років після початку стиснення.

Рис.1. Етапи утворення сонячної системи

Після випаровування пилу відбувається дисоціація молекулярного водню і при подальшому стисненні утворюється газова протозоря – Протосонце. Його формування відбувається досить швидко за час 10 – 100 років. Акреція газопилової хмари народженим Протосонцем продовжується і приблизно через 10⁵ років від початку процесу його маса сягає сучасного значення, а радіус в 100 разів більший за радіус сучасного Сонця.

Результатом акреції газопилової хмари, яка має момент кількості руху, є утворення навколо Протосонця дископодібної протопланетної туманності. Оцінки маси цієї туманності в різних моделях різні і знаходяться в межах 0,01 – 2 М_¤.

Взаємодія магнітних полів молодого Сонця з плазмою сильного в ті часи сонячного вітру і речовини протопланетної туманності призвела до перерозподілу моменту кількості руху: обертання молодого Сонця уповільнилося, а протопланетної туманності – прискорилося. Якби цього не сталося, Сонце не змогло б далі стискуватися внаслідок ротаційної нестійкості, коли відцентрові сили на екваторі зрівнялися б з силами гравітаційного притягання до центру.

Тривалість процесу стискування Сонця до початку термоядерних реакцій у його ядрі становила близько 10 років. Потужній сонячний вітер «вимів» газ внутрішніх частин протопланетної туманності.

4. Наступний етап займає близько 10⁸ років. Після «вимітання» газу залишилася пилова речовина, яка сконцентрувалася до деякої середньої площини дископодібної протопланетної туманності. Пилові частинки все частіше стикаються і в результаті з’являються більш крупні частинки. Іде процес акумуляції тіл астероїдного типу – планетезималей – зародків планет. Кількість планетезималей в цей період дуже велика.

В зонах, близьких до Сонця, більш розігрітих і вільних від газу, утворилися планети земної групи, а далі – планети-гіганти, які, головним чином, складаються з легких елементів. Зростання планет супроводжувалося бурхливим часом, коли на поверхню планет обрушувалися величезні глиби планетезималей, утворюючи гігантські кратери на поверхні планет і викидаючи в простір частину речовини. Остання хвиля «бомбардувань» прокотилася через півмільярда років після утворення протопланетної хмари.

В сценарії утворення планет і сьогодні багато неоднозначностей. Відновити події, які відбувалися 4,5 млрд. років тому, дуже важко, але це не безнадійна задача. Використовуючи дані про міжзоряне середовище, аналізуючи склад та структуру метеоритів, планетних атмосфер, планетна космогонія все ближче підходить до вирішення своїх проблем.