С незапамятных времен люди искали ответ о том, как возникла Вселенная. Однако только в течение последних нескольких столетий, во время научной революции, преобладающие теории носили эмпирический характер. Именно в это время, с 16 по 18 века, астрономы и физики начали формулировать основанные на фактах объяснения того, как возникло наше Солнце, планеты и Вселенная.
Когда дело доходит до формирования нашей Солнечной системы, наиболее широко распространенная точка зрения известна как Небулярная гипотеза . По сути, эта теория утверждает, что Солнце, планеты и все другие объекты Солнечной системы сформировались из туманного материала миллиарды лет назад. Первоначально предложенная для объяснения происхождения Солнечной системы, эта теория стала широко признанным представлением о том, как возникли все звездные системы.
Небулярная гипотеза:
Согласно этой теории, Солнце и все планеты нашей Солнечной системы начинались как гигантское облако молекулярного газа и пыли. Затем, примерно 4,57 миллиарда лет назад, произошло что-то, что привело к коллапсу облака. Это могло быть результатом проходящей мимо звезды или ударной волны от сверхновой, но конечным результатом был гравитационный коллапс в центре облака.
В результате этого обрушения очаги пыли и газа начали собираться в более плотные области. По мере того как более плотные области втягивают все больше и больше материи, сохранение количества движения заставляет ее вращаться, в то время как увеличение давления вызывает ее нагрев. Большая часть материала оказалась в шаре в центре, в то время как остальная часть вещества превратилась в диск, который вращался вокруг него. В то время как шар в центре сформировал Солнце, остальная часть материала должна была превратиться в Солнце. протопланетный диск .
Планеты образовались в результате аккреции от этого диска, в котором пыль и газ гравитировали вместе и сливались, образуя все более крупные тела. Из-за их более высоких температур кипения только металлы и силикаты могли существовать в твердой форме ближе к Солнцу, и в конечном итоге они образовали планеты земной группы. Меркурий , Венера , Земля , а также Март . Поскольку металлические элементы составляли лишь очень небольшую часть солнечной туманности, планеты земной группы не могли вырасти очень большими.
Напротив, планеты-гиганты ( Юпитер , Сатурн , Уран , а также Нептун ) образовался за пределами точки между орбитами Марса и Юпитера, где материал достаточно холодный, чтобы летучие ледяные соединения оставались твердыми (т. е. Линия Мороза ). Льда, образовавшего эти планеты, было больше, чем металлов и силикатов, которые сформировали внутренние планеты земной группы, что позволило им вырасти достаточно массивными, чтобы захватывать большие атмосферы из водорода и гелия. Остатки мусора, которые так и не превратились в планеты, собрались в таких регионах, как Пояс астероидов , Ремень Cooper , а также Облако Оорта .
Впечатление художника о ранней Солнечной системе, где столкновение частиц в аккреционном диске привело к образованию планетезималей и, в конечном итоге, планет. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех.
В течение 50 миллионов лет давление и плотность водорода в центре протозвезды стали достаточно большими, чтобы начать термоядерный синтез. Температура, скорость реакции, давление и плотность увеличивались до тех пор, пока гидростатическое равновесие было достигнуто. В этот момент Солнце стало звездой главной последовательности. Солнечный ветер от Солнца создал гелиосфера и смело оставшийся газ и пыль с протопланетного диска в межзвездное пространство, положив конец процессу формирования планет.
История гипотезы туманности:
Идея о том, что Солнечная система возникла из туманности, была впервые предложена в 1734 году шведским ученым и теологом Эмануалом Сведенборгом. Иммануил Кант, который был знаком с работами Сведенборга, развил теорию дальше и опубликовал ее в своемУниверсальная естественная история и теория небес(1755). В этом трактате он утверждал, что газовые облака (туманности) медленно вращаются, постепенно схлопываясь и сплющиваясь под действием силы тяжести и образуя звезды и планеты.
Похожая, но меньшая по размеру и более подробная модель была предложена Пьером-Симоном Лапласом в его трактате.Экспозиция системы duМир(Экспозиция системы мира), которую он опубликовал в 1796 году. Лаплас предположил, что Солнце изначально имело протяженную горячую атмосферу по всей Солнечной системе, и что это «протозвездное облако» охлаждается и сжимается. По мере того, как облако вращалось быстрее, оно отбрасывало материал, который в конечном итоге конденсировался, образуя планеты.
Туманность Sh 2-106 (или сокращенно S106), компактная область звездообразования в созвездии Лебедя. Предоставлено: НАСА / ЕКА.
Модель лапласианской туманности была широко распространена в XIX веке, но имела довольно явные трудности. Основная проблема заключалась в распределении углового момента между Солнцем и планетами, которое модель туманности не могла объяснить. Кроме того, шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) утверждал, что разные скорости вращения между внутренней и внешней частями кольца не могут допускать конденсации материала.
Это было также отклонено астрономом сэром Дэвидом Брюстером (1781-1868), который заявил, что:
«Те, кто верит в теорию туманностей, считают несомненным, что наша Земля получила свое твердое вещество и свою атмосферу из кольца, брошенного из солнечной атмосферы, которое впоследствии сжалось в твердую водную сферу, из которой Луна была отброшена тем же процесс ... [С такой точки зрения] Луна обязательно должна была унести воду и воздух из водной и воздушной частей Земли и должна иметь атмосферу ».
К началу 20 века лапласианская модель потеряла популярность, что побудило ученых искать новые теории. Однако только в 1970-х годах появился современный и наиболее широко принятый вариант небулярной гипотезы - модель солнечного небулярного диска (SNDM). В этом заслуга советского астронома Виктора Сафронова и его книги.Эволюция протопланетного облака и формирование Земли и планет(1972).В этой книге сформулированы почти все основные проблемы процесса планетарного образования и многие решены.
Например, модель SNDM успешно объяснила появление аккреционных дисков вокруг молодых звездных объектов. Различные симуляции также продемонстрировали, что аккреция материала в этих дисках приводит к образованию нескольких тел размером с Землю. Таким образом, происхождение планет земной группы в настоящее время считается почти решенной проблемой.
Первоначально SNDM применялась только к Солнечной системе, но впоследствии теоретики считали, что она действует во всей Вселенной и использовалась для объяснения образования многих экзопланет, обнаруженных по всей нашей галактике.
Проблемы:
Хотя теория туманностей широко распространена, с ней все еще существуют проблемы, которые астрономы не смогли решить. Например, проблема наклонных осей. Согласно теории туманностей, все планеты вокруг звезды должны иметь одинаковый наклон относительно эклиптики. Но, как мы узнали, внутренние и внешние планеты имеют радикально разные наклоны осей.
В то время как внутренние планеты имеют наклон почти от 0 градусов, другие (например, Земля и Марс) значительно наклонены (23,4 ° и 25 ° соответственно), внешние планеты имеют наклоны от незначительного наклона Юпитера в 3,13 ° до Сатурна и Нептуна. выраженный наклон (26,73 ° и 28,32 °), до крайнего наклона Урана 97,77 °, при котором его полюса постоянно обращены к Солнцу.
Список потенциально обитаемых экзопланет любезно предоставлен Лабораторией обитаемости планет. Кредит: phl.upr.edu
Кроме того, изучение внесолнечных планет позволило ученым заметить аномалии, которые ставят под сомнение небулярную гипотезу. Некоторые из этих нарушений связаны с существованием «горячих юпитеров», которые вращаются вокруг своих звезд с периодами всего в несколько дней. Астрономы скорректировали гипотезу туманностей, чтобы учесть некоторые из этих проблем, но еще не ответили на все нерешенные вопросы.
Увы, похоже, что сложнее всего ответить на вопросы, связанные с происхождением. Когда мы думаем, что у нас есть удовлетворительное объяснение, остаются те неприятные проблемы, которые он просто не может объяснить. Однако между нашими нынешними моделями образования звезд и планет и рождением нашей Вселенной мы прошли долгий путь. По мере того, как мы узнаем больше о соседних звездных системах и исследуем все больше космоса, наши модели, вероятно, будут совершенствоваться.
Мы написали много статей о Солнечной системе здесь, в Universe Today. Вот Солнечная система , Наша Солнечная система началась с небольшого взрыва? , а также Что было здесь до Солнечной системы?
Для получения дополнительной информации обязательно ознакомьтесь с происхождение солнечной системы а также как образовались Солнце и планеты .
У Astronomy Cast также есть эпизод на эту тему - Эпизод 12: Откуда берутся детские звезды?
