История формирования Солнечной системы и гипотезы эволюции

«Теория захвата» перенаправляется сюда. Теорию захвата Солнца можно найти в разделе этой статьи, посвященном формированию Солнечной системы. Теорию захвата Луны можно найти в разделе этой статьи, посвященном формированию Луны .

Пьер-Симон Лаплас , один из создателей небулярной гипотезы.

История научной мысли о формировании и эволюции Солнечной системы началась с Коперниканской революции . Первое зарегистрированное использование термина « Солнечная система » датируется 1704 годом. Начиная с семнадцатого века, философы и ученые выдвигают гипотезы относительно происхождения нашей Солнечной системы и Луны и пытаются предсказать, как Солнечная система изменится в будущем. Рене Декарт был первым, кто выдвинул гипотезу о возникновении Солнечной системы; однако в восемнадцатом веке к дискуссии присоединилось больше ученых, что заложило основу для более поздних гипотез по этой теме. Позже, особенно в двадцатом веке, начали выдвигаться различные гипотезы, включая общепринятую сейчас небулярную гипотезу .

Между тем гипотезы, объясняющие эволюцию Солнца, возникли еще в девятнадцатом веке, особенно когда ученые начали понимать, как вообще функционируют звезды. Напротив, гипотезы, пытающиеся объяснить происхождение Луны, циркулировали на протяжении веков, хотя все широко принятые гипотезы были признаны ложными миссиями Аполлона в середине двадцатого века. Вслед за «Аполлоном» в 1984 году была выдвинута гипотеза гигантского удара , заменившая уже опровергнутую модель бинарной аккреции как наиболее распространенное объяснение образования Луны.

Современный вид

Основная статья: Формирование и эволюция Солнечной системы

Наиболее широко принятая модель формирования планет известна как небулярная гипотеза . Эта модель утверждает, что 4,6 миллиарда лет назад Солнечная система образовалась в результате гравитационного коллапса гигантского молекулярного облака, простирающегося на несколько световых лет . Многие звезды , включая Солнце , образовались внутри этого коллапсирующего облака. Газ, из которого образовалась Солнечная система, был немного массивнее самого Солнца. Большая часть массы сконцентрировалась в центре, образовав Солнце, а остальная масса сплюснулась в протопланетный диск , из которого сформировались все нынешние планеты , луны , астероиды и другие небесные тела Солнечной системы.

Гипотеза формирования

Французский философ и математик Рене Декарт первым предложил модель происхождения Солнечной системы в своей книге Мир» , написанной с 1629 по 1633 год « . и планеты конденсировались из большого сжавшегося вихря, что, по его мнению, могло объяснить круговое движение планет. Однако это было до того, как была известна теория гравитации Ньютона , которая объясняет, что материя ведет себя не таким образом.

Художественная концепция протопланетного диска

Вихревая модель 1944 года, Сформулированная немецким физиком и философом Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером , она возвращает нас к картезианской модели, используя структуру вихрей, вызванных турбулентностью, в лапласовском небулярном диске. В модели Вайцзеккера комбинация вращения каждого вихря по часовой стрелке и вращения всей системы против часовой стрелки может привести к тому, что отдельные элементы будут двигаться вокруг центральной массы по кеплеровским орбитам , уменьшая рассеивание энергии из-за общего движения. Однако материал будет сталкиваться с высокой относительной скоростью на границах между вихрями, и в этих областях небольшие вихри роликовых подшипников будут сливаться, образуя кольцевые конденсации. Эта гипотеза подверглась большой критике, поскольку турбулентность - это явление, связанное с беспорядком, и не может спонтанно создать высокоупорядоченную структуру, требуемую гипотезой. Он также не дает решения проблемы углового момента и не объясняет формирование Луны и другие базовые характеристики Солнечной системы.

Эта модель была модифицирована в 1948 году голландский физик-теоретик Дирк Тер Хаар выдвинул гипотезу, что регулярные вихри были отброшены и заменены случайной турбулентностью, что привело бы к образованию очень толстой туманности, в которой не возникало бы гравитационной нестабильности. Он пришел к выводу, что планеты, должно быть, образовались в результате аккреции, и объяснил разницу в составе планет как результат разницы температур между внутренней и внешней областями: первая более горячая, а вторая более холодная, поэтому конденсировались только огнеупорные (нелетучие вещества). во внутреннем регионе. Основная трудность заключалась в том, что, согласно этому предположению, турбулентное рассеяние происходило в течение одного тысячелетия, что не давало достаточно времени для формирования планет.

Небулярная гипотеза была впервые предложена в 1734 году шведским учёным Эмануэлем Сведенборгом. и позже расширена прусским философом Иммануилом Кантом в 1755 году. Похожая гипотеза была независимо сформулирована французом Пьером-Симоном Лапласом в 1796 году.

В 1749 году Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон, выдвинул идею о том, что планеты образовались, когда комета столкнулась с Солнцем, отправив материю наружу, чтобы сформировать планеты. Однако Пьер-Симон Лаплас в 1796 году опроверг эту идею, заявив, что любые планеты, образовавшиеся таким образом, в конечном итоге врезаются в Солнце. Лаплас считал, что околокруговые орбиты планет были необходимым следствием их образования. Сегодня известно, что кометы слишком малы, чтобы таким образом создать Солнечную систему.

В 1755 году Иммануил Кант предположил, что наблюдаемые туманности могут быть областями формирования звезд и планет. В 1796 году Лаплас уточнил это, утверждая, что туманность превратилась в звезду, и при этом оставшийся материал постепенно развернулся наружу, превратившись в плоский диск, из которого затем образовались планеты.

Альтернативные гипотезы

Какой бы правдоподобной она ни казалась на первый взгляд, небулярная гипотеза все еще сталкивается с препятствием в виде углового момента ; если бы Солнце действительно образовалось в результате коллапса такого облака, планеты должны были бы вращаться гораздо медленнее. Солнце, хотя и содержит почти 99,9 процента массы системы, содержит лишь 1 процент ее углового момента. это означает, что Солнце должно вращаться гораздо быстрее.

Приливная гипотеза

Попытки решить проблему углового момента привели к временному отказу от небулярной гипотезы в пользу возвращения к гипотезе «двух тел». В течение нескольких десятилетий многие астрономы отдавали предпочтение гипотезе приливов или близких столкновений, выдвинутой Джеймсом Джинсом в 1917 году, согласно которой приближение какой-то другой звезды к Солнцу в конечном итоге сформировало Солнечную систему. В результате этого промаха из-за взаимных приливных сил из Солнца и другой звезды вытянулось бы большое количество материи , которая затем могла бы конденсироваться в планеты. В 1929 году астроном Гарольд Джеффрис возразил, что такое столкновение крайне маловероятно. Американский астроном Генри Норрис Рассел также возражал против этой гипотезы, показав, что она сталкивается с проблемами с угловым моментом внешних планет, поскольку планеты изо всех сил пытаются избежать повторного поглощения Солнцем.

Модель Чемберлина – Моултона

Основная статья: Гипотеза планетезималей Чемберлина – Моултона

В 1900 году Форест Моултон показал, что небулярная гипотеза несовместима с наблюдениями из-за углового момента. Моултон и Чемберлен в 1904 году выдвинули гипотезу планетезималей . Вместе со многими астрономами того времени они пришли к выводу, что снимки «спиральных туманностей» из Ликской обсерватории были прямым свидетельством формирования планетных систем , которые впоследствии оказались галактиками.

Моултон и Чемберлин предположили, что звезда прошла близко к Солнцу в начале своей жизни, вызвав приливные выпуклости, и что это, наряду с внутренним процессом, который приводит к солнечным протуберанцам, привело к выбросу нитей материи из обеих звезд. Хотя большая часть материала упадет обратно, часть его останется на орбите. Нити остыли, образовав многочисленные крошечные твердые планетезимали и несколько более крупных протопланет . Эта модель получила положительную поддержку в течение примерно трех десятилетий, но вышла из моды к концу 30-х годов и была отвергнута в 40-х годах из-за осознания ее несовместимости с угловым моментом Юпитера. Часть гипотезы — планетезимальная аккреция — была сохранена.

Сценарий Литтлтона

В 1937 и 1940 годах Рэймонд Литтлтон предположил, что звезда-компаньон Солнца столкнулась с проходящей звездой. Подобный сценарий уже был предложен и отвергнут Генри Расселом в 1935 году, хотя, возможно, более вероятным было предположить, что Солнце родилось в рассеянном скоплении , где звездные столкновения являются обычным явлением. Литтлтон показал, что планеты земной группы слишком малы, чтобы конденсироваться самостоятельно, и предположил, что одна очень большая протопланета распалась на две части из-за нестабильности вращения, образовав Юпитер и Сатурн с соединительной нитью, из которой образовались другие планеты. Более поздняя модель, 1940 и 1941 годов, включала тройную звездную систему, двойную систему плюс Солнце, в которой двойная система слилась, а затем разделилась из-за нестабильности вращения и вышла из системы, оставив образовавшуюся между ними нить, которую можно было захватить Солнце. Возражения Лаймана Спитцера применимы и к этой модели.

Модель ленточной структуры

В 1954, 1975 и 1978 гг. Шведский астрофизик Ханнес Альфвен включил электромагнитные эффекты в уравнения движения частиц и объяснил распределение углового момента и различия в составе. В 1954 году он впервые предложил зонную структуру, в которой выделил А-облако, содержащее в основном гелий с некоторыми примесями твердых частиц («метеоритный дождь»), В-облако, содержащее преимущественно углерод, С-облако, содержащее преимущественно водород. и D-облако, состоящее в основном из кремния и железа. Примеси в облаке А образовали Марс и Луну (позже захваченные Землей), примеси в облаке В распались, образовав внешние планеты, облако С сконденсировалось в Меркурий, Венеру, Землю, пояс астероидов, спутники Юпитера. , и кольца Сатурна, а Плутон, Тритон, внешние спутники Сатурна, спутники Урана, пояс Койпера и облако Оорта образовались из D-облака.

Гипотеза межзвездного облака

В 1943 году советский астроном Отто Шмидт предположил, что Солнце в его нынешнем виде прошло через плотное межзвездное облако и вышло наружу, окутанное облаком пыли и газа, из которого в конечном итоге образовались планеты. Это решило проблему углового момента, предположив, что ему свойственно медленное вращение Солнца и что планеты не образовались одновременно с Солнцем. Расширения модели, вместе образующие русскую школу, включают Гуревича и Лебединского в 1950 году, Сафронова в 1967 и 1969 годах, Рускола в 1981 году, Сафронова и Витязева в 1985 году, а также Сафронова и Рускола в 1994 году и других. Однако эта гипотеза была серьезно опровергнута Виктором Сафроновым , который показал, что количество времени, необходимое для формирования планет из такой диффузной оболочки, намного превысит определенный возраст Солнечной системы.

Рэй Литтлтон модифицировал гипотезу, показав, что в третьем теле нет необходимости, и предположив, что механизм аккреции линий, описанный Бонди и Хойлом в 1944 году, позволяет захватить звездой облачный материал (Williams and Cremin, 1968, loc. цит.).

Гипотеза Хойла

В модели Хойла с 1944 года компаньон превратился в новую звезду с выброшенным материалом, захваченным Солнцем, и планетами, образовавшимися из этого материала. По версии год спустя это была сверхновая. В 1955 году он предложил систему, аналогичную Лапласу, и снова предложил эту идею с более математическими подробностями в 1960 году. Она отличается от Лапласа тем, что между диском и Солнцем возник магнитный момент, который вступил в силу немедленно; в противном случае выбрасывалось бы все больше и больше материи, в результате чего образовалась бы массивная планетная система, превышающая размеры существующей и сравнимая с Солнцем. Крутящий момент вызвал магнитную связь и передавал угловой момент от Солнца к диску. Напряженность магнитного поля должна была бы составлять 1 гаусс. Существование крутящего момента зависело от вмороженности магнитных силовых линий в диск, что является следствием хорошо известной магнитогидродинамической (МГД) теоремы о вмороженных силовых линиях. Поскольку температура солнечной конденсации при выбросе диска не могла превышать 1000 К (730 °C; 1340 °F), многочисленные огнеупоры должны были быть твердыми, вероятно, в виде мелких частиц дыма, которые росли бы в результате конденсации и аккреции. Эти частицы были бы вынесены вместе с диском только в том случае, если бы их диаметр на орбите Земли был менее 1 метра, поэтому по мере движения диска наружу оставался вспомогательный диск, состоящий только из огнеупоров, где и формировались планеты земной группы. Модель согласуется с массой и составом планет, а также с распределением угловых моментов при условии магнитной связи. Однако это не объясняет двойникования, малой массы Марса и Меркурия и поясов планетоидов. Альфвен сформулировал концепцию вмороженных силовых линий магнитного поля.

Гипотеза Койпера

Джерард Койпер в 1944 году. утверждал, как и Тер Хаар, что регулярные вихри невозможны, и постулировал, что в солнечной туманности могут возникать большие гравитационные нестабильности, образующие конденсации. При этом солнечная туманность могла быть либо генетической с Солнцем, либо захвачена им. Распределение плотности определит, что может образоваться: планетную систему или звездный компаньон. Предполагалось, что эти два типа планет возникли в результате предела Роша. Никакого объяснения медленному вращению Солнца, которое Койпер рассматривал как большую проблему G-звезд, предложено не было.

Гипотеза Уиппла

В сценарии Фреда Уиппла 1948 года облако дыма диаметром около 60 000 а.е. и массой 1 солнечную ( M _☉ ) сжалось и произвело Солнце. У него был незначительный угловой момент, что объясняло аналогичное свойство Солнца. Это облако дыма захватило облако меньшего размера с большим угловым моментом. Время коллапса большой дымовой и газовой туманности составляет около 100 миллионов лет, и скорость сначала была медленной, а на более поздних стадиях увеличивалась. Планеты конденсировались из небольших облаков, образовавшихся во втором облаке или захваченных им. Орбиты будут почти круглыми, поскольку аккреция уменьшит эксцентриситет из-за влияния сопротивляющейся среды, а орбитальные ориентации будут одинаковыми из-за размера небольшого облака и общего направления движений. Протопланеты могли нагреться до такой степени, что более летучие соединения были бы потеряны, а орбитальная скорость уменьшалась с увеличением расстояния, так что планеты земной группы пострадали бы больше. Однако этот сценарий был слабым в том смысле, что практически все окончательные закономерности были представлены как априорные предположения, а количественные расчеты не подтвердили большую часть гипотез. По этим причинам он не получил широкого признания.

Urey's model

Американский химик Гарольд Юри , основоположник космохимии , выдвинул сценарий в 1951, 1952, 1956 и 1966 годах в основном основывались на метеоритах. Его модель также использовала уравнения устойчивости Чандрасекара и получила распределение плотности в газопылевом диске, окружающем примитивное Солнце. Чтобы объяснить, что летучие элементы, такие как ртуть, могут удерживаться на планетах земной группы, он предположил, что газ и пыль умеренной толщины защищают планеты от Солнца. Чтобы образовать алмазы, в диске должны были образоваться кристаллы чистого углерода, объекты размером с Луну и газовые сферы, которые стали гравитационно нестабильными, а газ и пыль рассеялись бы на более позднем этапе. Давление упало из-за потери газа и превращения алмазов в графит, а газ стал освещаться Солнцем. В этих условиях значительная ионизация присутствовала бы , и газ ускорялся бы магнитными полями, следовательно, угловой момент мог бы передаваться от Солнца. Юри предположил, что эти тела лунного размера были разрушены в результате столкновений, при этом газ рассеивался, оставляя после себя твердые частицы, собранные в ядре, в результате чего меньшие фрагменты были выброшены далеко в космос, а более крупные фрагменты остались и срослись в планеты. Он предположил, что таким сохранившимся ядром была Луна.

Гипотеза протопланеты

В 1960, 1963 и 1978 гг. У.Х. МакКри предложил гипотезу протопланет, в которой Солнце и планеты индивидуально объединились из материи внутри одного облака, а меньшие планеты позже были захвачены большей гравитацией Солнца. Он включает деление в протопланетной туманности и исключает солнечную туманность. Агломерации флоккул, которые, как предполагается, создают сверхзвуковую турбулентность, возникающую в межзвездном материале, из которого рождаются звезды, образовали Солнце и протопланеты, причем последние разделились и образовали планеты. Две части не могли оставаться гравитационно связанными друг с другом при соотношении масс не менее 8 к 1, и для внутренних планет они уходили на независимые орбиты, а для внешних планет одна часть покидала Солнечную систему. Внутренними протопланетами были Венера-Меркурий и Земля-Марс. Спутники больших планет образовались из «капель» в перешейке, соединяющем две части разделяющейся протопланеты. Эти капли могут быть причиной некоторых астероидов. У планет земной группы не было бы больших спутников, в отличие от Луны . Гипотеза также предсказывает определенные наблюдения, такие как одинаковая угловая скорость Марса и Земли с одинаковыми периодами вращения и наклонами осей. В этой схеме шесть основных планет: две земных, Венера и Земля; два главных, Юпитер и Сатурн; и две внешние, Уран и Нептун, а также три меньшие планеты: Меркурий, Марс и Плутон.

У этой гипотезы есть некоторые проблемы, такие как неспособность объяснить тот факт, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении с относительно низким эксцентриситетом, что выглядело бы крайне маловероятным, если бы каждая из них была захвачена по отдельности.

Гипотеза Кэмерона

американского астронома Аластера Кэмерона 1962 и 1963 годов: В гипотезе протосолнце с массой около 1–2 Солнц и диаметром около 100 000 а.е. было гравитационно нестабильным, коллапсировало и распалось на более мелкие субъединицы. Магнитное поле составляло около 1/100 000 гаусс. Во время коллапса магнитные силовые линии были перекручены. Коллапс был быстрым и произошел за счет диссоциации молекул водорода с последующей ионизацией водорода и двойной ионизацией гелия. Угловой момент привел к вращательной неустойчивости, в результате чего возник диск Лапласа. На этом этапе излучение удалило избыточную энергию, диск остыл за относительно короткий период примерно в 1 миллион лет, и произошла конденсация в то, что Уиппл называет кометизмами. Совокупность этих кометизмов привела к образованию гигантских планет, которые, в свою очередь, во время своего формирования образовали диски, которые превратились в лунные системы. Формирование планет земной группы, комет и астероидов включало распад, нагревание, плавление и затвердевание. Кэмерон также сформулировал гипотезу гигантского удара. о происхождении Луны.

Зафиксировать гипотезу

Гипотеза захвата, предложенная Майклом Марком Вулфсоном в 1964 году, утверждает, что Солнечная система образовалась в результате приливных взаимодействий между Солнцем и протозвездой низкой плотности . Гравитация Солнца вытянула бы материал из диффузной атмосферы протозвезды, которая затем разрушилась бы, образуя планеты.

Поскольку захваченные планеты изначально имели бы эксцентричные орбиты, Дорманд и Вульфсон предположил возможность столкновения. Они выдвинули гипотезу, что нить была выброшена пролетающей протозвездой и захвачена Солнцем, что привело к образованию планет. Согласно этой идее, было 6 первоначальных планет, соответствующих 6 точечным массам в нити, причем планеты A и B , две самые внутренние, столкнулись. А , масса которого в два раза превышала Нептун, была выброшена за пределы Солнечной системы, а В , масса которого, по оценкам, составляла одну треть массы Урана, раскололась, образовав Землю, Венеру, возможно, Меркурий, пояс астероидов и Облако Оорта.

Солнечное деление

В 1951, 1962 и 1981 годах швейцарский астроном Луи Жако подобно Вайцзеккеру и Тер Хаару, продолжили картезианскую идею вихрей, но предложили иерархию вихрей или вихрей внутри вихрей, то есть вихрь лунной системы, вихрь Солнечной системы и галактический вихрь. Он выдвинул идею о том, что орбиты планет представляют собой спирали, а не круги или эллипсы. Жако также предложил расширение галактик, при котором звезды удаляются от центра, а луны удаляются от своих планет.

Он также утверждал, что планеты выбрасывались по одной от Солнца, особенно из-за экваториальной выпуклости, вызванной вращением, и что одна гипотетическая планета разбилась в результате этого изгнания, покинув пояс астероидов. Пояс Койпера в то время был неизвестен, но предположительно и он образовался в результате такого же разрушения. Спутники, как и планеты, возникли в результате экваториального изгнания своих родительских планет с некоторым разрушением и выходом из колец, и предполагалось, что Земля в конечном итоге изгонит еще одну луну.

В этой модели у планет было 4 фазы: отсутствие вращения и нахождение одной стороной к Солнцу, очень медленное, ускоренное и суточное вращение.

Жако объяснил различия между внутренними и внешними планетами, а также внутренними и внешними лунами через поведение вихрей. Эксцентричная орбита Меркурия была объяснена его недавним изгнанием из Солнца и медленным вращением Венеры, поскольку она находилась в «фазе медленного вращения» и была изгнана предпоследней.

Модель Тома Ван Фландерна впервые был предложен в 1993 году в первом издании его книги. В пересмотренной версии 1999 года и позже в исходной Солнечной системе было шесть пар планет-близнецов, и каждая из них отделилась от экваториальных выпуклостей вращающегося Солнца, где внешние центробежные силы в разное время превышали внутреннюю гравитационную силу, давая им разные температуры, размеров и состава, а затем сконденсировались с небулярным диском, рассеявшимся примерно через 100 миллионов лет, и взорвались шесть планет. Четыре из них содержали преобладание гелия, были жидкими и нестабильными. Это были В. (Мальдек, V означает пятую планету, первые четыре, включая Меркурий и Марс, К (Криптон), Т (транснептуновую) и Планету X. В этих случаях меньшие спутники взрывались из-за приливных напряжений, оставляя четыре компонента пояса две основные планетоидные зоны. Планета LHB-A, взрыв которой, как предполагается, вызвал Позднюю тяжелую бомбардировку (LHB) около 4 эонов назад, была побратимом Юпитера, а LHB-B, взрыв которой, как постулируется, вызвал еще одну LHB, была побратимом Юпитера. с Сатурном. На планетах LHB-A, Юпитере, LHB-B и Сатурне внутренний и меньший партнер в каждой паре подвергся огромным приливным нагрузкам, что привело к взрыву. Взрывы произошли до того, как они смогли разделить спутники. Поскольку шестеро были текучими, они не оставили никаких следов. Твердые планеты отделились только от одного спутника, а Меркурий был спутником Венеры, но отлетел в результате гравитационного воздействия Солнца. Марс был спутником Малдека.

Модель Херндона

В Дж. Марвина Херндона модели внутренние планеты с большим ядром, образовавшиеся в результате конденсации и выпадения осадков изнутри гигантских газообразных протопланет при высоких давлениях и высоких температурах. Полная конденсация Земли включала в себя газово-ледяную оболочку массой примерно 300 МЭ _, которая сжала каменное ядро ​​примерно до 66 процентов нынешнего диаметра Земли. в Т Тельца Извержения Солнца удалили газы с внутренних планет. Меркурий был не полностью конденсирован, а часть его газов была отпарена и перенесена в область между Марсом и Юпитером, где он слился с падающим окисленным конденсатом из внешних пределов Солнечной системы и образовал материнский материал для обычных хондритовых метеоритов. , астероиды Главного пояса и оболочка внутренних планет, особенно Марса. Различия между внутренними планетами являются, прежде всего, следствием разной степени сжатия протопланет. Существует два типа реакции на увеличение планетарного объема, вызванное декомпрессией: трещины, которые образовались для увеличения площади поверхности, и складчатость, которая создала горные хребты, чтобы приспособиться к изменениям кривизны.

Эта гипотеза формирования планет представляет собой расширение модели динамики декомпрессии всей Земли (WEDD). который включает в себя естественные реакторы ядерного деления в ядрах планет; Херндон излагает это в одиннадцати статьях в журнале Current Science с 2005 по 2013 год и в пяти книгах, опубликованных с 2008 по 2012 год. Он называет свою модель «неделимой» – это означает, что фундаментальные аспекты Земли связаны логически и причинно и могут быть выведены из его раннее формирование как гиганта, подобного Юпитеру.

В 1944 году немецкий химик и физик Арнольд Ойкен рассмотрел термодинамику конденсации и выпадения Земли внутри гигантской протопланеты при давлении 100–1000 атм. В 1950-х и начале 1960-х годов обсуждалось формирование планет при таком давлении, но модель низкого давления Кэмерона 1963 года (около 4–10 атм.) в значительной степени вытеснила эту идею.

Классификация гипотез

Джинс в 1931 году разделил различные модели на две группы: те, в которых материал для формирования планет поступил от Солнца, и те, в которых этого не произошло и которые могут быть одновременными или последовательными.

В 1963 году Уильям МакКри разделил их еще на две группы: те, которые связывают образование планет с образованием Солнца, и те, где оно не зависит от образования Солнца, где планеты формируются после того, как Солнце становится нормальной звездой. .

Тер Хаар и Кэмерон различает те гипотезы, которые рассматривают замкнутую систему, представляющую собой развитие Солнца и, возможно, солнечной оболочки, начинающуюся с протосолнца, а не с самого Солнца, и утверждают, что Белот называет эти гипотезы монистическими; и те, которые рассматривают открытую систему, в которой происходит взаимодействие между Солнцем и каким-либо инородным телом, которое, как предполагается, было первым шагом в развитии, ведущем к планетарной системе, и утверждают, что Белот называет эти гипотезы дуалистическими.

Классификация Эрве Ривза также отнес их к категории генетических с Солнцем или нет, но также рассмотрел их образование из измененного или неизмененного звездного и межзвездного материала. Он также выделил четыре группы: модели, основанные на солнечной туманности, созданные Сведенборгом, Кантом и Лапласом в 1700-х годах; гипотезы, предполагающие наличие облака, захваченного из межзвездного пространства, основными сторонниками которых были Альфвен и Густав Аррениус в 1978 году; бинарные гипотезы, предполагающие, что сестра-звезда каким-то образом распалась и часть ее рассеивающегося материала была захвачена Солнцем, при этом основным гипотезой был Литтлтон в 1940-х годах; и близкие идеи Джинса, Джеффриса, Вулфсона и Дорманда.

Иван П. Уильямс и Алан Уильям Кремин модели разделены на две категории: те, которые считают происхождение и формирование планет существенно связанными с Солнцем, причем два процесса образования происходят одновременно или последовательно, и те, которые считают образование планет независимым от Солнца. Процесс формирования Солнца, планеты, образующиеся после того, как Солнце становится нормальной звездой. Последняя категория имеет 2 подкатегории: модели, в которых материал для формирования планет добывается либо из Солнца, либо из другой звезды, и модели, в которых материал добывается из межзвездного пространства. Они пришли к выводу, что лучшими моделями являются магнитная связь Хойла и флокул МакКри.

Вульфсон признанные монистические модели, в число которых входили Лаплас, Декарт, Кант и Вайцзеккер, и дуалистические модели, в число которых входили Бюффон, Чемберлен-Моултон, Джинс, Джеффрис и Шмидт-Литтлтон.

Возрождение небулярной гипотезы

Бета Pictoris, вид с космического телескопа Хаббл

В 1978 году астроном Эндрю Дж. Р. Прентис возродил лапласовскую небулярную модель в своей «Современной теории Лапласа», предположив, что проблема углового момента может быть решена за счет сопротивления, создаваемого пылинками в исходном диске, которое замедляло вращение в центре. Прентис также предположил, что молодое Солнце передало некоторый угловой момент протопланетному диску и планетезималям посредством сверхзвуковых выбросов, которые, как предполагается, происходят в звездах T Тельца. Однако его утверждение о том, что такое образование будет происходить в торах или кольцах, было подвергнуто сомнению, поскольку любые такие кольца рассеялись бы перед коллапсом на планеты.

Рождение современной, широко принятой гипотезы формирования планет — Модели солнечного небулярного диска (СНДМ) можно проследить до работ советского астронома Виктора Сафронова . Его книга «Эволюция протопланетного облака и образование Земли и планет» . который был переведен на английский язык в 1972 году, оказал долгосрочное влияние на то, как ученые думали о формировании планет. В этой книге были сформулированы практически все основные проблемы процесса формирования планет, а некоторые из них решены. Идеи Сафронова получили дальнейшее развитие в работах Джорджа Уэзерилла , открывшего безудержную аккрецию. К началу 1980-х годов небулярная гипотеза в форме SNDM вернулась в моду, чему способствовали два крупных открытия в астрономии. Во-первых, было обнаружено, что несколько молодых звезд, таких как Бета Живописца , окружены дисками холодной пыли, как и предсказывалось небулярной гипотезой. Во-вторых, инфракрасный астрономический спутник , запущенный в 1983 году, заметил, что многие звезды имеют избыток инфракрасного излучения , что можно объяснить, если на их орбите вращаются диски из более холодного материала.

Нерешенные вопросы

Хотя общая картина небулярной гипотезы широко принята, многие детали недостаточно изучены и продолжают уточняться.

Уточненная небулярная модель была полностью разработана на основе наблюдений Солнечной системы, поскольку до середины 1990-х годов она была единственной, известной. Не предполагалось с полной уверенностью, что она широко применима к другим планетным системам , хотя ученые стремились проверить небулярную модель, обнаружив протопланетные диски или даже планеты вокруг других звезд. По состоянию на 30 августа 2013 г. открыта 941 внесолнечная планета. преподнесло много сюрпризов, и модель небулярной природы необходимо пересмотреть, чтобы учесть эти открытые планетные системы, или рассмотреть новые модели.

Среди открытых на сегодняшний день внесолнечных планет есть планеты размером с Юпитер или больше, но обладающие очень короткими орбитальными периодами, всего лишь несколько часов. Такие планеты должны были бы вращаться очень близко к своим звездам, настолько близко, что их атмосферы постепенно разрушались бы солнечным излучением. Нет единого мнения о том, как объяснить эти так называемые горячие Юпитеры , но одной из ведущих идей является идея планетарной миграции , похожей на процесс, который, как полагают, переместил Уран и Нептун на их нынешнюю далекую орбиту. Возможные процессы, вызывающие миграцию, включают орбитальное трение, когда протопланетный диск все еще полон водорода и гелия. и обмен угловым моментом между планетами-гигантами и частицами протопланетного диска.

Еще одна проблема — детальные характеристики планет. Гипотеза солнечной туманности предсказывает, что все планеты будут формироваться точно в плоскости эклиптики. Вместо этого орбиты классических планет имеют различные небольшие наклоны по отношению к эклиптике. Кроме того, для газовых гигантов прогнозируется, что их вращения и лунные системы не будут наклонены относительно плоскости эклиптики. Однако большинство газовых гигантов имеют значительный наклон оси относительно эклиптики: Уран имеет наклон на 98°. Луна, относительно большая по сравнению с Землей, и другие спутники, находящиеся на неправильных орбитах относительно своей планеты, являются еще одной проблемой. Сейчас считается, что эти наблюдения объясняются событиями, произошедшими после первоначального формирования Солнечной системы.

Гипотезы солнечной эволюции

Попытки изолировать физический источник солнечной энергии и таким образом определить, когда и как она может в конечном итоге иссякнуть, начались в XIX веке.

Сокращение Кельвина – Гельмгольца

В 19 веке преобладающая научная точка зрения на источник солнечного тепла заключалась в том, что оно возникло в результате гравитационного сжатия . В 1840-х годах астрономы Дж. Р. Майер и Дж. Дж. Уотерсон впервые предположили, что огромный вес Солнца заставит его сжаться, выделяя тепло. И Герман фон Гельмгольц , и лорд Кельвин разъяснили эту идею в 1854 году, предполагая, что тепло может также производиться в результате удара метеоров о поверхность Солнца. Теории того времени предполагали, что звезды эволюционировали, двигаясь вниз по главной последовательности диаграммы Герцшпрунга -Рассела , начиная с диффузных красных сверхгигантов , затем сжимаясь и нагреваясь, превращаясь в голубые звезды главной последовательности , затем еще дальше вниз к красным карликам , прежде чем, наконец, стать холодными. , плотные черные карлики . Однако Солнце обладает достаточной гравитационной потенциальной энергией только для того, чтобы обеспечивать свою светимость с помощью этого механизма в течение примерно 30 миллионов лет — намного меньше возраста Земли. (Это время коллапса известно как шкала времени Кельвина – Гельмгольца .)

Альбертом Эйнштейном Разработка теории относительности в 1905 году привела к пониманию того, что ядерные реакции могут создавать новые элементы из более мелких предшественников с потерей энергии. В своем трактате «Звезды и атомы » Артур Эддингтон предположил, что давление и температура внутри звезд достаточно велики, чтобы ядра водорода сливались в гелий — процесс, который может производить огромное количество энергии, необходимой для питания Солнца. В 1935 году Эддингтон пошел еще дальше и предположил, что внутри звезд могут образовываться и другие элементы. Спектральные данные, собранные после 1945 года, показали, что распределение наиболее распространенных химических элементов, таких как углерод , водород, кислород , азот , неон и железо , было довольно однородным по всей галактике, что позволяет предположить, что эти элементы имеют общее происхождение. Многочисленные аномалии в пропорциях намекали на основной механизм творения. Например, свинец имеет более высокий атомный вес, чем золото , но встречается гораздо чаще; кроме того, водород и гелий (элементы 1 и 2) практически повсеместно распространены, а вот литий и бериллий (элементы 3 и 4) встречаются крайне редко.

Красные гиганты

Основная статья: Красный гигант

Хотя необычные спектры звезд красных гигантов были известны еще с XIX века, именно Георгий Гамов в 1940-х годах первым понял, что это звезды с массой примерно солнечной, у которых в ядрах закончился водород, и они прибегли к сжиганию водорода во внешних оболочках. Это позволило Мартину Шварцшильду выявить связь между красными гигантами и конечной продолжительностью жизни звезд. Сейчас понятно, что красные гиганты — это звезды на последних стадиях своего жизненного цикла.

Фред Хойл отметил, что, хотя распределение элементов было довольно равномерным, разные звезды содержали разное количество каждого элемента. По мнению Хойла, это указывало на то, что они, должно быть, возникли внутри самих звезд. Максимальное количество элементов достигло атомного номера железа — элемента, который мог образоваться только при сильном давлении и температуре. Хойл пришел к выводу, что железо, должно быть, образовалось внутри гигантских звезд. Исходя из этого, в 1945 и 1946 годах Хойл построил заключительные стадии жизненного цикла звезды. Когда звезда умирает, она разрушается под своим весом, что приводит к многослойной цепочке термоядерных реакций: углерод-12 сливается с гелием, образуя кислород-16, кислород-16 сливается с гелием, образуя неон-20, и так далее до железа. . Однако не было известного метода получения углерода-12. Изотопы бериллия, полученные в результате термоядерного синтеза, были слишком нестабильны, чтобы образовывать углерод, а образование углерода-12 для трех атомов гелия было настолько маловероятным, что это было невозможно на протяжении всей эпохи Вселенной. Однако в 1952 году физик Эд Солпитер показал, что между образованием и распадом изотопа бериллия прошло достаточно короткое время, поэтому у другого гелия был небольшой шанс образовать углерод, но только в том случае, если их совокупное количество массы и энергии было равно количеству углерод-12. Хойл, используя антропный принцип , показал, что так и должно быть, поскольку он сам был сделан из углерода и существовал. Когда наконец был определен уровень материи и энергии углерода-12, оказалось, что он находится в пределах нескольких процентов от предсказания Хойла.

Белые карлики

Основная статья: Белый карлик

Первый обнаруженный белый карлик находился в тройной звездной системе 40 Эридана , которая содержит относительно яркую звезду главной последовательности 40 Эридана А , вокруг которой на расстоянии вращается более близкая двойная система белого карлика 40 Эридана B и красного карлика главной последовательности 40. Эридани С. Пара 40 Эридана B/C была открыта Уильямом Гершелем 31 января 1783 года; ^{, с. 73} его снова наблюдали Фридрих Георг Вильгельм Струве в 1825 году и Отто Вильгельм фон Струве в 1851 году. В 1910 году Генри Норрис Рассел , Эдвард Чарльз Пикеринг и Уильямина Флеминг обнаружили, что, несмотря на то, что 40 Эридана B была тусклой звездой, она принадлежала к спектральному классу А, или белой.

Вскоре после открытия выяснилось, что белые карлики чрезвычайно плотные. Если звезда находится в двойной системе, как в случае Сириуса B и 40 Эридана B, ее массу можно оценить по наблюдениям за орбитой двойной системы. Это было сделано для Сириуса Б к 1910 году. что дает оценку массы 0,94 M _☉ (более современная оценка - 1,00 M _☉ ). Поскольку более горячие тела излучают больше, чем более холодные, поверхностную яркость звезды можно оценить по эффективной температуре поверхности и, следовательно, по ее спектру . Если известно расстояние до звезды, можно также оценить ее общую светимость. Сравнение двух цифр дает радиус звезды. Рассуждения такого рода привели к пониманию, озадачившему тогдашних астрономов, что Сириус B и 40 Эридана B должны быть очень плотными. Например, когда Эрнст Эпик оценил плотность некоторых визуальных двойных звезд в 1916 году, он обнаружил, что плотность 40 Эридана B более чем в 25 000 раз превышает плотность Солнца, что было настолько высоко, что он назвал это «невозможным».

Такие плотности возможны потому, что вещество белых карликов не состоит из атомов, связанных химическими связями , а скорее состоит из плазмы несвязанных ядер и электронов . Поэтому нет никаких препятствий для размещения ядер ближе друг к другу, чем обычно позволяют электронные орбитали — области, занятые электронами, связанными с атомом. Эддингтон, однако, задавался вопросом, что произойдет, когда эта плазма остынет и энергия, поддерживающая ионизацию атомов, больше не будет присутствовать. Этот парадокс был разрешен Р.Х. Фаулером в 1926 году с помощью недавно разработанной квантовой механики . Поскольку электроны подчиняются принципу запрета Паули , никакие два электрона не могут занимать одно и то же состояние , и они должны подчиняться статистике Ферми-Дирака , также введенной в 1926 году для определения статистического распределения частиц, удовлетворяющего принципу запрета Паули. Следовательно, при нулевой температуре электроны не могут все занимать состояние с наименьшей энергией или основное состояние; некоторые из них должны были занять состояния с более высокой энергией, образуя полосу состояний с самой низкой доступной энергией — море Ферми . Такое состояние электронов, называемое вырожденным , означало, что белый карлик мог охлаждаться до нулевой температуры и при этом обладать высокой энергией.

Планетарные туманности

Основная статья: Планетарная туманность

Планетарные туманности обычно представляют собой слабые объекты, и ни один из них не виден невооруженным глазом . Первой обнаруженной планетарной туманностью была туманность Гантель в созвездии Лисички , которую наблюдал Шарль Мессье в 1764 году и занес в его каталог туманных объектов как М27. Ранним наблюдателям с телескопами низкого разрешения М27 и впоследствии открытые планетарные туманности чем-то напоминали газовых гигантов, и Уильям Гершель , первооткрыватель Урана , в конце концов придумал для них термин «планетарная туманность», хотя, как мы теперь знаем, они сильно отличается от планет.

Центральные звезды планетарных туманностей очень горячие. Однако их светимость очень мала, а это означает, что они должны быть очень маленькими. Звезда может коллапсировать до таких малых размеров только после того, как исчерпает все свое ядерное топливо, поэтому планетарные туманности стали понимать как заключительную стадию звездной эволюции. Спектроскопические наблюдения показывают, что все планетарные туманности расширяются, и поэтому возникла идея, что планетарные туманности возникли из-за того, что внешние слои звезды были выброшены в космос в конце ее жизни.

Гипотезы лунного происхождения

Основная статья: Геология Луны § Формирование

Джордж Дарвин

На протяжении веков было выдвинуто множество научных гипотез относительно происхождения Луны. Одной из первых была так называемая модель бинарной аккреции , которая пришла к выводу, что Луна образовалась из материала, находившегося на орбите вокруг Земли, оставшегося после ее формирования. Другая, модель деления , была разработана Джорджем Дарвином (сыном Чарльза Дарвина ), который отметил, что, как Луна постепенно удаляется от Земли со скоростью около 4 см в год, так в один момент в далеком прошлом он, должно быть, был частью Земли, но был выброшен наружу под действием импульса тогдашнего гораздо более быстрого вращения Земли. Эта гипотеза также подтверждается тем фактом, что плотность Луны, хотя и меньше плотности Земли, примерно равна плотности каменистой мантии Земли , что позволяет предположить, что, в отличие от Земли, у нее нет плотного железного ядра. Третья гипотеза, известная как модель захвата , предполагала, что Луна была независимо вращающимся телом, которое было захвачено на орбиту гравитацией Земли.

Миссии Аполлона

Все существующие гипотезы были опровергнуты лунными миссиями Аполлона в конце 1960-х и начале 1970-х годов, которые представили поток новых научных данных, особенно касающихся состава, возраста и истории Луны. Эти доказательства противоречат многим предсказаниям, сделанным этими более ранними моделями. В камнях, доставленных с Луны, было отмечено заметное уменьшение количества воды по сравнению с камнями в других частях Солнечной системы, а также свидетельство существования океана магмы в начале ее истории, что указывает на то, что его формирование, должно быть, произвело большое количество энергии. кислорода Кроме того, изотопы в лунных породах продемонстрировали заметное сходство с изотопами на Земле, что позволяет предположить, что они образовались в аналогичном месте солнечной туманности. Модель захвата не может объяснить сходство этих изотопов (если бы Луна возникла в другой части Солнечной системы, эти изотопы были бы разными), а модель совместной аккреции не может адекватно объяснить потерю воды (если бы Луна сформирована аналогично Земле, количество воды, заключенной в ее минеральной структуре, также будет примерно таким же). И наоборот, модель деления, хотя и может объяснить сходство химического состава и отсутствие железа на Луне, не может адекватно объяснить ее высокий наклон орбиты и, в частности, большое количество углового момента в системе Земля-Луна. больше, чем любая другая пара планета-спутник в Солнечной системе.

Гипотеза гигантского удара

Основная статья: Гипотеза гигантского удара

В течение многих лет после Аполлона модель бинарной аккреции считалась лучшей гипотезой для объяснения происхождения Луны, хотя было известно, что она ошибочна. Затем на конференции в Коне, Гавайи, в 1984 году была составлена ​​компромиссная модель, учитывающая все наблюдаемые несоответствия. Первоначально сформулированная двумя независимыми исследовательскими группами в 1976 году, модель гигантского удара предполагала, что массивный планетарный объект размером с Марс столкнулся с Землей в начале ее истории. В результате удара земная кора расплавилась бы, а тяжелое ядро ​​другой планеты погрузилось бы внутрь и слилось бы с земным. Перегретый пар, образовавшийся в результате удара, должен был подняться на орбиту вокруг планеты и слиться с Луной. Это объясняло нехватку воды, поскольку облако пара было слишком горячим, чтобы вода могла конденсироваться; сходство состава, поскольку Луна образовалась из части Земли; меньшая плотность, поскольку Луна образовалась из земной коры и мантии, а не из ее ядра; и необычная орбита Луны, поскольку косой удар придал бы системе Земля-Луна огромный угловой момент.

Нерешенные вопросы

Модель гигантского удара подверглась критике за то, что она слишком объяснима, поскольку ее можно расширить для объяснения любых будущих открытий и, как таковую, нельзя фальсифицировать. Многие также утверждают, что большая часть материала из ударника оказалась бы на Луне, а это означает, что уровни изотопов были бы другими, но это не так. Кроме того, в то время как некоторые летучие соединения, такие как вода, отсутствуют в лунной коре, многие другие, такие как марганец , отсутствуют.

Другие естественные спутники

Хотя модели совместной аккреции и захвата в настоящее время не принимаются в качестве достоверного объяснения существования Луны, они использовались для объяснения образования других естественных спутников в Солнечной системе. образовались Юпитера Считается, что галилеевы спутники в результате совместной аккреции. Солнечной системы в то время как все спутники неправильной формы , такие как Тритон , как полагают, были захвачены.