§1. Теоретическое введение.
Физическая составляющая вопроса.
Некоторую теорию, которая появляется в качестве попытки объяснить какое-то явление, можно назвать достойной, если она, во-первых, дает исчерпывающее объяснение происходящему, во-вторых, не противоречит уже известным и признанным теориям, а в-третьих, дает предсказания, которые в дальнейшем можно подтвердить экспериментально. К сожалению, исторически сложилось, что большинство теорий происхождения Солнечной системой обладали недостатками, но прежде, чем перейти к их детальному рассмотрению, необходимо разобраться с терминологией.
В этой статье пойдет речь о телах и системах, которые тем или иным образом вращаются вокруг некоторого центра. На любое вращающееся тело будет действовать так называемая центробежная сила инерции. Строго говоря, никакой силы нет, ведь сила обусловлена действием одного тела на другое. В данном случае подразумевается, что существуют спонтанные ускорения, которые вызваны неинерциальностью рассматриваемой системы отсчёта.
Когда тело сжимается (например, из-за гравитации), центробежная сила будет расти быстрее, чем сила тяжести, отсюда возникает ротационная неустойчивость, из-за чего тело сплющивается (об этом речь пойдет далее). Теперь введём понятие «количество движения» (или «импульс») тела как произведение массы этого тела на его скорость в данный момент времени:
Если мы говорим о вращении тела, то приходится иметь дело со своего рода аналогом понятия «импульс» для прямолинейного движения – моментом импульса.
Моментом импульса тела относительно некоторой точки называется векторное произведение импульса этого тела на радиус-вектор:
где радиус-вектор – вектор, проведенный от центра вращения к рассматриваемой точке.
То есть момент импульс хорошо себя проявляет, когда речь идёт о некотором вращающемся теле. Для момента импульса справедлив важный закон классической механики, закон сохранения момента количества движения:
Суммарный момент импульса замкнутой системы тел остается постоянным, пока на систему не действуют внешние силы.
В действительности этот закон является лишь следствием достаточно очевидного свойства пространства: представьте, что вы проводите эксперимент в некоторой системе отсчёта, например, подбрасываете мяч, смешиваете две жидкости, либо любой другой опыт. После проведения эксперимента вы поворачиваете свою систему отсчёта (допустим, это была какая-то комната) относительно некоторой оси, а затем повторяете эксперимент с тем же мячом, либо с теми же жидкостями в тех же соотношениях. Природа нашей Вселенной такова, что результат вашего нового эксперимента никак не будет отличаться от результата старого. Мяч упадет с такой же высоты за такое же время, жидкости, смешавшись, создадут такое же вещество, что и в старом опыте. Такое свойство Вселенной называется изотропностью. Закон сохранения момента импульса – это такое же проявление изотропности, как мокрый асфальт – проявление недавно прошедшего дождя. Однако этот закон сыграл важную роль в становлении и развитии теории о возникновении нашей Солнечной системы.
Несколько слов про звёздную жизнь.
Любая звезда представляет из себя огромный (или чрезвычайно огромный) газовый шар, в котором происходят термоядерные реакции: превращение водорода в гелий. Это означает, что звёзды, включая Солнце, состоят в основном из этих двух веществ. Однако зачастую температура в звезде позволяет продолжиться реакциям «превращений», а значит у гелия в звезде есть возможность стать более тяжёлым веществом, затем ещё и ещё… Цепочка «превращений» в таких звёздах всегда прерывается до железа и никеля (более тяжёлые элементы возникают сугубо в процессе вспышки сверхновой). Возможно также возникновение химических летучих соединений (так в составе молодого Солнца можно было обнаружить метан, аммиак и др.). Когда в звезде заканчивается водород, она начинает умирать. Если звезде «не повезло» и она взорвалась (сценарий «невезения» может быть различным: либо ядро было настолько тяжёлым, что коллапсировало, либо это звезда была самой крупной в некоторой звёздной системе и «съела» свою соседку), то вещество, которое содержалось в этой звезде, улетит прочь от неё и будет иметь шанс снова стать частью жизни другого, нового светила, при этом образуются атомные ядра тяжелее железа. Тот факт, что в нашей Солнечной системе содержатся вещества тяжелее железа, означает, что Солнце – поздняя и юная (относительно Вселенной) звезда в нашей галактике.
§2. На стыке философии и математики. Гипотеза Канта – Лапласа.
Первым человеком, создавшим серьёзную и обоснованную (насколько это было возможно) теорию о возникновении Солнечной системы был Иммануил Кант. Спустя несколько десятилетий французский математик Пьер-Симон Лаплас пришёл к схожим выводам, что и Кант, независимо от него, поэтому первая гипотеза возникновения Солнечной системы называется гипотезой Канта — Лапласа.
Иммануил Кант предполагал, что Солнечная система возникла из холодной пылевой туманности (Лаплас же говорил о горячем газовом облаке). Исходя из их гипотезы, эта туманность очень быстро вращалась (из-за закона сохранения момента импульса), в ней возникали центробежные силы инерции, вследствие чего отделялись кольца, которые затем конденсировались в планеты и другие тела.
Но у этой теории есть существенный недостаток. Дело в том, что если, опять-таки, рассматривать момент количества движения Солнечной системы, то станет ясно, что 98% от общего момента принадлежит планетам (речь идёт о сумме моментов вращения планет вокруг Солнца и вокруг своей оси) и только 2% — Солнцу (да, само Солнце тоже вращается вокруг общего с планетами центра масс, который находится практически в самом центре звезды). Если предположить, что от большого облака действительно отделялись кольца, то гипотеза К-Л никаким образом не объясняет механизм «передачи» момента импульса от основного куска туманности к кольцам. Тем не менее, современная космогония (раздел астрономии, изучающий происхождения небесных тел) по прошествии почти 300 лет вернулась к основным идеям этой теории, но об этом речь пойдет ниже.
§3. Вероятность и статистика в астрономии. Гипотеза Джинса.
На смену гипотезе К-Л пришла гораздо более романтичная, но куда менее правдоподобная теория физика Джеймса Джинса. По его мнению, планетная система Солнца сформировалась в результате прохождения мимо другой звезды настолько близко, что та «вырвала» из Солнца некоторое количество газа. Спустя время этот газ конденсировался и образовал планеты.
Несостоятельность теории вытекает из того факта, что количество планетных систем, которые мы можем наблюдать, гораздо больше, чем количество вероятных близких прохождений звёзд друг относительно друга. Помимо этого, расчёт показывают, что вещество такой струи рассеется в пространстве, а не сконденсируется. Наконец, кроме прочего, эта гипотеза также не объясняет распределение момента импульса в Солнечной системе. Поэтому для современных астрономов интерес представляет не столько теория Джинса, сколько её модификация, развитая в XX веке. Она утверждает, что планеты образовались из газовой струи, но не Солнца, а некоторого «рыхлого» объекта (протозвезды), который в какой-то момент проходил мимо нашего Солнца. Различные сгустки газа, отделенные от протозвезды, становились на различные орбиты, конденсировались и образовывали планеты. Эта модификация очень хорошо объясняет появление у планет спутников (несимметричность протопланет и действие приливных сил со стороны Солнца).
§4. Современная космогония.
В дальнейшем физики и астрономы всего мира, по сути, пытались сделать апгрейд двух основных гипотез, описанных выше. В частности, шведским физиком Ханнесом Альвеном было разработано предположение о силовых линиях магнитного поля Протосолнца, которые являлись «передатчиком» момента импульса, с которым всё это время было так много проблем. Стоит сделать оговорку, что даже по сей день эволюция Солнца (особенно ранние этапы) не изучена досконально, тем не менее, сейчас наука способна описать возникновение Солнечной системы достаточно подробно, поэтапно, и современное описание выглядит следующим образом:
- Облако межзвёздного вещества уплотняется, из огромного молекулярного сгустка возникает протосолнечная туманность, которая постепенно начнёт сжиматься под действием гравитационных сил. Начинается процесс аккреции (процесс падения вещества из окружающей среды на тяжёлое ядро).
- Одновременно с Протосолнцем из-за ротационной неустойчивости (вещество сплющивается, становится дискообразным), возникает протопланетная туманность, которая растёт благодаря аккреции. Газ охлаждается, образуются твёрдые частицы пыли. В центральной плоскости протопланетной туманности образуется пылевой диск.
- При достижении критической плотности (в несколько десятков раз больше плотности окружающего газа) протопланетная туманность становится неустойчивой, различные флуктуации заставляют её распасться на отдельные сгустки. Львиная доля момента импульса передается диску будущих планет благодаря магнитному полю Протосолнца.
- Протосолнце продолжает гравитационно сжиматься, в то время как частички пыли в протопланетной туманности сталкиваются друг с другом, образуя всё более крупные частицы (как в игре SPORE), тем самым образом выращиваются будущие твёрдые тела Солнечной системы.
- Окончательное формирование Солнца (начало термоядерных реакций), планет, а также других тел, оставшихся от эпохи формирования – астроиды и кометы.
§6. Послесловие. Экзопланеты и вопросы, которые остались без ответов.
Поиск экзопланет, то есть планет в другой звёздной системе – одна из самых важных задач современной астрономии. Это даже не связано с надеждой нахождения жизни вне Земли; планеты вблизи звёзд, похожих на Солнце – непосредственный источник информации об эволюции нашей системы. Более того, поскольку временные интервалы между сколькими-нибудь значимыми событиями во Вселенной несопоставимо большие в сравнении с жизнью человека, изучение других систем – единственный достоверный способ прогнозирования того, что будет с нами в дальнейшем (речь идёт, разумеется, не об астрологии, а о судьбе планет земной группы в то время, когда Солнце начнёт стареть и умирать).
Вопросов, на которые нужно дать ответ, всё ещё очень много. Например, до сих пор не существует стоящего объяснения аномального вращения Венеры вокруг своей оси по часовой стрелке. Или связи между передачей вращательного момента и температурой звезды. Возможно, в будущем кто-нибудь из прочитавших эту статью юных астрономов сможет раздвинуть границы познаний человечества и разгадать некоторые загадки Вселенной.
При написании этой статьи были использованы следующие источники:
- Э. В. Кононович, В. И. Мороз «Общий курс астрономии»;
- А. М. Черепащук «Вселенная, жизнь, чёрные дыры»;
- «Энциклопедия для детей: Астрономия»;
- И. С. Шкловский «Вселенная, жизнь, разум».