История образования Солнечной системы и гипотезы эволюции - History of Solar System formation and evolution hypotheses

Пьер-Симон Лаплас, один из создателей небулярной гипотезы

История научной мысли о формирование и эволюция Солнечной системы начинается с Коперниканская революция. Первое зарегистрированное использование термина «Солнечная система» датируется 1704 годом.^[1][2]

Современный взгляд

Наиболее широко распространенная теория образования планет, известная как небулярная гипотеза, утверждает, что 4,6 миллиарда лет назад Солнечная система образовалась в результате гравитационного коллапса гигантского молекулярное облако который был световых лет через. Несколько звезды, в том числе солнце, сформированный внутри схлопывающегося облака. Газ, сформировавший Солнечную систему, был немного массивнее самого Солнца. Большая часть массы собрана в центре, образуя Солнце; остальная масса расплющилась в протопланетный диск, из которых планеты и другие тела в Солнечной системе сформировались.

Гипотеза образования

Французский философ и математик Рене Декарт первым предложил модель происхождения Солнечной системы в своем Le Monde (ou Traité de lumière), которую он написал в 1632 и 1633 годах и для которой он отложил публикацию из-за инквизиции, и она была опубликована только после его смерти в 1664 году. По его мнению, Вселенная была заполнена вихрями вращающихся частиц и Солнца и планеты конденсировались из особенно большого вихря, который каким-то образом сжался, что объяснило круговое движение планет и было на правильном пути с конденсацией и сжатием. Однако это было до появления теории гравитации Ньютона, и теперь мы знаем, что материя не ведет себя подобным образом.^[3]

Художественная концепция протопланетный диск

Модель вихря 1944 г.,^[3] сформулировал немецкий физик и философ Барон Карл Фридрих фон Вайцзеккер, которая восходит к декартовой модели, включала в себя структуру вихрей, вызванных турбулентностью, в лапласовском диске туманности. В нем подходящая комбинация вращения каждого вихря по часовой стрелке и вращения всей системы против часовой стрелки может привести к тому, что отдельные элементы будут перемещаться вокруг центральной массы по кеплеровским орбитам, так что будет небольшое рассеяние энергии из-за общего движения системы, но материал будет сталкиваться с высокой относительной скоростью на межвихревых границах, и в этих областях небольшие завихрения роликовых подшипников будут сливаться, давая кольцевые уплотнения. Его много критиковали, так как турбулентность - это явление, связанное с беспорядком, и не может спонтанно создавать высокоупорядоченную структуру, требуемую гипотезой. Кроме того, он не дает решения проблема углового момента и не объясняет формирование Луны или другие базовые характеристики Солнечной системы.^[4]

Модель Вайцзеккера была модифицирована^[3] в 1948 году голландский физик-теоретик Дирк Тер Хаар отбросил регулярные водовороты и заменил их случайной турбулентностью, которая привела бы к очень толстой туманности, в которой не возникало бы гравитационной неустойчивости. Он пришел к выводу, что планеты, должно быть, образовались в результате аккреции, и объяснил разницу в составе (твердые и жидкие планеты) как результат разницы температур между внутренней и внешней областями, первая из которых более горячая, а вторая - более холодная, поэтому только огнеупоры (нелетучие вещества) ) конденсируется во внутренней области. Основная трудность состоит в том, что в этом предположении турбулентная диссипация имеет место в масштабе времени всего около тысячелетия, что не дает достаточно времени для образования планет.

Гипотеза туманностей была впервые предложена в 1734 г. Эмануэль Сведенборг^[5] и позже разработан и расширен Иммануил Кант в 1755 г. Подобная теория была независимо сформулирована Пьер-Симон Лаплас в 1796 г.^[6]

В 1749 г. Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон придумал идею, что планеты были сформированы, когда комета столкнулась с Солнцем, посылая материю, чтобы сформировать планеты. Однако Лаплас опроверг эту идею в 1796 году, показав, что любые планеты, сформированные таким образом, в конечном итоге врезаются в Солнце. Лаплас считал, что почти круглые орбиты планет были необходимым следствием их образования.^[7] Сегодня известно, что кометы слишком малы, чтобы создать Солнечную систему таким образом.^[7]

В 1755 году Иммануил Кант предположил, что туманности на самом деле могут быть регионами формирования звезд и планет. В 1796 году Лаплас уточнил, аргументируя это тем, что туманность превратилась в звезду, и при этом оставшийся материал постепенно превратился в плоский диск, который затем сформировал планеты.^[7]

Альтернативные теории

Каким бы правдоподобным это ни казалось на первый взгляд, небулярная гипотеза все еще сталкивается с препятствием. угловой момент; если бы Солнце действительно образовалось в результате коллапса такого облака, планеты должны были бы вращаться намного медленнее. Солнце, хотя и содержит почти 99,9 процента массы системы, содержит всего 1 процент ее углового момента.^[8] Это означает, что Солнце должно вращаться намного быстрее.

Приливная теория

Попытки решить проблему углового момента привели к временному отказу от небулярной гипотезы в пользу возврата к теориям «двух тел».^[7] В течение нескольких десятилетий многие астрономы предпочитали приливный или же близкое к столкновению гипотеза выдвинута Джеймс Джинс в 1917 году, когда считалось, что планеты образовались из-за приближения к Солнцу другой звезды. Этот близкий промах привел бы к удалению большого количества вещества из Солнца и другой звезды за счет их взаимного влияния. приливные силы, которые затем могли конденсироваться в планеты.^[7] Однако в 1929 году астроном Гарольд Джеффрис возразил, что такое близкое столкновение маловероятно.^[7] Возражения против гипотезы высказал и американский астроном. Генри Норрис Рассел, который показал, что у него проблемы с угловой момент для внешних планет, при этом планеты изо всех сил пытаются избежать повторного поглощения Солнцем.^[9]

Модель Чемберлина – Моултона

Форест Моултон в 1900 году также показал, что небулярная гипотеза несовместима с наблюдениями из-за углового момента. Моултон и Чемберлен в 1904 году выдвинули гипотезу планетезималей.^[10] (видеть Гипотеза планетезималей Чемберлина – Моултона ). Наряду со многими астрономами того времени они пришли к выводу, что изображения "спиральных туманностей", сделанные обсерваторией Лик, были прямым свидетельством формирования планетные системы. Оказалось, что это галактики, но дебаты Шепли-Кертиса по этому поводу все еще происходили через 16 лет. Одна из самых фундаментальных проблем в истории астрономии заключалась в различении туманностей и галактик.

Моултон и Чемберлин предположили, что звезда прошла близко к Солнцу в начале своей жизни, что вызвало 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 упала бы, часть его осталась бы на орбите. Нити остыли, превратившись в многочисленные крошечные твердые фрагменты, «планетезимали» и несколько более крупных протопланет. Эта модель получила благоприятную поддержку в течение примерно трех десятилетий, но к концу 30-х перестала пользоваться популярностью и была отвергнута в 40-х, осознав, что она несовместима с угловым моментом Юпитера, но часть его, планетезимальная аккреция, была сохранена. .^[3]

Сценарий Литтлтона

В 1937 и 1940 гг. Рэй Литтлтон постулировал, что звезда-компаньон Солнца столкнулась с проходящей звездой.^[3] Такой сценарий уже был предложен и отвергнут Генри Расселом в 1935 году (хотя, возможно, более вероятно, что Солнце родилось в открытый кластер, где звездные столкновения обычны). Литтлтон показал, что планеты земной группы слишком малы, чтобы конденсироваться сами по себе, поэтому предположил, что одна очень большая протопланета раскололась надвое из-за нестабильности вращения, образуя Юпитер и Сатурн, с соединительной нитью, из которой сформировались другие планеты. Более поздняя модель, относящаяся к 1940 и 1941 гг., Включает тройную звездную систему, двойную систему плюс Солнце, в которой двойная система сливается, а затем распадается из-за нестабильности вращения и ускользает из системы, оставляя образовавшуюся между ними нить для захвата солнце. К этой модели относятся и возражения Лаймана Спитцера.^{[требуется разъяснение ]}

Модель ленточной структуры

В 1954, 1975 и 1978 гг.^[11] Шведский астрофизик Ханнес Альфвен включены электромагнитные эффекты в уравнения движения частиц, а также объяснены распределение углового момента и различия в составе. В 1954 году он впервые предложил зонную структуру, в которой он выделил A-облако, содержащее в основном гелий, но с некоторыми примесями твердых частиц («метеорный дождь»), B-облако, в основном углеродное, C-облако, имеющее в основном водород, и D-облако, состоящее в основном из кремния и железа. Примеси в A-облаке образуют Марс и Луну (позже захваченные Землей), примеси в B-облаке коллапсируют, образуя внешние планеты, в C-облаке они конденсируются в Меркурий, Венеру, Землю, пояс астероидов, луны. Юпитера и колец Сатурна, в то время как Плутон, Тритон, внешние спутники Сатурна, спутники Урана, пояс Койпера и облако Оорта могли образоваться из D-облака.

Теория межзвездных облаков

В 1943 году советский астроном Отто Шмидт предположил, что Солнце в его нынешнем виде прошло через плотную межзвездное облако, возникающие, окутанные облаком пыли и газа, из которого в конечном итоге образовались планеты. Это решило проблему углового момента, предположив, что медленное вращение Солнца было свойственно ему, и что планеты не образовались одновременно с Солнцем.^[7] Расширения модели, вместе формирующие русскую школу, включают Гуревича и Лебединского (в 1950 году), Сафронова (в 1967, 1969 годах), Сафронова и Витязева (в 1985 году), Сафронова и Рускола (в 1994 году) и Рускола (в 1981 году). , среди прочего^[12] Однако эта гипотеза была сильно опровергнута. Виктор Сафронов которые показали, что количество времени, необходимое для образования планет из такой диффузной оболочки, намного превышает установленный возраст Солнечной системы.^[7]

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

Гипотеза Хойла

В этой модели^[3] (с 1944 г.) спутник стал новой с выброшенным материалом, захваченным Солнцем, и планетами, образовавшимися из этого материала. По версии, выпущенной годом позже, это была сверхновая звезда. В 1955 году он предложил аналогичную систему Лапласу, но с более математическими деталями в 1960 году. Она отличается от Лапласа тем, что между диском и Солнцем возникает магнитный момент, который вступает в силу немедленно, иначе будет выброшено все больше и больше материи, в результате чего в очень массивной планетной системе, сопоставимой с Солнцем. Крутящий момент вызывает магнитную связь и передает угловой момент от Солнца к диску. Напряженность магнитного поля должна быть 1 гаусс. Существование крутящего момента зависит от магнитных силовых линий, вмороженных в диск (следствие хорошо известной МГД (магнитогидродинамической) теоремы о вмороженных силовых линиях). Поскольку температура солнечной конденсации при выбросе диска не могла быть намного выше 1000 градусов К., некоторые огнеупоры должны быть твердыми, вероятно, в виде мелких частиц дыма, которые будут расти при конденсации и аккреции. Эти частицы были бы унесены диском только в том случае, если их диаметр на орбите Земли был меньше 1 метра, так что, когда диск двигался наружу, вспомогательный диск, состоящий только из огнеупоров, остается позади того места, где могли бы образоваться планеты земной группы. Модель хорошо согласуется с массой и составом планет и распределением углового момента при условии, что магнитная связь является приемлемой идеей, но не объясняется двойникованием, низкой массой Марса и Меркурия, а также поясами планетоидов. Именно Альфвен сформулировал концепцию вмороженных силовых линий магнитного поля.

Теория Койпера

Джерард Койпер (в 1944 г.)^[3] утверждал, как и Тер Хаар, что регулярные водовороты невозможны, и постулировал, что в солнечной туманности могут возникать большие гравитационные нестабильности, приводящие к образованию конденсата. В этом случае солнечная туманность может быть генетически генетически связана с Солнцем или захвачена им. Распределение плотности определило бы, что может образоваться: планетная система или звездный спутник. Предполагалось, что два типа планет связаны с пределом Роша. Не было предложено никакого объяснения медленному вращению Солнца, которое Койпер считал большой проблемой G-звезды.

Теория Уиппла

В Фред Уиппл сценарий 1948 года^[3] облако дыма диаметром около 60000 а.е. солнечная масса (M_☉ ) сжимает и производит Солнце. Он имеет незначительный угловой момент, что объясняет аналогичное свойство Солнца. Это дымовое облако захватывает меньшее по размеру с большим угловым моментом. Время коллапса для большой дымовой и газовой туманности составляет около 100 миллионов лет, и скорость сначала медленная, а на более поздних стадиях увеличивается. Планеты будут конденсироваться из небольших облаков, образовавшихся во 2-м облаке или захваченных им, орбиты будут почти круговыми, потому что аккреция уменьшит эксцентриситет из-за влияния сопротивляющейся среды, орбитальные ориентации будут аналогичными, потому что маленькое облако изначально было маленьким. и движения будут в одном направлении. Протопланеты могли нагреться до такой высокой степени, что более летучие соединения были бы потеряны, а орбитальная скорость уменьшалась с увеличением расстояния, так что планеты земной группы были затронуты сильнее. Слабые стороны этого сценария заключаются в том, что практически все окончательные закономерности вводятся как априорные предположения, и большая часть гипотез не подтверждается количественными расчетами. По этим причинам он не получил широкого распространения.

Модель Юри

Американский химик Гарольд Юри основоположники космохимии выдвинули сценарий^[3] в 1951, 1952, 1956 и 1966 годах, основываясь в основном на метеоритах и ​​используя уравнения устойчивости Чандрасекара, и получили распределение плотности в газовом и пылевом диске, окружающем примитивное Солнце. Чтобы летучие элементы, такие как ртуть, могли удерживаться планетами земной группы, он постулировал наличие умеренно толстого газового и пылевого гало, защищающего планеты от Солнца. Чтобы сформировать алмазы, чистые кристаллы углерода, объекты размером с Луну, газовые сферы, которые стали гравитационно нестабильными, должны были сформироваться в диске, а газ и пыль рассеялись на более поздней стадии. Давление упало, поскольку газ был утерян, и алмазы превратились в графит, в то время как газ стал освещаться Солнцем. В этих условиях будет присутствовать значительная ионизация, и газ будет ускоряться магнитными полями, следовательно, угловой момент может передаваться от Солнца. Он предположил, что эти тела размером с луну были разрушены столкновениями, при этом газ рассеялся, оставив после себя твердые частицы, собранные в ядре, в результате чего более мелкие фрагменты были вытолкнуты далеко в космос, а более крупные фрагменты остались позади и срослись в планеты. Он предположил, что Луна была именно таким уцелевшим ядром.

Теория протопланет

В 1960, 1963 и 1978 годах^[13] У. Х. МакКри предложил теория протопланет, в котором Солнце и планеты по отдельности слились из материи в одном облаке, а более мелкие планеты позже были захвачены большей гравитацией Солнца.^[7] Он включает деление в протопланетной туманности, и солнечной туманности нет. Скопления флокул (которые, как предполагается, составляют сверхзвуковую турбулентность, возникающую в межзвездном материале, из которого рождаются звезды) сформировали Солнце и протопланеты, а последние разделились, образуя планеты. Две части не могут оставаться гравитационно связанными друг с другом, имеют отношение масс не менее 8 к 1, и для внутренних планет они уходят на независимые орбиты, в то время как для внешних планет одна из частей выходит за пределы Солнечной системы. Внутренними протопланетами были Венера-Меркурий и Земля-Марс. Спутники больших планет образовались из «капель» на перешейке, соединяющей две части разделяющейся протопланеты, и эти капли могут составлять часть астероидов. У планет земной группы не будет больших лун, что не учитывает Луну. Он предсказывает некоторые наблюдения, такие как схожая угловая скорость Марса и Земли с одинаковыми периодами вращения и осевыми наклонами. На этой схеме 6 основных планет: 2 земные, Венера и Земля, 2 большие, Юпитер и Сатурн, и 2 внешние, Уран и Нептун; и 3 меньшие планеты: Меркурий, Марс и Плутон.

Эта теория имеет ряд проблем, таких как объяснение того факта, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении с относительно низким эксцентриситетом, что казалось бы маловероятным, если бы каждая из них была захвачена по отдельности.^[7]

Гипотеза Кэмерона

У американского астронома Аластер Г. В. Кэмерон гипотеза (с 1962 по 1963 гг.),^[3] Протосолнце имеет массу примерно 1-2 Солнца с диаметром около 100 000 а.е., гравитационно нестабильно, коллапсирует и распадается на более мелкие субъединицы. Магнитное поле составляет порядка 1/100 000 гаусс. Во время коллапса магнитные силовые линии закручиваются. Коллапс происходит быстро и происходит за счет диссоциации молекул H с последующей ионизацией H и двойной ионизацией He. Угловой момент приводит к вращательной нестабильности, которая создает диск Лапласа. На этом этапе излучение удалит избыточную энергию, и диск будет достаточно холодным за относительно короткий период (около 1 млн лет), и произойдет конденсация в то, что Уиппл называет кометизмом. Их совокупность создает планеты-гиганты, которые, в свою очередь, образуют диски во время своего образования, из которых эволюционируют в лунные системы. Образование планет земной группы, комет и астероидов включало распад, нагревание, плавление, затвердевание и т. Д. Он также сформулировал гипотеза гигантского удара для происхождения Луны.

Теория захвата

В теория захвата, предложено Майкл Марк Вулфсон в 1964 году утверждает, что Солнечная система образовалась из приливный взаимодействие между Солнцем и малоплотным протозвезда. Гравитация Солнца могла бы привлечь материал из диффузной атмосферы протозвезды, которая затем схлопнулась бы, образуя планеты.^[14] Однако теория захвата предсказывает для Солнца другой возраст, чем для планет,^{[нужна цитата ]} тогда как одинаковый возраст Солнца и остальной части Солнечной системы указывает на то, что они сформировались примерно в одно и то же время.^[15]

Поскольку захваченные планеты изначально имели эксцентрические орбиты, Дорман и Вулфсон в 1974 и 1977 годах и Вулфсон^[16] предполагал возможность столкновения. Нить накала выбрасывается проходящей протозвездой, которая захватывается Солнцем, и из него формируются планеты. В нем было 6 исходных планет, соответствующих 6 точечным массам в нити, с планетами "Enyo " и "Беллона ", два самых внутренних, сталкивающихся. Беллона и Эню, несмотря на то, что они земные, оба более массивны, чем Юпитер, и их столкновение на короткое время вызывает дейтерий-дейтерий цепные реакции, разрушающие обе планеты. Осадки из недр Эньо образуют Венеру, а осадки из недр Беллоны образуют Землю.^[17] В пересмотренной модели столкновения Эню, масса которого теперь всего в два раза больше Нептуна, выбрасывается из Солнечной системы, в то время как Беллона, масса которого сейчас оценивается всего в треть массы Урана, разделяется на две части, образуя Землю и Венера. Марс, Луна, Плутон, Хаумеа, Makemake, Эрис, и V774104 бывшие луны Эню. Меркурий - это либо фрагмент Беллоны, либо сбежавший спутник Эню. Столкновение Эньо-Беллона также сформировало пояс астероидов, пояс Койпера, облако Оорта и кометы. Плутон прошел близко к спутнику Нептуна Тритону, заставив его перейти на ретроградную орбиту.^[18]

T.J.J. Си был американским астрономом и капитаном ВМФ, который одно время работал под руководством Эллери Хейла в обсерватории Лоуэлла. У него был культ, в основном из-за его многочисленных (около 60) статей в Популярная астрономия но и в Astronomische Nachrichte (Astronomical News) (в основном на английском языке). Находясь на острове Маре USNO, Cal. станции, он разработал модель, которую он назвал теорией захвата, опубликованной в 1910 году в его «Исследованиях эволюции звездных систем: т. 2. Теория захвата космической эволюции, основанная на динамических принципах и проиллюстрированная явлениями, наблюдаемыми в спиральные туманности, планетная система, двойные и кратные звезды и скопления и звездные облака Млечного Пути », в котором предполагалось, что планеты образовались во внешней Солнечной системе и были захвачены Солнцем; таким образом образовались луны и были захвачены планетами. Это вызвало вражду с Форестом Моултоном, который разработал гипотезу планетезималей. Предварительный просмотр был представлен в 1909 году на собрании ASP (Тихоокеанского астрономического общества) в обсерватории Шабо в Окленде, штат Калифорния, и заголовки газет кричали: «Бумага профессора Зее вызывает сенсацию» (звонок в Сан-Франциско) и «Ученые в Фурора над туманностями »(San Francisco Examiner). Наши текущие знания динамики делают захват маловероятным, поскольку для этого требуются особые условия.^[10]

Солнечное деление

Швейцарский астроном Луи Жако (в 1951, 1962, 1981 гг.),^[19] подобно Вайсакеру и Тер Хаару, продолжили декартову идею вихрей, но предложили иерархию вихрей или вихрей внутри вихрей, то есть вихря лунной системы, вихря Солнечной системы и галактического вихря. Он выдвинул идею, что планетные орбиты являются спиралями, а не кругами или эллипсами. Жако также предложил расширение галактик (звезды удаляются от центра) и что луны удаляются от своих планет.

Он также утверждал, что планеты по одной изгоняются из Солнца, в частности, из-за экваториальной выпуклости, вызванной вращением, и что один из них разрушился в этом изгнании, оставив пояс астероидов. Пояс Койпера в то время был неизвестен, но, по-видимому, он тоже был результатом такого же разрушения. Луны, как и планеты, возникли в результате экваториального изгнания, но, конечно же, с их родительских планет, с некоторым разрушением и выходом из колец, и Земля должна в конечном итоге изгнать еще одну луну.

В этой модели у планет было 4 фазы: без вращения и сохранение той же стороны к Солнцу, «как Меркурий сейчас» (мы знали, конечно, с 1965 года, что это не так), очень медленные, ускоренные. и, наконец, суточная ротация.

Он объяснил различия между внутренними и внешними планетами и внутренними и внешними лунами посредством поведения вихрей. Эксцентрическая орбита Меркурия объяснялась его недавним изгнанием с Солнца, а медленное вращение Венеры - тем, что он находится в «фазе медленного вращения», будучи изгнанным предпоследним.

В Том Ван Фландерн модель^{[20][21][22][23]} был впервые предложен в 1993 году в первом издании его книги. В пересмотренной версии 1999 года и позже в исходной Солнечной системе было 6 пар планет-близнецов, каждая из которых отделилась от экваториальных выступов вращающегося Солнца (центробежные силы, направленные наружу, превышают силу внутренней гравитации) в разное время, поэтому имея разные температуры, размеры, и составы, а затем сконденсировались с рассеиванием диска туманности примерно через 100 миллионов лет, когда взорвались 6 планет. Четыре из них были жидкими и нестабильными (планеты класса гелия) с преобладанием гелия. Это были V (Малдек)^[24] (V означает 5-ю планету, первые 4 из которых включают Меркурий и Марс), K (Криптон), T (транснептуновая) и Планета X. В этих случаях меньшие луны взрывались из-за приливных напряжений, покинувших 4-х компонентные пояса Земли. 2 основные планетоидные зоны. Планета LHB-A, взрыв которой предположительно вызвал Поздняя тяжелая бомбардировка (около 4 эонов назад), была двойником Юпитера, а LHB-B, взрыв которой, как предполагается, вызвал еще одну LHB, был двойником Сатурна. На планетах LHB-A, Юпитере, LHB-B и Сатурне, являющихся гигантскими планетами-гигантами, внутренний и меньший партнер в каждой паре подвергался огромным приливным напряжениям, вызывая его взрыв. Взрывы произошли до того, как они смогли отщепиться от лун. Поскольку 6 были жидкими, они не оставили следов. Твердые планеты делятся только от одной луны, а Меркурий был луной Венеры, но ушел из-за гравитационного влияния Солнца. Марс был луной Малдека.

Один из основных аргументов против взрыва планет и лун состоит в том, что не будет источника энергии, достаточно мощного, чтобы вызвать такие взрывы.

Модель Херндона

В Дж. Марвин Херндон модель,^[25]внутренние (с большим ядром) планеты образуются путем конденсации и истечения дождя из гигантских газообразных протопланет при высоких давлениях и температурах. Полная конденсация Земли включала c. 300 газ / ледяная оболочка земной массы, которая сжала скалистое ядро ​​примерно до 66% нынешнего диаметра Земли (Юпитер соответствует примерно 300 массам Земли, что составляет около 2000 триллионов триллионов кг; Земля составляет около 6 триллионов триллионов кг). Т Тельца (см. Звезды типа Т Тельца ) извержения Солнца уносят газы с внутренних планет. Меркурий был не полностью конденсирован, и часть его газов была удалена и перенесена в регион между Марсом и Юпитером, где он слился с падающим окисленным конденсатом из внешних пределов Солнечной системы и сформировал исходный материал для обычных хондритовых метеоритов. астероиды Главного пояса и облицовка внутренних планет, особенно Марса. Различия между внутренними планетами в первую очередь являются следствием разной степени протопланетного сжатия. Существует два типа реакции на увеличение планетарного объема, вызванное декомпрессией: трещины, которые образуются для увеличения площади поверхности, и складки, образующие горные хребты, чтобы приспособиться к изменениям кривизны.

Эта теория планетарного образования представляет собой расширение модели динамики декомпрессии всей Земли (WEDD),^[26]который включает в себя естественные реакторы ядерного деления в ядрах планет; Херндон развивает, разъясняет и разъясняет его в 11 статьях в Текущая наука 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 ее раннего образования как юпитероподобного гигант.

В 1944 году немецкий химик и физик Арнольд Ойкен рассмотрели термодинамику конденсации и истощения Земли внутри гигантской протопланеты при давлениях 100–1000 атм. В 1950-х и начале 1960-х годов происходило обсуждение формирования планет при таких давлениях, но модель низкого давления Кэмерона 1963 года (около 4–10 атм.) В значительной степени вытеснила эту идею.

Классификация теорий

В 1931 году Джинс разделила различные модели на 2 группы: те, в которых материал для формирования планет исходит от Солнца, и те, в которых его нет и которые могут быть параллельными или последовательными.^[27]

Уильям МакКри в 1963 году разделил их также на 2 группы: те, которые связывают образование планет с образованием Солнца, и те, где это не зависит от образования Солнца, где планеты образуются после того, как Солнце становится нормальным. звезда.^[27]

Тер Хаар и Кэмерон^[28] провел различие между теориями, которые рассматривают замкнутую систему, которая является развитием Солнца, и, возможно, солнечной оболочкой, которая начинается с протосолнца, а не с самого Солнца, и утверждает, что Бело называет эти теории монистическими; и те, которые рассматривают открытую систему, где происходит взаимодействие между Солнцем и некоторым инородным телом, которое, как предполагается, было первым шагом в развитии, ведущем к планетной системе, и заявляют, что Бело называет эти теории дуалистическими.

Классификация Эрве Ривза^[29] также классифицирует их как генетически совместимые с Солнцем или нет, но также как образованные из измененного или неизмененного звездного / межзвездного материала. Он также выделяет 4 группы: 1) модели, основанные на солнечной туманности, созданные Сведенборгом, Кантом и Лапласом в 1700-х годах; 2) те, которые предлагают облако, захваченное из межзвездного пространства, основными сторонниками которого являются Альфвен и Густав Аррениус (в 1978 г.), а также Альфвен и Аррениус; 3) бинарные гипотезы, которые предполагают, что сестра-звезда каким-то образом распалась, и часть ее рассеивающегося материала была захвачена Солнцем; главным предположением был Литтлтон в 40-х годах; 4) и идеи близкого приближения Джинса, Джеффриса, Вулфсона и Дорманда.

У Вильямса и Кремина^[27] это следующие категории: (1) модели, которые рассматривают происхождение и формирование планет как существенно связанные с Солнцем, при этом 2 процесса формирования происходят одновременно или последовательно, (2) модели, которые рассматривают формирование планет как независимое от процесс формирования Солнца, планеты, образующиеся после того, как Солнце становится нормальной звездой; у этого есть 2 подкатегории: а) где материал для образования планет извлекается либо из Солнца, либо из другой звезды, б) где материал получается из межзвездного пространства. Они приходят к выводу, что лучшими моделями являются магнитная муфта Хойла и флокулы МакКри.

Вулфсон^[30] признал 1) монистический, который включал Лапласа, Декарта, Канта и Вайзакера, и 2) дуалистический, который включал Леклерка (граф де Бюффон), Чемберлена-Моултона, Джинса, Джеффриса и Шмидта-Литтлтона.

Возрождение небулярной гипотезы

Бета-Живописец замечен космическим телескопом Хаббла

В 1978 году астроном А. Дж. Р. Прентис возродил лапласовскую модель туманности в своей современной лапласианской теории, предположив, что проблема углового момента может быть решена за счет сопротивления, создаваемого пылинками в исходном диске, которые замедляли вращение в центре.^[7][31] Прентис также предположил, что молодое Солнце передало некоторый угловой момент протопланетному диску и планетезимали через сверхзвуковые выбросы, которые, как предполагается, происходят в Звезды Т Тельца.^[7][32] Однако его утверждение, что такое образование произойдет в торы или кольца были подвергнуты сомнению, так как любые такие кольца рассредоточились бы, прежде чем коллапсировать на планеты.^[7]

Рождение современной общепринятой теории формирования планет - модели диска солнечной туманности (SNDM) - можно отнести к работам советского астронома. Виктор Сафронов.^[33] Его книга Эволюция протопланетного облака и формирование Земли и планет,^[34] который был переведен на английский язык в 1972 году, оказал долгосрочное влияние на то, как ученые думали о формировании планет.^[35] В этой книге сформулированы практически все основные проблемы процесса планетарного образования и некоторые из них решены. Идеи Сафронова получили дальнейшее развитие в работах Джордж Уэзерилл, кто открыл убегающая аккреция.^[7] К началу 1980-х годов гипотеза туманностей в форме SNDM вернула себе популярность благодаря двум крупным открытиям в астрономии. Во-первых, ряд явно молодых звезд, таких как Beta Pictoris, как и предсказывала небулярная гипотеза, были окружены дисками холодной пыли. Во-вторых, Инфракрасный астрономический спутник, запущенная в 1983 г., обнаружила, что многие звезды имеют избыток инфракрасного излучения это можно было бы объяснить, если бы они вращались вокруг дисков из более холодного материала.

Нерешенные вопросы

Хотя общая картина гипотезы туманностей широко распространена,^[36] многие детали не совсем понятны и продолжают уточняться.

Уточненная модель туманности была разработана полностью на основе наблюдений за Солнечной системой, потому что она была единственной известной до середины 1990-х годов. С уверенностью не предполагалось, что он будет широко применим к другим планетные системы, хотя ученые очень хотели проверить модель туманности, обнаружив протопланетные диски или даже планеты вокруг других звезд.^[37] По состоянию на 30 августа 2013 г. открытие 941 внесолнечные планеты^[38] преподнесла много сюрпризов, и модель туманности должна быть пересмотрена, чтобы учесть эти открытые планетные системы или новые рассматриваемые модели.

Среди внесолнечных планет, открытых на сегодняшний день, есть планеты размером с Юпитер или больше, но с очень короткими периодами обращения всего в несколько часов. Такие планеты должны будут вращаться очень близко к своим звездам; так близко, что их атмосферы постепенно исчезнут из-за солнечного излучения.^[39][40] Нет единого мнения о том, как объяснить эти так называемые горячие юпитеры, но одна из главных идей - идея планетарная миграция, похожий на процесс, который, как считается, переместил Уран и Нептун на их текущую далекую орбиту. Возможные процессы, вызывающие миграцию, включают орбитальное трение, в то время как протопланетный диск все еще полон водорода и газообразного гелия.^[41]и обмен угловым моментом между планетами-гигантами и частицами протопланетного диска.^[42][43][44]

Еще одна проблема - подробные характеристики планет. Гипотеза солнечной туманности предсказывает, что все планеты будут формироваться точно в плоскости эклиптики. Вместо этого орбиты классические планеты имеют различные (но небольшие) наклоны по отношению к эклиптике. Кроме того, для газовых гигантов предсказано, что их вращения и лунные системы также не будут наклонены относительно плоскости эклиптики. Однако у большинства газовых гигантов есть существенные наклоны оси по отношению к эклиптике, с Уран с наклоном 98 °.^[45] В Луна быть относительно большими по отношению к Земле и другим спутникам, которые вращаются по неправильным орбитам относительно своей планеты, - это еще одна проблема. Сейчас считается, что эти наблюдения объясняются событиями, которые произошли после первоначального образования Солнечной системы.^[46]

Гипотезы солнечной эволюции

Попытки изолировать физический источник энергии Солнца и таким образом определить, когда и как он может в конечном итоге закончиться, начались в 19 веке.

Сжатие Кельвина – Гельмгольца

В то время преобладающим научным представлением об источнике солнечного тепла было то, что оно генерируется гравитационное сжатие. В 1840-х годах астрономы Дж. Р. Майер и Дж. Дж. Уотерсон впервые предположили, что массивный вес Солнца заставляет его коллапсировать само на себя, генерируя тепло. Идея, изложенная в 1854 г. Герман фон Гельмгольц и Лорд Кельвин, который далее развил идею, предположив, что тепло также может быть произведено при ударе метеоров о поверхность Солнца.^[47] Теории того времени предполагали, что звезды эволюционировали, двигаясь по главная последовательность из Диаграмма Герцшпрунга-Рассела, сначала как диффузные красные сверхгиганты, прежде чем сжиматься и нагреваться, чтобы стать синими звездами главной последовательности, а затем еще ниже до красных карликов, прежде чем окончательно превратиться в холодных плотных черных карликов. Однако Солнцу достаточно гравитационно потенциальная энергия привести в действие его яркость по этому механизму примерно на 30 миллионов лет - намного меньше возраста Земли. (Это время коллапса известно как Шкала времени Кельвина – Гельмгольца.)^[48]

Альберт Эйнштейн развитие теория относительности в 1905 г. привело 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 слились в гелий; процесс, который мог производить огромное количество энергии, необходимой для питания Солнца.^[47] В 1935 году Эддингтон пошел еще дальше и предположил, что в звездах могут образовываться и другие элементы.^[49] Спектральные данные, собранные после 1945 года, показали, что распределение самых обычных химических элементов, углерода, водорода, кислорода, азота, неона, железа и т. Д., Было довольно равномерным по всей галактике. Это говорит о том, что эти элементы имеют общее происхождение.^[49] Ряд аномалий в пропорциях намекает на лежащий в основе механизм творения. Свинец имеет более высокий атомный вес, чем золото, но встречается гораздо чаще. Водород и гелий (элементы 1 и 2) практически повсеместны, но литий и бериллий (элементы 3 и 4) встречаются крайне редко.^[49]

Красные гиганты

Хотя необычные спектры красных звезд-гигантов были известны с XIX века,^[50] это было Георгий Гамов которые в 1940-х годах впервые поняли, что это звезды примерно с солнечной массой, у которых закончился водород в ядрах и которые прибегли к сжиганию водорода в своих внешних оболочках.^{[нужна цитата ]} Это позволило Мартин Шварцшильд чтобы установить связь между красными гигантами и конечной продолжительностью жизни звезд. Теперь понятно, что красные гиганты - это звезды на последних стадиях своего жизненного цикла.

Фред Хойл отметил, что, хотя распределение элементов было довольно равномерным, разные звезды имели разное количество каждого элемента. Для Хойла это указывало на то, что они, должно быть, возникли внутри самих звезд. Пик содержания элементов приходился на атомный номер железа, элемента, который мог образоваться только при сильном давлении и температуре. Хойл пришел к выводу, что железо должно было образоваться внутри гигантских звезд.^[49] Исходя из этого, в 1945 и 1946 годах Хойл построил заключительные стадии жизненного цикла звезды. Когда звезда умирает, она коллапсирует под собственным весом, что приводит к многослойной цепочке термоядерных реакций: углерод-12 сливается с гелием с образованием кислорода-16; кислород-16 соединяется с гелием, чтобы получить неон-20, и так далее, вплоть до железа.^[51] Однако не существовало известного способа производства углерода-12. Изотопы бериллия, полученные в результате синтеза, были слишком нестабильны, чтобы образовать углерод, а образование углерода-12 из трех атомов гелия было настолько маловероятным, что это было невозможно с возрастом Вселенной. Однако в 1952 г. физик Эд Солпитер показали, что между образованием и распадом изотопа бериллия существует достаточно короткий промежуток времени, чтобы другой гелий имел небольшой шанс образовать углерод, но только в том случае, если их совокупное количество массы / энергии было равно количеству углерода-12. Хойл, используя антропный принцип, показал, что это должно быть так, поскольку сам он был сделан из углерода и существовал. Когда наконец был определен уровень вещества / энергии углерода-12, оказалось, что он находится в пределах нескольких процентов от предсказания Хойла.^[52]

Белые карлики

Первый белый карлик был обнаружен в тройная звездная система из 40 Эридана, который содержит относительно яркие главная последовательность звезда 40 Эридани А, вращающийся на расстоянии более близким бинарная система белого карлика 40 Эридани Б и главная последовательность красный карлик 40 Эридани К. Пара 40 Eridani B / C была обнаружена Уильям Гершель 31 января 1783 г .;^{[53], п. 73} это снова было замечено Фридрих Георг Вильгельм Струве в 1825 г. и к Отто Вильгельм фон Струве в 1851 г.^[54][55] В 1910 году его открыл Генри Норрис Рассел, Эдвард Чарльз Пикеринг и Уильямина Флеминг что, несмотря на то, что она была тусклой звездой, 40 Эридани Б. спектральный класс А, или белый.^[56]

Белые карлики оказались чрезвычайно плотными вскоре после их открытия. Если звезда в двоичный Система, как и в случае с Сириусом B и 40 Eridani B, можно оценить ее массу по наблюдениям двойной орбиты. Это было сделано для Сириуса Б к 1910 году,^[57] что дает оценку массы 0,94M_☉. (Более современная оценка - 1,00M_☉.)^[58] Поскольку более горячие тела излучают больше, чем более холодные, поверхностную яркость звезды можно оценить по ее величине. эффективная температура поверхности, а значит, и его спектр. Если расстояние до звезды известно, можно также оценить ее общую светимость. Сравнение двух цифр дает радиус звезды. Рассуждения такого рода привели к осознанию, озадачившему астрономов того времени, что Сириус B и 40 Eridani B должны быть очень плотными. Например, когда Эрнст Эпик оценил плотность ряда визуально двойных звезд в 1916 году, он обнаружил, что 40 Эридана B имели плотность более чем в 25000 раз больше солнце 's, которая была настолько высока, что он назвал это «невозможным».^[59]

Такие плотности возможны, потому что материал белого карлика не состоит из атомы связаны химические связи, а скорее состоит из плазма несвязанного ядра и электроны. Следовательно, нет препятствий для размещения ядер ближе друг к другу, чем электронные орбитали - области, занятые электронами, связанными с атомом, - обычно позволяют.^[60] Эддингтон, однако, задавался вопросом, что произойдет, когда эта плазма остынет и энергия, удерживающая атомы ионизированными, больше не будет.^[61] Этот парадокс разрешили Р. Х. Фаулер в 1926 году благодаря применению вновь разработанной квантовая механика. Поскольку электроны подчиняются Принцип исключения Паули, никакие два электрона не могут занимать одну и ту же государственный, и они должны подчиняться Статистика Ферми – Дирака, также введенный в 1926 году для определения статистического распределения частиц, удовлетворяющих принципу исключения Паули.^[62] Следовательно, при нулевой температуре электроны не могут все занимать наименьшую энергию или земля, государственный; некоторые из них должны были занимать состояния с более высокой энергией, образуя полосу состояний с наименьшей доступной энергией, Море Ферми. Это состояние электронов, называемое выродиться, означало, что белый карлик мог охладиться до нулевой температуры и при этом обладать высокой энергией.

Планетарные туманности

Планетарные туманности, как правило, являются слабыми объектами, и никто не видит их. невооруженным глазом. Первой обнаруженной планетарной туманностью была Туманность Гантель в созвездии Vulpecula, наблюдаемый Шарль Мессье в 1764 г. и внесен в его список как M27. каталог туманных объектов. Для первых наблюдателей с телескопами низкого разрешения M27 и впоследствии обнаруженные планетарные туманности чем-то напоминали газовых гигантов, и Уильям Гершель, первооткрыватель Уран, в конце концов придумали для них термин «планетарная туманность», хотя, как мы теперь знаем, они сильно отличаются от планет.

Центральные звезды планетарных туманностей очень горячие. Их яркость, правда, очень низкий, что означает, что они должны быть очень маленькими. Только после того, как звезда исчерпает все свое ядерное топливо, она может схлопнуться до такого маленького размера, и поэтому планетарные туманности стали рассматриваться как заключительная стадия звездной эволюции. Спектроскопические наблюдения показывают, что все планетарные туманности расширяются, и поэтому возникла идея, что планетарные туманности были вызваны выбросом внешних слоев звезды в космос в конце ее жизни.

Гипотезы о лунном происхождении

Джордж Дарвин

На протяжении веков было выдвинуто множество научных гипотез относительно происхождения Луна Земли. Одним из первых был так называемый бинарная модель аккреции, который пришел к выводу, что Луна аккрецировалась из материала на орбите вокруг Земли, оставшегося от ее образования. Другой, модель деления, был разработан Джордж Дарвин (сын Чарльз Дарвин ), который отметил, что, поскольку Луна постепенно удаляется от Земли со скоростью около 4 см в год, поэтому в какой-то момент в далеком прошлом она должна была быть частью Земли, но была отброшена наружу импульсом Тогда Земля - ​​гораздо более быстрое вращение. Эта гипотеза также подтверждается тем фактом, что плотность Луны, хотя и меньше плотности Земли, примерно равна плотности каменистой поверхности Земли. мантия, предполагая, что, в отличие от Земли, у нее нет плотного железного ядра. Третья гипотеза, известная как модель захвата, предположил, что Луна была телом, вращающимся независимо друг от друга, которое было поймано на орбиту гравитацией Земли.^[63]

Миссии Аполлона

Однако все эти гипотезы были опровергнуты к концу 1960-х - началу 1970-х годов. Аполлон лунные миссии, которые представили поток новых научных данных; конкретно относительно состава Луны, ее возраста и ее истории. Эти свидетельства противоречат многим предсказаниям, сделанным этими более ранними моделями.^[63] Камни, привезенные с Луны, показали заметное уменьшение количества воды по сравнению с камнями в других частях Солнечной системы, а также свидетельство наличия океана магмы в начале его истории, что указывает на то, что при его образовании, должно быть, производилось много энергии. Также кислород изотопы В лунных породах обнаружено заметное сходство с земными, что позволяет предположить, что они образовались в аналогичном месте в солнечной туманности. Модель захвата не может объяснить сходство этих изотопов (если бы Луна возникла в другой части Солнечной системы, эти изотопы были бы другими), в то время как модель совместной аккреции не может адекватно объяснить потерю воды (если Луна образованная 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 недостаток железа на Луне, не может адекватно объяснить ее высокое наклонение орбиты и, в частности, большое количество углового момента в системе Земля-Луна, больше, чем любая другая пара планета-спутник в Солнечной системе.^[63]

Гипотеза гигантского удара

В течение многих лет после Аполлона модель двойной 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 расхождения. Первоначально разработанная двумя независимыми исследовательскими группами в 1976 г. гигантское воздействие Модель предполагала, что массивный планетарный объект размером с Марс столкнулся с Землей в самом начале своей истории. Удар расплавил бы земную кору, и тяжелое ядро ​​другой планеты погрузилось бы внутрь и слилось бы с ядром Земли. Перегретый пар, образовавшийся в результате удара, поднялся бы на орбиту вокруг планеты и слился бы с Луной. Этим объяснялось отсутствие воды (облако пара было слишком горячее, чтобы вода могла конденсироваться), сходство по составу (поскольку Луна образовалась из части Земли), более низкая плотность (поскольку Луна образовалась из коры Земли и мантия, а не ее ядро), и необычная орбита Луны (поскольку наклонный удар передал бы огромное количество углового момента системе Земля-Луна).^[63]

Нерешенные вопросы

Однако модель гигантского удара подверглась критике за то, что она слишком пояснительная; его можно расширить, чтобы объяснить любые будущие открытия, и поэтому его нельзя опровергнуть. Кроме того, многие утверждают, что большая часть материала от импактора попала бы на Луну, а это означает, что уровни изотопов будут другими, но это не так. Кроме того, хотя некоторые летучие соединения, такие как вода, отсутствуют в коре Луны, многие другие, такие как марганец, отсутствуют.^[63]

Другие естественные спутники

Хотя модели совместной аккреции и захвата в настоящее время не принимаются в качестве обоснованного объяснения существования Луны, они использовались для объяснения образования других естественных спутников в Солнечной системе. Юпитер с Галилеевы спутники считается, что они образовались в результате совместной аккреции,^[64] в то время как Солнечная система нерегулярные спутники, Такие как Тритон, как полагают, все были захвачены.^[65]

Рекомендации