Сравнительная характеристика основных теорий происхождения Солнечной Системы

Предложенная  в 1916 году Джеймсом Джинсом гипотеза, главным образом, знаменита тем, что в ней вещество, из которого образовались планеты, появилось весьма интересным способом. По мнению Джинса, в далёком прошлом мимо Солнца на очень близком расстоянии пролетала некая звезда, которая своим гравитационным воздействием вырвала с поверхности нашего светила часть вещества. Это вещество, разбившись, в дальнейшем, на части, образовало планеты. Но сегодня доказано, что подобный выброс не мог стать прародителем планет.

В 1935 году Рассел предположил, что Солнце было двойной звездой. Вторая звезда была разорвана силами гравитации при тесном сближении с другой, третьей звездой. Девятью годами позже Хойл высказал теорию, что Солнце было двойной звездой, причем вторая звезда прошла весь путь эволюции и взорвалась как сверхновая, сбросив всю оболочку. Из остатков этой оболочки и образовалась планетная система.

В 1944 г. советский ученый О. Ю. Шмидт предложил свою теорию происхождения Солнечной системы. Согласно О. Ю. Шмидту наша планетная система образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти "современный" вид. При этом никаких трудностей с вращательным моментом планет не возникает, так как первоначальный момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Начиная с 1961 г. эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес в нее существенные улучшения.

Грубых  фактических противоречий общепринятой теории О.Ю.Шмидта в настоящее время нет. Фактический материал скорее подтверждает, чем опровергает эту теорию.

Однако, как и любая теория, она имеет  свои ограничения. По сути, теория Шмидта является эволюционной теорией (развитие и формирование системы под действием внутренних причин).

По приблизительным  оценкам, разрушение гипотетической планеты  произошло около 700 млн. лет назад. Если принять за постулат существование этой планеты, то она должна была бы находиться на гравитационно-устойчивой орбите. Но разрушение планеты в сформировавшейся замкнутой системе должно быть вызвано воздействием достаточно мощных внешних сил. И воздействие бы затронуло всю Систему, а не только Фаэтон. Т.е. следы этой катастрофы были бы отмечены наблюдателями как аномалии в структуре и механике Солнечной Системы. Они конечно же существуют: и обратное движение Урана с Венерой; и высокий эксцентриситет Меркурия и Плутона; и т.д.. Они существуют, однако эволюционной теорией О.Шмидта (и не только) эти аномалии

объясняются вполне удовлетворительно.

Однако  этого недостаточно для чёткого решения вопроса. Потому что принятие за основу положения о существовании планеты, исчезнувшей в прошлом, автоматически ставит под сомнение все наши представления об эволюции Системы. Это означало бы, что 3,5 млрд. лет назад на планете, отстоящей от Солнца дальше, чем Марс, существовала жизнь. Для того, чтобы она существовала, необходимо наличие определённого температурного интервала. Наличие такого интервала автоматически подводит к выводу, что в те времена характеристики Солнца были иными, что не совсем согласуется с её эволюцией.

Единственное, что можно утверждать – вероятные причины таких мощных внешних воздействий на Солнечную Систему (непосредственно на её структуру или опосредованно, через объекты пояса Койпера с гипотетическим облаком Оорта). Например, факт, установленный американскими учёными Рампино и Слотерс: Солнечная Система совершает относительно галактической плоскости осцилляции с периодом в 30 млн. лет.

О.Ю.Шмидт показал, что вследствие законов сохранения энергии и момента количества движения туманность (протопланетное облако) должна была разделиться на несколько кольцеобразных "зон питания ". В них-то и аккумулировались будущие планеты. Из такого представления с неизбежностью следовало, что Земля никогда не была огненно-жидкой. Вначале относительно холодная (во всяком случае, не расплавленная) она разогрелась лишь потом: изнутри - при распаде радиоактивных элементов, а снаружи - в результате интенсивной бомбардировки поверхности метеоритами и падений на нее крупных (размером с Луну или даже с Марс) тел.

Хронология  событий может быть восстановлена: на стадии формирования Солнца - из теории звездной эволюции, на стадии роста  Земли - по модельным расчетам, на более  поздних стадиях - по данным геологии и геохронологии.

Возраст Солнца оценивается в 4,7 млрд. лет. Столько  лет тому назад в недрах Солнца начались реакции, продолжающиеся по сей  день. На образование Солнца пошло  около 90% вещества протопланетного  облака. Еще раньше газопылевое облако, сжимаясь, ускоряло свое вращение. Это вращение не позволяло облаку сжиматься в направлениях, перпендикулярных оси вращения. В результате сжимающееся и вращающееся облако приобрело форму диска, который затем распался на кольцевые зоны.

В кольцевых  зонах протопланетного облака происходило  слипание пыли в планетезимали. Это  сравнительно быстрый процесс. Расчеты  показывают, что он должен был продолжаться всего лишь около 10 тыс. лет в окрестностях Земли и около 1 млн. лет в окрестностях Юпитера.

Согласно  компьютерным расчетам, первоначальная масса газопылевого облака, в котором  образовалась Солнечная система, была более 104 М . Первоначальный размер облака существенно превышал размеры Солнечной системы, а его состав был аналогичен тому, что наблюдается в плотных холодных межзвездных туманностях, то есть 99 % межзвездного газа и 1 % межзвездной пыли. У нескольких десятков звезд в настоящее время обнаружены планетные системы.

Сейчас  наибольшее распространение получила гипотеза о постепенном накоплении вещества планет путём аккреции (процесс, при котором маленькие частицы вещества присоединяются к большим массам (или поглощаются ими) под действием взаимной гравитации или при случайных столкновениях, в результате чего постепенно образуются большие небесные тела). Различие между внутренними твёрдыми планетами и внешними газовыми гигантами обусловлено уменьшением нагрева со стороны Солнца.

Особой  проблемой, служившей пробным камнем для многих космогоничных гипотез, оставалась проблема распределения момента количества движения в Солнечной системе: хотя масса планет составляет менее 1% массы Солнца, в их орбитальном движении заключено более 98% общего момента количества движения всей Солнечной системы.

В 60-х  гг. 20 в. появились первые приближенные количественной теории совместного образования Солнца и протопланетного облака (Ф. Хойл, Великобритания, 1960 г.; А. Камерон, США, 1962 г.; Э. Шацман, Франция, 1967 г.). В этих теориях в той или иной форме рассматривалось отделение вещества от сжимающегося протосолнца вследствие наступления у него ротационной неустойчивости (при уравнивании на экваторе центробежной силы и силы притяжения).

Хойл  и Шацман стремились показать расчетами, что протопланетное облако имело минимально допустимую массу. Для объяснения распределения момента количества движения между Солнцем и планетами Хойл использовал интересную идею шведского астрофизика Х. Альвена о возможности магнитного сцепления вращающегося Солнца и ионизованного вещества протопланетного облака, благодаря которому Солнце может передать момент близлежащим частям протопланетного облака. На больших расстояниях, где магнитное поле ослаблено, перенос вещества и момента осуществлялся, по его мнению, с помощью турбулентности. Эти идеи используются и в современных моделях образования Солнечной системы.

Медленность вращения современного Солнца Шацман объяснял потерей некоторой части вещества с поверхности Солнца, происшедшей уже после превращения протосолнца в Солнце. Улетающее ионизованное вещество вплоть до больших расстояний продолжает взаимодействовать с магнитным полем вращающегося Солнца и приобретает значительный момент количества движения, который и уносит с собой. Это объяснение медленности вращения Солнца считается наиболее вероятным.

Камерон в своих работах 60-х гг. предполагал, что Солнечная система возникла в результате сжатия (коллапса) межзвездного облака с массой , и развивал теорию эволюции такого облака, обходя молчанием встречающиеся трудности. Массивное протопланетное облако, отделившееся от протосолнца, должно было дополнительно разогреться в результате выделения гравитационной энергии при его сжатии к центральной плоскости. При этом все вещество облака должно было перейти в газовую фазу. По мере последующего остывания протопланетного облака в нем должна была происходить конденсация сначала наименее летучих, т.е. наиболее тугоплавких, веществ, а затем все более летучих. В более поздних работах Камерон рассматривал протопланетное облако умеренной массы, для которого начальная температура в зоне формирования планет земной группы и метеоритов должна была составлять всего несколько сотен ^oС. В наиболее общем случае 'облака малой массы температура должна быть еще ниже. Следствия, вытекающие из этих представлений, были подвергнуты проверке при анализе вещества метеоритов.

Начиная с 70-х гг. 20 в. лабораторные анализы  метеоритов, которые на протяжении всей своей истории не подвергались сильному нагреву, указывали на присутствие в них вещества, напоминающего, по-видимому, межзвездную пыль. Его присутствие в количестве хотя бы нескольких % теперь уже не вызывает сомнений. Согласно Д. Клейтону (США, 1978 г.), почти вся пыль в первичном протопланетном облаке имела межзвездное происхождение.

Определения изотопного состава земных образцов и метеоритов, а также лунных образцов показали его высокую однородность. Это указывает на хорошую перемешанность основной массы протопланетного вещества. Однако ряд обнаруженных изотопных аномалий в некоторых метеоритах свидетельствует о том, что в протопланетном облаке присутствовали порции вещества, не перемешанные с основной массой вещества. По-видимому, в протопланетном облаке не было полного испарения межзвездной пыли, при котором различия изотопного состава были бы сглажены.

Если  исходить из идеи о сохранении межзвездных  пылинок, понятие "интервал формирования" теряет свой смысл. Конденсация твердого веществ и образование пылинок  начинаются еще на стадии разлета  продуктов взрыва сверхновой, и количество продуктов распада короткоживущих изотопов, присутствующих в метеоритном веществе, зависит от доли свежей пыли, инжектированной в межзвездное облако либо перед его сжатием (коллапсом), либо в уже сформировавшееся допланетное облако. Камерон и С. Труран (США, 1970 г.) предложили, что взрыв близко расположенной сверхновой не только инжектировал свежее вещество в протосолнечную туманность, но и содействовал ее сжатию.

Достижения  астрофизики и планетологии в 70-х  гг. 20 в.: первые расчеты коллапса, учитывающие  вращение сжимающихся протозвезд; исследование областей современного звездообразования в Галактике; снимки поверхностей планет Солнечной системы и их спутников, изобилующих ударными кратерами, - наглядно свидетельствуют о правильности общих основ современной теории формирования планет.

Наряду  с исследованиями, определяющими  генеральную линию развития планетной  космогонии, существуют представления, не пользующиеся широким признанием. Так, Альвен разрабатывает с 40-х гг. 20 в. гипотезу о том, что образование планетной системы на всех этапах определялось в основном электромагнитными силами. Для этого молодое Солнце должно было обладать очень сильным магнитным полем, в тысячи раз более сильным, чем современное. Газы межзвездного облака, падавшего к Солнцу под действием его притяжения, постепенно ионизовались и по мере ускорения своего падения под влиянием магнитного поля Солнца переходили от падения к обращению вокруг Солнца. Первыми на больших расстояниях от Солнца должны были ионизоваться металлы и др. вещества, обладающими низкими потенциалами ионизации, а последним ближе всего к Солнцу должен был ионизоваться водород. Хим. состав планет дает обратную картину распределения водорода и более тяжелых элементов. Вследствие этого и искусственности ряда др. предположений гипотеза Альвена почти не имеет сторонников.

Английский ученый М. Вульфсон в 60-70-х гг. 20 в. пытался развивать гипотезу, согласно которой приобретение Солнцем протопланетного вещества объяснялось сочетанием приливного воздействия и захвата: Солнце захватило сгустки вещества, вырванного его притяжением из пролетавшей мимо разреженной протозвезды. Как и гипотеза Джинса, эта схема имеет много слабых мест и не пользуется популярностью.