Дипломная работа: Происхождение и эволюция небесных тел

ТАРАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра «Физика МПФ»

 

 

 

 

Происхождение и эволюция небесных тел

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                Тараз 2012

       Введение

І.     Происхождение и эволюция звезд и Галактики

1.1  Источники энергии Солнца и звезд……………………………………………………..

1.2  Эволюция и типы звезд………………………………………………………………………

1.3  Эволюция Галактики………………………………………………………………………….

1.4  Понятие о космологии………………………………………………………………………..

ІІ.   Происхождения и эволюция Солнечной системы.

2.1  Происхождение Солнечной системы………………………………………………….

2.2  Экспериментальные исследования происхождения планет…………………

2.3  Особенности образования нашей планеты…………………………………………

2.4  Современное представление о происхождении и эволюций Солнечной 

       системы……………………………………………………………………………………………

 

Выводы

Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Введение

         Космология — физическое учение о Вселенной как целом, основание на наблюдательных данных и теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части Вселенной. Теоретический фундамент Космологии составляют основные физические теории (теория тяготения, теория электромагнитного поля, квантовая теория и др.),  эмперические сведния предоставляются ей главным образом

внегалактической астрономией, а ее выводы и обобщения имеют большое общенаучное и филосовское значение.

Научная физическая космология может считаться  детищем XX века. Только в нашем веке А. Эйнштейном была создана релятивистская теория тяготения (общая теория относительности — ОТО), которая является теоретическим фундаментом науки о строении Вселенной. С другой стороны, успехи наблюдательной астрономии начала нашего века — установление природы галактик, открытие закона красного смещения Хаббла, а в последние годы успехи радиоастрономии, новые методы астрофизических исследований, включая  методы исследований с помощью космических аппаратов, создали наблюдательный фундамент космологии.

          Началом современного этапа развития космологии являются работы замечательного советского ученого А. А. Фридмана, выполненные в 1922-1924 гг. На основе теории Эйнштейна он построил математические модели движения вещества во всей Вселенной под действием сил тяготения. Фридман доказал, что вещество Вселенной не может находиться в покое — Вселенная не может быть стационарной: она должна либо расширяться, либо сжиматься и следовательно, плотность вещества во Вселенной должна либо уменьшаться, либо увеличиваться. Так была теоретически открыта необходимость глобальной эволюции Вселенной. Наконец в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл на основе многочисленных наблюдений установил факт расширения Вселенной.  

Однако установление закона расширения Вселенной было, конечно, только самым началом исследований эволюции. Это было установление, так сказать, только механики Вселенной. Необходимо было изучить конкретные физические процессы, протекающие в расширяющейся Вселенной, — процессы, которые протекали и в далеком прошлом, когда состояние вещества во Вселенной сильно отличалось от сегодняшнего, и процессы более близкие к нам, когда формировались небесные тела, и, наконец, процессы нашего времени и будущего. Последние десять-двадцать лет в космологии как раз и характерны тем, что механическая картина движений и сил во Вселенной наполнилась новым конкретным физическим содержанием.

          Актуальность темы: Астрономические знания всегда оказывали сильное воздействие на мировоззрение человека. Астрономия нужна каждому образованному человеку. Она объясняет то, что мы постоянно наблюдаем и должны хорошо понимать: смену дня и ночи, времен года, фаз Луны, приливы и отливы в океанах, суточное движение на разных широтах, движение  небесных тел, смену лунных фаз, появление комет и метеорных потоков, физическую природу небесных тел.

          Современная  космология, использующая космические методы исследования полная выдающихся открытий, чрезвычайно расширила и углубила  знания о Вселенной.  Изучая явления природы в пределах всей доступной наблюдениям  части Вселенной, астрономия позволяет раскрыть цельную картину мира, включая его развитие. Объем научной информации особенно быстро растет в области астрофизической исследований. 

Цели и задачи дипломной работы: Получение представлений о современной  научной картине мира, знаний  о современных методах по исследованию космических объектов. Уметь оперировать огромными пространственно — временными масштабами, анализировать данные весьма многочисленных и разнообразных наблюдений, понять сложную астрофизических явлений. Ознакомление с принципами теоретического моделирования объекта в естествознании.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

І.     Происхождение и эволюция звезд и Галактики

1.1  Источники энергии Солнца и звезд

 

При  созерцании  неба  в безлунную  ночь  и  вдали  от городских  огней  обращает  на  себя  внимание  огромное  количество  звезд  на нем.  Каким  же  образом  природа  создала  их  и как  они  излучают?  Как  хватает  им  энергии  светить  столь  долгое  время,  если  те же  звезды,  которые  мы видим  сейчас,  наблюдали  и в  Древнем  Вавилона,  и в  Древнем  Китае, и в  Древней Греции…  и Галилей, и Гершель, и  Наполеон?

           Гельмгольц  считал  источником  энергии  звезды  потенциальную  энергию  сжатия.  Температура  даже  внешних  слоев  Солнца  порядка 6000  градусов т.е.  вещество  находится  там в газообразном   состоянии.  Движение  частиц  газа  составляет  основу  тепловой  энергии  звезды,гравитационное  притяжение  частиц-основу  ее  потенциальной  энергии.  Чтобы  компенсировать  потери  энергии  на  излучения, достаточна  было бы,  чтобы  диаметр  Солнца  уменьшался  на  75 м  в  год. Тогда  бы светимость  Солнца  увеличивалась  вдвое  каждые  10 млн  лет, но  этого  не происходит.  Тем  не менее  эти  расчеты  и оценки  роли  гравитационного  сжатия  оказались не бесполезными  в дальнейшем.

   Решение  проблемы  происхождения  энергии  Солнца  относится  ктридцатом  годам.  Английский  астрофизик  Эддингтон,  известный  своими  работами  по теории  гравитации и  квантовой  теории,обнаруживший  экспериментально  отклонение  света  звезды  в поле тяготения  Солнца (1919),предсказанное  ОТО,  выдвинул  в 1920г.  Идею  объяснение  энергии звезд  термоядерными  реакциями  синтеза  гелия  из   водорода.  В своей  книге  «Звезды  и атомы» (1927)  он  показал,что  масса  ядра  гелия  не точно  в четыре  раза  превышает  массу  ядра  водорода, а несколько меньше. Если к незначительной разнице масс применить формулу Эйнштейна Е=mc²,то окажется, что этот дефект массы,эквивалентен огромной энергии.Тогда еще не были известны детали процесса,и выводы Эддингтона вызывали сомнения среди ученых.

   Условия ,при которых возможна реакция синтеза ядер гелия из водорода , реализуются в центральной части Солнца,где температура достигает 10 -13 млн К. При таких  температурах атомы теряют свои электронные оболочки,но этого недостаточно для преодоления силы кулоновского отталкивания между ядрами. Протон предохранен отвзаимодействие с другим протоном потенциальным энергетическим барьером в 140 кэВ. Тепловая энергия протона при 10 млн К составляет всего 1 кэВ , а суммарная энергия сталкивающихся протонов вдвое больше. Это значит ,что потенциальный барьер превышает в 100 раз среднюю  энергию частиц. Необходимо ,чтобы частицы смогли сблизиться на расстояние ,меньшее 10^-15м,т.е. попасть в область сильного взаимодействия.

С точки зрения классической  механики, этот  барьер  непреодолим,  но  в законах  квантовой  механики  всегда  существует  определенная  вероятность преодоления.  Протон  должен  успеть  столкнуться  с другим  протоном,  преодолеть  барьер,  окружающий  его  ядро,  превратиться  в нейтрон, и произойдет  рождение  тяжелого водорода- дейтерия.  Так  начнется  термоядерная  реакция,  являющаяся,  по современным  представлениям,  источником  энергии  звезд [7].

В 1939г.  Американский  физик-теоретик  Ганс  Альбрехт  Бете   разработал  протон- протонный  цикл  ядерных  реакций,  который  начинается  с  реакции Н¹+Н¹͢͢͢   D²+e⁺+γ. Ядро  тяжелого  водорода, или дейтерия,  соединяясь  с протоном,  образует  ядро изотопа  гелия He³:  Д²+H¹͢  He³+γ. Последняя  реакция  этого  цикла  состоит  в  слиянии  ядер  легкого  гелия  и  освобождении  двух  протонов: He³+He³͢  He⁴+H¹+H^1*.

   Протон-протонный  цикл  обеспечивается  выход  энергии 19, 78  МэВ  и может  идти  при  температурах  порядка 13 млн  К. Такой  же  вариант термоядренных  реакций,  являющийся  источником  энергии  звезд  Главной  последовательности, независимо  от Бете,  предлагал  и Ч.Критчфильд.

     Бете  открыл,  независимо  от физика и  астрофизика  Карла Фридриха  фон Вейцзеккера  ,  и другой  цикл – азотно – углеродный,  состоящий  из  шести  реакций: C¹²+H^1͢  N¹³+γ, N¹³͢  C¹³+e⁺+v, C¹³+H^1͢   N¹⁴+ γ, N¹⁴+H^1͢   O¹⁵+ γ, O¹⁵͢  N¹⁵+ e⁺+v, N¹⁵+H^1͢   C¹²+ He⁴.

Этот  цикл  требует  температур  порядка  20 млнК. Углерод  играет  в нем  роль  катализатора  реакций, и  его  количество  остается  неизменным.  За  большие  научные  заслуги  в области  звездной  энергетики  Бете  стал  лауреатом  Нобелевской  премии  по физике  за 1967г.

   Количество  освобожденной энергии  оценивалось  по  формуле  Эйнштейна E=mc².  Дефект  массы  для  слияния  четырех  протонов и образования  ядра  атома  гелия ( альфа-частица, состоящей  из двух  протонов и двух  нейтронов)  состовляет  0,02863 а.е. Соответствующая  ему  энергия  излучается,  что  дает  энергиюЕ=4,3*10^-5 эрг.  Поскольку  солнце  излучает  энергию L=3,86*10³³ эрг⁄с, то  из  отношения,  примерно  равного  10³⁸, можно  заключить,  что в недрах Солнца  за 1 с  образуется  около  10³⁸  ядер  гелия.  Но  тогда  должно  образовываться  вдвое  больше  нейтрино.

   Обнаружение  этих  неуловимых  частиц  подтвердило  бы  осуществимость  таких  реакций  на  Солнце.  Оценки  показывают,  что  длина  пробега  нейтрино  порядка  10¹⁷см.  Это в  сотни  раз  превышает  размеры  всей  солнечной  системы, а на  расстоянии 150  млн  км  от  Земли  до Солнца  поток  нейтрино должен  бы  составлять  65  млрд  на квадратный  сантиметр  в 1с. Для  регистрации  нейтрино  предложено  много методов,  строятся  специальные  установки,  но  точных  результатов  по их обнаружению  пока нет [7].

   Эддингтон  изучал  внутренние  области Солнца,  где  должны  происходить термоядерные  реакции,  и строил  их  модели.  Он считал,  что  звезды-  это  шары  из  газа в  состоянии  плазмы,  находящиеся  в состоянии  лучистого  равновесия. Эддингтон  определил «время  жизни» Солнца,  температуру  его  недр,  вычислил  предельные  массы  звезд,  обеспечивающие  их  устойчивость (рис. 1). В 1924 г. Он  установил  связь  между  массой и  светимостью  звезд, а в 1926 г. Подсчитал,  что  силу  тяготения  должна  уравновешивать  направленная  наружу  сила, которая  могла  возникнуть  благодаря  стремлению  газа  расшириться  под  действием  высокой  температуры.  Исходя  из  значений  для  массы   Солнца  и его  размеров,  Эддингтон  получил  значение  температуры  в  центре  газового  шара  15 млн  градусов.

 

 

 

 

 

               Рис 1.Схема  распределения температур внутри  Солнца

   Активная  область, где  идут  термоядерные  реакции,  занимает  центральную  шаровую  зону  с  радиусом  230  тыс. км.  Эту  область  окружает  зона  лучистого  переноса  энергии  протяженностью 280 тыс. км, в которой  температура  достигает 5 млн К,  поэтому  в ней  не могут  присходить  термоядерные  реакции:  атомы  здесь  не  полностью ионизованы  на более  высокие  орбиты, а  возвращаются  они  уже  в несколько ступеней, т.е.  испускаются  кванты  меньших  энергий.

    Зону  лучистого  переноса  окружает  зона  конвекции, в которой  энергия  переносится  к  поверхности  путем  конвекционного  движения  солнечной  плазмы.  Скорости  конвекционных  движений  невелики,  порядка  100-500м/с, но  эти  подфотосферные  слои  порождают  солнечную  активность.  Теория  зоны  конвекции  описывает  не  только  состояние  солнечного  вещества  в ней,  но и строение  звезд  на  ранних этапах  их  эволюции (до  выхода  на Главную  последовательность),  и строение  ядер  массивных  звезд.  В зоне  конвекции  дробление  квантов  резко  ослабевает, лишь  малая  часть  энергии  уносится  винфракрасной  и  радиообласти спектра.

Конвекционная зона  является  источником  энергии,  обеспечивающим   нагревание солнечной  короны  и хромосферы.  КПД  переноса  энергии  в  солнечную  корону  всего  0,01.  Газ, образующий  корону,  непрерывно  истекает  в  межпланетное  пространство,  где  дует  сильный  солнечный  ветер,  который  сметает  микрометеорные  частица  и  испаряющиеся  из  атмосфер  планет  газы,  формирует  планетные  хвосты.  На расстоянии  земной  орбиты  скорость  солнечного  ветра  составляет  около 400 км/с,  а Солнце  теряет  одну  сотую  своей  массы  за  5 млрд  лет (или 4,3 млн  т за 1с) [6].

    У  голубых  звезд  и белых  гигантов  и  сверхгигантов  радиус  активной  зоны  составляет  0,2  радиуса  звезды,  конвекционная  зона  практически  отсутствует,  а весь  остальной  объем  занимает  зона  лучистого  переноса  энергии.  Красные  гиганты  имеют  более  сложное  внутреннее  строение.  Они  имеют   очень  малое,  радиусом до 0,001  радиуса  звезды, изотермическое ядро,  полностью  состоящее  из  гелия,  образовавшегося  в прошлом  из  водорода.  Поэтому  термоядерные  реакции  идут  уже  не  в ядре,  а рядом  с ним.  Зона  переноса  излучения  имеет  небольшую  относительную  протяженность,  а конвекционная  зона  занимает  почти  весь  огромный  объем  этих  звезд.

 

1.2  Эволюция и типы звезд

Строение  звезды  и источник  ее энергии  казались  в  какой-то  степени  выясненными, но  возникли  другие, не  менее важные  вопросы.  Так,  оказалось,  что Солнце,  возраст  которого  оценивали  в 5  млрд лет,  бедно  водородом и богато  гелием,  хотя  за это  время  оно должно  было  истратить  меньше водорода и  образовать  меньше  гелия.  Можно  конечно,  допустить,  что  раньше  оно  было  горячее,  и процессы  шли  скорее , однако  геологические  данные  свидетельствуют,  что  все  это время  количество  солнечной  энергии  практически  не  менялось.

   Предположение  о том,  что  часть  водорода  была  израсходована  еще  на  стадии  разреженный  вращающейся туманности  маловероятно. В  разреженных  туманностях  тяготение  слабо  настолько, что  вызывает  повышение  температуры  только  в  самом центре,  но этого  недостаточно  для начала  ядерных  реакций  синтеза.  Такая  туманность сжималось  бы  медленно  и  производила  энергию  только  за счет тяготения,  как предполагал  Гельмгольц,  и  количество  этой  энергии  не менялось.  По мере  сжатия  она  концентрировалась  бы все  в меньшем  объеме, и, достигнув  критической  отметки,  сжимающаяся  туманность  вспыхнула  бы  и  превратилась  к звезду.

  Если бы  это  было так, то  в самом  центре  этой  звезды  могли  начаться  ядерные  реакции  и стали  рождаться  более  тяжелые  элементы. На Солнце  много  элементов,  более  сложных,  чем  гелий,  кроме  того, сложные  элементы  составляют  солнечную  семью-планеты.  Получится- и они  из самого  центра  Солнца?  Эти противоречит  гипотезе  происхождения  их из  туманности,  стало  быть, тяжелые  элементы  должны  появиться  как-то  иначе [6].

    Мир звезд  многообразен: Антарес  имеет  красный  цвет, Капелла-желтый, Сириус- белый, Вега- голубовато-белый.  Звезды  отличаются  по  яркости, и  еще  древние  ввели  звездные  величины.  В ХІХ  столетии звезды  рассортировали  по  расстояниям  и массам,  а в конце  века – по  спектрам.

В 1900г. Американский  астроном  Эдвард  Чарлз  Пикеринг (1846-1919) ввел  спектральные  классы,  обозначив  их  буквами  латинского  алфавита. Границы  между  классами  были  нечеткие, и впоследствии каждый  класс  разбили  на группы  от 0 до 9,  так  что  наше  Солнце  попало  по  спектру  вG2.  Когда  при  истолковании спектров  стали  учитывать  ионизацию,  стало  возможным  по  спектральным  сериям  определять  температуру  звезд. Состав  же  звезд  не  отличался  разнообразием: как и Солнце, большинство  звезд  состояли  преимущественно  из  водорода  и гелия.  Тогда  спектральные  классы  выстроили в порядке  убывания  температуры:  O, B,A,F,G,K,M (этот  порядок  легко запомнить  так-o, beafinegirl,  kissme! ) Имеются  еще  четыре  дополнительных  класса: для  холодных  звезд-R,N,Sдля  горячих –W. Очевидно, что  без  классификации  звезд  нельзя  говорить  об их  эволюции (рис.2).

 

 

 

 

 

 

 

Рис-2.Эволюция звезд

 

Герцшпрунг  и  Генри  Ресселл (1877-1957)  составили  диаграмму зависимости светимостей  звезд  от  их  спектральных  классов  ( диаграмма  носит  имена обоих  ученых);  по  оси  абсцисс  откладываются  спектральные  классы  звезд(иногда соответствующие  показатели  цвета  или  температуры),  по оси  ординат-  светимости  звезд  L (или звездные  величины М).  Оказалось, что  на диаграмме  звезды  располагаются  не  беспорядочно,  а  образуют  несколько  последовательностей.

   Так,  в окрестности  Солнца  большинство  звезд  сконцентрированы  вдоль  сравнительно  узкой  полосы,  протянувшейся  из  верхнего  левого  угла  вниз (Главная  последовательность). В  правом  верхнем  расположены  сверхгиганты. Размеры  звезд  сумели  оценить  с помощью  изобретенного  в 1881 г.  Интерферометра,  который  улавливал  разницу  в  световых  волнах,  исходящих  от разных точек  поверхности звезды. Подсчет  показал,  что  вблизи  Солнца  на одного  сверхгиганта  приходится  около  1000  гигантов и  около 10 млн  звезд  Главной  последовательности [9].

   Группа  звезд-гигантов  компактна  и  расположена вверху  диаграммы  между  Главной  последовательностью и группой  сверхгигантов. Параллельно  Главной  последовательности, несколько  ниже  ее, расположены  звезды,  образующие последовательности  субкарликов ( у них  содержание  металлов  гораздо  ниже,  чем  у звезд  Главной  последовательности),  в левом  нижнем  углу  диаграммы- группа  белых карликов, светимость которых  меньше солнечной  в  сотни раз.  Звезды  по светимости  разделены  на  семь  классов,  обозначенных  римскими  цифрами. Класс  светимости  пишется  после  спектрального  класса  звезды, например,  Солнце:звезда  класса G 2V.

  На  основе  полученных  закономерностей  распределения  звезд  на диаграмме  и известных  в начале  века  физических  моделей  Ресселл  построил  эволюционный  путь  звезды.  Переходя  от  стадии  холодной  туманности  в  голубоватого-белую  стадию,  звезда  перемещается  в верхней  части  диаграммы  справа  налево,  пока  не  достигнет  верхнего  левого  конца  Главной  последовательности.  Далее звезда  под  влиянием  поля  тяготения  сжимается (при  этом  нагревания  не происходит,  а ее  вещество  достигает  плотности,  уже  не  соответствующей  газу) и остывает,  превращаясь  в желтый  карлик, как  наше  Солнце.  Затем она  станет  красным  карликом  и погаснет  совсем,  став  черным  карликом-пеплом  угасшей  звезды. Так  звезды  скользит  по ,Главной  последовательности  из  верхнего  левого  угла  к нижнему  правому.  Эту  гипотезу,  просуществовавщую  всего  десятилетие, назвали  теорией  скользящей  эволюции  звезд.

   Когда  были  открыты  источники  энергии  звезд,  вопрос  о массе  звезды  приобрел  важное  значение. Практически  наиболее  верным  способом  определения  массы  звезды  являются  исследования  двойных звезд.  Оказалось,  что  положение  звезды на  Главной  последовательности  определяется  ее массой.  Соотношения  светимостей  звезд  и их радиусов  (L/L_c)=(R/R_c)^5,2,  светимостей  и масс (L/L_c)=(M/M_c)^3,9сравнили  со  значением  количество  энергии, излучаемой  поверхностью  звезды  за  единицу  времени  L/4∏R², и  получили  соотношение  между  температурой  поверхности  и ее поверхностная  температура,  тем  более поздним  будет  ее  спектральный класс.  Эта  формула  позволяет  оценить  массу  звезды  и по  ее  светимости:

(M/M_c)=(L/L_c)^0,256=3,04*10^-0,102M.

Соотношения  между  параметрами  звезд  легли  в основу  моделей  внутреннего  строения  звезд,  полученных  Эддингтоном,  исходя  из  условий  равновесия  плазмы  внутри  звезд. Эддингтон  также  детально  исследовал  природу  белых  карликов [8].

          К 1924 г  была  составлена  новая  диаграмма  соотношений  «масса-светимость»,  из  которых  следует,  что  с  увеличением  массы  скорость  потребления  топлива  растет  быстрее,  чем  его  запас.  Иначе  говоря,  чем больше  и горячее  звезда, тем  быстрее  кончится  ее топливо  и тем скорее  кончится  ее  «жизнь»  на Главной  последовательности,  где  находится  0,99  всех  видимых  звезд. Так,  Солнце, по оценкам ученых, пробудет  на ней  еще  8млрд  лет, т.е.  оно  еще  не  достигло  своего среднего  возраста.  Если бы  Солнце  принадлежало  к  классуА, то его срок  был бы  на исходе.  Для  такой большой и горячей  звезды,  как S Рыбы,  этот срок был  бы  всего 2-3млн  лет. В  теории  Эддингтона  все  свойства  звезды  основывались  на  модели  идеального  газа,  поэтому,  как и газ,  звезды  у него  при сжатии  обязательно  нагревались,  что  опровергало  теорию  скольжения.

Р.Трюмплер  (США),  доказавший  в 1930г.  Существование  межзвездный  пыли,  детально  и систематизированно  исследовал  звездные  скопления.  Сопоставление  его  результатов  с теорией  привело  к следующей схеме эволюции звезд. Облако газа и пыли –газопылевой комплекс-сжимается и нагревается, возникающие при этом неоднородности приводят его в состояние гравитационной неустойчивости, и он распадается на части. Пако такой фрагмент прозрачен  для инфракрасного излучения, температура его внутренних слоев не повышается, и сжатия происходит ускоренно.с некоторого момента изотермическое сжатие переходит в адиабатическое, объект становится непрозрачным, давление и температура внутри растут, замедляя сжатся. Так вощникает протозвезда.

           Внутренние слои  разогреваются за счет гравитационнной энергии падающего к центру вещества, объект как бы закипает, что отражается бурными вспышками на поверхности. Примером такой звезды является Т.Тельца. это состояние продолжается до тех пор, пока разогрев не достигнет значений температуры, достаточных для начала тремоядерных реакций. Так протозвезда приобретает статус звезды. В  соответствии со своей массой звезда занимает определенное место на  Главной последовательности. Наше Солнце проделало такой путь примерно за 2 млн лет. Звезда, с массой примерно равной солнечной, «сядет» в среднюю часть последовательности и останется там около 10 млрд лет.

  По мере выгорания водорода давление в оболочке повышается, внешние слои расширяются, и звезда начинает покидать Главную последовательность ( двинется сначала чуть вправо и вниз), так как на расширение тратится некоторая энергия, и  светимость звезды уменышается (рис-3). Равновесие будет достигнуто за счет формирования протяженной зоны конвекции, и звезда перейдет в группу красных гигантов. Что будет дальше? Огромная  атмосфера красного гиганта может не обеспечить перенос энергии от внутренних слоев, тогда внурти звезды процессы пойдут адиабатически.

 

 

 

 

 

 

 

 

               Рис-3 Соотношение температуры и светимости звезд

 

Вблизи ядра температура может повыситься и достичь необходимого значения для протекания термоядерных реакций, возможно, и с большим выходом энергии, чем у протон-протонных. Тогда холодная огромная атмосфера будет отброшена растущим давлением и превратится в расширяющуюся газовуюю туманность, которая может рассеяться в пространстве за сотни тысяч лет. Вероятно, наблюдаемая в созвездии Лиры туманность имеет такое же происхождение.

          Соединения  ядер гелия возможны, но они дают меньше энергии (до 9%), чем при соединении ядер водорода. Звезда может продлить свое существование, если из углерода, получающегося при  соединении трех атомов гелия, начнут  возникать более сложных ядра. Конец наступает при синтезировании железа. Которое имеет самые устойчивые ядра и уже не выделяет энергии.

          По теории возможен переход в кратковременную стадию- на несколько миллионов лет – пульсаций (стадия цефеиды), после чего звезда станет белым карликом. Предполагаетют, что наше Солнце через миллиарды лет тоже начнет расширяться, достигнет стадии красного гиганта, и, если к  тому времени  человечество не покинет солнечную  систему ( или не уничтожит себя раньше этого сроко), его судьба будет предрешена. Красные гиганты типа Бетельгейзе  и  Антареса развились из звезд Глазной последовательности и были массивнее Солнца. Возможно, большие звезды станут инфракрасными гигантами. Таков эволюционный путь звезды с массой, близкой к солнечной.

          В отличие от звезд типа нашего Солнца , «жизнь» которых относительно станционарна, существуют и переменные звезды, или звезды, блеск которых меняется (беспорядочно или периодически). Затменнопеременными являются двойные звезды. Отмеченное более тысячи лет назад арабскими астрономами изменение блеска звезды бета Персея отражено в названии этой звезды-Эль-Гуль, или «дьявол», что в Еуропе превратилось в Алголь. Причину колебаний ее блеска разгадал англиский астроном-любитель Джон Гудрайк (1764-1786), предположив «существование большого тела, вращающего вокруг Алголя». Он же обнаружил (1784) пульсации звезды дельта Цефея с периодом меньше 0,2 суток [21].

          Еще раньше Давид Фабрициус (1564-1617) заметил новую яркую звезду в созвездии  Кита, блеск которой менялся с периодом в 348 дней, и назвал ее Мирой («чудесная»). Такие долгопериодические переменные звезды- преимущественно звезды- преимущественно звезды-гиганты «холодного» спектрального класса М. Впоследствии были обнаружены и  классифицированы более 14 тысяч переменных звезд.

          Физически переменные звезды  на диаграмме  « спектр-светимость» занимают  широкую полосу в направлении от Главной последовательности в область гигантов и  сверхгигантов. При переходе слева направо период пульсаций звезды, обартно пропорционален корню квадратному из средней плотности звезды. А ведь чем дальше  вправо к области сверхгигантов смещена звезда, тем больше ее радиус и  меньше ее плотьность! Итак, период пульсаций связан со всей структурой звезды. Вероятно, источником пульсаций в этих звездах  служит энергия, высвобразоваться в механическую за счет особонностей ее стронения.

          Важным типов физически переменных звезд  яввляются цефеиды, названные по звезде дельта Цефея (рис. 4). Существуют цефеиды с периодами от нескольких часов до нескольких суток. Изучение спектров цефеид показывает, что вбизи максимального блеска звезда приближается к нам с большей скоростью, а влизи минимума- удаляется (эффект Доплера). Значит, цефеиды периодически сжимаются и расширяются, т.е. это нестационарные пульсирующие звезды.

 

 

 

 

 

 

 

Рис-4.  Кривая блеска звезды

          Но не все звезды проходят такой, относительно спокойной эволюционный путь. Сравнительно часто происходят вспышки Новые звезд (в нашей Галактике до сотни за год), но видеть удаетсятолько одну-две из них. В последние годы установили, что новые является  тесными двойными системами, состоящими из звезды позднего класса и горячей звезды, окруженной оболочкой плотного газа. Возможно, что эта двойственность и является причиной вспышки, причем вспыхивает звезда с массой меньшей, чем у Солнца. Перетягивание части массы к меньшей звезде разогревает ее, что и приводит к взрыву. Термин «новые» был введен  Тихо Браге, который наблюдал вспышку в 1572 г., и, хотя это название не из удачных, поскольку вснышка свидетельствует не о рождении, а о гибели звезды. Оно сохранилось. До сих пор зарегистриировано около 170 новые звезд в нашей Галактике и около 200- в галактике Андромеды.

 Наиболее мгщные взрывы стали называть уже по аналогии Сверхновыми звездами. Вспышка Сверхновой наблюдалась китайскими астрономи еще в 1045 г. в созвездии Тельца, и сейчас остатки оболочки этой взорвавшейся звезды наблюдаются в виде Крабовидной туманности. Со временем она рассеется в пространстве, но при вспышках образуются изотопы многих элементов с массовыми числами, большими 60, и именно эти вспышки обогащают газопылевые комплексы тяжелыми элементами. Это объясняет казавшуюся парадоксальной закономерность-в молодых звездах наблюдается более высокое содержание элементов с атомными массами, большими гелия, чем в старых. Вспышки Сверхновых- событие редкое, их наблюдали примерно раз в 150-300 лет в каждой галактике [19].

          В 1968 г. в английском журнале «Nature» появилась статья (авторы –радиоастрономы  А.Хьюиш, С.Белл, И.Пилкингтон,  П.Скотт, Р.Коллинз), в которой сообщалось об обнаружении на длине волны 3,68 м необычных радиосигналов длительностью 0,3 с и повторяющихся через 1,337 с. Впоследствии оказалось, что эта периодичность поддерживается с точностью  до стомиллионной длои  секунды в  течение полугода, однако маплитуда сигнала меняется. Такой характер  сигнала напоминал передачи земных радиостанций, в которых на строго ритмичные высокочастотные сигналы накладываются колебания звуковой частоты. Характер излучения-пульсирующий-был не полож на известный ранее (типа цефеид), и источники этого излучения назвали пульсарами.

          К настоящему времени их открыто уже более двухсот. Регистрируя излучение пульсаров на различных, но близких частотах, удалось по запаздыванию сигнала на большей длине волны (при предположении о некоторой плотности плазмы в межзвездной среде) определить расстояние до них. Оказалось, что все пульсары находятся на расстояниях от 100 до 25 000 световых лет, т.е. принадлежет нашей Галактике, группируясь вблизи плоскости Млечного Пути. Предполагают, что большинство открытых пульсаров находится в том же  спиральном рукаве, что и Солнце. Пульсар NP 0531 в центре Крабовидной туманности отождествляли со звездой, которую считают остатком от вспышки сверхновой в 1054 г. С развитием рентгеновской астрономии было замечено, что основную долю энергии пульсары излучают не в радио-, а рентгеновском диапазоне, и возрастание периода излучения пульсаров со временем позволяет их возраст.

          Пульсирующий характер излучения объяснятют быстрым вращением звезды и наличием сильного магнитного поля с индукцией до 100 млн Тл.

          Если магнитная ось не совподает с осью вращения, то образуется «магнтиный конус», попав в который заряженная частица может ускориться до скоростей, близких к световым,излучая энергию в направлении своего движения. Так возникает узконаправленный пучок нетеплового излучения. Именно этот радиоимпульс и регистрируется на Земле. Типичным примером пульсара является нейтронная звезда в Крабовидной туманности.

          Получалось, что для пульсаров с периодом 0,5-2 с возраст составляет от миллиона до 30 миллионов лет, т.е. это сравнительно молодые объекты нашей Галактики. Считать , что явление пульсара связано с пульсациями нейтронных звезд, неправильно. При плотности нейтронной звезды в 10 г/см перилд пульсаций равен всего 0,001 с, что в сотни раз меньше наблюдаемых периодов у пульсаров. Поэтому была разработана модель вращающейся нейтронной звезды, у которой ось вращения не совпадает с магнитной.

          В 1985 г. выдвигалась гипотеза, что известный источник рентгеновского излучения Лебедь Х-3 представляет собой кварковую звезду. В 1989 г. в центре взорвавшейся СН 1987 А обнаружили пульсар со скоростью вращения до 2 000 об/с, самый быстрый из известных, и также предположили, что он является кварковой звездой. Считается, что после такой вспышки остаток звезды должен превратиться в белого карлика и туманность.

          Конечные судьбы звезд определяются их массами. Гипотезу о том, что возможно существование звезд огромной плотности, состоящих только из нейтронов, высказал Ландау еще в 1932 г. сразу же после открытия нейтрона. Через два года эту идею развили Вальтер Бааде (1893-1960) и Ф.Цвикки. они показали, что такие звезды могут образовываться при взрывах сверхновых как конечная стадия эволюции массивных звезд. Если в ядре звезды образовались атомы железа, то оно будет продолжать сжиматься и разогреваться под действием сил гравитации. В таких условиях железо начнет распадаться на протоны и нейтроны, затем протоны при взаимодействии с электронами превратятся в нейтроны. Так получиться компактная звезда, состоящая из нейтронов. Снаружи нейтронное ядро будет обрамлять железная кора, имеющая температуру до 1  млн К. Размеры звезды примерно 12 км при средней плотности 10 кг/м. При такой огромной плотности нейтронная жидкость является вырожденной и подчиняется принципу запрета Паули, препятствующему дальнейшему сжатию. В центре нейтронной жидкости возможно примесь кваркового вещенства.

     Если же при вспышке сверхновой давление вырожденных нейтронов не сможет предотвратить дальнейшее сжатие ядра, начнется гравитационный коллапс. Когда скорость убегания (или вторая космическая) станет равной скорости света, такой коллапс неотвратим, и звезда превратится в черную дыру. Теория черных дыр, предсказанных общей теорией относительности, разработана достаточно подробно. Сейчас «подозреваемыми» объектами на черные дыры являются Лебедь Х-1, Скорпион Х-1, Стрелец А и др.

     Итак, звезды эволюционируют, и эволюции звезд необратима. Грандиозные неравновесные процессы происходят в пульсирующих звездах- цефеидах. В недрах звезд происходят мощные термоядерные процессы, обеспечивающие  выделение огромного количества энергии. В конечные этапы жизни звезд в них возникают некие упорядоченные состояния, которые не могут быть описаны классической физикой. В нейтронных звездах и белых карликах вещенство переходит в новые квантовые состояния, которые ограничивают энергетические потери.

 

1.3  Эволюция Галактики

   Вначале Галактика представляла собой медленно вращающееся газозвое облако, размеры которого в десятки  раз больше современных. Под действием собственной гравитации облако сжималось (или коллапсировало), так что центробежная сила и газовое давление не могли противостоять этому. В ходе коллапса рождались первые звезды, унаследовавшие радиальное движение газа к центру систамы, поэтому их  орбиты сильно вытянулись, и эксцентриситет их орбит сразу был велик.

    В последующем стало сказываться различие звездной и газовой подсистем. Выделящаяся при коллапсе облако энергия гравитации переходила в кинетическую энергию движения звезд и газа. В звездной подсистеме увеличение кинетической энергии прекратило дальнейшее сжатие. Поэтому подсистема звезд (уже старых), возникшая в начале    коллапса протогалактики, сохранила свою первоначальную почти сферическую форму, образовав гало. Газ терял свою энергию движения в столкновениях газовых облаков, которая переходила в тепло и уносилась в виде излучения (диссипативный коллапс) и газ продолжал сжиматься.

    Из-за сохранения углового момента при сжатии скорость вращения возрастала. Возросшие центробежные силы прекратили сжатие поперек оси вращения, тогда как сжатие вдоль оси продолжалось. Так сформировался тонкий газовый диск, а родившиеся в нем звезды образовали вращающуюся дисковую подсистему.

     В 60-е годы сложилось представление о том, что в результате гравитационной конденсации в Галактике происходит непревывное превращение некоторой доли межзвездного газа в звезды  разных масс. Массивные звезды, с массой М>10М , эволюционируют очень быстро-за сотни тысяч и миллионы лет. В  конце своей жизни они сбрасывают в окружающее пространство большую часть своей массы  и могут взорваться как сверхновые, тогда в среде появляются тяжелые элементы, синтезированные в недрах бывшей массивной звезды [21].

       Межзвездная среда получает тяжелые элементы, и они в готовом виде входят в состав вновь рожденных звезд. Звезды меньших масс захватывают эти элементы, их состав и отражает состав среды, из которой они образовались. Самые старые из этих звездных карликов отражают состав Галактики в начале ее эволюции, а изменение состава при переходе к более молодым звездам-картину химической эволюции Вселенной. Поскольку отношение, называемое металличностью звезды, связано с ее возрастом, то оно служит его определителем: чем меньше отношение (Fe/H), тем старше звезда. Исследование состава звезд имеет фундаментальное значение для познания эволюции Вселенной. (Н.Сковил, Дж.Янг. ВМН. 1984.№6. С.15)

   Недавно установили, что содержание тяжелых металлов в среднем растет к центру как нашей, так и других Галактик, и этот градиент связан с диссипативным коллапсом протогалактик. Поскольку этого эффекта не должно быть у звездных систем, образованных из уже готовых звезд, то наличие градиента доказывало бы теорию сжимающейся газовой протогалактики. Было замечено , что в эллиптической галактике М 87 подсистема шаровых скоплений имеет такой же градиент содержания металлов, что и вся галактика. Значит, шаровые скопления образовались из того же вещенства, что и звезды, а не родились на догалактической стадии эволюции.

    К 80-м годам было обнаружено, что у дисковых и эллиптических галактик металличность одного порядка, т.е. тяжелые элементы в дисковых системах были созданы на стадии коллапса. Большую часть тяжелых металлов дало поколение звезд, на долю которых приходиться небольшая доля массы. Распределение по содержанию металлов не непрерывно, имеються провалы вблизи значений         (Fe/H)=1; -0,5; -0,1. Эти данные пока не получили единого объяснения , но не вызывает сомнений, что процессы рождения металлов происходили циклично.

     Таким образом, последние исследования эволюции Вселенной показывают неравномерность процессов рождения звезд, наличие периодов интенсивного развития и образования звезд, перемежающихся периодами спадов, прекращения процессов звездообразования. Эти проблемы обсуждались на коллоквиуме (1977), когда пришли к мнению, что поскольку самые молодые шаровые скопления старше самые старых рассеянных скоплений на 5-10 млрд лет, то после формирования гало процесс образования звезд приостановился на этот срок. Недавно этот результат был подтвержден на основе других данных-оказалось, что в голубых галактиках отсутствуют звезды возраста 1-10 млрд лет, хотя есть и молодые и старые объекты.  Аналогичные соображения появляются относительно ближайшей к нам галактики Магеллановых Облаков и некоторых других.

    Расчеты на ЭВМ показали, что только при некоторых разрывах в звездообразовании может возникнуть столь сложная форма-линза с шарообразным утолщением в центре. Непреывный процесс звездообразования ведет к эллипсоидальным формам. Поскольку вытянутость орбиты (эксцентриситет) характеризует возраст звезды ( у старых он больше), то оказалось, что некоторые значения е практически не встречаюттся. В построении общей картины еще неясного. Например, нет объясснения обнаруженному светящемуся окружению галактического диска, масса которого превышает массу видимой галактики. Непонятно, почему у карликовой галактики в созвездии Дракона, в сотни раз меньше нашей, металличность много больше, чем у огромной галактики М 31, известной под названием туманности Андромеды. В то же время я ядре нашей Галактики, где плотность звезд в миллионы раз  больше, чем в окрестности Солнца, содержание тяжелых элементов примерно одинаково с М 31.

 

1.4  Понятие о космологии

Космология занимается изучением физических свойств Вселенной как целого. В частности, ее целью является создание теории всей охваченной астрономическими наблюдениями области пространство, которую принято называть Метагалактикой.

Как известно, теория относительности приводит к выводу о том, что присутствие больших масс влияет на свойства пространства – времени. Свойства привычного нам евклидова пространства (например, сумма углов треугольника, свойства параллельных линий) вблизи больших масс изменяются или, как говорят, пространство «искривляется». Это искривление пространства, создаваемое отдельными массами (например, звездами), очень мало.

Так, следует ожидать, что вследствие искривление пространства луч света вблизи Солнца должен изменить свое направление. Точные измерения положений звезд вблизи Солнца во время полных солнечных затмений позволяют уловить этот эффект, правда, на пределе точности измерений [7].

Однако суммарное действие гравитирующих (т.е. обладающих притяжением) масс всех галактик и сверхгалактик может вызвать определенную кривизну пространства в целом, что существенным образом повлияет  на его свойства, а следовательно, и на эволюцию всей Вселенной.

Даже сама постановка задачи определения (на основе законов теории относительности) свойств пространства и времени при произвольном распределении масс чрезвычайно трудна. Поэтому обычно рассматриваются некоторые приближенные схемы, называемые моделями Вселенной.

Самые простые из них основаны на предположении, что вещество во Вселенной в больших масштабах распределено одинаково (однородность), а свойства пространства одинаковы по всем направлениям (изотропность). Такое пространство должно обладать некоторой кривизной, а соответствующие ему модели называются однородными изотропными моделями Вселенной.

Решения эйнштейновских уравнений тяготения для случая однородной изотропной модели показывают, что расстояния между отдельными неоднородностями, если исключить их индивидуальные хаотические движения (пекулярные скорости), не могут сохраняться постоянными: Вселенная должна либо сжиматься, либо, что соответствует наблюдениям, расширяться. Если отвлечься от пекулярных скоростей галактик, то скорость взаимного удаления любых двух тел во Вселенной тем больше, чем больше расстояние между ними. Для относительно малых расстояний эта зависимость линейна, причем коэффициентом пропорциональности служит постоянная Хаббла. Из сказанного следует, что расстояние между любой парой тел есть функция времени. Вид этой функции зависит от знака кривизны пространства. Если кривизна отрицательна, то «Вселенная» все время расширяется. При нулевой кривизне, соответствующей евклидову пространству, расширение происходит с замедлением, причем скорость расширения стремится к нулю. Наконец, расширение «Вселенной», обладающей положительной кривизной, в некоторую эпоху должно смениться. Сжатием. В последнем случае в силу неевклидовой геометрии пространство должно быть конечным, т.е. иметь в любой момент времени определенный конечный объем, конечное число звезд, галактик и т.д. однако «границ» у Вселенной, естественно, но не может быть ни в каком случае.

Двумерной моделью такого замкнутого трехмерного пространства является поверхность раздуваемого шара. Галактики в такой модели изображаются плоскими фигурами, начерченными на поверхности. При растяжении шара увеличивается площадь поверхности и расстояние между фигурами. Хотя в принципе такой шар может неограниченно расти, площадь его поверхности кончена в каждый момент времени. Тем не менее в его двумерном пространстве (поверхности) границ нет.

Кривизна пространства в однородной изотропной модели зависит от значения средней плотности вещества. Если плотность меньше некоторого критического значения, кривизна отрицательна и имеет место первый случай. Второй случай (нулевая кривизна) осуществляется при критическом значении плотности. Наконец, при плотности больше критической – кривизна положительна (третий случай). В процессе расширения абсолютное значение кривизны может меняться, но знак ее остается постоянным.

Критическое значение плотности выражается через постоянную Хаббла Н и гравитационную постоянную f следующим образом:

при Н = 55 км/сек ∙ Мпс, г/см³. Учет всех известных в Метагалактике масс приводит к оценке средней плотности около 5 · 10^-31г/см³. Однако это заведомо нижний предел, так как еще не известна масса невидимой среды между галактиками. Поэтому имеющаяся оценка плотности не дает оснований судить о знаке кривизны реального пространства [7].

В принципе возможны другие пути эмпирического выбора наиболее реальной модели Вселенной на основе определения красного смещения наиболее далеких объектов (от которых свет, дошедший до нас, был испущен сотни миллионов и миллиарды лет назад) и сопоставления этих скоростей с расстояниями до объектов, найденными другими методами. Фактически таким путем из наблюдений определяется изменение во времени скорости расширения. Современные наблюдения еще не настолько точны, чтобы можно было уверенно судить о знаке кривизны пространства. Можно сказать только, что кривизна пространства Вселенной близка к нулю.

Постоянная Хаббла, играющая такую важную роль в теории однородной изотропной Вселенной, имеет любопытный физический смысл. Чтобы пояснить его, следует обратить внимание на то, что обратная величина 1/Н имеет размерность времени и равна 1/Н = 6 ∙ 10¹⁷секили 20 миллиардам лет. Легко сообразить что это есть промежуток времени, необходимый для расширения Метагалактики до современного состояния при условии, что в прошлом скорость расширения не менялось. Однако вопрос о постоянстве  этой скорости, о предшествующей и последующей (по отношению к современной) стадиях расширения Вселенной еще плохо изучен.

Подтверждением того, что Вселенная действительно когда-то находилась в некотором особом состоянии, является открытое в 1965 г. космическое радиоизлучение, названное реликтовым (т.е. остаточным). Его спектр тепловой и воспроизводит кривую Планка для температуры около 3⁰К. [Заметим, что согласно формуле (7.32) максимум такого излучения приходится на длину волны около 1 мм, близкую к доступному для наблюдений с Земли диапазону электромагнитного спектра.] Отличительной чертой реликтового излучения является одинаковость его интенсивности по всем направлениям (изотропность). Именно этот факт и позволил выделить столь слабое излучение, которое не удавалось связать ни с каким объектом или областью на небе.

Название «реликтовое» дано потому, что это излучение должно быть остатком излучения Вселенной, существовавшего в эпоху большой ее плотности, когда она была непрозрачна к собственному излучению. Расчет показывает, что это должно было иметь место при плотности г/см³ (средняя концентрация атомов порядка 10⁴ см^-3), т.е. когда плотность в миллиард раз превышала современную. Поскольку плотность меняется обратно пропорционально кубу радиуса, то, полагая расширение Вселенной в прошлом таким же, как и сейчас, получим, что в эпоху непрозрачности все расстояния во Вселенной были  в 1000 раз меньше. Во столько же раз была меньше и длины волны . Поэтому кванты, имеющие сейчас длину волны 1 мм, ранее имели длину волны около 1 мк, соответствующую максимуму излучения при температуре около 3000 ⁰К.

Таким образом, существование реликтового излучения является не только указанием на большую плотность Вселенной в прошлом, но и на ее высокую температуру («горячая» модель Вселенной).

О том, была ли Вселенная в еще более плотных состояниях, сопровождавшихся значительно более высокими температурами, в принципе можно было бы судить на основании аналогичного изучения реликтовых нейтрино. Для них непрозрачность Вселенной должна наступить при плотностях г/см³, что могло быть только на сравнительно очень ранних этапах развития Вселенной. Как и в случае реликтового излучения, когда вследствие расширения Вселенная переходит в состояние с меньшей плотностью, нейтрино перестают взаимодействовать с остальным веществом, как бы «отрываются» от него, и в дальнейшем претерпевают только космологическое красное смещение, обусловленное расширением. К сожалению, регистрация таких нейтрино, которые в настоящее время должны обладать энергией всего лишь в несколько десятитысячных долей электрон-вольт, вряд ли сможет быть осуществлена в скором времени [13].

Космология в принципе позволяет получить представление о наиболее общих закономерностях строения и развития Вселенной. Легко понять, какое огромное значение имеет этот раздел астрономии для формирования правильного материалистического мировоззрения. Изучая законы всей Вселенной в целом, мы еще глубже познаем свойства материи, пространства и времени. Некоторые из них, например, свойства реального физического пространства и времени в больших масштабах, можно изучить только в рамках космологии. Поэтому ее результаты имеют важнейшее значение не только для астрономии и физики, которые получают возможность уточнить свои законы, но и для философии, приобретающей обширный материал для обобщения закономерностей материального мира.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ІІ.   Происхождения и эволюция Солнечной системы.

2.1  Происхождение Солнечной системы

Вопросами происхождения и нашей, и других планет солнечной системы занимается  космогония. К сожалению, пока нет возможности проверить выводы теории на какой – то другой планетной семье.

          Почти все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, как и почти все спутники вокруг своих планет. Почти все планеты имеют незначительные  наклоны плоскости орбит к плоскости эклиптики и малые эксцентриситеты (исключение составляют орбиты Плутона и некоторых малых планет). Расстояния планеты до Солнца составляют некоторую прогрессию, определяемую правилом Тициуса – Боде. Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) имеют меньшую плотность и больший размер и вращаются вокруг своих осей быстрее, чем планеты земной группы.

          Кант предположил, что солнечная система образовалась из космического облака, или “хаоса”. Мировое пространство заполнено  “инертной, бесформенной и неупорядоченной” матерей, которая  “стремится преобразоваться в более организованную путем естественного развития”. Совокупное действие ньютоновского  притяжения и сил отталкивания, которые ему пришлось ввести, привели Канта к мысли о возможности зарождения в хаосе круговых движений,  поэтому и орбиты планет почти круговые, и вращаются они в одну сторону. Образовавшись из  сгущений, возникших в первичной туманности,  планеты отдалялись от нее и от Солнца центробежной силой. Сила отталкивания не была определенна Кантом, но он привел пример силы отталкивания  между кометными хвостами, состоящими из очень разраженной материи. Он не мог обойти и основной вопрос – о первотолчке. Кант выделил роль химических сил, действующих между разреженными и разнородными элементами материи, пологая, что до образования плотной материи, в которой господствуют силы тяготения, основными были силы сцепления материи.

Считая, что Млечный Путь является проекцией на наш небесный свод, Кант искал причины, по которым “положение неподвижных звезд оказалось связанным с общей плоскостью”. Млечный Путь для звезд он сравнивал с Зодиаком для солнечной системы и искал однотипные процессы для объяснения. Ему удалось представить структуру Вселенной, которую не предполагал и Ньютон: Вселенная есть иерархия самогравитирующих систем. Не имея данных о массах и расстояниях в космосе, Кант заключил, что все системы должны иметь сходную структуру и в первом приближении описываться как пары взаимодействующих через тяготение масс. Он указал, что наблюдения, направляемые интуицией теоретиков, могут открыт более глубокие закономерности, управляющие Вселенной.

Исследуя галактические туманности, У. Гершель сформулировал гипотезу об образовании звезд при медленном сгущении рассеянной газовой материи, из которых состоят открытие им многочисленные неправильные галактические туманности. Лаплас в своей книге “Изложение системы мира” (1796)  изложил гипотезу об образовании солнечной системы. Он воображал первичное Солнце звездой огромных размеров, превышающих радиус орбиты Юпитера. При медленном вращении этой материи происходили охлаждение и конденсация. По мере сжатия скорость вращения возрастала вследствие сохранения момента количества движения, тогда как центробежная сила в области экватора росла, и в этой области от первичного Солнца должно было отделиться газовое кольцо. Так, по Лапласу, из отделяющихся от первичного Солнца колец материи образовались планеты. Каждое кольцо разрывалось на несколько масс, конденсирующихся потом в планету. Спутники планет  образовалась из газовых колец, отделенных уже самими планетами [7].

Гипотеза Лапласа, выросшая из идей Канта, получила наименование

небулярное  гипотезы Канта- Лапласа и оставалось первой ротационной  гипотезой  о возникновении солнечной системы вплоть до конца прошлого века. Однако она не объясняла больших размеров орбит внешних планет- гигантов и медленности вращения Солнца, а также не отвечала на вопрос, почему момент количества планет почти в 29 раз больше момента количества Солнца, если солнечная система изолирована. Последнее обстоятельство, казалось, требовало ввести в солнечную систему вмешательство какой-то внешней силы. Так появились катастрофические гипотезы.

Джинс, автор одной из таких гипотез, предположил что какая-то звезда прошла неподалеку  от Солнца и вызвала некие “приливные выступы”, принявшие форму газовых струй, из которых и возникли но вытянутыми, но из-за огромного сопротивления пылевой среды между двумя звездами постепенно приближались к круговым. Недостатком гипотезы Джинса была уникальность образования планетной системы, поскольку близкое прохождение звезд, почти столкновение их, столь редкое явление, что может случиться раз  лет. В 1935 г. Ресселл подсчитал момент количества движения  приблизившейся к Солнцу звезды (он оказался на порядок меньше среднего момента количества движения планет по современным данным). Ему пришлось ввести,  еще одно предположение: Солнце в прошлом было двойной звездой, спутник Солнца вращался от него на расстоянии примерно равном радиусу орбиты Урана или Нептуна, какая-то внешняя звезда столкнулась с ним, отбросила его за пределы солнечной  системы и удалилась сама.

Астроном и физик Н. Н. Парийский (р. 1900) рассчитал разнообразные возможности такого хода событий при разных скоростях сгустка, вырванного из Солнца, и оказалось, что только при скоростях от 400 до 500 км/с возможно получить орбиты для планет, но все они очень малы для нашей системы. Тем не менее Джинс заложил основы теории гравитационной неустойчивости, которые дали ростки в последующих гипотезах.

Академик Отто Юльевич Шмидт (1891 — 1956), один из организаторов освоения Северного морского пути, отказался от изолированности солнечной системы и посчитал, что если “обратиться к ее движению в Галактике, то отпадает затруднение с моментом количества движения, так как Солнце могло захватить из Галактики материю, обладающую достаточным моментом”. Считая, что на Землю падает примерно 1 т метеоритов за сутки, он вычислил, что для “вырастания” нашей планеты таким путем было бы необходимо около 7 млрд лет, тогда как согласно геологическим данным возраст земной коры составлял 3 млрд лет. Что же, кора может быть моложе внутренних областей планеты! При образовании планет из метеоритов, по гипотезе Шмидта, стало преобладать какое-то направление вращения, и все планеты начали двигаться в одну сторону. Кроме того, все орбиты становились симметричными по всем направлениям, их эксцентриситеты приближались к нулю, и орбиты становились почти круговыми (причем это сильнее сказывалось на более массивных планетах). Расчеты Шмидта показали уменьшение периода вращения Солнца до 20 суток, тогда как он равен сейчас 25 суткам, что считается хорошим результатом.

Академик Василий Григорьевич Фесенков (1899 — 1972), один из основоположников астрофизики, от чисто механических объяснений образования планет обратился к процессам, происходящим внутри Солнца. Для него процесс образования планет происходил во время перехода от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому, что определялось прежде всего температурным условиями. Условия равновесия требовали выброса массы Солнца, и этот выброс соответствовал расчетам английского астронома и математика Джорджа Дарвина (1845 — 1912), сына Ч. Дарвина, и русского ученого математика и механика Александра Михайловича Ляпунова (1857 — 1918). Они рассчитали фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы. Гипотеза Фесенкова связала жизнь в солнечной системе в единое целое и избавила теорию планетообразования от внешних случайных факторов.   “” 

 

2.2  Экспериментальные исследования происхождения планет

Создание космических станций позволоило сделать асторномию всеволновой и не зависимой от атмосферных влияний. Этот период совпал с бурным развитием радиоэлектроники, кибернетики и косманавтики, с использованием в астрономии методов современной теоретической и эксперименталбной физики (физика плазмы, физика твердого тела, общая теория относительности и др.)и вычислительной техники. Так, использование радиотелескопов       увелечило разрешающую способность в сотни миллионов раз. Появилась возможность регистрировать несационарные процессы, которые сопровождаются бурным выделением энергии.Фактически можно сделить за  самим процессом звездообразования.

  В области планетарных космоногнии особое имеет выяснение природы планетарных туманностей, начатое еще У. Гершелем. Оказалось, что они возникают из отделившихся наружных оболочек красных гигантов, в то времия как ядра этих звезд достаточно быстро, по косметическим масштабам, превращаются в белые карлики. Эти чрезвычайно плотные маленькие звезды были известны давно, но только в последнюю четверть века стало ясно, как они «вызревают», по выражению Шкловского, внурти «нормальных»  эвезд при их эволюции [9].

  Использование ЭВМ позволило рассчитывать эволюцию разных моделей при разных начальных условиях.  Расчеты показали, что начальная масса газпылевого комплекса, в котором образовалась  солнечная система, достигла 10 . Мы не знаем размеров и массы этого облака. За минимальное  значение брали 0,3  . Верхнее  пределы определяли по – разному: Хойл — 4, А.Камерон и М.Пайн – 2 .

При определенных значения массы,  плотности и температуры такой комплекс начинает сжиматься,  возникающие неоднородности разрывают  его на фрагменты,  из которых при дальнейшем сжатии и образуются протозвезды. Наше  Солнце стало Протозвездой около 5 млрд  лет назад. Центробежные силы  выделяли экваториальную область, в ней возникали неустойчивые нестационарные потоки в газе  и пыли, и часть этого вещества была оторвана от самого Солнца,  унеся с собой избыточный момент количества движения. Так образовался газопылевой диск в  экваториальной плоскости Солнца. Этот  диск рос, и в нем возникали условия для рождения планет. Во вращающемся и сжимающемся  фрагменте, потерявшем часть вещества на образование диска, увеличивалась температура, росло давление, что препятствовало дальнейшему сжатию. Во внешних слоях пошли бурные  процессы, вызывающие огромные точки в ионизованном газе и сильные магнитные поля. Когда  температура достигла 10 млн  К, пошли термоядерные реакции, и «загорелось» наше Солнце. На этот процесс потребовалось почти 100 млн лет.

    Протопланетное облако к этому времени представляя собой кольцо, в котором при уплотнении пылинки слипались между собой. Солнце  нагревало  внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение, выгоняя солнечным ветром более легкие элементы в более дальние части кольца, где они «замерзали» (Т=50 K). Так  происходило образование двух групп планет. Планеты земной группы  образовались примерно за те же 100 млн лет.

  На рис. 118 представлено  распределение плотностей и температур в  протопланетном  облаке периода начала конденсации по данным Камерона и Пайна. В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью. Это привело к неоднородности протекания химических процессов, которая усиливалась давлением солнечного излучения и корпускулярной радиации Солнца .  В результате в разных частях протопланетного облака возникали неоднородности, что потом отразилось на составе образовавшихся  планет. Химическая эволюция протекала тоже  по – разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы и их соединения, потом – летучие. Аккумуляция конденсатов в планеты и метеоритные  тела началась еше до завершения процессов конденсации.

   Агломерация твердых частиц и жидких капель в планетные тела связана, вероятно, с появлением первых конденсатов железа.  Сгущение  высокотемпературной фракции конденсатов вело к образованию ядер планет, обогащенных железоникелевым сплавом. Вокруг них оседали  магнезиально – силикатные породы, которые образовали первичные мантии. Более поздние конденсаты – гидратированные  силикаты, органические вещества и летучие соединения. Так формировались первичные планеты земной группы.

   Исследование образцов лунного грунта показало , что в период своего формирования Луна была разогрета до 1 000 К. Видимо , это связано с обильным  падением на нее огромного числа метеоритов, что отражает и ее поверхность. Анализ структуры кристаллических пород приводит к выводу, что они когда – то были полностью  расплавлены, а потом подверглись очень быстрому охлаждению. Присутствие базальтов свидетельствует об активной вулканической деятельности, которая почти прекратилась около 3 млрд лет назад. Возраст пород находиться в пределах 3,23 – 4,65 млрд лет, т. е. Луна образовалась почти одновременно с Землей.

  В некотором смысле Галилей оказался провидцем, когда назвал обширные темные территории на Луне морями: когда – то лава вытекала через отверстия в коре и затапливала эти участки. Истечение лавы происходило почти 1 млрд лет, об этом стало известно из исследования лунных пород. Странно, что ее материал содержит сильно повышенное количество тугоплавких литофильных элементов и очень малое число летучих. Происхождение Луны весьма загадочно. Похоже, она образовалась вблизи Солнца за счет самых ранних дометаллических конденсатов при высоких температурах.

   Странными оказались аномалии магнитного поля, которые сильно менялись от точки к точке. При изучении его со спутников было получено значение, которое меньше земного в 1000 раз. Относительно образования нашего спутника существуют несколько гипотез. Одна из них основана на уже упоминавшейся теории Джинса и Ляпунова-Земля вращалась очень быстро и сбросила часть своего вещества. Другая основана на захвате Землей пролетавшего небесного тела. Сейчас наиболее правдоподобной считается гипотеза столкновения Земли с планетой, примерно в половину меньше ее (типа  Марса), происшедшего под большим, «скользящим» углом, в результате которого образовалось огромное кольцо из обломков (железное ядро Земли при этом не пострадало), что и составило основу для Луны (железа на Луне очень мало).

    Планеты-гиганты образовывались дольше. За 100 млн. Лет сформировались их ядра, потом они аккумулировали газ окружающего пространство и образовали свои протяженные атмосферы. Начальные температуры планет-гигантов были высоки (у Юпитера-до 5000 К, у Сатурна- до 2000 К), что обеспечивалось распадом короткоживущих радтоактивных элементов и интенсивным падением метеоритов. Формирование более дальних планет происходило еще медленнее. Сейчас обсуждается гипотеза об ином образовании планет внешней группы: они являются остывшими маленькими звездами, и остыли давно, вероятно, когда Солнце еще только начинало свою звездную жизнь.

    Использование космических аппаратов сильно изменило наши представления о межзвездной среде и ее взаимодействии с планетами. Непосредственно изучалось влияние солнечной активности на процессы в межпланетном пространстве. Солнечный ветер-вытекающий из солнечной короны сверхзвуковой поток водородной плазмы-несмотря на свою низкую плотность (порядка 10 частиц в 1 см³) вызывает мощные возмущения вблизи планет. Около планет, обладающих сильным магнитным полем, образованы магнитосферы. До полетов считалось, что магнитосферы имеют Юпитер и Земля. Еще с 1995 г. по радиоастрономическим наблюдениям было известно, что Юпитер обладает нетепловым издучением в дециметровом и декаметровом диапазонах, при этом источником первого (при частотах, больших 200 Мгц) служит тороидальная область диаметром вдвое большим диаметра самой планеты. Радиоизлучение Юпитера является синхротронным излучением релятивистких электронов, которые движутся по спиральным траекториям в магнитном поле планеты. Оказалось, что магнотосфера Юпитера является источником космических лучей, и, по некоторым предположениям, контролирует часть потоков этих лучей низких энергий.

    Если магнитное поле Земли останавливает солнечный ветер на растоянии, примерно равном 10 радиусам Земли, то «Пионер-10» пересек границу магнитосферы Юпитера на растоянии почти 100 его радиусов. На таком растоянии давление потока солнечного ветра в 25 раз меньше, чем около Земли, а магнитный момент Юпитера превышает земной в 10 тысяч раз, поэтому ожидалось, что это растояние будет намного дальше. Кроме того, магнитосфера Юпитера оказалась подверженной сжатию под действием давления со стороны солнечного ветра. Было установлено, что магнитная ось Юпитера наклонена на 10⁰, поэтому здесь северный магнитный полюс, в отличие от земного, расположен в северном полушарии [21].

   Выявлено несколько периодично возникающих аномалий, что не соответствует модели магнитодиска. Хвост магнитосферы тянется на 400 радиусов планеты, или на несколько растояний от Земли до Солнца. Суждения и модели развития, которые строятся на базе этого нового материала, весьма различны. Имеются данные об особенностях магнитосферы Юпитера, которые считали присущими нейтронным звездам или радиопульсарам. Эти особенности позволят лучше понять механизмы ускорения заряженных частиц и излучения волн в астрофизических масштабах.

   Что  касается спутников больших планет, то они повторяли их путь. До последнего времени о спутниках планет-гигантов практически ничего не было известно, кроме параметров орбиты и спектров, полученных с поверхности, хотя на самом деле они представляют собой целые миры со своей историей. О спутниках Юпитера и Сатурна обширные данные были получены с космических аппаратов «Пионер» и «Вояджер», которые передали на Землю великолепные изображения спутников, видимых с Земли слабыми пятнышками. В конце 80-х годов «Вояджер-2» провел аналогичное обследование и самых дальных объектов нашей солнечной системы. Особенно детально иследован спутник Юпитера Ио. Малые планеты и кометы считаются образованными из вещества протопланетного облака, не вошедшего в планеты и их спутники.

 

2.3  Особенности образования нашей планеты

    Процесс образования каждой из планет солнечной системы имел свои особенности. Около 5 млрд лет на растоянии 1 а.е.=150 млн км от Солнца зародилась наша планета. При падении на нее астероидоподобных тел вещество нагревалось и дробилось. Первичное вещество сжималось под действием тяготения, принимало форму шара, недра которого разогревались. Происходили процессы перемешивания, шли химические реакции, более легкие силикатные породы выдавливались из глубины на поверхность и образовывали земную кору, тяжелые-оставались внутри. Разогревание сопровождалось бурной вулканической деятельностью, при этом пары и газы вырывались наружу. У планет земной группы сначала не было атмосфер, как нет их сейчас на Меркурии и Луне. В процессе вулканической деятельности рождалась земная атмосфера, а водяные пары конденсировались в океанах.

    Немецкий геолог и минералог Абраам Готлоб Вернер (1749-1817), основавший в Саксонии институт для изучения минералов и полезных ископаемых (1775),разработал первую систему классификации горных пород и ландшафтов. В то время многие считали, что земная поверхность формировалась в результате землетрясений и вулканической деятельности. Вернер исходил из того, что Земля была покрыта океаном («всемирный потоп»). Когда вода постепенно отступила, из отложений минералов в воде в течение более миллиона лет образовались слои пород. Гипотеза Вернера оказала большое влияние на развитие геологии, а его теория получила название нептунической-по имени бога морей Нептуна.

   Шотландский геолог Джеймс Геттон (1726-1797) отказался от библейской идеи о потопе и выдвинул версию, что Земля претерпевала медленную эволюцию в течение многих миллионов лет. Под действием ветра, воды, вулканов, землетрясений земная кора разрушалась, а продукты разрушения образовали слои на поверхности планеты. Тепло земных недр перемещало породы и формировало континенты. Теория Геттона, представленная в его книге «Теория Земли» (1795), названа плутонической-по имени бога подземного царства Плутона.

    Профессор геологии в Лондонском Королевском колледже Чарлз      Лайель (1797-1875) поддерживал идею Геттона, считая, что геологические явления вызваны природными факторами, действующими длительные промежутки времени, и что всюду природные факторы действуют одинаково. Лайель сформировал геологию как научную дисциплину, а его теория, получившая название теории «едтнообразных изменений», поддерживается многими современными учеными.

    Возможно, что обилие воды на поверхности Земли (по сравнению с близкой по массе Венерой) вызвано именно тем колоссальным столкновением протопланет, которое привело к образованию Луны. Образование океанов не прекращается на земле до сих пор, хотя это уже не интенсивный процесс. Обновляется земная кора (причем не только силами естественного происхождения), вулканы выбрасывают в атмосферу огромные количества углекислоты и водяных паров. Первичная атмосфера Земли сильно отличалась от современной: она была значительно более плотной и состояла в основном из углекислого газа. Резкое изменение состава атмосферы произошло примерно 2 млрд. Лет назад и связано с зарождением жизни. Растения каменноугольного периода в истории Земли поглотили большую часть углекислого газа и насытили атмосферу кислородом. Последние 200 млн. Лет состав земной атмосферы практически остается неизменным.

    Солнце и Луна вызывают не только приливы в водной оболочке Земли. Под их влиянием даже твердая Земля несколько удлиняется-до 30 см. Земля в свою очередь тоже вытягивает Луну-на 40 см. Взаимное расположение Солнца и Луны меняет величину приливов. Если приливные действия Солнца и Луны складываются (во время полнолуния или новолуния), то приливы на Земле большие и называются сизигийными (греч. Syzygia «соединение, пара» ), если они действуют под прямым углом, когда Луна находится в первой или третьей четверти, то приливы существенно меньше и называются квадратурными.

    Из-за приливных сил возникает сила трения, замедляющая вращение Земли вокруг оси, т.е. удлиняющая наши сутки. На это впервые (1754) указал Кант и даже попытался оценить такое замедление вращения.  Этими оценками впоследствии воспользовался в своей космогонической гипотезе Дж. Дарвин. Удлинение суток составляет 0,002 с за столетие, его можно обнаружить по рубцам на теле некоторых кораллов. Прирост меняется в течение года, каждому году соответствует своя полоска, как кольцам на срезе дерева. Изучая ископаемые кораллы, возраст которых составляет 400 млн. Лет, геологи обнаружили, что в те далекие времена год состоял из 400 суток, каждые сутки-из 22 часов. По окаменелостям более древних форм было установлено, что 2 млрд. Лет назад сутки составляли всего 10 часов.

     Поэтому из-за приливных сил Луна обращена к Земле одной стороной, ее период вращения вокруг своей оси сравнялся с ее «годом». Почти в той же ситуации оказался и Меркурий: его сутки равны 59 земным, и он успевает всего три раза обернуться вокруг своей оси за два оборота вокруг Солнца, т.е. за свои сутки проходит 2/3 своего годового пути. На Венере вращение происходит тоже медленно. Существует гипотеза, что Меркурий и Венера раньше вращались по одной орбите. У Меркурия наибольшая вытянутость орбиты, и Солнце, расположенное в фокусе эллипса, значительно смещено от центра , поэтому скорость у Меркурия в перигелии в 1,52 раза выше, чем в афелии. Оценим период Р между двумя восходами Солнца на Меркурии: (1/Р)=(1/Р)-(1/Т)=(1/2)Т, и Р=2Т=176 сут.

    Получается, что солнечные сутки на Меркурии втрое больше звездных и вдвое больше периода обращения. Если нарисовать «годовой путь» Меркурия, то видно, что в перигелии Меркурий обращен к Солнцу то одним боком, то другим, а в афелии-прогреваются его полюсы.

    Венера вращается медленнее и в противоположную сторону, кроме того, у нее ось вращения почти перпендикулярна плоскости ее орбиты, поэтому можно приписать знак минус ее периоду вращения: Р=-243,16 сут. Периоды вращения Р и обращения Т Венеры связаны с периодом обращения Земли Т₃ следующим равенством: (1/Р)=-4(1/Т)+5(1/Т₃).

    Вычислим период соединений Т_с Венеры с Землей, т.е. период сближения планет на минимальное расстояние: (1/ Т_с)=(1/Т)-(1/Т₃);  Т_с=ТТ₃/(Т₃-Т)= =583,92 сут.

    Перейдем теперь в систему отсчета, в которой Земля неподвижна. Найденный период сближения Т_с теперь окажется временем возвращения Венеры к Земле после оборота ее вокруг Солнца. Полученное число 583,92 земных суток соответсвует пяти суткам на Венере, т.е. за время между сближениями Венеры с  Землей над горизонтом Венеры Солнце взойдет всего пять раз. (Т_с /5)=116,8-это солнечные сутки Венеры. Поскольку (Т_с /4)=146,0, то наблюдатель на Венере увидел бы за это вермя ровно 4 раза восход Земли. Это означает, что в моменты соединений Венера повернута к Земле всегда одной стороной (в центре этой «нашей» стороны находится высокая гора-вулкан Максвелл). Но не только Венера, а вся система Солнце-Венера-Земля ориентируется по отношению  к звездам одним из пяти способов, а не произвольно [21].

    Оказывается, планеты земной группы вращаются как твердые тела, тогда как скорости вращений планет-гигантов зависят от широты и, видимо, от глубины. Все эти кинематические особенности планет сказываются на их внутренней динамике и связаны с эволюцией планеты.

 

2.4  Современное представление о происхождении и эволюций   

                 Солнечной   системы

 

Медленное вращение сравнительно холодных звезд возможно объясняется наличием у них планетных систем. Это означает, что звезды и планетные системы образуются в едином процессе, в результате сжатия облака межзвездной газово-пылевой материи, как и предполагалось в гипотезах  Канта и Лапласа. Чем же все-таки объяснить большое различие углового момента планет и Солнца, какой механизм может при сжатии протозвезды передать значительную часть момента количества движения на ее периферию, где образовались планеты? Можно показать что такая передача момента количества движения может быть осуществлена через магнитное поле. Наиболее подробно этот процесс рассмотрел английский астрофизик Хойл, к гипотезе которого мы и перейдем.

Гипотеза о передаче момента количества движения от вращающейся протозвезды к окружающей среде. Когда плотность протозвезды достигает некоторой, достаточно большой величины, обмен прекращается и момент количества движения в дальнейшем изменяется мало. Дальнейшее сжатие протозвезды вызывает увеличение угловой скорости, а это приводит к наступлению ротационной неустойчивости. В случае «Протосолнца» ротационная неустойчивость возникла, когда его радиус был приблизительно равен радиусу орбиты Меркурия. В этот момент по экватору «Протосолнца» началось истечение вещества, которое образовало протопланетное облако, имеющее форму диска.

Теперь предположим, что с протозвездой связано дипольное магнитное поле. Вещество протопланетного облака частично ионизовано, и поэтому оно не может свободно двигаться, пересекая силовые линии, оно увлекает их за собой. В результате при образовании протопланетного облака дипольное поле деформируется. Так как угловая скорость диска меньше угловой скорости протозвезды, силовые линии начнут закручиваться по спирали. При этом они тормозят вращение протозвезды и ускоряют вращение диска. Когда протозвезда сильно затормозится, ротационная  неустойчивость исчезает, истечение вещества прекращается и протопланетный диск отделяется от протозвезды.

Расчеты показывают, что этот процесс происходит по-разному у холодных и горячих звезд из-за того, что холодные звезды имеют подфотосферную конвективную зону, о горячие – нет. Если атмосфера протозвезды охвачена конвективными движениями, магнитные силовые линии могут проникать в нее на большую глубину и спиральные витки магнитного поля в основном располагаются внутри протозвезды. Если конвекции нет, витки располагаются снаружи, в диске. При этом диск раскручивается слишком быстро и разрушается, еще не получив от протозвезды сколько-нибудь заметной массы. Протопланетный диск не успевает сформироваться и не может принять на себя существенной доли момента количества движения. В результате планетная система не образуется, и звезда остается быстро вращающейся.

Мы не можем наблюдать планетных систем у звезд и не знаем, действительно ли связано медленное вращение холодных звезд с наличием у них планетных систем. Поэтому картина, которая была дана выше, является гипотезой, пусть обоснованной и весьма вероятной, но все же недоказанной. Проблема образования протопланетного облака и передачи ему момента количества движения является первой частью планетной космогонии. Дальше надо рассмотреть вопрос о конденсации планет из протопланетного облака.

Долгое время считали само собой разумеющимся, что планеты образовались из горячего газа, который постепенно остывал, затем вещество перешло в жидкую фазу, а потом образовалась твердая оболочка. Первоначально протопланеты (сгустки газа, из которых сконденсировались планеты) содержали значительное количество водорода и гелия.

Планеты земной группы не смогли сохранить легких газов из-за их диссипации.

Однако подробный анализ показывает, что гипотеза образования планет из горячего газа встречает ряд трудностей. Эта гипотеза предполагает, что протопланетное облако должно по каким-то причинам распасться на отдельные протопланеты. При этом мыслится, что протопланетное  облако, вообще говоря, не является однородным, в местах наибольшей плотности начинается гравитационная конденсация, и она приводит к образованию протопланет. Оказывается, однако, что предполагаемая масса протопланетного облака (примерно 0,1 массы Солнца) слишком мала для возникновения гравитационной неустойчивости. Кроме того, исследование диссипации атмосфер протопланет показало, что она происходит слишком медленно: «Протоземля» не успела бы превратится в Землю.

Советский ученый О.Ю.Шмидт выдвинул предположение, что планеты сконденсировались из относительно холодного газово-пылевого облака, и эта точка зрения поддерживается многими современными исследователями. Имеются прямые наблюдательные указания на то, что образование звезд происходит в областях, где количество межзвездной пыли особенно велико (глобулы и «слоновые хоботы», пылевые туманности, связанные со звездами типа Т.Тельца ). Естественно ожидать, что протопланетный диск наряду с газом должен содержать и пыль. Было показано, что вследствие столкновений твердые частицы в протопланетном облаке обмениваются моментом количества движения и энергией. При этом устанавливается такое распределение частиц в пространстве и по скоростям, при котором вероятность столкновений наименьшая. Такое состояние соответствует движению в плоскости по круговым орбитам. Расчет показывает, что пыль соберется в диск, толщина которого должна быть 10^-3 – 10^-4 его радиуса.

Такой пылевой диск непрозрачен для солнечного излучения, во всяком случае периферии диска оно достигать не может. Что при этом произойдет с газовой компонентой протопланетного облака? Вблизи солнца газ прогревается солнечным излучением и вследствие термической диссипации постепенно рассеивается в межзвездном пространстве. В самом пылевом диске температура низкая и диссипация замедляется. Этим объясняется различие в химическом составе планет типа Юпитер и типа Земли: на периферии диссипация шла более медленно, и легкие газы сохранились; во внутренних частях диска диссипация происходила быстрей, и легкие газы были утеряны. Орбиты частиц не могли стать точно круговыми из-за взаимных возмущений. Вследствие небольших различий в эксцентриситетах и наклонениях орбит частицы сталкивались между собой, более крупные частицы в таком процессе растут быстрее, чем маленькие, и в результате пылевая материя должна конденсироваться во все более и более крупные тела. Остается несколько наиболее крупных тел, которыми, собственно, и являются планеты [21].

Эта картина объясняет, почему орбиты планет близки к круговым и расположены в одной плоскости, почему планеты типа Юпитера отличаются от планет типа Земли. Статистическое рассмотрение процесса роста планетных зародышей при определенных предложениях о распределении момента количества движения в диске приводит к правильному закону планетных расстояний.

Количественные расчеты показывают, что Земля достигла современной массы примерно за 2 ∙ 10⁸ лет. К концу этого периода температура в центре Земли достигла 1000 ⁰К, а поверхность ее оставалась холодной. Затем происходил разогрев за счет выделения тепла радиоактивными элементами. В дальнейшем температура продолжала повышаться, и это привело к плавлению земных недр и дифференциации их химического состава. Большинство тяжелых элементов сконцентрировалось в центре, более легкие выдавливались наверх и образовали мантию и кору.

Данные геохимии подтверждают, что Земля действительно была вначале в холодном состоянии, а разогревание и дифференциация элементов относятся к более поздним этапам ее эволюции.

О.Ю.Шмидт предполагал, что протопланетное облако образовалось в результате захвата Солнцем пылевой туманности. Если захват происходит не центрально, то захваченная туманность начнет вращаться  и ее момент количества движения может быть весьма велик. Предположение о захвате было выдвинуто О.Ю.Шмидтом именно для объяснения большой доли момента количества движения, приходящейся на планеты. Выше мы видели, что это можно объяснить также при совместном образовании Солнца и протопланетного облака и что многие данные говорят как раз в пользу совместного образования звезд и планетных систем. Главное в гипотезе О.Ю.Шмидта – это идея образования планет из холодных пылевых частиц, та же часть ее, которая говорит о возникновении протопланетного облака путем захвата, по-видимому, потеряла актуальность. Гипотеза О.Ю.Шмидта разрабатывалась в начале сороковых годов нашего столетия, когда роль электромагнитных процессов (таких, как увлечение ионизованного газа магнитными полями) во Вселенной мало кем понималась, поэтому казалась необходимой чисто механическая идея захвата. Два тела (например, звезда и туманность) не могут соединиться в систему, связанную силой ньютоновского тяготения, если они вначале находились на очень большом расстоянии: они пролетят одно мимо другого с параболической скоростью и снова разойдутся Захват может произойти только в некоторых специальных случаях при наличии третьего тела и является событием крайне мало вероятным.

История развития и смены космогонических гипотез показывает, что те из них, которые трактовали образование планетной системы как событие исключительное, неизменно терпели крах. Ученому-материалисту трудно примириться с мыслью, что наша Солнечная система чуть ли не единственная в Галактике, а человек – единственный носитель разумной жизни во Вселенной. Эта идея ведет к идеалистической концепции антропоцентризма.

Современная астрономия дает серьезные аргументы в пользу наличия платных систем у многих звезд, в пользу их типичности, а не исключительности. Обитаемы ли эти планетные системы, и если да, то часто ли встречается во Вселенной разумная жизнь? Трудно найти более волнующий вопрос, но до недавнего времени им занимались исключительно писатели-фантасты. В последние годы эту проблему стали исследовать на серьезной научной основе, начались поиски возможностей установления связи с внеземными цивилизациями.

 

 

 

 

 

 

ВЫВОДЫ.

1. Основу потенциальной энергии звезды составляет гравитация, но ее недостаточно для компенсации потерь на излучение звезды. Эддингтон объяснил происхождение энергии звезд термоядерными реакциями синтеза гелия из водорода. Пронанлизировав термоядерные процессы, происходящие внутри звезд, Бете открыл циклы реакций, которые являются источником энергии звезд Главной последовательности: протон-протонный и углеродно-азотный.
2. Основываясь на знании физических харатеристик звезд и физических законов, полученных на Земле, Эддингтон построил модели внутреннего строения звезд и Солнца. Равновесие обычных звезд обеспечивается равновесием сил гравитации и сил внутреннего давления плазмы.
3. Удалось построить непротиворечивую картину эволюции звезд. Из газопылевых комплексов, наблюдаемых в виде туманностей, под действием тяготения образуются фрагменты, по форме напоминающие шар. Этот шар постепенно вращается, уплотняется, разогревается изнутри-образуется протозвезда. При достижении температур в 10 млн К начнутся термоядерные реакции, прекращающие дальнейшее сжатие, и протозвезда становится звездой.
4. Конечные судьбы звезд построены с учетом квантовой теории и общей теории относительности. Нейтронные звезды и черные дыры – возможно будущее достаточно массивных звезд с массами, превышающими солнечную более чем вдвое.
5. Опираясь на идеи эволюции мира Бюффона и законы Ньютона, Кант предположил, что солнечная система образовалась из космического облака или «хаоса». Он показал возможность зарождения в хаосе круговых движений, введя предположение о неких силах отталкивания. В качестве «начала»  он выбрал химические  силы. Устойчивость такой системы, полученной из сгущений вращающегося облака, была показана Лаласом. Так появилась небулярная гипотеза Канта-Лапласа.
6. При всех достоинствах гипотеза Канта-Лапласа не могла объяснить медленность вращения Солнца, удаленность  планет- гигантов, несохранение момента импульса в изолированной  солнечной системе.
7. Шмидт предположил, что Солнце «прихватило» часть материи из Галактики, и сумел объяснить уменьшение периода вращения Солнца. Фесенков обратился к прцессам внутри Солнца, которые менялись приего эволюции. Образование  планет  приходилось  на время перехода от одного типа ядерных  реакций к другому, когда Солнце было в неустойчивом состоянии. Современные модели детально проработаны и просчитаны на ЭВМ, они создают картину рождения планет из газопылевого комплекса- протапланетного  облака при использовании данных, полученных космическими аппаратами и всеми знаниями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  литературы

 

 

1. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. «Строение и эволюция Вселенной» — 

           М.:  Наука,1975г.

     2 .  Вайнберг С. «Гравитация и космология» — М.: Мир, 1975 г.

3. Юрисов В. А. Учебно-методическое руководство по курс

           «Астрономии»    М.: Наука. 1980   

4. Климишин И.А. Астрономия наших дней. – М.: Наука. 1980г
5. Вайнберг С. «Первые три минуты» — М.: Энергоиздат, 1981 г.
6. Дагаев М.М., и д.р., Астрономия, Москва, Просвещение, 1983г.
7. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И., Курс общей астрономий

      М.: Наука. 1983г

8. Дагаев М.М. Наблюдения звездного неба. – М.: Наука. 1983г
9. Климишин И.А. Релятивистская астрономия. – М.: Наука 1983г
10. Левитан Е.П. , Астрономия , Москва, Просвещение , 1984г.
11. «Семь путешествий в микромир»: сборник- М.: Наука, 1986 г.
12. Курышев В.И., Практикум по астрономий, Москва, Просвещение, 

      1986г .

13. Физика космоса. Маленькая энциклопедия. М.: Советская

      энциклопедия, 1986.

14. «Физика космоса» под ред. С. Б. Пикельнера — М.: Советская

      энциклопедия,1986 г.

15. Андрианов Н.К., Марленский А.Д. Астрономическое наблюдения в

      школе. – Просвещение 1987г.

16. Рябов Ю.А. Движения небесных тел. – М.: Наука. 1988г

           Новиков И. Д. «Как взорвалась Вселенная» — М.: Наука, 1988 г.

17. Кононович Э. В., Мороз В. И. Общий курс астрономии. М.: Эдитор.
18.  
19. Владимирский Б.М., и д.р. Космическая погода и наша жизнь.- Век-2.

           Фрязина — 2004

19. Клищенко А.П., Шупляк В.И. Астрономия.-М.: Новое знания. 2004г
20. Шестакова Л.И. Солнечные затмения: прошлые и

           будущие.Алматы,2005ж.

21. Цветков В.И. Космос. Полная энциклопедия.М.: «Эксмо»,2008ж.