Происхождение Земли как планеты Солнечной системы

Астрономы прошлого предложили множество теорий образования Солнечной системы, а в сороковых годах 20 века советский астроном Отто Шмидт предположил, что Солнце, вращаясь вокруг центра Галактики, захватило облако пыли. Из вещества этого огромного холодного пылевого облака сформировались холодные плотные допланетные тела – планетозимали.

Рис.2. Изображение молодой звезды HR 4796 в инфракрасном диапазоне.

Наша Солнечная  система – не единственная во Вселенной. Элементы этой теории используются в современной космогонии. 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. Телескопом имени Кека на Гавайских островах была исследована молодая звезда HR 4796. На полученных изображениях в инфракрасном диапазоне вокруг нее виден диск радиусом примерно 200 а.е (рис.2). Центральная часть диска свободна от пыли. Считают, что в центральной области из пыли уже сформировались крупные планетные тела, а во внешней части продолжают формироваться кометы. В настоящее время общепризнанной является теория формирования планетной системы в четыре этапа. Планетная система формируется из того же протозвездного пылевого вещества, что и звезда, и в те же сроки. Первоначальное сжатие протозвездного пылевого облака происходит при потере им устойчивости. Центральная часть сжимается самостоятельно и превращается в протозвезду. Другая часть облака с массой, примерно в десять раз меньше центральной части, продолжает медленно вращаться вокруг центрального утолщения, а на периферии каждый фрагмент сжимается самостоятельно. При этом стихает первоначальная турбулентность, хаотичное движение частиц. Газ конденсируется в твердое вещество, минуя жидкую фазу. Образуются более крупные твердые пылеватые крупинки – частицы. Чем крупнее образовавшиеся крупинки, тем быстрее они падают на центральную часть пылевого облака. Часть вещества, обладающая избыточным моментом вращения, образует тонкий газопылевой слой – газопылевой диск. Вокруг протозвезды формируется протопланетное облако – пылевой субдиск. Протопланетное облако становится все более плоским, сильно уплотняется. Из-за гравитационной неустойчивости в пылевом субдиске образуются отдельные мелкие холодные сгустки, которые, сталкиваясь друг с другом, образуют все более массивные тела – планетозимали. В процессе формирования планетной системы часть планетозималей разрушилась в результате столкновений, а часть объединилась. Образуется много допланетных тел размером около 1 км, количество таких тел очень велико – миллиарды. Затем допланетные тела объединяются в планеты. Аккумуляция планет продолжается миллионы лет, что очень незначительно по сравнению со временем жизни звезды. Протосолнце становится горячим. Его излучение нагревает внутреннюю область протопланетного облака до 400 К, образовав зону испарения. Под действием солнечного ветра и давления света легкие химические элементы (водород и гелий) оттесняются из окрестностей молодой звезды. В далекой области, на расстоянии свыше 5 а.е., образуется зона намерзания с температурой примерно 50 К. Это приводит к различиям в химическом составе будущих планет.

В 40-е годы 20 столетия физики, увлеченные идеей начального взрыва, рассуждали о том, что непосредственно вслед за этим событием образовавшаяся плазма была гораздо горячее недр любой из существующих ныне звезд, но со временем она охладилась, сохранив, по крайней мере, небольшое количеств тепла. По их предположению, от этого процесса должен был сохраниться след в виде все еще существующей некой довольно плотной дымки. Согласно теории того, что теперь называют микроволновым космическим реликтовым излучением, чем дальше мы продвинемся в пространстве (и назад во времени), тем плотнее будет эта дымка. В то время этот вывод совершенно не принимали во внимание, так как большинство астрономов и физиков не принимали всерьез теорию Большого Взрыва, и, во всяком случае, не существовало способа измерить это реликтовое излучение или хотя бы подтвердить его существование.

Однако в 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон из Лаборатории Белла объявили, что, разрабатывая приемник для первого искусственного спутника связи «Телстар», они случайно обнаружили устойчивый «свист», обусловленный реликтовым излучением. Это изменило умонастроение огромного числа космологов. До 1965 году Большой Взрыв был всего лишь очередной гипотезой, которая не допускала проверки; теперь же существовало доказательство того, что первоначальный взрыв оставил свой след. Хотя в этот момент многие серьезные ученые заинтересовались теорией Большого Взрыва, для ее подтверждения нужно было гораздо больше свидетельств. В 40-х и 50-х годах было предложено несколько гипотез относительно природы возможного реликтового излучения. Удалось рассчитать, что его температура должна быть примерно на 3° выше абсолютного нуля. Это то небольшое количество тепла, которое осталось после охлаждения, способствовавшего образованию вещества по прошествии некоторого промежутка времени с момента первоначального взрыва. Тепло должно было распределяться изотропно, а это, по словам Тимоти Ферриса, означало, «что любой наблюдатель, где бы во Вселенной он ни находился, измерит одинаковую температуру реликтового излучения по всему небосводу». Кроме того, согласно квантовой механике, реликтовое излучение должно иметь спектр, отвечающий излучению абсолютно черного тела, с наибольшей интенсивностью на длине волны, определяемой его температурой. Этот спектр описывается определенными квантово-механическими выражениями.

Когда стала ясна важность микроволнового космического реликтового излучения, Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям (NASA) согласились запустить микроволновый спутник, предназначавшийся для измерения этого «космического фона». Ожидалось, что, находясь вне искажений, создаваемых земной атмосферой, этот исследовательский спутник СОВЕ  позволит заглянуть в далекое прошлое вплоть до момента, отстоящего примерно на 500 000 лет от Большого Взрыва. К тому времени Вселенная уже достаточно остыла, благодаря чему энергия стала превращаться в массу, а Вселенная стала прозрачна для выхода света. Запущенный в 1989 году спутник СОВЕ в полной мере оправдал надежды космологов, предоставив доказательства того, что реликтовое излучение действительно изотропно и что его температура почти на 3 градуса выше абсолютного нуля. Кроме того, его спектр с поразительной точностью совпадает со спектром излучения абсолютно черного тела.

К 1992 г. на основе карты всего небосвода, построенной по данным спутника СОВЕ, был сделан вывод: вещество, которое стало образовываться из остывающих газов спустя некоторое время после Большого Взрыва, собиралось в сгустки, из которых впоследствии возникли галактики — скопления звезд. Это соответствовало представлению о том, что на ранних стадиях существования Вселенной однородное распределение вещества нарушалось квантовыми флуктуациями.

Еще в 1939 г. американский физик Ханс Бете показал, что в недрах звезд могут возникать тяжелые элементы (в отношении их атомной массы). Эти элементы, входящие в вещество планет и наших с вами тел, составляют всего лишь 2% от всей массы 
Вселенной. Остальное приходится на водород (около 75%), гелий (23%) и следы лития. Согласно расчетам физиков, чтобы объяснить распространенность водорода и отношение содержания  водорода к гелию в звездах, эти легкие элементы должны были возникнуть в результате Большого Взрыва. Превращение водорода в гелий только в Солнце высвобождает ежесекундно энергию, эквивалентную массе

4 млн. тонн, и если бы соотношение между водородом и гелием не соответствовало процессу Большого Взрыва, при этом выделялось бы гораздо больше энергии. Более тяжелые элементы «выплавляются» в звездных недрах и в конце концов выбрасываются в пространство, обеспечивая, как считается, Вселенную сырьем для образования твердого вещества. У самых старых звезд должно сохраняться меньшее количество тяжелых элементов, поскольку они продолжительное время выбрасывались из звездных недр — это удалось наблюдать, когда прогресс техники позволил проводить подобные измерения. Как оказалось, распределение элементов, или их космическая распространенность, также вполне соответствует предсказаниям теории Большого Взрыва.

Казалось бы, пора сделать вывод, что теория Большого Взрыва справедлива. Когда новая теория делает какие-либо прогнозы, которые можно проверить, и эти прогнозы соответствуют наблюдениям или эксперименту, ученых всегда радует каждое очередное подтверждение. При накоплении достаточного количества таких фактов можно считать, что справедливость теории доказана. Хотя большинство космологов принимает концепцию Большого Взрыва, тем не менее признано, что проблемы еще остались, причем достаточно серьезные, чтобы порождать сомнения в справедливости теории. В действительности проблемы возникают так часто, что эта теория почти постоянно находится в критическом состоянии.

Неприязненное отношение большинства физиков космологической постоянной в сочетании с открытием в 1965 году реликтового излучения свело фактически на нет теорию стационарной Вселенной Хойла. Однако сам он вовсе не собирался складывать оружие. Хотя у его теории оставались проблемы, он продолжал настаивать на том, что с Большим Взрывом связано еще больше проблем. Действительно, теория Большого Взрыва все время сталкивалась с новыми трудностями. Так, с развитием космологии стало ясно, что на ранних стадиях развитие Вселенной не соответствовало известным физическим законам. По крайней мере, в течение первых 500 000 лет после Большого Взрыва, пока не произошло достаточного охлаждения для образования вещества и Вселенная не стала прозрачной для света, законы нашей современной Вселенной не действовали. Это заставило ученых ввести в теорию Большого Взрыва представление о том, что начальным состоянием Вселенной было особое событие — сингулярность.

В 1990 году Хойл начал развивать новые идеи, после того как один из его сторонников — американский космолог Хелтон Арп, работающий в Институте им. Макса Планка (Германия), отметил, что имеется ряд наблюдений красного смещения. Это было серьезной неприятностью. Если величина красного смешения вовсе не является надежным мерилом скорости расширения Вселенной, это наносит теории Большого Взрыва большой удар. Быть может, галактики разлетались не столь быстро, и вовсе нет необходимости в Большом Взрыве, чтобы заставить их двигаться.

Постоянно совершенствуемые мощные телескопы и компьютеры позволяют нам наблюдать или моделировать все более далекие области нашей Вселенной. В то же время квантовые эксперименты дают возможность все глубже проникнуть в мир субатомных частиц. И, по-видимому, неизбежно что некоторые новые сведения свидетельствуют в пользу теории Большого Взрыва, тогда как другие открытия не согласуются с ней и вынуждают преодолевать новые препятствия. И в июне 2000 года на первой полосе газеты «New York Times» был помещен рассказ об австралийском телескопе-роботе, который позволил получить первую крупномасштабную карту скоплений галактик, образующих нечто вроде космических континентов. Хотя эти континенты и оказались колоссальными, их размеры не превысили предсказанных теорий Большого Взрыва.

Пока Большой Взрыв — общепринятая теория. Но еще не истина в последней инстанции.

1.3.Современные взгляды на теории происхождения Солнечной системы

Солнце – плазменный шар с плотностью 1,4 г/см³ и температурой поверхности 6 тыс. К), в атмосфере которого (короне) происходят вспышки — протуберанцы. Излучение Солнца (солнечная активность) имеет цикл 11 лет.

Источником солнечной энергии, по-видимому, являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, о чем свидетельствует наличие этих элементов в солнечной хромосфере. Первым теоретические расчеты необходимой для ядерной реакции температуры произвел Артур Эддингтон. Немецкий физик Ганс Бете (Нобелевская премия 1967 года) рассчитал реакции термоядерного синтеза гелия из водорода на Солнце, но прямых подтверждений пока нет, так как отсутствуют данные о внутреннем строении Солнца.

Скорость движения Солнца вокруг оси галактики 250 км/с. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 млн. лет. Ближайшие к Солнцу звезда Центавра и Сириус.

Возраст Солнечной системы, зафиксированный  по древнейшим метеоритам, около  5 млрд. лет. Общепринята гипотеза, по которой Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли, расположенной в окрестностях Солнца. Предполагается, что частицы пыли состояли из железа с примесью никеля, либо из силикатов, в состав которых входил кремний. Конденсировались также присутствовавшие газы, образуя органические соединения, в состав которых входит углерод. Затем образовались углеводороды и соединения азота.

Из гипотез происхождения  Солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика X. Альвена, усовершенствованная Ф. Хойлом. Альвен исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло вращательный момент, передавая его газовому облаку.

Слабость предложенной гипотезы заключалась в том, что атомы наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых элементов — дальше. Значит, ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из наиболее легких элементов — водорода и гелия, а более отдаленные — из железа и никеля. Наблюдения говорят об обратном.

Чтобы преодолеть это противоречие, английский астроном Ф. Хойл предложил  новый вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты. Если предположить, что первоначальная туманность уже обладала магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента.

Трудностями и противоречиями гипотезы Хойла являются следующие: во-первых, нелегко представить, как могли отсортироваться избыточный водород и гелий в первоначальном газовом диске, из которого образовались планеты, поскольку химический состав планет явно отличен от химического состава Солнца; во-вторых, не ясно, каким образом легкие газы покинули Солнечную систему (процесс испарения, предлагаемый Хойлом, сталкивается со значительными трудностями); в-третьих, главной трудностью гипотезы Хойла является требование слишком сильного магнитного поля у протосолнца, резко противоречащее современным астрофизическим представлениям.

Более многочисленные и надежные экспериментальные  данные о Солнечной системе были получены в послевоенные годы. Методы, которыми были исследованы метеориты и поверхность Луны, нельзя было бы даже представить во времена Лапласа. Речь идет о веществе, которое образовалось на самой ранней стадии жизни Солнечной системы или даже было частью первичной туманности.

Исследования послевоенных лет  привели к некоторому прояснению нашего происхождения. Как уже считается  доказанным, Вселенная родилась примерно 15-20 млрд. лет назад в результате «большого взрыва». Спустя миллиард лет из смеси водорода и гелия, заполнявших все пространство, началось образование галактик. Первые звезды, образовавшиеся в те времена, все еще видны в шаровых скоплениях и в центрах галактик. Вслед за ними образовались спиральные рукава.