Законы Кеплера. Происхождение Солнечной системы

Законы  Кеплера. 

Происхождение Солнечной системы

Вот уже два века проблема происхождения Солнечной  системы волнует выдающихся мыслителей нашей планеты. Этой проблемой занимались, начиная от философа Канта и математика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и XX столетий. И все же мы до сих  пор довольно далеки от решения этой проблемы. Но за последние три десятилетия  прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя детали рождения звезды из газово-пылевой туманности еще  далеко не ясны, мы теперь четко представляем, что с ней происходит на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции. Переходя к изложению различных  космогонических гипотез, сменявших  одна другую на протяжении двух последних  столетий, начнем с гипотезы великого немецкого философа Канта и теории, которую спустя несколько десятилетий  независимо предложил французский  математик Лаплас. Предпосылки к  созданию этих теорий выдержали испытание  временем. Точки зрения Канта и  Лапласа в ряде важных вопросов резко  отличались. Кант исходил из эволюционного  развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникло центральное  массивное тело - будущее Солнце, а потом планеты, в то время  как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей с  высокой скоростью вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась  все быстрее и быстрее. Из-за больших  центробежных сил от него последовательно  отделялись кольца. Потом они конденсировались, образуя планеты. Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты  образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различия, общей важной особенностью является представление, что Солнечная  система возникла в результате закономерного  развития туманности. Поэтому и принято  называть эту концепцию "гипотезой  Канта-Лапласа". Однако эта теория сталкивается с трудностью. Наша Солнечная  система, состоящая из девяти планет разных размеров и масс, обладает особенностью: необычное распределение момента  количества движения между центральным  телом Солнцем и планетами. Момент количества движения есть одна из важнейших  характеристик всякой изолированной  от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему можно  рассмотреть Солнце и окружающие его планеты. Момент количества движения можно определить как "запас вращения" системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и  вращения вокруг осей Солнца и планет. Львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена  в орбитальном движении планет-гигантов Юпитера и Сатурна. С точки  зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. В эпоху, когда от первоначальной, быстро вращающейся туманности отделилось кольцо, слои туманности, из которых  потом сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такой  же момент, как вещество отделившегося  кольца (так как угловые скорости кольца и оставшихся частей были примерно одинаковы) , так как масса последнего была значительно меньше основной туманности ("протосолнца" ) , то полный момент количества движения кольца должен быть много меньше, чем у "протосолнца". В гипотезе Лапласа отсутствует  какой-либо механизм передачи момента  от "протосолнца" к кольцу. Поэтому  в течение всей дальнейшей эволюции момент количества движения "протосолнца", а затем и Солнца должен быть много  больше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод противоречит с фактическим распределением количества движения между Солнцем и планетами. Для гипотезы Лапласа эта трудность  оказалась непреодолимой. Остановимся  на гипотезе Джинса, получившей распространение  в первой трети текущего столетия. Она полностью противоположна гипотезе Канта-Лапласа. Если последняя рисует образование планетарных систем как единственный закономерный процесс  эволюции от простого к сложному, то в гипотезе Джинса образование таких  систем есть дело случая. Исходная материя, из которой потом образовались планеты, была выброшена Солнца (которое к  тому времени было уже достаточно "старым" и похожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Это прохождение был настолько близким, что его можно рассматривать практически как столкновение. Благодаря приливным силам со стороны налетевшей на Солнце звезды, из поверхностных слоев Солнца выброшена струя газа. Эта струя останется в сфере притяжения Солнца и после того, как звезда уйдет от Солнца. Потом струя сконденсируется и даст начало планетам. Если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетарных систем, образовавшихся за десять миллиардов лет ее эволюции, можно было пересчитать по пальцам. Но планетарных систем фактически много, следовательно, эта гипотеза несостоятельна. И ниоткуда не следует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. Таким образом, космологическая гипотеза Джинса оказалась несостоятельной. Выдающийся советский ученый О. Ю. Шмидт в 1944 году предложил свою теорию происхождения Солнечной системы: наша планета образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти "современный" вид. При этом никаких трудностей с вращением момента планет не возникало, так как первоначально момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Начиная с 1961 года эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес в нее существенные улучшения. По обеим гипотезам "почти современное" Солнце сталкивается с более или менее "рыхлым" космическим объектом, захватывая части его вещества. Тем самым образование планет связывается с процессом звездообразования.

Строение  Солнечной системы

Солнечная система  представляет собой большую семью, состоящую из Солнца, планет и их спутников, комет, астероидов, большого количества пыли, газа и мелких частиц. Если посмотреть на Солнечную систему  как бы издалека, то можно увидеть, как около центральной звезды желтого цвета спектрального  класса G2 обращаются 9 планет. Солнце - это звезда, огромный газовый шар, в центре которого идут ядерные реакции. Основная доля массы Солнечной системы  сосредоточена в Солнце - 99,8%. Именно поэтому Солнце удерживает гравитацией  все объекты Солнечной системы, размеры которой не менее шестидесяти  миллиардов километров. Размеры орбит  планет трудно представить на одном  рисунке: настолько различны расстояния и размеры. Поэтому обычно сравнивают средние размеры и расстояния от Солнца планет земной группы, а потом - планет-гигантов. Совсем рядом с  Солнцем обращаются четыре маленьких  планеты, состоящие, в основном, из горных пород и металлов - Меркурий, Венера, Земля и Марс. Эти планеты называются планетами земной группы. Между планетами  земной группы и планетами-гигантами  расположен пояс астероидов. Чуть дальше расположены четыре больших планеты, состоящие, в основном, из водорода и гелия. У планет-гигантов нет  твердой поверхности, зато они имеют  исключительно мощную атмосферу. Юпитер - самая большая из них. Далее следуют  Сатурн, Уран и Нептун. Все планеты-гиганты  имеют большое количество спутников, а также кольца. Изумительное по красоте кольцо имеет Сатурн. Самой  последней планетой Солнечной системы  является Плутон, который по своим  физическим свойствам ближе к  спутникам планет-гигантов. За орбитой  Плутона открыт так называемый пояс Койпера, второй пояс астероидов. Кометы проводят за орбитой Нептуна большую  часть времени, так как в более  дальней точке своей траектории их движение более медленное, чем  около Солнца. Различие планет по физическим свойствам, вероятно, обусловлено тем, что планеты земной группы формировались  из протопланетного облака рядом  с Солнцем. Именно поэтому в них  много более тяжелых элементов, металлов, например железа. Планеты-гиганты  формировались на более далеких  расстояниях от Солнца, поэтому, в  основном, состоят из легких элементов. Все планеты, астероиды, кометы вращаются  вокруг Солнца в одном направлении (против хода часовой стрелки, если смотреть с северного полюса мира). Орбиты планет практически круговые, их плоскости мало наклонены к  плоскости орбиты Земли. Только две  планеты - Меркурий и Плутон - имеют орбиты с большим наклоном к эклиптике. Орбиты же комет вытянутые, имеют большой эксцентриситет. Большинство объектов Солнечной системы вращаются вокруг своей оси в одном направлении, которое называется прямым. Однако Венера вращается в обратном направлении, а Уран вращается, как говорят, «лежа на боку». Почти все спутники обращаются вокруг планеты в том же направлении, что и планеты вокруг Солнца. Исключение составляют спутники Юпитера, чьи названия заканчиваются на «е» - Карме, Синопе, Ананке, Пасифе, и спутник Нептуна Тритон. По-видимому, все они образовывались не вместе со своими планетами, а были захвачены ими позже. Дни и годы на каждой из планет различны по своей продолжительности. Все планеты вращаются вокруг Солнца с разными скоростями. Самая большая скорость у Меркурия, медленнее всего вокруг Солнца вращается планета Плутон со своим спутником Хароном. Самые длинные сутки на Венере, они продолжаются 243 земных суток. Планеты-гиганты вращаются вокруг своей оси очень быстро. Продолжительность суток на Юпитере всего 9,92 часа.

Солнце

Солнце - ближайшая  к нам звезда. Расстояние до него по астрономическим меркам невелико: лишь 8 минут идет свет от Солнца до Земли. Это звезда, которая образовалась после взрывов сверхновых, она  богата железом и другими элементами. Около которой смогла сформироваться такая планетная система, на третьей  планете которой - Земле - возникла жизнь. Пять миллиардов лет - возраст нашего Солнца. Солнце - звезда, вокруг которой  обращается наша планета. Среднее расстояние от Земли до Солнца, т.е. большая полуось  орбиты Земли, составляет 149,6 млн. км = 1 а.е. (астрономическая единица). Солнце является центром нашей планетной  системы, в которую кроме него входят 9 больших планет, несколько  десятков спутников планет, несколько  тысяч астероидов (малых планет), кометы, метеорные тела, межпланетные пыль и газ. Солнце - звезда, которая  светит достаточно равномерно на протяжении миллионов лет, что доказано современными биологическими исследованиями остатков сине-зеленых водорослей. Если бы температура  поверхности Солнца изменилась всего  на 10 %, жизнь на Земле, вероятно, была бы уничтожена. Наша звезда ровно и  спокойно излучает энергию, столь необходимую  для поддержания жизни на Земле. Размеры Солнца очень велики. Так, радиус Солнца в 109 раз, а масса - в 330 000 раз больше радиуса и массы  Земли. средняя плотность невелика - всего в 1,4 раза больше плотности  воды.Солнце вращается не как твердое  тело, скорость вращения точек на поверхности  Солнца уменьшается от экватора к  полюсам.

· Масса: 2*10³⁰ кг.;

· Радиус: 696 000 км.;

· Плотность: 1,4 г/см³;

· Температура поверхности: 5780 K;

· Период вращения относительно звёзд: 25,38 земных суток;

· Расстояние от Земли (среднее): 149,6 млн.км.;

· Возраст: около 5 млрд. лет;

· Спектральный класс: G2 V;

· Светимость: 3,86*10²⁶ Вт.

Солнечный спектр

На 1 квадратный метр обращенной к Солнцу поверхности  площадки в окрестностях Земли ежесекундно  поступает 1400 Дж энергии, переносимой  солнечным электромагнитным излучением (солнечная постоянная). Спектр Солнца непрерывный, в нем наблюдается  множество темных фраунгоферовых линий. Эти линии в спектре Солнца образуются в результате поглощения квантов света в более холодных слоях солнечной атмосферы. Наибольшую интенсивность непрерывный спектр имеет в области длин волн 430-500 нм. В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения  Солнца близок к спектру излучения  абсолютно черного тела с температурой 6000 К. Эта температура соответствует температуре видимой поверхности Солнца - фотосферы. В видимой области спектра Солнца наиболее интенсивны линии Н и К ионизованного кальция, . Около 9 % энергии в солнечном спектре приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400-760 нм) и инфракрасной (760-5000 нм) областями спектра. Солнце - мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны). Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие - постоянную и переменную. Постоянная составляющая характеризует радиоизлучение спокойного Солнца. Солнечная корона излучает радиоволны как абсолютно черное тело с температурой Т = 106 К. Переменная составляющая радиоизлучения Солнца проявляется в виде всплесков, шумовых бурь. Шумовые бури длятся от нескольких часов до нескольких дней. Через 10 минут после сильной солнечной вспышки радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца; это состояние длится от нескольких минут до нескольких часов. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу.

Положение Солнца в нашей Галактике

Солнце расположено  в плоскости Галактики и удалено  от ее центра на 8 кпк и от плоскости  Галактики примерно на 25 пк. В области  Галактики, где расположено наше Солнце, звездная плотность составляет 0,12 звезд на пк3. Солнце (и Солнечная  система) движется со скоростью 20 км/с  в направлении к границе созвездий  Лиры и Геркулеса. Это объясняется  местным движением внутри ближайших  звезд. Эта точка называется апексом  движения Солнца, Точка на небесной сфере, противоположная апексу, называется антиапекс. В этой точке пересекаются направления собственных скоростей  ближайших к Солнцу звезд. Движения ближайших к Солнцу звезд происходят с небольшой скоростью, это не мешает им участвовать в обращении  вокруг галактического центра. Солнечная  система участвует во вращении вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Это движение происходит в  направлении созвездия Лебедя. Период обращения Солнца вокруг галактического центра около 220 млн. лет.

Внутреннее  строение Солнца

Солнце - раскаленный  газовый шар, температура в центре которого очень высока, настолько, что  там могут происходить ядерные  реакции. В центре Солнца температура  достигает 15 миллионов градусов, а  давление в 200 миллиардов раз выше, чем  у поверхности Земли. Солнце - сферически симметричное тело, находящееся в  равновесии. Плотность и давление быстро нарастают вглубь; рост давления объясняется весом всех вышележащих  слоев. В каждой внутренней точке  Солнца выполняется условие гидростатического  равновесия. Давление на любом расстоянии от центра уравновешивается гравитационным притяжением. Радиус Солнца приблизительно равен 696 000 км. В центральной области  с радиусом примерно в треть солнечного ядра происходят ядерные реакции. Затем  через зону лучистого переноса энергия  излучением переносится из внутренних областей Солнца к поверхности. И  фотоны, и нейтрино рождаются в  зоне ядерных реакций в центре Солнца. Но если нейтрино очень слабо  взаимодействуют с веществом  и мгновенно свободно покидают Солнце, то фотоны многократно поглощаются  и рассеиваются до тех пор, пока не достигнут внешних, более прозрачных слоев атмосферы Солнца, которую  называют фотосферой. Пока температура  высока - больше 2 миллионов градусов, - энергия переносится лучистой теплопроводностью, то есть фотонами. Зона непрозрачности, обусловленная рассеянием фотонов  на электронах, простирается примерно до расстояния 2/3R радиуса Солнца. При  понижении температуры непрозрачность сильно возрастает, и диффузия фотонов  длится около миллиона лет. Примерно с расстоянии 2/3R находится конвективная зона. В этих слоях непрозрачность вещества становится настолько большой, что возникают крупномасштабные конвективные движения. Здесь начинается конвекция, то есть перемешивание горячих и холодных слоев вещества. Время подъема конвективной ячейки сравнительно невелико - несколько десятков лет. В солнечной атмосфере распространяются акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе. В верхних слоях солнечной атмосферы волны, возникшие в конвективной зоне и в фотосфере, передают солнечному веществу часть механической энергии конвективных движений и производят нагревание газов последующих слоев атмосферы - хромосферы и короны. В результате верхние слои фотосферы с температурой около 4500 K оказываются самыми «холодными» на Солнце. Как вглубь, так и вверх от них температура газов быстро растет. Всякая солнечная атмосфера постоянно колеблется. В ней распространяются как вертикальные, так и горизонтальные волны с длинами в несколько тысяч километров. Колебания носят резонансный характер и происходят с периодом около 5 минут. Внутренние части Солнца вращаются быстрее; особенно быстро вращается ядро. Именно особенности такого вращения могут приводить к возникновению магнитного поля Солнца.

Термоядерные  реакции на Солнце

В 1935 году Ханс Бете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядерная реакция превращения  водорода в гелий. Именно за это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году. Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства  других звезд. Примерно 75 % - это водород, 25 % - гелий и менее 1 % - все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после  рождения Вселенной «тяжелых» элементов  не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия и даже многие альфа-частицы, образовались в ходе «горения» водорода в звездах при термоядерном синтезе. Характерное время жизни звезды типа Солнца десять миллиардов лет. Основной источник энергии - протон-протонный  цикл - очень медленная реакция (характерное  время 7,9*10⁹ лет), так как обусловлена слабым взаимодействием. Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.

Фотосфера Солнца

Наблюдаемое излучение  Солнца возникает в его тонком внешнем слое, который называется фотосферой. Толщина этого слоя 0,001R = 700 км. В фотосфере образуется видимое  излучение Солнца, имеющее непрерывный  спектр. «Видимая» поверхность Солнца определяется той глубиной в атмосфере, ниже которой она практически  непрозрачна. Солнце - газовый шар, не имеющий четких границ. Однако мы видим  его резко очерченным потому, что  практически все излучение Солнца исходит из фотосферы. Видимый нами свет излучается отрицательными ионами водорода. Они же его и поглощают, поэтому с глубиной фотосфера  быстро теряет прозрачность. На поверхности  Солнца можно разглядеть много деталей. Вся фотосфера Солнца состоит  из светлых зернышек, пузырьков. Эти  зернышки называются гранулами. Размеры  гранул невелики, 1000-2000 км (около 1" дуги), расстояние между ними - 300-600 км. На Солнце наблюдается одновременно около  миллиона гранул. Каждая гранула существует несколько минут. Гранулы окружены темными промежутками, как бы сотами. В гранулах вещество поднимается, а  вокруг них - опускается. Грануляция - проявление конвекции в более глубоких слоях  Солнца. Гранулы создают общий  фон, на котором можно наблюдать  несравненно более масштабные образования, такие, как протуберанцы, факелы, солнечные  пятна и др.

Хромосфера  Солнца

Хромосфера Солнца видна только в моменты полных солнечных затмений. Луна полностью  закрывает фотосферу, и хромосфера вспыхивает, как небольшое кольцо ярко-красного цвета, окруженное жемчужно-белой  короной. Размеры хромосферы 10-15 тысяч  километров, а плотность вещества в сотни тысяч раз меньше, чем  в фотосфере. Температура в хромосфере быстро растет, достигая в верхних  ее слоях десятков тысяч градусов. Рост температуры объясняется воздействием магнитных полей и волн, проникающих в хромосферу из зоны конвективных движений. На краю хромосферы наблюдаются выступающие язычки пламени - хромосферные спикулы, представляющие собою вытянутые столбики из уплотненного газа. Температура этих струй выше, чем температура фотосферы. Во время полного солнечного затмения можно получить спектр хромосферы, который называется спектр вспышки. Он состоит из ярких эмиссионных линий водорода бальмеровской серии, гелия, ионизированного кальция и других элементов, которые внезапно вспыхивают во время полной фазы затмения.