 |
Эволюция Солнечной системы
|
|
|
|
Вселенная состоит из сотен миллиардов галактик. Наша спиралевидная галактика, называемая Млечный Путь состоит примерно из 300 миллиардов звезд, имеет ядро и несколько спиральных ветвей. Ее размеры — 100 тысяч световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. Наша галактика Млечный Путь несется в космическом пространстве со скоростью около 550 км в секунду. У нашей Галактики имеются два спутника – Большое и Малое Магеллановые облака. Диаметр Галактики по экватору равен примерно 3 • 0.8 • 1013 км. Движение звезд галактики вокруг ядра носит сложный характер и сильно отличается от движения твердых или жидких тел. Периоды обращения звезд различаются в зависимости от их массы и расстояния от Галактического центра. Вещество Галактики в основном находится в атомарном состоянии и 90 % его составляет водород. Ядро Галактики имеет в поперечнике примерно 30 световых лет. Именно оно является источником водорода. Наша Солнечная система находится на краю Галактики, на расстоянии около 30 световых лет от ее ядра. По отношению к ближайшим звездам Солнце движется, со скоростью около 20 км/сек, в направлении созвездия Лиры. Кроме того, вместе со своими соседями, Солнце кружится, в галактическом пространстве, со скоростью 250 км/сек в направлении созвездия Лебедя. Период обращения Солнца вокруг центра Галактики около 180 млн. лет. То есть галактический год длится примерно 180-190 миллионов лет. Ближайшие к Солнцу звезды альфа Центавра (Проксима) и Сириус.
Солнце — плазменный шар (плотность — 1,4 г/см3), хорошо нагретый (температура поверхности 6000°). Имеет корону, в которой находятся факелы, протуберанцы. Излучение Солнца – солнечная активность – имеет цикл 11 лет. При максимуме солнечной активности на Солнце особенно много пятен. Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Первым теоретические расчеты необходимой для ядерной реакции температуры произвел Артур Эддингтон. Немецкий физик Ганс Бете (Нобелевская премия 1967т.) рассчитал реакции термоядерного синтеза гелия из водорода на Солнце.
|
|
|
Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Атом водорода, главный «первокирпичик» всех химических элементов, является самым простым – состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите. Теория нуклеосинтеза предполагает, что из водорода в недрах звезд образуются, в процессе атомных реакций, более сложные атомы. Причем чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах. Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звезды производят углерод — главный «кирпичик» живого вещества.
Теория нуклеосинтеза в звездах успешно объясняет физическую эволюцию и распространенность химических элементов в предположении, что первые звезды образовались из вещества, состоящего главным образом из смеси водорода и гелия. Рассматривая ядерные реакции по мере космологического расширения Вселенной и дальнейшего снижения температуры расширения, можно получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и изотопов. Из теории нуклеосинтеза вытекает, что Земля образовалась не из первичного вещества, а из вещества, прошедшего стадию нуклеосинтеза в звездах. Таким образом, необходимость объяснения происхождения всех элементов (в том числе и тяжелых - железа, свинца и т. д) на ранней стадии расширения Вселенной отпадает.
|
|
|
Рассуждая о возрасте нашей галактики Млечный Путь, некоторые астрономы утверждают, что она еще сравнительно молода, в ней идут процессы образования звезд. Существуют вращающиеся газовые облака. В процессе коллапса облака рождают звезды. Появляются различные звездные и газовые подсистемы. Анализируя состав молодых и старых звезд, можно определить этапы эволюции Галактики. Старые звезды отражают состав Галактики в начале ее эволюции. Соотношение такого свойства звезд, как металличность, говорит не только об эволюционных изменениях в Галактике, но и о химической эволюции Вселенной. Металличность молодых звезд выше, чем старых. Дело в том, что межзвездная среда получает тяжелые элементы, возникшие в процессе нуклеосинтеза в старых звездах, и они в готовом виде входят в состав вновь рожденных звезд.
Энергия звезд генерируется вих недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей способности — нейтрино.
Звездный состав галактик весьма разнообразен. Звезды по современным понятиям — это плазма — сгустки сверхплотного и раскаленного, непрерывно клубящегося, газа. Бури иногда расплескивают это вещество так сильно, что выбрасывают на многие километры. Часть его падает обратно, а часть рассеивается в пространстве.
Процесс образования звезд можно представить на модели происхождения Солнца. Оно является рядовой желтой звездой. Рядовой потому, что видов звезд много: красные гиганты, белые карлики, пульсары, нейтронные звезды, квазары, черные дыры и многие другие. Все они могут возникать примерно одним и тем же путем. Периодически в зонах действия галактик появляются скопления межзвездного вещества. Их можно наблюдать современными приборами. Это так называемые протозвездные облака. Такие облака состоят, в основном, из водорода с небольшими примесями гелия и малой доли тяжелых элементов. Силы гравитации начинают сжимать их, выделяя центр, называемый глобулой. Как только она сформировалась, под действием дальнейшего сжатия повышается температура. Этот процесс сопровождается образованием зернышек железа, никеля и более тяжелых элементов. В слоях с более высокой температурой образуется кремний, метан, аммиак и более легкие элементы. Эти образования попадают в центральную плоскость газового диска, и в результате, внутри него образуется кольцо. Собственное движение кольца сталкивает частицы, они слипаются и могут образовать материал для формирования астероидов, которые, в свою очередь, послужат основой для формирования планет.
|
|
|
Схема нуклеосинтеза (а), сжимания протозвезды (b, c), противодействия сжиманию (d, c) и взрыва сверхновой звезды (f).
В основе любой гипотезы, касающейся проблемы образования звезд и Солнечной системы, лежат три фундаментальные особенности природы Вселенной: 1) подавляющее преобладание водорода (90%) и гелия (9%) при очень незначительном содержании остальных химических элементов; 2) повсеместное присутствие межзвездных газов и пыли; 3) вовлеченность во вращательное и турбулентное движения (галактики имеют спиралевидную форму, звезды вращаются, планеты движутся вокруг Солнца и т.п.). Нам известно также, что возраст Солнечной системы составляет примерно 5 млрд лет. Эти сведения помогают нам представить историю той небольшой части галактики, в которой мы находимся.
Существует несколько гипотез происхождения Солнечной системы. В 19 веке одна из них была высказана И.Кантом. Ее поддержал П.Лаплас. Совсем недавно появились новые гипотезы В. Фесенкова и О.Шмидта. Они отличаются от более ранних утверждением, что планеты формировались из холодного вещества, а не из раскаленных компонентов будущей планеты. Наиболее распространен электромагнитный вариант гипотезы происхождения Солнечной системы шведского астрофизика X. Альвена, усовершенствованный Ф. Хойлом.
Процесс рождения звезд в галактике непрерывен. В любое время газ и пыль то там, то здесь сливаются под действием турбулентности в гравитационные ядра — элементы глобулы протозвезды.
Появившаяся глобула протоСолнце изначально наделена вращательным моментом, который она наследует от гравитационных ядер. Продолжая расти, глобула протозвезда становится настолько горячей, что в ней начинают протекать реакции атомного синтеза химических элементов. Сжатие в глобуле возрастает пропорционально ее массе. Наконец, оно достигает температуры, при которой атомы теряют свои электронные оболочки. При температуре 15 миллионов градусов начинается ядерный синтез. Ядра водорода образуют ядра гелия, выделяя при этом колоссальную энергию. Как установил английский астрофизик А. Эдингтон, наше Солнце в настоящее время как раз и представляет собой подобный термоядерный котел. Температура его ядра равна 15 миллионам градусов, а поверхности – 6000 градусов Цельсия. Эдингтон объяснил причину устойчивого равновесия газа, составляющего Солнце. Тяготение при этом, как уже отмечалось, вызывает сжатие. Ему препятствует давление газа. Эдингтон принял во внимание и то, что существует еще радиационное давление и внутри звезды, где излучение весьма интенсивно, и поэтому радиационное давление становится существенным.
|
|
|
Возникает вопрос, как долго может гореть водород, оставляя в качестве золы гелий? В зависимости от массы звезды этот процесс может быть длительным или быстро текущим. На звездах, имеющих массу Солнца, водород может гореть миллиарды лет. Но запасы водорода, когда-то все же исчерпаются. Считается, что, когда закончатся запасы водорода, при температуре сто миллионов градусов Цельсия начнет гореть гелий. Теперь золой будет углерод и кислород. Массы нашего Солнца недостаточно, чтобы со временем началось горение углерода и кислорода. Если бы масса Солнца была большей, то процесс горения водорода дошел бы до эволюции других химических элементов, например, неона, магния, кремния, фосфора, серы, никеля и пр. Все они могли бы гореть, как матрешки вложенные одна в другую, т.е. магний горел бы в неоновой оболочке, фосфор – в кремниевой и т.д. Но, когда дело дойдет до железа, процесс приостанавливается. Оно не горит. Но давление и температура продолжают возрастать и достигают таких значений, что электроны и протоны оказываются "вдавленными" друг в друга и остаются лишь нейтроны. Они занимают меньше места, и поэтому сердцевина звезды еще больше сжимается, при этом выделяется дополнительная энергия, ускоряя процесс сжатия. В результате образуется много нейтрино; эти слабо взаимодействующие частицы быстро покидают систему. В центре звезды создается недостаток энергии, и это опять же увеличивает сжатие. Поток нейтрино колоссально возрастает, но уже теперь они не могут покинуть звезду, поскольку наружные слои значительно увеличивают свою плотность. И тогда за счет сил гравитации при продолжении сжатия может произойти еще один взрыв, что называют вспышкой сверхновой звезды.
|
|
|
При этом взрыве образуются остальные элементы Периодической системы, которые разлетаются вокруг оставшегося центра звезды. Эти элементы при удалении от центра взрыва остывают и соединяются в различные минералы. Однако, электромагнитное поле и силы гравитации оставшегося ядра звезды совместно влияя на разлетевшуюся материю собирает ее плоское дисковидное образование. В этом плоском дисковидном образовании формируются протопланетные ядра сгущения из которых в дальнейшем формируются.
Но наше протоСолнце в начале своей эволюции имело значительно большую массу, чем сейчас. Реакции синтеза химических элементов шли практически до всех элементов, какие мы знаем из таблицы Д.М.Менделеева. Эти химические элементы синтезируясь в протоСолнце напоминают матрешку. Одни элементы синтезирут другой и этот другой слой ближе к центру протоСолнца. Но давление не дает протоСолнцу стабильно существовать долго.
Таблица
Нуклеосинтез химических элементов в звездах
| Процесс | Реакции | Продукты | Необходимая температура, К | Скорость процесса, лет |
| 1. Выгорание водорода | 4Н → Не | 4Не | 2 • 107 | 107-1010 |
| 2. Выгорание гелия | 3Не→12С, 12С + Не → О16 + γ | 12С, 16О | 2 • 108 | 106-108 |
| 3. Выгорание углерода | 212C →20N + 4Не | 160, 20Ne | 5 • 108 | 103-106 |
| 4. Реакции с 4Не | 20N + Не → 25Mg, 24Mg + Не → 28Si | Mg, Si, S, Ar, Ca до 88Ti | 109 | 102-104 |
| 5. Нейтронные реакции захвата | АZ +n → А+1Z А+1Z →β-→Z+1 →А+1Z+1 | Ядра со средним значением N — Z | 108-109 | 102-107 |
| 6. Равновесие между нейтронным газом и ядрами | Захват нейтронов со скоростями, превышающими β распад | Тяжелые ядра с А до 270 | 4 • 109; возможно при взрыве сверхновых звезд | Доли секунды |
Разогревшись до определенного предела, глобула протоСолнце взрывает синтезированную часть вещества, ставшую ее оболочкой, и разбрасывает готовые химические элементы вокруг. Происходит так называемый взрыв сверхновой звезды. Температура падает с удалением от протоСолнца, и синтезированные химические элементы, соединяясь формируют минералы. Эти минералы сформировали всю нынешнюю массу Солнечной системы, включая и массу Облака Оорта и пояса Койпера.
То есть, предполагается что наше Солнце и планеты эволюционировали именно после взрыва сверхновой. Одновременно с глобулой-протозвездой формировалось протопланетное «облако», плоскость которого в виде диска перпендикулярна оси вращения звезды.
Оставшаяся часть протоСолнца превратилась в устойчивую звезду — Солнце — но на нем происходят очень значительные изменения. Гелий тяжелее водорода, и поэтому при выгорании он скапливается в центре. Теперь водород горит в оболочке. А гелиевый шар в центре по мере разогревания разрастается. И температура его все более увеличивается. Наше Солнце начнет расширяться. Рост этот приведет к тому, что начнутся катастрофические процессы во всей Солнечной системе. На Земле, например, растают полярные шапки льда, испарятся океаны, и сплошной туман окутает планету, на которой будут идти непрерывные дожди. Гелиевый пожар со временем взорвет окружающую ее водородную оболочку, и она, распространяясь по всей планетной системе, сожжет многие из планет, сорвав с них атмосферу. Но, как считают ученые физики, этот процесс ожидает Солнце через 2 миллиарда лет.
Взрыв сверхновой звезды
Ядерная печь погаснет. Солнцев гелиевой вспышке не исчезнет. Пока ее влияние достигнет поверхности Солнца, его внешняяоболочка станет остывать. Гелий после вспышки соберется снова, и вновь пойдет указанная реакция. Температура во внутренних слоях будет расти, а во внешних падать. Наконец появятся условия для образования атомов, и начнется истечение фотонов. Как только этот процесс, сопровождаемый выделением большого количества тепла, достигнет определенного предела, оболочка Солнца рассеется в пространстве — Солнце взорвется. После того как эта оболочка рассеется, Солнце превратится в белого карлика, и будет мирно доживать свой век, длящийся многие миллионы лет.
Солнечная система состоит из 8 планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна. Все планеты движутся в одном направлении, в единой плоскости по почти круговым орбитам. От центра до окраины Солнечной системы (до Плутона) 5,5 световых часов. Расстояние от Солнца до Земли 149 млн. км, что составляет 107 его диаметров.
В 2006 году астрономический конгресс лишил статуса планеты Плутона, отнеся его к малым планетам, количество которых в солнечной системе измеряется тысячами. Малые планеты, как и большинство спутников планет, не имеют атмосферы, так как сила тяготения на их поверхности недостаточна для удержания газов. В атмосфере Венеры преобладает углекислый газ, в атмосфере Юпитера аммиак. На Луне и Марсе имеются кратеры вулканического происхождения.
Схема Солнечной системы
|
|
|
