Небулярная модель мира: Установите соответствие между моделью мира и философом, в творчестве которого данная модель нашла воплощение.1. Механистическая модель2. Атомическая модель3. Гелиоцентрическая модель4. Небулярная модель мира

Содержание

Как появилась Солнечная система? Почему она плоская? Откуда мы это знаем? Небулярная гипотеза / Интересное / Статьи / Еще / Обо всем

В этом видео поговорим о небулярной гипотезе формирования Солнечной системы и о данных в ее пользу. О том как был определен возраст нашей системы и о том, почему Солнечная система “плоская”, то есть многие объекты расположены примерно в одной плоскости, и о многом другом.

С незапамятный времен человечество пытается ответить на вопрос о том, как появилась Вселенная. Однако всерьез заниматься этим вопросом стали только с началом научной революции, когда в мире стали доминировать теории, доказательства которых осуществлялось эмпирическим путем. Именно с этого момента — промежуток между 16-м и 18-м веками — астрономы и физики стали выводить доказательные объяснения того, с чего началась жизнь нашего Солнца, планет и всей Вселенной.

Если речь идет о Солнечной системе, то наиболее популярным и широко признанным взглядом является небулярная гипотеза происхождения миров. Согласно этой модели, Солнце, планеты и все остальные объекты Солнечной системы образовались многие миллиарды лет назад из плотных облаков молекулярного водорода. Первоначально предложенная в качестве объяснения происхождения Солнечной системы, она по-прежнему остается наиболее широко принятой.

Небулярная гипотеза

Согласно данной модели, Солнце и все планеты нашей Солнечной системы начали свою историю с гигантского молекулярного облака из газа и пыли. Затем, около 4,47 миллиарда лет назад что-то произошло, что привело к коллапсу облака. Возможно, причиной стала пролетающая мимо звезда или взрывные волны сверхновой, точно никто не знает, но конечным результатом стал гравитационный коллапс в центре облака.

С этого момента из облаков газа и пыли начали формироваться более плотные сгустки. Достигнув определенной плотности, сгустки согласно закону сохранения импульса начали вращаться, а повышающееся давление их разогрело. Большая часть материи собралась в центральном сгустке, в то время как оставшаяся материя образовала вокруг этого сгустка кольцо. Сгусток в центре со временем превратился в Солнце, а остальная материя образовала протопланетарный диск.

Планеты же образовались из материи этого диска. Притягивающиеся друг к другу частицы пыли и газа собрались в более крупные тела. Рядом с Солнцем смогли сформироваться в более плотные объекты только те сгустки, в которых присутствовала наибольшая концентрация металлов и силикатов. Так появились Меркурий, Венера, Земля и Марс. Поскольку металлические элементы слабо присутствовали в первичной солнечной туманности, планеты не смогли очень сильно вырасти.

В свою очередь такие гигантские планеты, как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, образовались уже где-то в точке между орбитами Марса и Юпитера — где-то за границей отрицательных температур, где материал замерзает настолько, что позволяет летучим соединениям сохранять твердую форму в виде льда. Разнообразие этого льда оказалось гораздо шире, чем разнообразие металлов и силикатов, из которых образовались планеты внутренней части Солнечной системы. Это позволило им вырасти настолько огромными, что в конечном итоге у них появились целые атмосферы из водорода и гелия. Оставшийся материал, который так и не был использован для образования планет, сосредоточился в других регионах, сформировав в конечном итоге пояс астероидов, пояс Койпера и облако Оорта.

Ранняя Солнечная система в представлении художника. Столкновение между собой частиц в аккреционном диске привело к формированию планетоземалей и в конце концов планет

В течение следующих 50 миллионов лет давление и плотность водорода в центре протозвезды стали достаточно высокими для начала термоядерной реакции. Температура, скорость реакции, давление и плотность продолжили возрастать до тех пор, пока не было достигнуто гидростатическое равновесие. С этого момента Солнце превратилось в звезду главной последовательности. Солнечные ветра создали гелиосферу, сметав при этом оставшийся от протопланетарного диска газ и пыль в межзвездное пространство и ознаменовав завершение процесса планетарного формирования.

История небулярной гипотезы

Впервые идея о том, что Солнечная система образовалась из туманности, была предложена в 1734 году шведским ученым и теологом Эммануилом Сведенборгом. Иммануил Кант, знакомый с работой Сведенборга, занялся дальнейшим развитием теории и опубликовал результаты в своей работе «Всеобщая естественная история и теория неба» в 1755 году. В ней он заявлял, что газовые облака (туманности) медленно вращаются, постепенно разрушаются и под действием гравитации сжимаются, формируя звезды и планеты.

Аналогичная, но менее детальная модель формирования была предложена Пьером-Симоном Лапласом и описана в труде «Изложение системы мира», который был опубликован в 1796 году. Лаплас теоретизировал на тему того, что первоначально Солнце имело атмосферу, расширенную на всю Солнечную систему, и в какой-то момент это «протозвездное облако» начало охлаждаться и уменьшаться. С увеличением скорости вращения облака оно выбросило излишнюю материю, из которой впоследствии сформировались планеты.

Туманность Sh 2-106. Компактная область звездообразования в созвездии Лебедя

Небулярная модель Лапласа получала широкое признание в течение 19-го века, хотя и содержала некоторые явные нестыковки. Основной вопрос вызывало угловое распределение импульса между Солнцем и планетами, которое небулярная теория не объясняла. Помимо этого, шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) утверждал, что разность скорости вращения между внешней и внутренней частью протопланетарного диска не позволила бы материи накапливаться. Кроме того, теория была не принята также и астрономом сэром Дэвидом Брюстером (1781–1868), который однажды сказал:

«Те, кто считают, что небулярная теория верна, и уверены в том, что наша Земля получила свою твердую форму и атмосферу из кольца, брошенного из солнечной атмосферы, которое впоследствии было заключено в твердую терраквальную сферу, вероятнее всего, считают, что Луна образовалась таким же образом. [Если рассматривать с этой точки зрения], то на Луне тоже обязательно должна иметься вода и своя атмосфера».

К концу 20-го века модель Лапласа утратила доверие в лице ученых и заставила последних начать поиск новых теорий. Началось это, правда, не раньше самого конца 60-х годов, когда появился самый современный и самый широко признанный вариант небулярной гипотезы — модель солнечного небулярного диска. Заслуга принадлежит советскому астроному Виктору Сафронову и его книге «Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет» (1969 год). В этой книге описаны практически все основные вопросы и загадки процесса планетарного формирования, и что важнее всего — ответы на эти вопросы и загадки четко сформулированы.

Например, модель допланетного облака успешно объясняет появление аккреционных дисков вокруг молодых звездных объектов. Множественные симуляции также показали, что аккреция вещества в этих дисках ведет к формированию нескольких тел размером с Землю. Благодаря книге Сафронова вопрос происхождения планет земной группы (или землеподобных, если хотите) можно считать решенным.

Несмотря на то, что изначально модель допланетного облака применялась только в отношении Солнечной системы, многие теоретики считают, что ее можно использовать в качестве универсальной системы мер для всей Вселенной. Поэтому ее даже сейчас нередко используют для объяснения процесса формирования многих экзопланет, которые были нами найдены.

Недостатки теории

Несмотря на то, что небулярная модель имеет широкое признание, она по-прежнему содержит ряд вопросов, которые не могут решить даже современные астрономы. Например, есть вопрос, связанный с наклоном. Согласно небулярной теории, все планеты, находящиеся вокруг звезд, должны обладать одинаковым наклоном осей по отношению к плоскости эклиптики. Но нам известно, что планеты внутреннего и внешнего кругов обладают совершенно разными наклонами осей.

В то время как планеты внутреннего круга обладают углом наклона осей, составляющим от 0 градусов, оси других (Земли и Марса, например) имеют угол наклона около 23,4 и 25 градусов соответственно. Планеты внешнего круга, в свою очередь, тоже обладают разными наклонами осей. Наклон оси Юпитера, например, составляет 3,13 градуса, в то время как у Сатурна и Нептуна эти показатели составляют 26,73 и 28,32 градуса соответственно. А Уран вообще имеет экстремальный наклон оси в 97,77 градуса, что фактически заставляет один из его полюсов постоянно находиться лицом к Солнцу.

Список потенциально обитаемых экзопланет согласно Planetary Habitability Laboratory

Кроме того, изучение планет вне Солнечной системы позволило ученым отметить несоответствия, которые ставят под сомнение небулярную гипотезу. Некоторые из этих несоответствий связаны с классом планет «горячие Юпитеры», чьи орбиты близко расположены к своим звездам, и периодом в несколько дней. Астрономы скорректировали некоторые моменты гипотезы, чтобы решить эти вопросы, но всех проблем это не решило.

Вероятнее всего, неразрешенные вопросы имеют наиболее близкое значение к пониманию природы формирования, и поэтому на них так трудно ответить. Просто когда мы думаем, что нашли наиболее убедительное и логичное объяснение, всегда остаются моменты, которые объяснить мы не в состоянии. Тем не менее мы прошли немалый путь, пока не пришли к нашим текущим моделям звездообразования и планетарного формирования. Чем больше мы узнаем о соседних звездных системах и чем больше исследуем космос, тем более зрелыми и совершенными становятся наши модели.

Небулярная гипотеза Иммануила Канта. Занимательно о космогонии

Небулярная гипотеза Иммануила Канта

В предисловии к самому первому изданию своих «Начал» И. Ньютон писал, что он видит цель физики в том, чтобы «по явлениям движения распознавать силы природы, а затем по этим силам изъяснять остальные явления». Прекрасная программа действий! Может быть, изучив движения небесных тел, удастся, в конце концов, прийти и к расшифровке главного вопроса о происхождении Земли, солнечной системы и, наконец, мира?

В 1755 году в Кенигсберге появляется безымянная работа «Общая естественная история и теория неба», снабженная подзаголовком: «Опыт об устройстве и механическом происхождении всего мироздания на основании ньютоновских законов». Это уже определенный прогресс по сравнению с гипотезой Ж. Бюффона, использовавшей только идею притяжения. Кроме того, у Ж. Бюффона причина, обусловившая возникновение солнечной системы, диктовалась случайностью — катастрофой в результате столкновения двух небесных тел. Не случись ее, Земли могло бы и не существовать.

В новой работе случайности исключались. Подобно древнегреческим философам, автор считал, что мир родился из хаоса огромного облака пылевых частиц, беспорядочно двигающихся в разных направлениях. Сталкиваясь друг с другом, притягиваясь, они изменяют направления своих движений, объединяются в более крупные сгустки. Под действием сил притяжения большинство из них устремляются к центру, где начинает расти ядро туманности — будущее Солнце. Из других сгустков, получивших орбитальное движение, формируются планеты.

Так писал Иммануил Кант! Именно он — будущий философ-идеалист — был анонимным автором этой насквозь материалистической гипотезы. Пораженный до глубины души четкостью и математической строгостью ньютоновских законов, И.

Кант хотел во что бы то ни стало применить их к тому, чего не сделал сам И. Ньютон, — объяснить механизм творения. Если закон всемирного тяготения позволяет объяснить состояние планетной системы на сегодня, он должен объяснить и ее происхождение, говорил он себе.

Темными осенними ночами молодой, тогда еще совсем молодой, философ часто подолгу смотрел на небо. И в тумане полосы Млечного Пути виделись ему другие планетные системы и другие Солнца. Нет сомнения, небесные тела, входящие в единую систему, должны быть объединены и общностью происхождения. Земля и Луна, Юпитер и все остальные тела образовались одновременно со своим центральным светилом. Иначе как объяснить, что, разделенные пустыми просторами космоса, не связанные друг с другом ничем, кроме сил взаимного притяжения, обращаются они от века в ту же сторону, в которую кружится вокруг своей оси и само Солнце.

Но если первозданное облако состояло из частиц, хаотически двигавшихся в разные стороны, то как заставить их начать кружиться в одном направлении? Из законов И. Ньютона, известных И. Канту, такого упорядочивания движений не получалось. И тогда на помощь математике пришла философия. Он вводит в дополнение к ньютоновым силам притяжения силы взаимного отталкивания. Именно они должны помочь сначала частицам, а потом и образовавшимся телам приобрести «свободное круговое движение».

Вы, пожалуй, спросите: откуда выкопал он эти силы? Световое давление во времена И. Канта открыто еще не было, силы электрического отталкивания приспособить для космогонических целей тоже еще никому в голову не приходило. Какова же природа этого отталкивания?

Скорее всего мысль о них возникла у И. Канта из древней как мир философской идеи диалектики о взаимодействии противоположностей, как о всеобщем законе движения мира. Ведь, и занимаясь естествознанием, И. Кант ни на мгновение не переставал быть философом. Правда, биографы пишут, что некоторое время, еще будучи студентом в университете, он питал склонность к точным наукам. Но тут же оговариваются, что в значительной степени это была просто реакция «на избыток религиозного образования в школе».

В двадцать два года он даже написал реферат: «Мысли об истинном измерении живых сил», в котором подробно разобрал спор Р. Декарта с Г. Лейбницем. Работа студента философского факультета была написана живо, носила явные признаки самостоятельности мышления, но… не более. И вот после окончания университета и девяти лет гувернерства в частных домах — роли, занимающей промежуточное положение между лакеем и бедным родственником-приживалой, — он пишет ряд блестящих статей о космогонических проблемах. Мало того, что он рассматривает интересующие его вопросы с чисто материалистических позиций, он лишает бога права «первого толчка» и вводит принцип развития космоса. Того самого космоса, который согласно священному писанию сотворен богом и неизменен от века.

Для XVIII века это был смелый вывод. В своей работе «Анти-Дюринг» Ф. Энгельс высоко оценил космогонию И. Канта. «Кантова теория возникновения всех теперешних небесных тел из вращающихся туманных масс была величайшим завоеванием астрономии со времени Н. Коперника. Впервые было поколеблено представление, что природа не имеет никакой истории во времени… Было, конечно, очевидно для всех, что природа находится в постоянном движении, но это движение представлялось как непрестанное повторение одних и тех же вопросов. В этом представлении, вполне соответствовавшем метафизическому способу мышления, И. Кант пробил первую брешь…»

К сожалению, современники знали И. Канта лишь как философа — автора критического метода и создателя новой критической философии. Натурфилософские сочинения докритического периода никто никогда не вспоминал. Да и сам он в дальнейшем отошел от позиций материализма. «Основные черты философии Канта есть примирение материализма и идеализма, компромисс между тем и другим, сочетание в одной системе разнородных, противоположных философских направлений», — писал В. И. Ленин в работе «Материализм и эмпириокритицизм».

Пройдут годы. Критики разберут гипотезу немецкого философа с физико-математических позиций и докажут, как дважды два, что никакие внутренние силы не способны привести во вращение всю систему туманности. Точно так же, как не удастся никому, схватив себя за волосы, перенести через реку.

В чем же тогда ценность этой не замеченной в свое время гипотезы и почему мы, спустя столько лет, не забыли о ней, как забыли о многих иных, стоящих куда ближе к истине сегодняшнего дня?

Можно, конечно, говорить о том, что гипотеза И. Канта — первая среди обширного класса космогонических гипотез происхождения небесных тел из туманностей. Вслед за Кантовой, все они получили общее название «небулярных», от латинского слова «nebula» — туманность. Но не это главное. Нет! Гораздо важнее то, что И. Кант сознательно рассматривал развитие мира как результат противоположных и противоречивых сил притяжения и отталкивания и возвел этот метод в принцип! О том, что развитие мира происходит в результате взаимодействия противоположностей, люди смутно догадывались еще в древнейшие времена, положив это условие в основы диалектики. Но только после И. Канта взаимодействие противоположных начал планомерно разрабатывается последующими философами как всеобщая закономерность развития бытия и познания, пока не получает окончательного выражения в виде закона единства и борьбы противоположностей в работах К. Маркса, Ф. Энгельса и В. Ленина.

Сегодня исследование любого объекта — от элементарных частиц и разлетающихся галактик до биологических и социальных законов, которым подчиняется человек и общество, означает, прежде всего, проникновение в противоречивую природу этого объекта или явления. И чем глубже это проникновение, тем вернее теоретическое понимание исследуемых процессов. Тут и дуализм элементарных частиц, проявляющих себя как единство вещества и поля, и силы гравитационного притяжения, и силы электрического и магнитного отталкивания, и все это имеет место в космосе, все формирует галактики.

Подобные примеры из любой области изучения неживой и живой природы может найти при желании сам читатель, дав себе труд проанализировать развитие любой системы из окружающей его действительности.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

2.

Гипотеза Уленбека и Гоудсмита

2. Гипотеза Уленбека и Гоудсмита Уленбек и Гоудсмит в 1925 г. в работе, имеющей огромное значение, предложили считать, что электрон обладает не только электрическим зарядом, но также и магнитным и механическим моментами. Очень легко дать классическую модель такого

Жорж-Луи Леклер граф де Бюффон и первая настоящая гипотеза космогонии

Жорж-Луи Леклер граф де Бюффон и первая настоящая гипотеза космогонии Первая гипотеза, описывающая сотворение Земли и планет на основании законов Ньютона и без участия бога, была детищем француза. И не случайно. Именно во Франции XVIII века, бурлящей ненавистью к королю и

Космогоническая гипотеза Жерве-Огюста-Этьена-Альбы Фаи

Космогоническая гипотеза Жерве-Огюста-Этьена-Альбы Фаи Французский астроном, член Парижской академии наук Ж. Фаи был преисполнен намерений укрепить гипотезу соотечественника П. Лапласа. Для этого следовало прежде всего узаконить обратное движение планет. Но он

8.2: Происхождение Солнечной системы — небулярная гипотеза

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 6889

Крис Джонсон, Мэтью Д. Аффолтер, Пол Инкенбрандт и Кэм Мошер
Общественный колледж Солт-Лейк-Сити через OpenGeology

Наша Солнечная система сформировалась в то же время, что и наше Солнце, как описано в небулярной гипотезе. Небулярная гипотеза — это идея о том, что вращающееся облако пыли, состоящее в основном из легких элементов, называемое туманностью, сплющилось в протопланетный диск и стало солнечной системой, состоящей из звезды с вращающимися вокруг нее планетами [12]. Вращающаяся туманность собрала в своем центре подавляющее большинство вещества, поэтому на долю Солнца приходится более 99% массы нашей Солнечной системы.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Небольшие протопланетные диски в туманности Ориона

Расположение и разделение планет

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Этот диск асимметричен, возможно, из-за большой газовой планеты-гиганта вращается относительно далеко от звезды.

По мере формирования нашей Солнечной системы в небулярном облаке рассеянных частиц сформировались четкие температурные зоны. Близко к центру температура была очень высокой, что позволяло конденсировать только металлы и силикатные минералы с высокими температурами плавления. Дальше от Солнца температуры были ниже, что позволяло конденсировать более легкие газообразные молекулы, такие как метан, аммиак, углекислый газ и вода [13]. Эта температурная разница привела к тому, что четыре внутренние планеты Солнечной системы стали скалистыми, а четыре внешние планеты стали газовыми гигантами.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Изображение HL Тельца и его протопланетного диска, сделанное телескопом ALMA, на котором видны бороздки, образующиеся по мере того, как планеты поглощают материал диска.

У каменистых и газообразных планет одинаковая модель роста. Частицы пыли, плавающие в диске, притягивались друг к другу статическими зарядами и, в конечном счете, гравитацией. По мере того как комки пыли становились больше, они взаимодействовали друг с другом — сталкивались, слипались и образовывали протопланеты. Планеты продолжали расти в течение многих тысяч или миллионов лет по мере добавления материала из протопланетного диска. И каменистые, и газообразные планеты начинались с твердого ядра. Каменистые планеты построили больше камня на этом ядре, а газовые планеты добавили газа и льда. Ледяные гиганты образовались позже и на самых дальних краях диска, накопив меньше газа и больше льда. Вот почему планеты-гиганты Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода и газообразного гелия, более чем на 90%. Ледяные гиганты Уран и Нептун состоят в основном из метанового льда и лишь около 20% водорода и газообразного гелия.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Представление художника о линии снега вокруг молодой звезды V883 Ориона, обнаруженной с помощью ALMA.

Планетарный состав газовых гигантов явно отличается от каменистых планет. Их размер также сильно различается по двум причинам: во-первых, первоначальная планетарная туманность содержала больше газа и льда, чем металлов и камней. Было много водорода, углерода, кислорода, азота и меньше кремния и железа, что давало внешним планетам больше строительного материала. Во-вторых, более сильное гравитационное притяжение этих планет-гигантов позволяло им собирать большие количества водорода и гелия, которые не могли быть собраны более слабой гравитацией меньших планет.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Полированный фрагмент богатого железом метеорита Толука с октаэдрическим узором Видманштеттена.

Массивная гравитация Юпитера в дальнейшем сформировала Солнечную систему и рост внутренних скалистых планет. Когда туманность начала сливаться в планеты, гравитация Юпитера ускорила движение близлежащих материалов, вызывая разрушительные столкновения, а не конструктивно склеивая материал [14]. Эти столкновения создали пояс астероидов, незавершенную планету, расположенную между Марсом и Юпитером. Этот пояс астероидов является источником большинства метеорита , которые в настоящее время падают на Землю. Изучение астероидов и метеоритов помогает геологу определить возраст Земли и состав ее ядра, мантии и земной коры. Гравитация Юпитера также может объяснить меньшую массу Марса, поскольку большая планета потребляет материал по мере того, как она мигрирует от внутреннего края Солнечной системы к внешнему [15].

Плутон и определение планеты

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Восемь крупнейших объектов, обнаруженных за пределами Нептуна.

Внешняя часть Солнечной системы известна как пояс Койпера, представляющий собой россыпь скалистых и ледяных тел. За ним находится облако Оорта, зона, заполненная мелкими и рассеянными ледяными следами. В этих двух местах формируется и продолжает двигаться по орбите большинство комет, а найденные здесь объекты имеют относительно неправильные орбиты по сравнению с остальной частью Солнечной системы. Плутон, ранее девятая планета, расположен в этой области космоса. XXVI Генеральная ассамблея Международного астрономического союза (МАС) лишила Плутон планетарного статуса в 2006 году, потому что ученые обнаружили объект более массивный, чем Плутон, и назвали его Эридой. МАС решил не включать Эриду в число планет и, следовательно, исключил и Плутон. МАС сузил определение планеты до трех критериев:

Масса достаточна, чтобы гравитационные силы заставляли его округляться
Недостаточно массивен для создания слияния
Достаточно большой, чтобы находиться на расчищенной орбите, свободной от других планетезималей, которые должны были быть включены во время образования планеты. Плутон прошел первые две части определения, но не третью. Плутон и Эрида в настоящее время классифицируются как карликовые планеты

Ссылки

12. Montmerle T, Augereau J-C, Chaussidon M, et al (2006) Формирование Солнечной системы и ранняя эволюция: первые 100 миллионов лет. В: От солнц к жизни: хронологический подход к истории жизни на Земле. Спрингер Нью-Йорк, стр. 39.–95

13. Мартин Р.Г., Ливио М. (2012) Об эволюции линии снега в протопланетных дисках. Mon Not R Aston Soc Lett 425:L6–L9

14. Petit J-M, Morbidelli A, Chambers J (2001) Первоначальное возбуждение и очистка пояса астероидов. Икар 153: 338–347. https://doi.org/10.1006/icar.2001.6702

15. Уолш К.Дж., Морбиделли А., Раймонд С.Н. и др. (2011) Низкая масса Марса в результате ранней газовой миграции Юпитера. Природа 475:206–209

Эта страница под заголовком 8.2: Происхождение Солнечной системы. Гипотеза туманностей распространяется по лицензии CC BY-NC-SA, авторами, ремиксами и/или кураторами являются Крис Джонсон, Мэтью Д. Аффольтер, Пол Инкенбрандт и Кэм. Мошер (OpenGeology).

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или Страница
Автор
Джонсон, Аффольтер, Инкенбрандт и Мошер
Лицензия
CC BY-NC-SA
Показать оглавление
нет
Теги

Небулярная теория и формирование Солнечной системы – Историческая геология

В начале…

Как и когда начинается история Земли? Логично начать с формирования планеты, но, как вы скоро увидите, формирование планеты является частью более крупной истории, и эта история также подразумевает некоторую предысторию до истории. Цель этого тематического исследования — представить наше лучшее научное понимание образования нашей Солнечной системы из досолнечной туманности, а также поместить эту туманность в контекст.

Небулярная теория

Преобладающее научное объяснение происхождения Земли хорошо объясняет формирование не только Земли, но и Солнца и всех других планет. На самом деле, это не столько «история происхождения Земли», сколько история происхождения всей солнечной системы . Мало того, наше Солнце — лишь одна из сотен миллионов звезд в нашей галактике, а наша галактика — одна из сотен миллионов во Вселенной. Таким образом, уроки, которые мы извлекаем, изучая нашу собственную солнечную систему, вероятно, могут быть применены в более широком смысле к формированию других солнечных систем в других местах, в том числе тех, что были давным-давно, в далеких-далеких галактиках. Обратное также верно: наше понимание истории происхождения нашей собственной солнечной системы уточняется по мере того, как мы узнаем больше об экзопланетах, некоторые из которых бросают вызов тому, что мы видим в нашей собственной системе; например, «горячие юпитеры» и «суперземли» — это особенности, которые мы видим в других звездных системах, но не в нашей собственной.

Когда мы используем мощные телескопы, чтобы наблюдать за галактикой, мы наблюдаем множество других звезд, но мы также наблюдаем и другие вещи, в том числе нечеткие объекты, называемые туманностями. Туманность — это большое облако газа и пыли в космосе. Она не такая яркая, как звезда, потому что не подвергается термоядерному синтезу с огромным выбросом энергии, сопровождающим этот процесс. Пример туманности, которую вы, вероятно, сможете увидеть, находится в созвездии Ориона. «Пояс Ориона», состоящий из трех звезд подряд, — это легко узнаваемая черта на ночном небе северного полушария зимой. Меньшее трио светлых пятен «свисает» с пояса; это ножны меча Ориона. Недорогой бинокль позволит вам самостоятельно рассмотреть эти объекты; вы обнаружите, что средняя точка света в этом меньшем трио не является звездой. Это туманность под названием Мессье 42.9.0034 Туманность Мессье 42 на фоне «ножен» созвездия Ориона.

Туманности, такие как Мессье 42, являются обычным явлением в галактике, но не так часто, как звезды. Туманности кажутся недолговечными, поскольку материя часто притягивается к другой материи. Все это вещество, распределенное в этом огромном объеме пространства, не так стабильно, как было бы, если бы все это было собрано в несколько больших комков. Частицы сближаются с соседними частицами под действием различных сил, в том числе «статического прилипания» или электростатического притяжения. Это та же самая сила, которая заставляет крошечные пылинки собираться в комки пыли под вашим диваном!

Три комочка пыли под диваном: бытовые хлопоты или взгляд на рождение Солнечной системы?

Электростатическая сила достаточно сильна для притяжения мелких частиц на небольшие расстояния, но если вы хотите сделать из туманности большие объекты, такие как планеты и звезды, вам понадобится гравитация, чтобы в какой-то момент взять верх. Гравитация — довольно слабая сила. Ведь каждый раз, когда вы делаете шаг, вы преодолеваете притяжение всей Земли. Но гравитация может очень эффективно работать на расстоянии, если задействованные массы достаточно велики. Таким образом, статическое цепляние было первоначальным организатором, пока «кролики космической пыли» не стали достаточно большими, тогда гравитация смогла взять верх, притягивая массу к массе. Конечный результат состоит в том, что миллионы крошечных кусочков туманности стянулись вместе, закручиваясь во все более и более плотное слияние. Туманность начала вращаться, сплющиваясь сверху вниз и превращаясь во вращающийся диск, что-то среднее между фрисби и яичницей по форме:

Представление художника о протопланетном диске под углом с использованием реальных фотоизображений диска HL Тельца, первоначально собранных Европейской южной обсерваторией.

Когда в центре формируется звезда, астрономы называют кольцо обломков вокруг нее протопланетным диском. Двумя важными процессами, которые помогли организовать протопланетный диск, были конденсация и аккреция.

Хондры в метеорите, шкала в мм.

Конденсация – это процесс, при котором газообразные вещества слипаются, образуя жидкие или твердые вещества. У нас есть доказательства конденсации в виде небольших сферических объектов с внутренней слоистостью, вроде «космических градин». Это хондры, и они представляют собой самые ранние объекты, образовавшиеся в нашей Солнечной системе. (Иногда нам посчастливилось найти хондры, дожившие до наших дней, погребенные внутри некоторых метеоритов той разновидности, которая называется хондритами. )

Хондры сливались с другими хондрами и слипались в первобытные «камни», создавая все более и более крупные объекты. В конце концов, эти объекты стали достаточно большими, чтобы придать своей массе круглую форму, и у нас было бы полное право назвать их «планетезималями». Планетезимали поглощали близлежащие астероиды и врезались в другие планетезимали, сливаясь и разрастаясь во времени в процессе аккреции. Кинетическая сила этих столкновений нагревала каменистый и металлический материал планетезималей, и их температура также повышалась, поскольку радиоактивный распад нагревал их изнутри. Когда-то теплый, более плотный материал мог опускаться к их середине, а более легкие элементы и соединения поднимались на их поверхность. Так что они не только созревали в сфероидальные формы, но и внутренне дифференцировались, разделяясь на слои, организованные по плотности.

Мультяшная модель, показывающая эволюцию нашей Солнечной системы из досолнечной туманности.

Метеориты с металлическим составом представляют собой «ядерный» материал этих планетезималей; основной материал, который мы бы никогда не увидели, если бы окружающий их скалистый материал не был отброшен взрывом. Таким образом, железные метеориты, такие как метеорит Каньон Диабло (отвечающий за знаменитый Метеоритный кратер в Аризоне), являются свидетельством дифференциации планетезималей на слоистых тел с последующей дезагрегацией: вежливый способ сказать, что позже они были насильственно разорваны энергетическими столкновениями.

Если бы вы каким-то образом взвесили туманность до конденсации и аккреции, а затем снова через 4,6 миллиарда лет, мы обнаружили бы, что масса одинакова. Вместо того, чтобы быть рассеянным в диффузном облаке бесчисленных атомов, конденсация и аккреция туманности привели к точно такому же количеству вещества, но организованному во все меньшее и меньшее количество все более и более крупных объектов. Самым большим из них было Солнце, составляющее около 99,86% всей массы Солнечной системы. Четыре пятых из оставшихся 0,14% составляют планету Юпитер. Сатурн, Нептун и Уран также являются огромными газовыми гигантами. Внутренние каменистые планеты (включая Землю) составляют крошечную, крошечную часть общей массы всей Солнечной системы, но, конечно, только потому, что они относительно малы, это не значит, что они не важны!

Процесс аккреции продолжается и по сей день, хотя и более медленными темпами, чем в первые дни Солнечной системы. Одно место, где вы можете наблюдать это, находится в поясе астероидов, где есть определенные астероиды, которые в основном представляют собой не что иное, как большую трехмерную груду космических камней, удерживаемых вместе под собственной гравитацией. Рассмотрим, например, астероид Итокава 25143:

Астероид 25143 Итокава.

Всего около полукилометра в длину и всего несколько сотен метров в ширину, Итокава даже не обладает достаточной гравитацией, чтобы превратиться в сферу. Если бы вы приземлились на поверхность Итокавы и пнули валун размером с футбольный мяч, он с готовностью улетел бы в космос, так как сила вашего удара была бы намного выше, чем сила тяжести, заставляющая его оставаться на месте.

Другим примером аккреции, продолжающейся и по сей день, являются удары метеоритов. Каждый раз, когда кусок камня в космосе пересекает Землю, его масса прибавляется к массе планеты. В этот момент Солнечная система становится немного чище (меньше гремят остатки), а планета становится немного массивнее. Впечатляющий пример этого произошел в 1994 году с кометой Шумейкеров-Леви 9, кометой, которая была открыта только в предыдущем году. Огромная гравитация Юпитера разбила комету на куски, а затем поглотила их один за другим. Астрономы на Земле с восхищением наблюдали, как обломки кометы диаметром более километра врезались в атмосферу Юпитера со скоростью 60 км/с (~134 000 миль в час), создав огненный шар с температурой 23 700°C и огромные шрамы от столкновения, которые были размером с всю планету. Земля. Эти шрамы держались месяцами.

Аккреция в действии: шрам от июльского 1994 года столкновения фрагмента кометы Шумейкера-Леви 9 с поверхностью атмосферы планеты Юпитер.

Это невероятно драматическое событие, возможно, вызывает у нас мурашки на шее, когда мы видим жестокость и мощь космических столкновений. Это напоминание о том, что земляне не застрахованы от аккреционных воздействий даже сегодня — как это выяснили динозавры. Однако для целей нашего текущего обсуждения имейте в виду, что столкновение на самом деле было слиянием масс кометы Шумейкера-Леви 9. и планета Юпитер, и после того, как пыль осела, в Солнечной системе осталось на один объект меньше, а Юпитер набрал немного больше массы. Такова общая тенденция аккреции нашей Солнечной системы из предсолнечной туманности: под влиянием гравитации имеющаяся масса с течением времени становится все более и более концентрированной.

Я понял?

Рождение звезды

Из-за того, что Солнце такое массивное, внутри него может создаваться огромное давление. Эти давления настолько высоки, что они действительно могут заставляют два атома попасть в одно и то же пространство , преодолевая их огромное отталкивание друг к другу и заставляя их два ядра сливаться. Когда два атома объединяются, чтобы создать еще один массивный атом, высвобождается энергия. Этот процесс представляет собой термоядерный синтез. Как только это начинается, звезды начинают излучать свет.

Диаграмма Герцпрунга-Рассела, отображающая зависимость температуры звезд (насколько они горячи) от их светимости (сколько света они излучают).

Положение звезды на диаграмме дает информацию о ее нынешнем состоянии и массе. Звезды, сжигающие водород в гелий, лежат на диагональной ветви, так называемой главной последовательности. Наше Солнце является примером звезды главной последовательности, находящейся примерно на полпути к ожидаемой «жизни». Красные карлики лежат в прохладном и слабом правом нижнем углу. Когда звезда исчерпывает весь водород, она покидает главную последовательность и становится красным гигантом или сверхгигантом, в зависимости от ее массы (правый верхний угол). Звезды с массой Солнца, которые сожгли все свое топливо, в конце концов превращаются в белого карлика (нижний левый угол). Модифицировано из оригинала Европейской южной обсерваторией.

Способность звезд создавать большие атомы из маленьких является ключом к пониманию истории нашей Солнечной системы и нашей планеты. Планета Земля состоит из самых разных химических элементов, как легких, так и тяжелых. Все эти элементы должны были присутствовать в туманности, чтобы их можно было включить в «исходную смесь» Земли. Элементы, образовавшиеся на Солнце, сегодня остаются на Солнце, превращая атомы с малым весом в более тяжелые атомы. Таким образом, все элементы на Земле сегодня произошли от звезды до Солнца. Мы можем выйти на улицу в весенний день и насладиться солнечным теплом, но углерод, из которого состоит кожа, согревающая это тепло, был выкован в сердце еще одна звезда , звезда, которой уже нет, звезда, которая взорвалась.

Эта взорвавшаяся звезда была источником туманности, с которой мы начали это исследование: это предыстория, которая произошла до начальной сцены. Наша Солнечная система похожа на «дом с привидениями», где миллиарды лет назад прямо здесь, в этой части галактики, была яркая, здоровая звезда главной последовательности. Возможно, вокруг него вращались планеты. Возможно, на некоторых из этих планет была жизнь. Мы никогда не узнаем: взрыв стер все дочиста и «перезагрузил» Солнечную систему для той итерации, в которой мы живем. Призрачные остатки того времени, предшествующего нашему, все еще сохраняются в том самом материале, из которого мы сделаны. Эта давно умершая звезда синтезировала водород, чтобы построить углерод в наших телах, железо в нашей крови, кислород, которым мы дышим, и кремний в горных породах нашей планеты.

Это невероятное осознание: все, что вы знаете, все, чему вы доверяете, все, что вы есть , это звездная пыль.

Я понял?

Возраст Солнечной системы

Так когда же все это произошло? Оценить возраст Солнечной системы можно с помощью изотопов элемента свинца (Pb). Существует несколько изотопов свинца, но для определения возраста Солнечной системы рассмотрим следующие четыре: ²⁰⁸ Pb, ²⁰⁷ Pb, ²⁰⁶ Pb и ²⁰⁴ Pb.

²⁰⁸ Pb, ²⁰⁷ Pb, ²⁰⁶ Pb являются радиогенными: то есть, они являются стабильными «дочерними» изотопами, которые образуются из радиоактивных «материнских» изотопов. Каждый производится из другого родителя с разной скоростью:

Родительский изотоп	Стабильная дочь	Период полураспада
²³² Чт	²⁰⁸ Pb	14,0 б. н.
²³⁸ У	²⁰⁶ Пб	4,5 б.г.
²³⁵ У	²⁰⁷ Пб	0,70 б.у.

²⁰⁴ Pb, насколько нам известно, нерадиогенен. Это имеет отношение к этому обсуждению, потому что может служить «стандартом», который позволяет нам сравнивать другие изотопы свинца друг с другом. Точно так же, как если бы мы хотели сравнить валюты Намибии, Индонезии и Чили, мы могли бы соотнести все три валюты с долларом США. Доллар будет служить эталоном для сравнения, что позволит нам лучше увидеть стоимость намибийской валюты по отношению к индонезийской валюте и чилийской валюте. Вот что ²⁰⁴ Pb делает для нас здесь.

Эволюция соотношения изотопов свинца (Pb) за последние 5 миллиардов лет, включая как земные (земные породы) измерения, так и прогнозы первичной эволюции, хотя земные породы того возраста не сохранились.

Это график, показывающий смоделированную эволюцию трех наших радиогенных изотопов свинца по отношению к ²⁰⁴ Pb. Оно ограничено земными образцами свинца в молодом конце и спроецировано назад во времени в соответствии с нашими измерениями того, как быстро эти три изотопа свинца производятся их радиоактивными родителями. Конечно, если мы вернемся достаточно далеко во времени, у нас закончатся образцы для оценки. Горный цикл Земли уничтожил все ее самые ранние горные породы. Они претерпевали метаморфозы, подвергались выветриванию или плавлению — возможно, много раз! Что было бы действительно хорошо, так это найти несколько пород на начальном конце этих кривых — несколько образцов, которые могли бы подтвердить точность этих проекций в прошлом.

Такие образцы до существуют! Но они не столько с Земли, сколько «из земных исходных материалов». Если небулярная теория верна, то в астероидах Солнечной системы найдено несколько остатков исходных материалов планеты. Время от времени кусочки этих космических камней падают на землю, и если они выживают после прохождения через атмосферу, нам может посчастливиться собрать их и проанализировать. Мы называем эти космические камни «метеорами», поскольку они проносятся через атмосферу, нагреваясь за счет трения и окисляясь при падении. Те, что долетают до поверхности Земли, известны как «метеориты». Их часто можно отличить по фестончатой корке плавления, как в этом образце:

Эволюция соотношения изотопов свинца (Pb) за последние 5 миллиардов лет, включая наземные (земные породы) измерения и прогнозы первичной эволюции, а также значения, полученные на основе измерений метеоритов.

Метеориты бывают нескольких видов, включая каменные и металлические версии. Очень приятно, что когда измерения изотопов свинца в этих метеоритах добавляются к приведенному выше графику, все они попадают точно туда, где их должно было бы иметь наше понимание производства изотопов свинца: в начале каждой из этих кривых эволюции модели. Каждая система изотопов свинца дает один и тот же ответ для возраста Земли, действуя как три независимых свидетеля, подтверждающих показания друг друга. И все они дают ответ 4,6 миллиарда лет назад (4,6 млрд лет назад). Вот что говорит ²⁰⁸ Pb. Вот что говорит ²⁰⁷ Pb. И вот что говорит ²⁰⁶ Pb. Все они согласуются, и они согласуются с предсказанными кривыми, основанными на наземных (земных пород) измерениях. Это соглашение дает нам большую уверенность в этом числе. Земля, метеориты (бывшие астероиды) и Солнечная система, частью которой они все являются, возникли примерно 4,6 миллиарда лет назад…

Я понял?

…Но что было до этого?

Последствия падения метеоритов

В 1969 году метеорит пролетел сквозь атмосферу Земли и раскололся над Мексикой. Было извлечено и предоставлено для научного анализа большое количество фрагментов этого метеорита. Оказалось, что это углеродистый хондрит, крупнейший в своем роде из когда-либо задокументированных. Он был назван метеоритом Альенде ( «глаз-йен-день» ) в честь крошечной деревни Чиуауа, ближайшей к центру области, по которой были разбросаны его фрагменты.

Одним из материалов, составляющих хондры Альенде, был кальциевый полевой шпат, называемый анортит. Анортит — необычайно распространенный минерал в земной коре, но анортит Альенде был другим. По какой-то причине в нем содержится большое количество магния. Когда геохимики определили, что это за магний, они с удивлением обнаружили, что это в основном ²⁶ Mg, необычный изотоп. Содержание ²⁵ Mg и ²⁴ Mg оказалось примерно на том же уровне, что и земные породы, но ²⁶ Mg было повышено примерно на 1,3%. А ведь магнию даже в полевом шпате «не место». Химическая формула анортита CaAl ₂ Si ₂ O ₈ – там нет места «Mg». Почему это странное ²⁶ Mg в этом хондритовом анортите?

Одним из способов получения ²⁶ Mg является разложение радиоактивного ²⁶ Al. Проблема с этой идеей в том, что сегодня нет ²⁶ Al около . Это пример вымершего изотопа: атом алюминия настолько нестабилен, что очень быстро распадается. Период полураспада составляет всего 717 000 лет. Но поскольку эти хондры сконденсировались в самые ранние дни Солнечной системы, вполне могло быть много ²⁶ Al около в этот момент для их включения. А Al, конечно же, является ключевой частью кристаллической структуры анортита Ca Al ₂ Si ₂ O ₈.

Таким образом, идея состоит в том, что странное дополнительное ²⁶ Mg в анортите хондры можно объяснить, предположив, что это не всегда было ²⁶ Mg: вместо этого оно начиналось как ²⁶ Al, и оно принадлежало структуре этого кристалла. . Однако за короткое время все рухнуло, и осталось ²⁶ Mg позади, чтобы отметить, где он когда-то был. Если эта интерпретация верна, она имеет шокирующие последствия для истории нашей Солнечной системы.

Чтобы понять почему, сначала нужно спросить, что было до туманности? Какова была ситуация «до туманности»? Откуда вообще взялась туманность?

Оказывается, туманности образуются при взрыве старых звезд определенного размера.

Эти взрывы называются сверхновыми (множественное число от сверхновых). Часть названия «новая» происходит от того факта, что они очень яркие в ночном небе, что указывает на то, насколько энергичен взрыв. Стороннему наблюдателю они кажутся «новыми» звездами. Сверхновые возникают, когда звезда исчерпала свой запас легкого топлива и у нее закончились маленькие атомы, которые можно слить вместе в нормальных условиях. Сила, направленная наружу, прекращается, и силы, направленные внутрь, внезапно начинают доминировать, в результате чего звезда схлопывается сама по себе. Это поднимает давление до невероятно высокого уровня и отвечает за ядерный синтез больших атомов — каждый атом тяжелее железа мгновенно образуется в огне сверхновой.

Этот набор свежеиспеченных атомов включал группу нестабильных изотопов, в том числе ²⁶ Al.

И вот в чем загвоздка: если ²⁶ Al образовался в результате взрыва сверхновой, сразу же начал распадаться, и при этом его было достаточно, чтобы значительная часть его могла быть вплетена в анортит хондр Альенде, это означает, что очень короткий промежуток времени между уничтожением предшественника нашего Солнца и первыми мгновениями нашего собственного существования. В частности, период полураспада 9 – 717 000 лет.0199 26 Al предполагает, что этот «переход между солнечными системами» разыгрался менее чем за 5 миллионов лет, а возможно, всего за 2 миллиона лет.

Очень, очень быстро.

Я понял?

Резюме

Таким образом, планета Земля является частью Солнечной системы с центром на Солнце. Эта солнечная система с ее звездой, классическими планетами, карликовыми планетами и «остатками» комет и астероидов образовалась из туманности, наполненной элементами в виде газа и пыли. Со временем эти очень маленькие кусочки слиплись, чтобы создать большую концентрацию массы, что в конечном итоге привело к образованию звезды и группы планет, которые вращаются вокруг нее. Астероиды (и падающие на Землю астероиды, называемые метеоритами) являются остатками этого процесса. Сама стартовая туманность образовалась в результате разрушения предыдущей звезды, взорвавшейся сверхновой. Переход от досолнечной звезды к нашей Солнечной системе произошел поразительно быстро.

Рубрики