Космогония
Космогония (от греческого космос = «мир», «Вселенная» + «рождение») — наука, изучающая происхождение и развитие космических тел и их систем: звёзд и звёздных скоплений, галактик, туманностей, Солнечной системы, включая Солнце, планет со спутниками, астероидов, комет, метеоритов
Изучение космогонических процессов является одной из главных задач астрофизики. Поскольку все небесные тела возникают и развиваются, идеи об их динамике тесно связаны с представлениями о природе этих тел вообще. В современной космогонии широко используется методология физики и химии. Современная научная космогония опирается на астрофизику и изучает образование Вселенной, включая появление и развитие астрономических объектов.
Общепринятой современной космогонической и космологической гипотезой является теория Большого взрыва. Однако, различные её интерпретации могут давать разные ответы на вопрос об изначальном происхождении ранней вселенной. Обычно предполагается, что началом Вселенной (и времени вообще) является космологическая сингулярность; главным аргументом в её пользу считается теорема Пенроуза. Имеются и другие предположения, например циклическая модель.
Рисунок 1 – Рождение вселенной из сингулярности
Знакомясь с устройством Солнечной системы, мы могли уже убедиться в том, что она не является случайным собранием небесных тел. Напротив, в ее строении усматривается целый ряд определенных закономерностей.
- Все большие планеты движутся вокруг Солнца по орбитам, близким к круговым.
- Орбиты больших планет лежат почти в одной плоскости, практически совпадающем с плоскостью солнечного экватора.
- Все без исключения планеты обращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении — противоположном вращению часовой стрелки (если Солнечную систему наблюдать со стороны ее северного полюса). В эту же сторону вращается и Солнце вокруг своей оси.
- Кроме того, Солнце и шесть больших планет — Меркурий, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн и Нептун — вращаются вокруг своей оси в направлении орбитального движения, то есть с запада на восток. Исключением из этой закономерности являются Венера, Уран и Плутон. Они вращаются вокруг оси в обратном направлении — с востока па запад.
- Спутники планет движутся в плоскостях, близких к плоскостям планетных экваторов.
Отмеченные закономерности свидетельствуют о том, что Солнечная система действительно единая семья. На это указывает также связь между физическими свойствами больших планет и их расположением в порядке удаления от центрального светила. Ближайшие к Солнцу образуют группу земноподобных планет (Меркурий, Венера, Земля и Марс), а далекие от Солнца — группу планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун).
Особняком стоит далекий Плутон. По своим физическим характеристикам и составу он похож на крупные спутники планет-гигантов. Возможно, что в прошлом Плутон был спутником Нептуна. Таким образом, есть все основания предполагать, что тела Солнечной системы образовались в результате какого-то единого процесса. Иначе невозможно объяснить, почему они подчиняются общим закономерностям. И любая гипотеза, раскрывающая происхождение Солнечной системы, лишь тогда может стать настоящей теорией, если она только объясняет современное состояние Солнечной системы, но и может прогнозировать ее эволюцию.
Рисунок 2 – Солнечная система
Основная на данный момент теория возникновения солнечной системы Небулярная гипотеза — наиболее широко принимаемая научной общественностью космогоническая теория, объясняющая формирование и эволюцию Солнечной системы. Теория предполагает, что Солнечная система сформировалась из туманности. Автором гипотезы выступил Иммануил Кант, опубликовав её в своей работе Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels («Всеобщая естественная история и теория неба»), опубликованной в 1755. Изначально применимая лишь к Солнечной системе, эта гипотеза формирования планетарных систем считается в общих чертах применимой ко всей остальной Вселенной. Широкое признание получил современный вариант Небулярной гипотезы — Небулярно-дисковая Солнечная модель, или проще: Солнечная небулярная модель. Небулярная гипотеза даёт объяснение целому ряду свойств Солнечной системы, включая близкие к круговым и расположенные в одной плоскости орбиты, и вращение планет в направлении вращения Солнца вокруг своей оси. Множество элементов Небулярной гипотезы нашли отражение в современных теориях формирования планет, но большая их часть претерпела изменения
Согласно Небулярной гипотезе, звезды формируются в массивных и плотных облаках молекулярного водорода — молекулярных облаках. Эти облака гравитационно неустойчивы, и материя в них собирается в сгустки, вращается, сжимается и затем формирует звезды. Формирование звезды — комплексный и длительный процесс, который всегда создает вокруг молодой звезды газообразный протопланетный диск. Этот процесс нередко приводит к появлению планет, при недостаточно хорошо известных обстоятельствах. Таким образом, формирование планетной системы — естественный результат формирования звезд. Солнцеподобные звезды формируются на протяжении примерно миллиона лет, а протопланетный диск формируется на протяжении последующих 10-100 миллионов лет.
Протопланетный диск представляет собой аккреционный диск, подпитывающий центральную звезду. Изначально очень горячий, диск постепенно остывает до стадии, близкой по типу к звездным системам типа T Тельца; затем формирование пылевых песчинок приводит к появлению каменных и ледяных глыб. Сталкиваясь и слипаясь, глыбы формируют многокилометровые планетезимали. Если диск достаточно массивен, скоротечная аккреция вокруг планетезималей приводит к формированию в течение 100—300 тысяч лет протопланет размерами с Луну или Марс. Вблизи от звезды планетарные эмбрионы, пройдя через стадию слияний и поглощений, формируют несколько планет Земной группы. Последняя стадия занимает от 100 миллионов до миллиарда лет.
Формирование планет-гигантов — более сложный процесс. Считается, что они формируются за так называемой снеговой линией, где планетарные эмбрионы в основном состоят из различных типов льдов. В результате они в несколько раз более массивны, чем внутренняя часть протопланетного диска. Что следует после формирования протопланеты — не до конца ясно. Немалая часть таких протопланет продолжает расти, достигая 5-10 земных масс— порогового значения, позволяющего начать аккрецию водород-гелиевого газа из диска. Накопление газа ядром — изначально медленный процесс, который длится миллионы лет, но по достижении массы в 30 Земных он начинает резко ускоряться. Планеты наподобие Юпитера и Сатурна, как считается, накапливали свою массу в течение всего 10 тысяч лет. Аккреция останавливается с исчерпанием запасов газа. Образовавшиеся планеты могут мигрировать на большие расстояния в процессе или после формирования. Ледяные гиганты наподобие Урана и Нептуна считаются неудавшимися ядрами протопланет, которые сформировались в момент почти полного исчерпания диска.