Концепции современного естествознания: конспект лекций - Ольга Стрельник

4.4. Происхождение и устройство Солнечной системы

Солнечная система представляет собой группу планет, их спутников, множество астероидов и метеоритных тел. Все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости.

Солнце представляет собой звезду среднего размера, его радиус около 700 тыс. км. Солнце – рядовая звезда нашей Галактики, которая расположена ближе к ее краю в одном из спиралевидных рукавов. Солнце относится к звездам второго поколения, или «среднего» возраста, которые возникли несколько миллиардов лет назад. Возраст Солнца оценивается примерно в 5 млрд лет. Считается, что звезды первого поколения имеют возраст на 8-10 млрд лет больше. В Галактике существуют также молодые звезды, которым всего от 100 тыс. до 100 млн лет. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Солнце совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн лет. Этот период называют галактическим годом.

Солнце представляет собой плазменный шар средней плотностью 1,4 г/см3, окруженный так называемой короной, которую можно наблюдать. Активность Солнца цик-лична, цикл составляет примерно 11 лет. Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, которые происходят в недрах. Светимость Солнца, по некоторым данным, не меняется на протяжении миллиардов лет.

Начиная с 1960-х гг. планеты Солнечной системы исследуются с помощью космических аппаратов, которые передают на Землю их изображения, данные о характере поверхности, составе атмосферы и т. п. В Солнечной системе насчитывают девять планет, которые расположены в следующем порядке от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Между Марсом и Юпитером находится кольцо астероидов, которые также движутся вокруг Солнца. Сейчас известно около 2000 астероидов. От центра Солнечной системы до орбиты последней планеты – Плутона – расстояние составляет примерно в 5,5 световых часов.

Размеры планет значительно меньше Солнца, например Земля в 100 раз меньше Солнца. Некоторые планеты Солнечной системы имеют собственные спутники: Земля и Плутон – по одному, Марс и Нептун – по два, Уран – 5, у Сатурна, по последним данн^хм, – 32 спутника, а у Юпитера – 39. Все планеты Солнечной системы, а также их спутники светят отраженным светом Солнца, именно поэтому они могут наблюдаться в телескопы.

Считается, что все планеты Солнечной системы возникли почти одновременно примерно 4,6 млрд лет назад. В современной астрономии принята концепция холодного начального состояния планет, которые под влиянием электромагнитных и гравитационных сил образовались в результате объединения твердых частиц газово-пылевого облака, окружавшего Солнце. Само облако, или протопланетная туманность, возникло вместе с Солнцем и имело форму диска. Протопланетная туманность состояла из плотного межзвездного вещества, которое могло образоваться в результате взрыва относительно недалекой сверхновой звезды, ускорившего процесс конденсации газа. Уровень давления в прото-планетном облаке был таков, что вещество из газа конденсировалось сразу в твердые частицы, минуя фазу жидкости. В некоторый момент плотность газа стала столь высокой, что в нем образовались уплотнения. Из исходного газового облака сначала возникла система колец, которые затем распались на множество отдельных сгустков. Сталкиваясь друг с другом, газовые сгустки продолжали сжиматься и уплотняться, образуя так называемые допланетные тела. Их первоначальное количество оценивается во множество миллионов.

Образование допланетных тел продолжалось десятки тысяч лет. Формирование же самих планет заняло от 105до 108лет. Столкновение допланетных тел друг с другом привело к тому, что наиболее крупные из них начали еще более увеличиваться в размерах, вследствие чего образовались планеты. По аналогии с возникновением планет объясняется появление их спутников.

Необходимо отметить, что исчерпывающей и во всех смыслах удовлетворительной теории образования Солнечной системы пока не создано, во всех моделях существуют неясности и противоречия, которые требуют разрешения. Так, астрофизик В. Мак-Рей считает, что «проблема происхождения Солнечной системы продолжает оставаться, пожалуй, самой значительной из всех нерешенных проблем астрономии».

Все планеты Солнечной системы можно разделить на две группы: планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Плутон). Планеты-гиганты и планеты земного типа различаются по химическому составу. Так, в составе твердых оболочек Юпитера и Сатурна преобладают водород и гелий, эти планеты по химическому составу близки к Солнцу. Планеты земного типа в этом смысле резко отличаются от Солнца, наиболее распространенные элементы в их твердых оболочках – железо, кислород, кремний и магний.

Строение всех планет Солнечной системы слоистое. Слои различаются по плотности, химическому составу и другим физическим свойствам. В недрах планет происходит радиоактивный распад элементов. Поверхность планет формируется под действием двух типов факторов: эндогенных и экзогенных. Эндогенные факторы – это процессы в ядре планеты, которые меняют ее внешний облик: перемещения участков коры, вулканические извержения, горообразование и т. п. Экзогенные факторы связаны с внешними воздействиями: химические реакции при соприкосновении с атмосферой, изменения под действием ветра и осадков, падение метеоритов и т. п.

К особым космическим объектам относятся кометы. Кометы представляют собой небольшие тела диаметром от 5 до 10 км, состоящие из водяного льда с вкраплениями льдов летучих соединений. Согласно современным данным, кометы являются побочным продуктом формирования планет-гигантов. Основная масса кометы сосредоточена в ее ядре. Под воздействием космического излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие голову и хвост кометы, который может достигать несколько миллионов километров в длину. Кометы живут сравнительно недолго: от нескольких столетий до нескольких тысячелетий.

4.5. Будущее Вселенной

Для описания будущего Вселенной предлагаются различные космологические сценарии. Все эти гипотезы можно разделить на две группы: модели «закрытой» и модели «открытой» Вселенной. Если кривизна пространства отрицательна или равна нулю, то задается модель открытой Вселенной, если кривизна пространства положительна, то задается модель «закрытой», или «замкнутой», Вселенной.

«Закрытая» модель предполагает, что Вселенная одновременно конечна и неограниченна, т. е. двигаясь по ней, нельзя достичь границы. Однако свет, пущенный наблюдателем из какого-то источника, вернется к нему с противоположной стороны. В гипотезе замкнутой Вселенной предполагается, что мир проходит множество эволюционных циклов. Каждый цикл представляет собой сначала расширение, а затем сжатие Вселенной и длится примерно 100 млрд лет. При переходе в новый цикл меняются фундаментальные характеристики Вселенной, связанные с основными физическими константами. Что касается нынешнего состояния Вселенной, то в рамках данной гипотезы предполагается, что примерно через 30 млрд лет она начнет сжиматься, а еще через 50 млрд лет вернется в сингулярное состояние, из которого «родится» вновь.

«Открытая» модель рассматривает Вселенную как бесконечную. В моделях открытой Вселенной предполагается, что через 1014лет звезды остынут, поскольку исчезнет весь материал для термоядерных реакций. Через 1015лет звезды начнут покидать свои галактики, а планеты отрываться от звезд и улетать в космическое пространство. За время примерно в 1017лет все звезды окончательно потеряют свои планеты, а центральные части галактик коллапсируют. Оставшееся вещество благодаря гравитационным силам начнет собираться в ядра с огромной плотностью, т. е. галактики превратятся в сверхмассивные черные дыры. Через 1032лет Вселенная будет состоять из черных дыр и разреженного электронно-позитронного газа. Через 1096лет черные дыры испарятся. Через 10100лет Вселенная превратится в элек-тронно-позитронную плазму очень малой плотности.

Такой сценарий предполагается в случае нестабильности протона. Если же протон стабилен, то высказывается предположение, что через 1065лет все вещество превратится в жидкость, а звезды, ставшие к тому времени черными карликами, превратятся в жидкие капли. Через 101500лет все жидкие капли станут железными. Через огромное количество лет, которое выражается невероятными цифрами, и эти жидкие железные капли превратятся в черные дыры и постепенно испарятся. Вселенная, как и в предыдущей модели, перейдет в состояние электронно-позитронной плазмы.

В данный момент наша Вселенная находится в состоянии расширения, это экспериментально подтверждено открытием красного смещения. Считается, что если средняя плотность вещества во Вселенной окажется достаточно высокой – выше критической плотности, которая определяется величиной в 10-29r/см3, – то расширение со временем сменится сжатием. Если средняя плотность вещества окажется меньше критической, то Вселенная будет продолжать свое расширение. На данный момент средняя плотность вещества во Вселенной определяется в 3 ? 10-31г/см3, т. е. ниже критической. Это означает, что наша Вселенная будет неограниченно долго расширяться. Однако пока невозможно точно оценить плотность распределения вещества в силу существования так называемой скрытой массы, темной материи. Такая невидимая материя проявляется только по своему гравитационному взаимодействию. Именно поэтому ученые пока не дают окончательного ответа на вопрос: является наша Вселенная открытой или закрытой? Большинство придерживается модели открытой Вселенной.