История открытия Солнечной системы

Краткая история развития знаний о Солнечной системе

Вопросами происхождения и нашей, и других планет солнечной системы занимается космогония. Солнечная система, по оценкам, образовалась примерно 5 млрд.. лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения. Таким образом, Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущих поколений, скапливавшихся в газово-пылевых облаках.

Солнечная система - это система небесных тел (Солнце, планеты, спутники планет, кометы, метеоритные тела, космическая пыль), двигающихся в области преобладающего гравитационного влияния Солнца. Наблюдаемые размеры Солнечной системы определяются орбитой Плутона - около 40 а.е. (1 астрономическая единица = среднему расстоянию от Земли до Солнца = 149,6 млн. км.). Однако сфера, в пределах которой возможно устойчивое движение небесных тел вокруг Солнца, простирается почти до ближайших звезд (230 000 а.е.).

Почти все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, как и почти все спутники вокруг своих планет. Почти все планеты имеют незначительные наклоны плоскости орбит к плоскости эклиптики и малые эксцентриситеты (исключение составляют орбиты Плутона и некоторых малых планет). Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Расстояния планет до Солнца составляют некоторую прогрессию, определяемую правилом Тициуса-Боде, каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) имеют меньшую плотность и больший размер и вращаются вокруг своих осей быстрее, чем планеты земной группы.

Веками укоренившееся мнение Птолемея о неподвижной Земле как центре Вселенной, разделяемое церковью, долго не уступало места гелиоцентрическому учению Коперника. Считалось, что система Коперника лишь гипотеза, предназначенная для вычисления планетных движений.

Окончательно утвердил теорию Коперника, получив непреложные доказательства ее истинности, итальянский физик и астроном Г. Галилей.

В 1609 г. Галилей направил изготовленный им маленький 32-кратный телескоп на Луну, Венеру, Юпитер и Сатурн и сделал ряд поразительных для того времени открытий. На Луне он увидел горы и кратеры, он обнаружил диски у планет и открыл 4 спутника Юпитера, которые, обращаясь вокруг планеты, представляли уменьшенную копию планетной системы. Обнаруженная им смена фаз Венеры свидетельствовала о том, что Венера обращается вокруг Солнца, а не Земли. На самом Солнце Галилей обнаружил пятна.

И только тогда, когда гелиоцентрическая система получила столь блестящие подтверждения, католическая церковь приняла меры к ее запрету, считая, что она подрывает авторитет Священного Писания. В 1616 г. учение Коперника было запрещено декретом инквизиции, книга его была внесена «впредь до исправления» в «Индекс (список) запрещенных книг» и оставалась под запретом до 1828 г.

И только после переизбрания Папы в 1630 г. Галилей смог изложить учение Коперника. Его «Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой» вышел в 1632 г. и даже вначале получил апробацию церковных властей и разрешение на выпуск в свет, но сразу же - в 1633 г. - был сурово осужден инквизицией за отстаивание учения Коперника.

В начале XVII в. современник Галилея немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630), изучив материалы многолетних и очень точных наблюдений знаменитого датского астронома Тихо Браге (1546-1601), которые тот накопил за 21 год, но который не признавал гелиоцентрической системы, открыл три закона движения планет, названные его именем.

В конце XVII в. английский ученый И. Ньютон сформулировал законы механики и Закон всемирного тяготения. Эти законы легли в основу небесной механики, исследующей движение тел Солнечной системы. И. Ньютон пришел к выводу, что устройство планетной системы не может быть результатом случайного стечения обстоятельств.

Голландский ученый Х. Гюйгенс за несколько недель до смерти в 1695 г. завершил свой научный труд «Косотеорос», в котором утвердил мысль о единстве состава и природных сил во всем космосе.

В течение всей своей научной деятельности М. В. Ломоносов мужественно выступал в защиту передовых идей своего времени, утверждая материальное единство мира на основе корпускулярной (фактически атомистической) теории.

Ровесник и современник М.В.Ломоносова, один из крупнейших натуралистов XVIII в. Жорж Луи Леклерк, граф Бюффон (1707-1788) в 1745 г. высказал гипотезу, что планеты - возникли из сгустков солнечного вещества, исторгнутых из Солнца ударом огромной кометы (в то время кометы считались массивными телами). Земля же первоначально находилась в раскаленном состоянии, а затем медленно остывала. Бюффон ставил опыты с раскаленными шарами и заключил, что Земле потребовалось бы для охлаждения примерно 75 тысяч лет.

Выдающийся немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804) в 1755 г. опубликовал книгу «Общая естественная история и теория неба», в которой изложил свою космогоническую гипотезу. Согласно этой гипотезе Солнце в далеком прошлом когда-то было окутано туманностью, состоящей из частиц, движущихся вокруг Солнца в разных направлениях. Мировое пространство заполнено "инертной, бесформенной и неупорядоченной" материей, которая "стремится преобразоваться в более организованную путем естественного развития". В течение определенного времени, вследствие столкновения частиц между собой, произошло упорядочение этого движения, и туманность стала вращаться вокруг Солнца. Из этой вращающейся туманности возникли впоследствии планеты. Совокупное действие ньютоновского притяжения и сил отталкивания, которые ему пришлось ввести, привели Канта к мысли о возможности зарождения в хаосе круговых движений, поэтому и орбиты планет почти круговые, и вращаются они в одну сторону. Образовавшись из сгущений, возникших в первичной туманности, планеты отдалялись от нее и от Солнца центробежной силой. Сила отталкивания не была определена Кантом, но он привел пример силы отталкивания между кометными хвостами, состоящими из очень разреженной материи. Ему удалось представить структуру Вселенной, которую не предполагал и Ньютон: Вселенная есть иерархия самогравитирующих систем. Не имея данных о массах и расстояниях в космосе, Кант заключил, что все системы должны иметь сходную структуру и в первом приближении описываться как пары взаимодействующих через тяготение масс.

Впоследствии небулярную гипотезу поддержали и развили У. Гершель и Лаплас.

Исследуя галактические туманности, У. Гершель сформулировал гипотезу об образовании звезд при медленном сгущении рассеянной газовой материи, из которой состоят открытые им многочисленные неправильные галактические туманности.

Знаменитый французский математик Пьер Лаплас (1749-1827) независимо от Канта предложил свою космогоническую гипотезу, близкую к гипотезе Канта. Лаплас в своей книге "Изложение системы мира" (1796) изложил гипотезу об образовании солнечной системы. Он воображал первичное Солнце звездой огромных размеров, превышающих радиус орбиты Юпитера. При медленном вращении этой материи происходили охлаждение и конденсация. По мере сжатия скорость вращения возрастала вследствие сохранения момента количества движения, тогда как центробежная сила в области экватора росла, и в этой области от первичного Солнца должно было отделиться газовое кольцо. Так, по Лапласу, из отделяющихся от первичного Солнца колец материи образовались планеты. Каждое кольцо разрывалось на несколько масс, конденсирующихся потом в планету. Спутники планет образовались из газовых колец, отделенных уже самими планетами.

Гипотеза Лапласа, выросшая из идей Канта, получила наименование небулярной гипотезы Канта-Лапласа и оставалась первой ротационной гипотезой о возникновении солнечной системы вплоть до конца прошлого века. Однако она не объясняла больших размеров орбит внешних планет-гигантов и медленности вращения Солнца, а также не отвечала на вопрос, почему момент количества планет почти в 29 раз больше момента количества Солнца, если солнечная система изолирована.

Так появились катастрофические гипотезы, которые не получили широкого распространения за исключением гипотезы Дж. Джинса-Г. Джеффриса. По Джинсу и Джеффрису, первичное Солнце некогда встретилось со звездой. При этом сближении, произошедшем на расстояниях порядка величины их диаметров, под приливным воздействием Солнце выбросило огромную сигарообразную струю вещества в сторону проходящей звезды. Из этой струи в результате ее разделения и последующей конденсации образовались планеты. Сначала орбиты образовавшихся планет были сильно вытянутыми, но из-за огромного сопротивления пылевой среды между двумя звездами постепенно приближались к круговым. Недостатком гипотезы Джинса была уникальность образования планетной системы, поскольку близкое прохождение звезд, почти столкновение их, столь редкое явление, что может случиться раз в 10¹⁷ лет.

В 1935 г. Ресселл подсчитал момент количества движения приблизившейся к Солнцу звезды (он оказался на порядок меньше среднего момента количества движения планет по современным данным). Ему пришлось ввести еще одно предположение: Солнце в прошлом было двойной звездой, спутник Солнца вращался от него на расстоянии, примерно равном радиусу орбиты Урана или Нептуна, какая-то внешняя звезда столкнулась с ним, отбросила его за пределы солнечной системы и удалилась сама.

Астроном и физик Н. Н. Парийский (р. 1900) рассчитал разнообразные возможности такого хода событий при разных скоростях сгустка, вырванного из Солнца, и оказалось, что только при скоростях от 400 до 500 км/с возможно получить орбиты для планет, но все они очень малы для нашей системы. Тем не менее, Джинс заложил основы теории гравитационной неустойчивости, которые дали ростки в последующих гипотезах.

Английский астрофизик У.Мак-Кри рассмотрел процессы гравитационной конденсации околозвездной туманности размером до двух световых лет и проанализировал ее возможную эволюцию при неоднородной плотности. Эту идею он использовал для объяснения происхождения Солнечной системы, он так же в 1963 г. удачно подразделил все предложенные космогонические гипотезы на три класса:

1. Гипотезы, согласно которым Солнце полностью завершило свое образование, а вещество планет произошло непосредственно от выброса материи Солнца под воздействием внешних факторов;

2. Гипотезы, согласно которым Солнце и планеты сформировались одновременно из вращающейся туманности, которую часто называют облаком или небулой (лат. nebula "туман, облако"); образование планет рассматривается как результат эволюции этого облака;

3. Гипотезы, согласно которым Солнце полностью образовалось раньше планет, но планетное вещество было захвачено из межзвездных облаков или другого источника, после чего образовалась газово-пылевая туманность. Из этой туманности впоследствии возникли планеты.

В конце XIX в. появилась гипотеза американских ученых Ф. Мультона и Т. Чемберлена, предполагавшая образование планет из мелких твердых частиц, названных ими «планетезималями». Они считали, что обращающиеся вокруг Солнца планетезимали могли возникнуть путем застывания вещества, выброшенного из Солнца в виде протуберанцев, в результате близкого прохождения или даже касательного столкновения Солнца с другой звездой. Однако такое образование планетезималей противоречит закону сохранения момента количества движения.

Идея об образовании звезд и планет путем сгущения туманного вещества сохранилась до сих пор. После крушения гипотезы Джинса в 40-х годах XX столетия ученые вернулись к классическим идеям Канта и Лапласа, но в отличие от их чисто механических теорий сейчас учитываются эффекты, связанные с наличием магнитного поля и корпускулярного излучения Солнца. Наряду с этими гипотезами высказаны гипотезы о захвате вещества уже сформировавшимся Солнцем.

Развитие планетной космогонии в нашей стране связано главным образом с деятельностью двух крупных ученых-академиков В.Г.Фесенковым (1899-1972) и О.Ю.Шмидтом (1891-1956).

Академик Василий Григорьевич Фесенков в 1943-1960 гг. от чисто механических объяснений образования планет обратился к процессам, происходящим внутри Солнца. Для него процесс образования планет происходил во время перехода от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому, что определялось, прежде всего, температурными условиями. Условия равновесия требовали выброса массы Солнца, и этот выброс соответствовал расчетам русского ученого математика и механика Александра Михайловича Ляпунова (1857-1918), и английского астронома и математика Джорджа Дарвина (1845-1912), сына Ч.Дарвина. Они рассчитали фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы. Фесенков обратил внимание на важную роль в формировании первичных вихрей-планет конвекционных токов вещества и протопланетной туманности и разработал теорию изменения вращательного момента звезды в результате истечения из нее массы вещества. Применив эту теорию к Солнцу, ученый отмечал, что первичное Солнце должно быть окруженным газово-пылевой средой в виде плоского диффузионного облака, уплотненного в средней части. Ныне существующие планеты образовались из этого облака, и сохраняют часть его вращательного момента. Сгущения в отдельных частях протопланетного диска привели к образованию планет.

Гипотеза Фесенкова связала жизнь в солнечной системе в единое целое и избавила теорию планетообразования от внешних случайных факторов.

О.Ю.Шмидт и его ближайшие сотрудники Б.Ю.Левин и В.С.Сафронов приняли точку зрения о совместном образовании Солнца и околосолнечной газово-пылевой среды. За время существования облака происходил процесс оседания пыли в экваториальной плоскости Солнца, при этом самые большие пылинки успевали вырасти до сантиметровых размеров. Железные частицы, в отличие от каменных, чаще объединялись при столкновениях и быстрее образовывали тонкий диск, создавая предпосылки для образования планет.

Весь процесс рассматривался состоящим из двух стадий - образования «промежуточных» тел с относительно небольшими размерами в сотни километров, а затем уже из них аккумулировались планеты. Рост планет земной группы прекратился тогда, когда они вобрали в себя все твердое вещество. Луна, вероятно, образовалась либо как отрыв части Земли (гипотеза Джорджа Дарвина), либо была сформирована, как и другие планеты, путем аккумуляции промежуточных тел на ранней стадии формирования Земли.

Академик Отто Юльевич Шмидт отказался от изолированности солнечной системы и посчитал, что если "обратиться к ее движению в Галактике, то отпадет затруднение с моментом количества движения, так как Солнце могло захватить из Галактики материю, обладающую достаточным моментом". Считая, что на Землю падает примерно 1 т метеоритов за сутки, он вычислил, что для "вырастания" нашей планеты таким путем было бы необходимо около 7 млрд.. лет, тогда как согласно геологическим данным возраст земной коры составлял 3 млрд.. лет. Что же, кора может быть моложе внутренних областей планеты! При образовании планет из метеоритов, по гипотезе Шмидта, стало преобладать какое-то направление вращения, и все планеты начали двигаться в одну сторону. Кроме того, все орбиты становились симметричными по всем направлениям, их эксцентриситеты приближались к нулю, и орбиты становились почти круговыми (причем это сильнее сказывалось на более массивных планетах). Расчеты Шмидта показали уменьшение периода вращения Солнца до 20 суток, тогда как он равен сейчас 25 суткам, что считается хорошим результатом.

И так наиболее признанной в настоящее время является концепция О.Ю.Шмидта, согласно которой планетная система образовалась из огромного уплощенного газопылевого протопланетного облака, некогда окружавшего Солнце (вопрос о происхождении самого облака не рассматривался). Земля и родственные ей планеты от Меркурия до Марса аккумулировались из твердых тел и частиц, а при аккумуляции гигантов, по крайней мере, Юпитера и Сатурна, содержащих в основном водород, участвовал наряду и твердыми телами также и газ.

Вайцзекер в 1943 г. выдвинул физическую теорию турбулентностей, согласно которой планеты возникли из сильно сплюснутой газовой туманности, вращающейся вокруг Солнца.

Английский физик Ф. Хойл в 1944 г. предложил гипотезу о формировании планет из горячего звездного газа, а в 1960 г. он же предложил гипотезу о формировании планет из холодного межзвездного вещества. Он же известен в космогонии как автор идеи о возможности переноса момента количества движения от Солнца к планетам электромагнитным путем. Подобная идея была выдвинута и шведским физиком и астрофизиком X. Альфвеном.

Американский астроном Дж.П.Койпер предположил, что Солнце образовалось в очень плотном облаке и что при этом осталась туманность в форме диска радиусом в несколько десятков астрономических единиц, которая вращалась вокруг Солнца и из которой в дальнейшем сформировались планеты.

Исследуя движения звезд, английский астроном Вильям Гершель в 1783 г. пришел к выводу о движении Солнечной системы в пространстве. Для проведения наблюдений за прохождением Венеры по диску Солнца в 1761, 1769, 1874 и 1882 гг. снаряжались многочисленные экспедиции, что дало возможность позже получить первые, близкие к современным, данные о значении расстояния от Земли до Солнца.

Пополнялись данные и о составе Солнечной системы. В 1781 г. они пополнились открытием В. Гершелем Урана, в 1846 г. - Нептуна, который был открыт французским астрономом Урбеном Леверье «на кончике пера» - по «неправильностям» в движениим планеты Уран. В 1930 г. была открыта самая удаленная от Солнца планета Плутон. Эта планета была открыта американским любителем астрономии К. Томбо, руководствовавшимся теоретическими предсказаниями П. Ловелла, предвычислившего еще в 1591 г. движение неизвестной планеты по возмущениям в движении Урана. В 1801 г. итальянским астрономом Дж. Пиацци была открыта первая малая планета, а к 60-м годам XX в. стало известно о существовании 1700 таких планет, среди которых имеются весьма близко подходящие к Земле.

Особый интерес представляют кометы - «хвостатые звезды», первые сведения, о которых известны еще из древних китайских хроник. В соответствии с учением Аристотеля в Европе считали, что кометы возникают и движутся в атмосфере Земли, что это земные пары, поднявшиеся вверх и загоревшиеся от приближения к «сфере огня», причем их хвосты - это пламя, гонимое ветром.

В настоящее время установлено, что в пределах Солнечной системы обращаются многие миллиарды комет, но вопрос об их происхождении остаётся открытым.

Первый шаг в познанании химической истории планет Солнечной системы при их возникновении был сделан выдающимся американским ученым лауреатом Нобелевской премии Гарольдом Юри (1893-1981) в 1952 г. в книге «Планеты, их происхождение и развитие». Он допустил, что Земля возникла из почти однородной смеси силикатов и металлического железа путем аккреции (аккумуляции) планетезималий, в разной степени растерявших летучие вещества при относительно низких температурах. В настоящее время установлено, что Солнечная система - система небесных тел состоит из Солнца, центрального тела солнечной системы, 9 планет, обращающихся вокруг него, пояса астероидов (малых планет числом около 40.000), 34 спутников планет, обращающихся вокруг планет, комет, метеорных тел (движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц), космической пыли, магнитных и электрических полей, исходящих из Солнца и планет, и потоков элементарных заряженных и электрически нейтральных частиц.

Дата добавления: 2014-11-16