Строение Солнечной системы

В состав Солнечной системы входит центральная звезда Солнце, вокруг которой обращаются восемь больших планет (вместе с их спутниками) и огромное количество малых объектов (астероидов, комет и транснептунных объектов пояса Койпера).

Планеты. Имеют шарообразную форму. Делятся на две группы: расположенные вблизи Солнца (на расстояниях от 0,4 до 1,5 а.е.) планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и расположенные дальше от Солнца (на расстояниях от 5 до 30 а.е.) планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Для планет земной группы характерны высокая плотность (3,94-5,52 г/см³), небольшие массы и диаметры, они являются каменно-металлическими телами. Самая крупная из планет земной группы – Земля. Для планет-гигантов характерны низкая плотность (0,69-1,66 г/см³), большие массы и диаметры. Они являются существенно газовыми телами. Самая крупная планета-гигант – Юпитер. Его масса в 318 раз больше массы Земли, а его диаметр в 11,2 раза больше диаметра Земли.

Спутники планет. Всего в Солнечной системе известно более 150 спутников, при этом 19 из них имеют диаметр более 400 км и подобно планетам характеризуются шарообразной формой, а меньшие по размеру спутники имеют неправильную обломочную форму. Семь самых крупных спутников, в число которых входит и Луна, по своим размерам и массе превосходят Плутон.

Астероиды. Многочисленные каменные тела, обращающиеся вокруг Солнца по орбитам, расположенным, как правило, между орбитами Марса и Юпитера (большинство – на расстояниях от 2,3 до 3,6 а.е.). Имеют неправильную обломочную форму, только четыре самых крупных астероида (с поперечником более 400 км) имеют планетоподобную близкую к сферической форму. Самый крупный астероид – Церера – имеет диаметр около 1000 км. Количество астероидов резко возрастает с уменьшением их размеров, причем никакого нижнего предела размеров у них нет. Постоянные взаимостолкновения в поясе астероидов приводят к их дроблению на все более и более мелкие обломки, вплоть до обломков метеоритных размеров.

Кометы. Многочисленные мелкие ледовые тела (характерный размер - первые десятки километров), обращающиеся вокруг Солнца на больших расстояниях, как правило, по очень вытянутым орбитам, и образующие гигантское кометное облако, названное облаком Оорта. В некоторых случаях кометы удаляются от Солнца на расстояния, измеряемые десятками тысяч а.е. В той части своих орбит, когда кометы пролетают вблизи Солнца, они интенсивно испаряется, испуская при этом знаменитые кометные «хвосты».

Транснептунные объекты пояса Койпера. Многочисленные преимущественно ледовые или ледово-каменные тела, различных размеров, обращающиеся вокруг Солнца по орбитам, расположенным за орбитой Нептуна (большинство – на расстояниях от 40 до 50 а.е.). К числу наиболее крупных из них относится Плутон, который до недавнего времени считался одной из больших планет. Диаметр Плутона составляет лишь около 0,18 диаметра Земли, а масса – лишь около 0,002 от массы Земли. Средняя плотность Плутона составляет около 2 г/см³. В настоящее время в поясе Койпера известно более 1000 объектов, в том числе обнаружены объекты по своим размерам сопоставимые с Плутоном и даже превосходящие его.

Общая масса Солнечной системы составляет около 2·10³³ г, причем 99,87 % массы Солнечной системы приходится на Солнце. Все объекты, вращающиеся вокруг Солнца, составляют по массе только 0,13 % массы Солнечной системы, причем «львиная доля» этого остатка (0,10 %) приходится на Юпитер.

Движения и вращения главных тел Солнечной системы происходят согласованно и складывается впечатление, что вся Солнечная система была приведена в движение единым «запуском»:

- все планеты и астероиды вращаются вокруг Солнца в одну и ту же сторону (против часовой стрелки, если смотреть с Полярной звезды);

- Солнечная система имеет форму плоского диска - плоскости орбит всех планет совпадают с точностью до нескольких градусов;

- ось вращения Солнца почти перпендикулярна осредненной плоскости планетных орбит, при этом Солнце вращается вокруг своей оси в ту же сторону, что и планеты вокруг него самого.

Обзор ранних гипотез происхождения Солнечной системы. Первой гипотезой происхождения Солнечной системы, получившей широкое признание, была выдвинутая в конце XVIII века гипотеза Канта-Лапласа. Согласно этой гипотезе Солнце и вращающиеся вокруг него планеты образовались из горячего вращающегося газового облака, которое сжималось под действием собственной гравитации. По мере сжатия облака оно вращалось всё быстрее и быстрее, в результате чего оно приобрело дисковидную форму. В конце концов, под действием центробежных сил от облака несколько раз отрывались газовые кольца, которые в дальнейшем остывали, и из каждого такого кольца конденсировалась отдельная планета. Из центрального сгустка облака образовалось Солнце.

Гипотеза Канта-Лапласа была очень популярна в XIX веке, но затем она была отвергнута, так как не объясняла некоторые характерные особенности Солнечной системы (в частности, малую массу планет и медленное вращение Солнца).

В начале XX века широкое распространение получила гипотеза близкого прохождения посторонней звезды (гипотеза Джинса), согласно которой около Солнца вначале не было никаких планет. Планеты образовались в результате случайного сближения Солнца с посторонней звездой, которая своим гравитационным притяжением вырвала с поверхности Солнца «клок» материи, который затем распался на фрагменты, каждый из которых остыл и конденсировался в отдельную планету.

Гипотеза Джинса хорошо объясняла строение Солнечной системы, но всегда считалась маловероятной, так как требовала исключительно маловероятного события – очень точного прохождения в мировом пространстве двух звёзд рядом друг с другом.

В нашей стране в середине XX века широкое распространение получила гипотеза Шмидта, согласно которой около Солнца вначале тоже не было никаких планет. Планеты образовались в результате случайного пролёта Солнца сквозь постороннее пылевое облако. Пылевые частицы этого облака оказались захвачены гравитационным полем Солнца и впоследствии стали соединяться в более крупные скопления, из которых постепенно выросли планеты.

Гипотеза Шмидта «в чистом виде» не могла объяснить некоторые особенности динамики Сонечной системы, но в её рамках было разработано объяснение механизма роста планет из пылевых частиц, получившее в настоящее время всеобщее признание.

Современные представления.Согласно современным представлениям, в основном сложившимся к 60-и годам XX века, Солнечная система образовалась в результате сжатия некой первичной газо-пылевой туманности, которая на 98% состояла из газа и на 2% из пыли. Подобные туманности довольно широко встречаются в космосе и в настоящее время.

В какой-то момент времени первичная туманность начала испытывать сжатие под действием собственной гравитации. Важно отметить, что первичная «досолнечная» туманность испытывала некоторое изначальное вращение. В соответствии с законами механики по ходу сжатия туманности её вращение ускорялось. При этом на каждую частицу первичной туманности (как пылинку, так и газовую молекулу) одновременно действовали как сила притяжения F_прит, направленная к центру масс туманности, так и центробежная сила F_цб, направленная перпендикулярно оси ее вращения.

Результирующая сила Fрез была направлена к экваториальной плоскости туманности. Подавляющая доля и газа, и пылевых частиц оказалась сосредоточенной в центральном теле системы (то есть на Солнце), но небольшая часть газа и пылевых частиц, в состав Солнца не вошла. Эти пылевые частицы сформировали в экваториальной плоскости туманности тонкий пылевой диск, состоявший из бесчисленного множества пылевых частиц, самостоятельно вращавшихся вокруг Солнца (так называемый «протопланетный диск»). В отличие от пылевых частиц газовые молекулы вследствие своего хаотического

теплового движения не могли сосредоточиться в тонком экваториальном диске, поэтому тот остаток газов, который не вошёл в состав Солнца, в основном, постепенно рассеялся в космическом пространстве.

Основная часть газа и пыли сосредоточилась в центральном теле, которое, сжимаясь, испытывало сильный разогрев. Со временем центральное тело начало самосветиться. Дальнейшее сжатие центрального тела приводило ко всё большему его разогреву, и когда температура в его центре достигла нескольких миллионов градусов, начались термоядерные реакции превращения водорода в гелий - основной источник энергии звезд. С этого момента центральное тело системы (Солнце) превратилось в настоящую звезду.

Что касается пылевого протопланетного диска, сформировавшегося в экваториальной плоскости первичной туманности, то он был неустойчивым образованием. Пылинки, вращавшиеся вокруг Солнца по близким орбитам, имели близкие значения скорости, поэтому при столкновениях происходило их слипание. Так образовывались скопления пылинок, называемые планетезималями. Процесс их формирования называется аккрецией. Вследствие столкновений и слипания планетезимали продолжали расти, и по мере их роста между ними стало проявляться гравитационное взаимодействие. Со временем некоторые планетезимали достигли критического размера в несколько километров, после чего они стали интенсивно «вычерпывать» своим гравитационным полем более мелкие планетезимали с соседних орбит. Этот процесс шел лавинообразно - чем больше становилась «лидирующая» планетезималь, тем интенсивнее она притягивала все остальные. В конечном итоге сформировалось лишь нескольких крупных тел (планет), а околосолнечное пространство «очистилось» от мелких планетезималей.

Важно отметить, что температура первичной газо-пылевой туманности в её центральной околосолнечной части радиусом около 3 астрономических единиц превышала температуру испарения «льдов», поэтому в этой области существовали только тугоплавкие каменные и металлические пылевые частицы, из которых сформировались небольшие по размерам, но высокоплотные космические тела (планеты земной группы, их спутники, астероиды).

Во внешней части первичной туманности температура была ниже, поэтому в этой области существовали как тугоплавкие каменные и металлические частицы, так и легкоплавкие ледовые, причем последние резко преобладали. В результате во внешней части Солнечной системы образовались тела, состоящие преимущественно из «льдов» с той или иной примесью каменного и металлического материала (планеты-гиганты, их спутники, транснептунные объекты пояса Койпера и кометы).

Твердые «зародыши» Юпитера и Сатурна оказались столь массивными, что они смогли своим гравитационным полем притянуть к себе значительные количества газов первичной туманности и превратиться из преимущественно ледовых объектов в газово-ледовые. Быстро выросший и очень массивный Юпитер своим гравитационным полем сильно исказил движение планетезималей в смежных зонах формирующейся планетной системы, подавляющее большинство из которых оказалось «разбросанными» во все стороны и переведенными на сильно вытянутые орбиты. В результате потери почти всего «строительного материала» не сформировался Фаэтон – потенциальная планета, которая должна была находиться на месте главного пояса астероидов. Более того, из-за сильной вытянутости орбит планетезималей столкновения между ними происходили, как правило, на высоких скоростях, и процесс роста планетезималей в этой зоне довольно быстро сменился процессом их разрушения при взаимных высокоскоростных столкновениях.

Новые данные космических миссий последнего десятилетия. К числу наиболее интересных результатов космических миссий последнего десятилетия следует отнести:

- исследование спутников Юпитера автоматической станцией «Галилео»;

- исследование Титана (спутника Сатурна) со спуском на парашюте сквозь атмосферу и посадкой на поверхность;

- исследования на поверхности Марса с помощью «марсоходов».

Тема «МЕТЕОРИТЫ»