Имя шведского ученого, философа, Эммануэля Сведенборга (1688-1772) связывается обычно с его мистико-религиозными попытками исследовать несуществующий мир «духов», познать «истинного Бога» менее известна другая сторона деятельности Сведенборга - исследования во многих областях естествознания и техники, которые приходятся на первую половину его жизни. Между тем эта часть его деятельности позволяет назвать Сведенборга выдающимся ученым, идеи которого нередко опережали свое время, а некоторые перекликаются с научными идеями XX века. С его именем связано немало исследований в области математики, физики, астрономии, химии, геологии, анатомии, физиологии, минералогии, а также техники. Большая часть его работ по естествознанию технике была написана до 40-х годов XVIII века. Между прочем, именно Сведенборгу принадлежи первая вихревая модель атома как системы сложных частиц.
Астрономические сочинения Сведенборга (первое вышло 1707) касались различных вопросов, например, злободневной тогда проблемы определения долготы на море с помощью наблюдений Луны. Но основным вкладом его в эту науку, вернее, в астрономическую картину мира стала его космолого-космогоническая концепция разрабатывавшаяся с 1722 года и опубликованная в 1729 и 1734 годах.
В области космогонии Солнечной системы Сведенборг опирался на вихревую концепцию Вселенной Декарта, будучи одним из последних сторонников и защитников картезианской физики и философии. Однако его космогоническая планетная концепция отличается от картезианской. Планеты в ней предполагались образующимися из самого солнечного вещества. Эта идея, возможно, независимо многократно возрождалась в дальнейшем в гипотезах Бюффона, Канта, Лапласа, Чемберлена и Мультона и прочно укрепилась в космогонии планетной системы. По гипотезе Сведенборга, планеты сформировались в результате возникновения в солнечном веществе и постепенного развития вихря материи, который, ускоряясь, расширялся под действием центробежных сил. От внешних частей его в некоторый момент отделилось кольцо материи, разбившееся затем на отдельные массы - родоначальницы планет. Аналогично представлялось возникновение спутников из вещества протопланет. Движение планет вокруг Солнца у Сведенборга объяснялось в духе Кеплера - Декарта - увлечением их околосолнечным вихрем. Ошибочное с точки зрения законов механики, космогоническая гипотеза Сведенборга содержала в то же время ценную идею эволюции материи во Вселенной.
Рождение концепции островных вселенных, которая с середины XVIII и до первых десятилетий XX века была предметом острых дискуссий, прочно связывается в истории астрономии с именем английского астронома - самоучки Томаса Райта (1711-1786). Космологической проблеме посвящены три работы Райта. Одна, представлявшая материал для публичной лекции и написанная в 1734 году осталась в рукописи, обнаруженной лишь в 1967 году; две другие были опубликованы в 1742 и 1750 годах.
О концепции Райта известно главным образом по изложению ее у Канта. Истинные мотивы и содержание размышлений и построений Райта были раскрыты лишь в 1970 году английским историком астрономии М. Хоскином. В космологии Райта нашло яркое отражение характерное для начальных этапов развития науки нового времени астрономо-теологическое содержание. Аналогичной была и над вопросом о наиболее общих закономерностях Вселенной, о ее упорядоченности. Это видно, например, в сочинениях английского астронома и теолога В. Уистона (1667-1752), по которым учился Райт. Одна из книг Уистона так и называлась: «Астрономические принципы религии».Вместе с тем, видимо, из этих книг Райт узнал о законе всемирного тяготения и о том, что в случае конечности Вселенной все звезды, если они вначале были неподвижны, должны были бы сблизится и в конце концов упасть друг на друга в центре Вселенной. Райт знал также об открытии Галлеем собственных движений у трех ярких звезд. Из этого Райт сделал первый правильный вывод, что звезды должны обращаться вокруг общего центра тяготения, чтобы не упасть на него. Но центр звездной Вселенной Райт представлял как «божественный» источник самой правильности, упорядоченности Вселенной.
Великий немецкий философ и ученый Иммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную концепцию эволюционирующей Вселенной в рамках гравитационной ньютоновской картины мира. Наиболее широко ее вторая, космогоническая часть под неточным названием «небулярной космогонической гипотезы Канта». Вся концепция изложена в его главном естественнонаучном сочинении «Всеобщая естественная история и тория неба».
В сочинении Канта сначала излагалась гипотеза Райта об устройстве Вселенной. Однако знакомый только с кратким рефератом сочинения Райта, он использовал именно приведенную там картину плоского слоя звезд. В своей основе, по содержанию и целям концепция Канта существенно отличалась от гипотезы Райта и противопоставлялась теологическим целям последнего. Из конкретных построений Райта Кант намерен был «развить плодотворные выводы» на чисто механической основе, отрицая равно и начальный божественный толчок, допускавшийся Ньютоном.
Существенный вклад в формирование современной нам астрономической картины мира внес в средние XVIII века первый русский ученый-энциклопедист Михаил Васильевич Ломоносов(1711-1765).Значение вклада Ломоносова в развитии естествознания состояло прежде всего в глубоких научно- философских обобщениях и разработке метода научного исследования, а также в стремлении использовать достижения науки для экономического развития России.
Естественнонаучные исследования Ломоносова охватывают огромный круг вопросов- от проблемы строения вещества до насущных задач современной ему техники. Надежной опорой ему в этих изысканиях служило его материалистическое понимание окружающего его мира, твердая убежденность в единстве основных законов природы и в познаваемости этих законов, умение видеть связь, казалось бы, далеких друг от друга явлений и сочетать экспериментальные исследования с глубоким теоретическим осмыслением явлений.
Интерес к небесным явлениям возник у Ломоносова еще в детстве, при наблюдении величественных картин полярных сияний. Широта интересов и умение анализировать явления в их взаимосвязи привели его к ряду важнейших выводов, открытий, изобретений в области астрономии. Обогнав эпоху на столетия, он в числе немногих современников обратился к решению вопросов о физической природе небесных объектов, исходя из убеждений в единстве ее у земли и небесных тел. Ломоносов высказал ряд правильных идей астрофизического характера. Изучая вместе со своим другом академиком Г. В. Рихманом явления атмосферного электричества, он выдвинул интересную идею возникновения его за счет трения восходящих и нисходящих теплых и холодных токов воздуха. Эта идея легла также и в основу его объяснения полярных сияний. Свои представления об атмосферном электричестве Ломоносов распространил на природу свечения кометных хвостов. Небезынтересно отметить, что при всей примитивности формы этих первых представлений именно они перекликаются с современными теориями образования и свечения некоторых типов кометных хвостов в результате взаимодействия «атмосфер» комет и «солнечного ветра».
Великий английский астроном Вильям Гершель (1738-1822) вошел в историю науки как знаменитый конструктор уникальных для его эпохи телескопов - рефлекторов с диаметром зеркала почти в 0,5 и 1,5 метра, как виртуозный наблюдатель и глубокий мыслитель, основатель звездной астрономии, родоначальник наблюдательного изучения нашей звездной системы - Галактики и открытого им безграничного мира «туманностей».
В мире звезд Гершель установил существование двойных и кратных звезд как физических систем, уточнил оценки блеска у трех тысяч звезд, обнаружил переменность у некоторых из них, первым отметил различное распределение энергии в спектрах звезд в зависимости от их цвета. Методом «черпков» в результате огромной наблюдательной работы Гершель к 1785 году установил общую форму нашей Галактики, довольно точно оценив ее сжатие (1/5) и сделал правильный вывод о ее изолированности в пространстве как одного из «островов» Вселенной.
Идею гравитационной конденсации как бы наглядно демонстрировалось при наблюдениях Гершелем колоссального разнообразия форм и вида туманностей. В результате он построил в 1791-1811 годах первую в истории науки общую звездно-космогоническую концепцию развития материи во Вселенной. Далеко не последнюю роль в этом сыграли его философские взгляды, сформировавшиеся в юности под влиянием выдающегося английского философа Джона Локка (1632-1704) - одного из первых материалистов. Еще в 80-е годы XVIII века Гершель много размышлял над общими проблемами строения и свойств материи, характера и причины различных сил, действующих в природе. В дальнейшем он убедился на собственном опыте астронома - наблюдателя в справедливости идеи развития все объектов в природе, в том числе космических.
Размышляя над причиной разнообразия внешнего вида млечных туманностей, он пришел к идее «сада», допустив, что эти объекты мы видим в разных стадиях их жизни, подобно деревьям. Под влиянием этой идеи он временно отошел от своих первоначальных более правильных представлений о природе и, следовательно, масштабах туманностей, приняв многие млечные туманности с яркими ядрами за одиночные протозвезды или группы протозвезд. Несмотря на эти конкретные ошибки сам метод морфологического подхода к изучению состояния космических объектов прочно вошел в астрономию и оказался плодотворным.
Последняя треть XVIII и первая четверть XIX веков в истории астрономии, да и не только в ней, были временем утверждения теории тяготения Ньютона. Вместе с тем по мере увеличения точности наблюдения появлялись новые отклонения движений планет от строго кеплеровых. Это вызывало порой сомнения в справедливости закона всемирного тяготения и, по крайней мере, в устойчивости Солнечной системы. В свое время уже Ньютон указывал, что эти отклонения - следствие того же закона и что дело здесь в сложном взаимодействии многих взаимно притягивающихся тел, искажающим, или, как стали говорить, так «возмущающем» правильное эллиптическое движение планет. Однако он не был уверен, что при этом сохранится навеки сама планетная система, что она устойчива. К концу XVIII века были созданы основы классической небесной механики, объяснившей сложную картину возмущенных движений небесных тел на единой основе закона всемирного тяготения. Эта грандиозная работа связано с целым созвездием блистательных имен, среди которых особенно ярки имена Ж. Л. Д. Аламбера, Л. Эйлера, А. Клера, Ж. Л. Лагранжа, но в первую очередь - П. С. Лапласа (1749-1827).
Проблема природы звезд и источника неиссякаемой энергии была поставлена по меньшей мере более 2000 лет тому назад, но решалась долгие века чисто умозрительно. Уже некоторые древнегреческие натурфилосолфы считали звезды раскаленными телами. Но прочно идея горячих звезд, подобных Солнцу, утвердилась лишь как одно из следствий революции Коперника.
Открытия в середине XIX века закона о сохранении энергии остро поставила вопрос о физическом источнике энергии Солнца и звезд. Первой попыткой его решения была гипотеза Р. Майера (1848 год) о разогреве Солнца за счет падения на него метеоритов. Но к более обоснованному научному исследованию проблемы можно было приступить лишь после открытия Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном в 1859 году спектрального анализа. В результате уже в 1861 году был дан ответ на вопрос, еще недавно считавшийся неразрешимым: Кирхгоф первым определил химический состав солнечной атмосферы. Так была создана почва для формирования научно обоснованной картины природы звезд.
С именем выдающегося американского астронома-наблюдателя Эдвина Пауэлла Хаббла (1889-1953) связанно создание современной внегалактической астрономии и второе за всю историю изучения неба непосредственное наблюдательное открытие универсальной космологической закономерности - эффекта «расширения вселенной».
В первой четверти XX века благодаря крупным успехам в различных областях астрофизики и совершенствованию астрономической наблюдательной техники возродился интерес к изучению мира туманностей. Природа туманностей, среди которых, как выяснилось к этому времени, большинство составляли спиральные, все еще оставалась не установленной.
Правда, с внедрением метода спектрального анализа у таких туманностей был открыт характерный для звезд спектр с линиями поглощения (В. Хеггинс, 1867 год). Однако неоднократные разочарования на догом пути разгадывания природы туманностей сделали астрономов более осторожными: не исключалось, что это скопление диффузной материи, которая лишь отражает свет окружающих звезд... С недоверием были встречены даже достаточно обоснованные оценки расстояний до некоторых спиральных туманностей по обнаруженным в них «новым звездам», сделанные в 1919 году Г. Кертисом и К. Лундмарком (соответственно, 500 и 900 тысяч световых лет до туманности Андромеды).
Между тем решение проблемы имело большое мировоззренческое значение. Оно должно было положить конец почти двухвековому спору о множественности «звездных вселенных», иначе, решить судьбу концепции островных вселенных. С этим решением связывали получение на главной вопрос космологии - о конечности или бесконечности Вселенной (последний вывод более гармонировал с идеей островных вселенных).
На протяжении первых двух десятилетий XX века благодаря фундаментальным исследованиям структуры Галактики американским астроном Харлоу Шепли (1885-1972) более распространенным стало мнение о единственности нашей звездной системы и о внутригалактическом положении всех наблюдаемых, в том числе спиральных туманностей. Кстати, сам Шепли, оценивший диаметр Галактики в 300 тысяч световых лет, вовсе не отрицал, как и Р. Проктор в свое время, возможности существования других подобных систем - галактик, пологая лишь, что из-за чудовищной удаленности их они пока не наблюдаются.
К 1920 году благодаря наблюдениям и оценкам главным образам Кертиса вновь стала оживать старая концепция островных вселенных. Но когда в апреле 1920 года в Вашингтоне состоялся знаменитый диспут между Шепли и Кертисом о природе спиральных туманностей, ни одна из сторон не могла одержать убедительной победы: не хватало прямых наблюдательных аргументов. Спустя всего четыре с небольшим года их представил Хаббл.
На фотоснимках, полученных Хабблом с 2,5-метровым рефлектором обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии 24 августа 1925 года отчетливо разложились на звезды внешние части трех ярких туманностей. Еще более ценным было то, что среди этих звезд он обнаружил цефеиды - переменные звезды хотя и меньшей, чем у новых звезд, но также громадной светимости, которую можно было более уверено определить по известному для этих звезд закону «период - светимость». Сравнив истинную светимость звезд с видимой, Хаббл по известной в астрофизике формуле, связывающей эти величины с расстоянием звезды, впервые получило убедительные значения для расстояний до самих звездных систем. Спиральные туманности оказывались далеко за пределами нашей галактики. По своим размерам эти туманности были сравнимы с нашей галактикой.
На основании первых наблюдений преобладания красных смещений в спектрах далеких галактик, еще до установления линейного закона «красного смещения» бельгийский астроном Ж. Леметр (1894-1966), независимо от А.А. Фридмана, выдвинул в 1927 году свою знаменитую идею возникновения Вселенной из одного «атома-отца» и ее расширения. В такой форме гипотеза была весьма удобной для религиозного истолкования природы и встретила поэтому резко критическое отношение со стороны философов-материалистов. Вместе с тем она соответствовала непосредственным наблюдениям и гармонировала с новой релятивистской физической картиной мира и поэтому привлекала внимание крупных физиков и астрономов, развивающих астрономические следствия релятивизма - А.С. Эддингтона и Э.А. Милна, хотя и по-разному понимавших сам релятивизм. В 30-е годы концепция Леметра была развита Эддингтоном как модель расширения Вселенной из первоначального плотного сгустка обычного вещества. Тогда же Милн, опираясь на собственную «кинематическую теорию относительности», дал свою интерпретацию разбегания галактик как результата взрывы сверхплотного сгустка некой особой «первичной» материи, из которой «на ходу» формировались затем звезды, галактики, планеты.
Как видно из вышеприведенных фактов, еще в XVIII веке в рамках гравитационной Ньютоновской картины мира возникло два направления в объяснении происхождения Солнечной системы: как чрезвычайно редкого, почти случайного или как закономерного, почти неизбежного процесса. Несмотря на выяснившуюся позже не состоятельность обеих концепций в существенных деталях, каждая содержала отдельные плодотворные идеи, которые не раз использовали в дальнейшем и вновь используются в наши дни.
О первой вспомнили, когда столкнулись в конце XIX века с неустранимым на основе механики пороком гипотез Канта и Лапласа: распределение в Солнечной системе момента количества движения, обратное распределению в ней масс, необъяснимо в этих механических гипотезах, что делало идею о единой родительской туманности Солнца и планет противоречащей одному из основных принципов механики.
После первого шага Лапласа и до недавнего времени никто не пытался увязать между собой процессы плането-и звездообразования. Учитывали только общий вывод о времени жизни звезд. Представления об этом сильно менялось с самого начала их научного обсуждения в середине XIX века и вплоть до наших дней.
С 60-х годов XX века было обращено внимание на необходимость объединенного исследования проблем планетной и звездной космогонии и более детального учета многоаспектности космогонического процесса: учета данных не только небесной механики, астрофизики, геологии, но и других наук о Земле, а главное, метеоритики, не говоря уже о ядерной физике, магнитогидродинамике и тому подобное. Именно эти две тенденции стали в наши дни определяющими в космогонических исследованиях, где сейчас работают многие десятки специалистов.
Совершенно новый стимул развитию планетной космогонии дают современные исследования вещества метеоритов, главным образом космогонические исследования (изучение изотопного состава, выявление короткоживущих изотопов, позволяющих раскрыть историю метеорита в космосе).
25. Итак, одна из современных теорий - теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.
В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15 - 20 млн. лет назад, когда всё вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в 1948 году Г.А. Гамовым. К настоящему времени она смогла объяснить почти все факты, связанные с проблемой зарождения Вселенной.
Основные черты этой модели сохранились до сих пор, хотя она была позже дополнена теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом, и дополненной советским физиком А.Д. Линде.
Задача формирования более конкретной, физически разработанной эволюционной космолого-космогонической модели расширяющейся Вселенной была решена в основном американским физиком Гамовым, русским по происхождению. Джордж (Георгий Антонович) Гамов (1904-- 1968) впервые предложил в 1946 году теорию, получившую затем наименование «теории Большого Взрыва». В ней Гамов выдвинул предположение, что Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, произошедшего примерно 15 млрд лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность - бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью.
Результаты наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная возникла в определённый момент времени. Однако сам момент начала творения, сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов физики.
Например, не может быть одновременно бесконечной плотности и температуры, т.к. при бесконечной плотности мера хаоса стремится к нулю, что не может совмещаться с бесконечной температурой. Проблема существования космологической сингулярности является одной из наиболее серьёзных проблем физической космологии. Дело в том, что никакие наши сведения о том, что произошло после космологической сингулярности, не могут дать нам никакой информации о том, что происходило до этого.
Гамов вместе со своими сотрудниками Р. Альфером и Р. Германом в 1948 году предсказал, что должно наблюдаться и остывшее первичное изотропное электромагнитное излучение тепловое с температурой около 3 К.
26. Звёздная эволюция в астрономии — последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение её жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов лет, пока она излучает свет и тепло. В течение таких колоссальных промежутков времени изменения оказываются весьма значительными.
Звезда начинает свою жизнь как холодное разрежённое облако межзвёздного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения и постепенно принимающее форму шара. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура объекта возрастает. Когда температура в центре достигает 15—20 миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Объект становится полноценной звездой. Первая стадия жизни звезды подобна солнечной — в ней доминируют реакции водородного цикла[1]. В таком состоянии она пребывает бо́льшую часть своей жизни, находясь наглавной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Расселла, пока не закончатся запасы топлива в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий, образуется гелиевое ядро, а термоядерное горение водорода продолжается на периферии ядра.
В этот период структура звезды начинает меняться. Её светимость растёт, внешние слои расширяются, а температура поверхности снижается — звезда становится красным гигантом, которые образуют ветвь на диаграмме Герцшпрунга-Рассела. На этой ветви звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности. Когда накопленная масса гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; если звезда достаточно массивна, возрастающая при этом температура может вызвать дальнейшее термоядерное превращение гелия в более тяжёлые элементы (гелий — в углерод, углерод — в кислород, кислород — в кремний, и наконец — кремний в железо).
Изучение звёздной эволюции невозможно наблюдением лишь за одной звездой — многие изменения в звёздах протекают слишком медленно, чтобы быть замеченными даже по прошествии многих веков. Поэтому учёные изучают множество звёзд, каждая из которой находится на определённой стадии жизненного цикла. За последние несколько десятилетий широкое распространение в астрофизике получило моделирование структуры звёзд с использованием вычислительной техники.
27. Первая теория образования Солнечной системы, предложенная в 1644 г. Декартом, имеет заметное сходство с теорией, признанной в настоящее время. По представлениям Декарта, Солнечная система образовалась из первичной туманности, имевшей форму диска и состоявшей из газа и пыли (монистическая теория). В 1745 г. Бюффон предложил дуалистическую теорию; согласно его версии, вещество, из которого образованы планеты, было отторгнуто от Солнца какой-то слишком близко проходившей большой кометой или другой звездой. Если бы Бюффон оказался прав, то появление такой планеты, как наша, было бы событием чрезвычайно редким, связанным с другим столь же редким событием, как сближение двух звезд, а вероятность найти жизнь где-нибудь во Вселенной стала бы ничтожно малой. Такая перспектива вызвала бы разочарование не только у читателей научной фантастики.
Наиболее известными монистическими теориями стали теории Лапласа и Канта. Трудности, с которыми встретились в конце 19 в. монистические теории, способствовали успеху дуалистических, однако развитие истории снова вернуло нас к монистической теории. Такие колебания вполне понятны, поскольку в распоряжении исследователей было очень уж мало данных: распределение расстояний до планет, подчиненное определенному закону (закон Боде), знание того, что планеты движутся вокруг Солнца в одну сторону, да еще некоторые теоретические соображения, касающиеся углового момента Солнечной системы. Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант, например, исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникло центральное массивное тело - будущее Солнце, а потом. уже планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее (об этом подробнее речь будет идти ниже). Из-за больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца. В дальнейшем эти кольца конденсировались, образуя планеты. Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на такое резкое различие между двумя гипотезами, общей их важнейшей особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию "гипотезой Канта - Лапласа".
Уже в середине XIX столетия стало ясно, что эта гипотеза сталкивается с фундаментальной трудностью. Дело в том, что наша планетная система, состоящая из девяти планет весьма разных размеров и массы, обладает одной замечательной особенностью. Речь идет о необычном распределении момента количества движения Солнечной системы между центральным телом - Солнцем и планетами.
Момент количества движения есть одна из важнейших характеристик всякой изолированной от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему мы можем рассматривать Солнце и окружающую его семью планет. Момент количества движения может быть определен как "запас вращения" системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг своих осей Солнца и планет.
Момент количества движения вращающегося Солнца равен всего лишь б-1048. Все планеты земной группы - Меркурий, Венера, Земля и Марс - имеют суммарный момент в 380 раз меньший, чем Юпитер. Львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов Юпитера и Сатурна.
С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. В самом деле, в эпоху, когда от первоначальной, быстро вращающейся туманности отделялось кольцо, слои туманности, из которых впоследствии сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такой же момент, как вещество отделившегося кольца). Так как масса последнего была значительно меньше массы основной части туманности ("протосолнца"), то полный момент количества движения у кольца должен быть много меньше, чем у "протосолнца". В гипотезе Лапласа отсутствует какой бы то ни было механизм передачи момента от "протосолнца" к кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции момент количества движения "протосолнца", а затем и Солнца должен быть значительно больше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод находится в разительном противоречии с фактическим распределением момента количества движения между Солнцем и планетами.
Для гипотезы Лапласа эта трудность оказалась непреодолимой На смену ей стали выдвигаться другие гипотезы. В частности, гипотеза Джинса, получившая повсеместное распространение в первой трети текущего столетия. Эта гипотеза во всех отношениях представляет собой полную противоположность гипотезе Канта - Лапласа. Если последняя рисует образование планетных систем (в том числе и нашей Солнечной) как единый закономерный процесс эволюции от простого к сложному, то в гипотезе Джинса образование таких систем есть дело случая и представляет редчайшее, исключительное явление.
Согласно гипотезе Джинса, исходная материя, из которой в дальнейшем образовались планеты, была выброшена из Солнца (которое к тому времени было уже достаточно "старым" и похожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Это прохождение было настолько близким, что практически его можно рассматривать как столкновение. При таком очень близком прохождении благодаря приливным силам, действовавшим со стороны налетевшей на Солнце звезды, из поверхностных слоев Солнца была выброшена струя газа. Эта струя останется в сфере притяжения Солнца и после того, как звезда уйдет от Солнца. В дальнейшем струя сконденсируется и даст начало планетам.
Эта гипотеза, владевшая умами астрономов в течение трех десятилетий, предполагает, что образование планетных систем, подобных нашей Солнечной, есть процесс исключительно маловероятный. В самом деле, как подсчитано, столкновения звезд, а также их близкие взаимные прохождения в нашей Галактике могут происходить чрезвычайно редко.
Отсюда следует, что, если бы гипотеза Джинса была правильной, то планетных систем, образовавшихся в Галактике за 10 млрд. лет ее эволюции, можно было пересчитать буквально по пальцам. А так как это, по-видимому, не соответствует действительности и число планетных систем в Галактике достаточно велико, гипотеза Джинса оказывается несостоятельной.
Несостоятельность этой гипотезы следует также и из других соображений. Прежде всего, она страдает тем же фатальным недостатком, что и гипотеза Канта - Лапласа: гипотеза Джинса не в состоянии объяснить, почему подавляющая часть момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет. Математические расчеты, выполненные в свое время Н. Н. Парийским, показали, что при всех случаях в рамках гипотезы Джинса образуются планеты с очень маленькими орбитами. Еще раньше на эту классическую космогоническую трудность применительно к гипотезе Джинса указал американец Рессел.
Наконец, ниоткуда не следует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. Наоборот, расчеты ряда известных астрофизиков, в частности, Лаймана Спитцера, показали, что вещество струи рассеется в окружающем пространстве и конденсации не будет. Таким образом, космогоническая гипотеза Джинса оказалась полностью несостоятельной. Это стало очевидным уже в конце тридцатых годов ХХ столетия.
Тем более удивительным представляется возрождение идеи Джинса на новой основе, которое произошло в последние годы. Если в первоначальном варианте гипотезы Джинса планеты образовались из газового сгустка, выброшенного из Солнца приливными силами при близком прохождении мимо него звезды, то новейший вариант, развиваемый Вулфсоном, предполагает, что газовая струя, из которой образовались планеты, была выброшена из проходившего мимо Солнца космического объекта. В качестве последнего принимается уже не звезда, а протозвезда - "рыхлый" объект огромных размеров (в 10 раз превышающий радиус нынешней земной орбиты) и сравнительно небольшой массы ~ 0,25.mq.
Гипотеза Джинса в модификации Вулфсона, по существу, связывает образование планет с образованием звезд. Последние образуются из межзвездной газово-пылевой среды группами в так называемых "звездных ассоциациях". В таких группах, как показывают наблюдения, сперва образуются сравнительно массивные звезды, а потом всякая "звездная мелочь", которая эволюционирует в карлики. Это хорошо согласуется с гипотезой Джинса -Вулфсона. Расчеты показывают, однако, что если, этот механизм был бы единственной причиной образования планетных систем, то их количество в Галактике было бы весьма мало (одна планетная система, примерно, на 100 000 звезд), хотя и не так катастрофически мало, как в первоначальной гипотезе Джинса. По существу, это является единственным уязвимым пунктом современной модификации гипотезы Джинса. Если с достоверностью будет доказано, что около хотя бы некоторых ближайших к нам звезд имеются планетные системы, эта гипотеза будет окончательно похоронена.
В 1944 г. советский ученый О. Ю. Шмидт предложил свою теорию происхождения Солнечной системы. Согласно О. Ю. Шмидту наша планетная система образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти "современный" вид. При этом никаких трудностей с вращательным моментом планет не возникает, так как первоначальный момент вещества облака может быть сколь угодно большим. Начиная с 1961 г. эту гипотезу развивал английский космогонист Литтлтон, который внес в нее существенные улучшения. Нетрудно видеть, что блок-схема "аккреционной" гипотезы Шмидта - Литтлтона совпадает с блок-схемой "гипотезы захвата" Джинса-Вулфсона. В обоих случаях "почти современное" Солнце сталкивается с более или менее "рыхлым" космическим объектом, захватывая части его вещества. Следует, впрочем, заметить, что для того, чтобы Солнце захватило достаточно много вещества, его скорость по отношению к туманности должна быть очень маленькой, порядка ста метров в секунду. Если учесть, что скорость внутренних движений элементов облака должна быть не меньше, то, по существу, речь идет о "застрявшем" в облаке Солнце, которое, скорее всего, должно иметь общее с облаком происхождение. Тем самым образование планет связывается с процессом звездообразования.
Согласно иной группе гипотез, планеты и Солнце образовались из единой "солнечной" туманности. По существу, они представляют дальнейшее развитие гипотезы Канта - Лапласа.
2. Современные теории происхождения Солнечной системы
Из гипотез происхождения солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика X. Альвена, усовершенствованная Ф. Хойлом.. Альвен исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку.
Слабость предложенной гипотезы заключалась в том, что атомы наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых элементов - дальше. Значит, ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших элементов - водорода и гелия, а более отдаленные - из железа и никеля. Наблюдения говорят об обратном. Чтобы преодолеть эту трудность, английский астроном Ф. Хойл предложил новый вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества Движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты. Если предположить, что первоначальная туманность уже обладала) магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента.
Трудностями и противоречиями гипотезы Хойла являются следующие: во-первых, нелегко представить, как могли "отсортироваться" избыточный водород и гелий в первоначальном газовом диске, из которого образовались планеты, поскольку химический состав планет явно отличен от химического состава Солнца; во-вторых, не совсем ясно, каким образом легкие газы покинули Солнечную систему (процесс испарения, предлагаемый Хойлом, сталкивается со значительными трудностями); в-третьих, главной трудностью гипотезы Хойла является требование слишком сильного магнитного поля у "протосолнца", резко противоречащее современным астрофизическим представлениям.
Более многочисленные и надежные экспериментальные данные о Солнечной системе были получены в послевоенные годы. Методы, которыми были исследованы метеориты и поверхность Луны, нельзя было бы даже представить во времена Лапласа.
Речь идет о веществе, которое образовалось на самой ранней стадии жизни Солнечной системы или даже было частью первичной туманности.
Исследования послевоенных лет привели к некоторому прояснению нашего происхождения. Как уже считается доказанным, Вселенная родилась примерно 15-20 млрд. лет назад в результате "большого взрыва". Спустя миллиард лет из смеси водорода и гелия, заполнявших все пространство, началось образование галактик. Первые звезды, образовавшиеся в те времена, все еще видны в шаровых скоплениях и в центрах галактик. Вслед за ними образовались спиральные рукава.
Наиболее массивные звезды, сформировавшиеся в самом начале, прошли очень быструю эволюцию, при которой водород превращался в более тяжелые элементы (в том числе углерод и кислород), а вновь образованное вещество выбрасывалось в окружающее пространство. Такие превращения и сейчас происходят в термоядерных реакциях, поставляющих всю энергию, излучаемую звездами.
Этот "пепел" в свою очередь подвергался локальному сжатию, приводящему к рождению новых звезд, и цикл повторялся.
Как полагают ученые, наше Солнце образовалось одновременно с другими звездами. Оно представляет собой звезду второго или третьего поколения.
Существуют две принципиальные точки зрения на происхождения звезд и, в частности, Солнца.
Первая гипотеза основывается на предположении, что звезды формируются из газовой материи - той самой, которая и в настоящее время наблюдается в Галактике.
Предполагается, что газовая материя в тех местах, где ее масса и плотность достигают некоторой величины, начинает под действием своего собственного притяжения сжиматься и уплотняться, образуя сначала холодный газовый шар. В результате продолжающегося сжатия температура газового шара начнет подниматься. Потенциальная энергия частиц в поле притяжения газового шара при приближении к центру становится меньше, а это означает, что часть потенциальной энергии переходит в тепловую энергию. Совершенно тот же переход энергии происходит, когда лежавший на краю пропасти камень, упав на ее дно, теряет часть потенциальной энергии в силовом поле земного притяжения, и приобретает тепловую энергию, разогревшись от удара о дно пропасти.
Когда газовый шар нагреется, он станет отдавать тепловую энергию через излучение с поверхностных слоев, которые вследствие этого будут охлаждаться и посредством теплопроводности вызывать охлаждение более глубоких слоев. Поэтому если бы в газовом шаре, теперь уже звезде, не появились новые источники энергии, то процесс сжатия, сопровождающийся излучением энергии, довольно быстро привел бы к исчерпанию энергии и угасанию звезды. Эволюция таких звезд, формирующихся из водорода, была бы очень простой. Однако процесс сжатия приводит к тому, что центральные области звезды разогреваются до очень высоких температур. Они расположены очень глубоко и почти не испытывают влияния охлаждения, вызываемого излучением с поверхностных слоев. Когда температура центральной области достигает нескольких миллионов градусов, в ней начинаются термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением большого количества энергии. Период, в течение которого звезда, сжимаясь из газового облака, достигнет состояния, когда в ее центральных областях начнут действовать термоядерные реакции, называется периодом сжатия. После возникновения термоядерных реакций сжатие звезды прекращается. Некоторое время звезда будет сохранять неизменными свои основные физические характеристики. При этом главными из термоядерных реакций являются реакции, которые приводят к превращению водорода в гелий. Как показывают расчеты, исчерпание водорода должно сопровождаться увеличением радиуса звезды и уменьшением ее температуры.
После того, как в звезде выгорит весь водород, и она достигнет стадии красного гиганта, сжатие ядра, состоящего теперь уже из гелия, приведет к дальнейшему повышению температуры до значений более 100 млн. градусов. Тогда начнет действовать новая термоядерная реакция - образование атома углерода из трех ядер атома гелия. Эта реакция сопровождается потерей массы и выделением энергии излучения. Температура звезды станет возрастать.
Гипотеза происхождения звезд из газовой материи встречается и с серьезными трудностями. Одной из них является малое количество водорода в Галактике, всего около 2% общей ее массы. Если звезды образуются из газа, звездообразование в Галактике должно было бы практически закончиться. Между тем наша звездная система весьма богата молодыми звездами - голубыми гигантами и сверхгигантами; в этом отношении она уступает очень немногим галактикам.
Далее, горячие гиганты и сверхгиганты сосредоточены в звездных ассоциациях, поэтому если звезды образуются из газа, то следовало ожидать присутствия здесь и некоторого количества уже заметно уплотнившихся газовых облаков, постепенно превращающихся в звезды. Нужно сказать, что в некоторых местах Галактики были обнаружены маленькие плотные облака, названные глобулами. Но, во-первых, они не показывают тесной связи со звездными ассоциациями, а во-вторых, нет оснований утверждать, что глобулы как раз являются зародышами звезд.
Слабым местом гипотезы является то, что описываемый ею процесс превращения газовой массы в звезду, как процесс весьма спокойный, не может объяснить ряда наблюдательных данных, которые, по-видимому, нужно трактовать как выбрасывание из некоторой области пространства звезд и даже галактик.
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 16 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |