Современное значение астрономической единицы, выраженное в километрах:
Среднее расстояние от Земли до Солнца = 149 597 870 км.
Это значение получено по нескольким измерениям, среди которых было и радарное измерение расстояния до Марса, использован был и Третий закон Кеплера.
Как мы уже отмечали, если известно расстояние Земля Солнце, то все остальные расстояния в Солнечной системе становятся определенными. В таблице приведены данные об орбитах планет, включая Плутон, потерявший свой статус большой планеты в 2006 году.
Из таблицы можно сделать несколько выводов. Орбита Венеры близка к окружности, и ее расстояние от Солнца меняется всего на 1%. Меркурий имеет очень вытянутую орбиту (не говоря уже о Плутоне!). Кроме того, орбита Марса заметно эллиптическая, что облегчило Кеплеру задачу определения ее формы. Таблица также показывает, что расстояние Земли от Солнца меняется на пять миллионов километров. Ближе всего к Солнцу Земля подходит, когда в Северном полушарии зима.
Чтобы наглядно представить пропорции Солнечной системы, можно использовать миниатюрную модель (следуя ранним попыткам Христиана Гюйгенса). Давайте поместим в центр сферу размером с большое яблоко, например диаметром ю см. Это Солнце. А Земля — это зернышко в 1 мм, которое обращается вокруг «яблока» на расстоянии п м. Сатурн обращается на расстоянии 103 м.
Расстояние Солнце Плутон в этой модели должно равняться 425 м, хотя и может меняться. Если мы добавим к этой модели близлежащие звезды, то они окажутся на расстоянии 3000 км. Если быть точными, то это будет система а Кентавра с ее двумя главными членами: звезда А (возможно, похожая на большой грейпфрут) и звезда В (маленькое яблоко), которые обращаются друг вокруг друга на расстоянии 300 м. В это время маленькая звезда С (Проксима) размером с ягоду черники будет двигаться очень медленно на расстоянии около 100 км от первых двух звезд.
Мы прошли длинный путь: от Солнца, освещающего Стоунхендж в день летнего солнцестояния, до ближайших звезд на расстоянии четырех световых лет. Сейчас самое время вернуться немного назад и посмотреть на секреты нашего дома, называемого Землей. Вместе с Исааком Ньютоном мы можем задать вопрос: «Что заставляет яблоко падать, а Землю обращаться вокруг Солнца?»
В древности радиус Земли был основной единицей измерения расстояний до Луны и Солнца. Аристарх, Гиппарх и Птолемей пытались измерить расстояние до Солнца, но потерпели неудачу, так как это расстояние оказалось слишком большим. Гелиоцентрическая система Коперника придала расстоянию Солнце Земля особое значение, поскольку оно могло служить масштабом расстояний внутри Солнечной системы.
Это же расстояние фигурирует и в Третьем законе Кеплера: время обращения планеты вокруг Солнца, найденное из наблюдений, определяет относительный размер планетной орбиты в единицах Солнце Земля. Когда астрономы начали определять расстояния (параллаксы) звезд, расстояние от Земли до Солнца окончательно заменило радиус нашей планеты в качестве естественной единицы измерения.
Однако хотелось бы знать космические расстояния в обычных земных единицах длины, используемых физиками в своих экспериментах. Например, чтобы узнать полную мощность излучения звезды в ваттах (Дж/с), выраженную в единицах потока ее излучения, измеряемого на Земле в Вт/ма, нужно знать расстояние до звезды в метрах. Для получения этого расстояния в метрах из годичного параллакса звезды нужно знать расстояние до Солнца в метрах. Но с первого взгляда неясно, как измерить расстояние до Солнца в метрах.
Даже Коперник и Кеплер плохо представляли себе порядок солнечной системы, а о размере звездной сферы они вообще ничего не знали.
С XVII до XIX века проблема расстояния Солнце Земля оставалась основной проблемой астрономии. Было изобретено и опробовано много различных методов и снаряжены дорогостоящие экспедиции в далекие уголки Земли. Результатом этого, наряду с постоянным уточнением расстояния до Солнца, стало начало международного научного сотрудничества.
Джованни Кассини (16251712), молодой профессор астрономии Болонского университета, что на севере Италии, использовал измерительный прибор, сооруженный им в кафедральном соборе Сан Петронио для определения высоты Солнца над горизонтом, когда оно пересекает меридиан на юге. Фактически это была гигантская камера обскура, создающая круглое изображение Солнца на полу собора.
Хотя целью Кассини не было определение расстояния до Солнца и расстояние в Солнечной системы , точные измерения в течение года привели его к неожиданному выводу: чтобы понять изменения высоты Солнца, нужно отдалить его гораздо дальше того расстояния, которое, согласно рекомендации Кеплера, принималось в то время равным 3469 радиусов Земли. Мы можем понять, почему изменение высоты Солнца зависит от расстояния до Солнца. Суточное вращение Земли смещает наблюдателя относительно центра Земли на расстояние порядка размера Земли.
От этого перемещения меняется направление на Солнце, и этот эффект тем сильнее, чем ближе Солнце. Измерения Кассини вынудили его отнести Солнце на неслыханно далекое расстояние, по крайней мере на 17 ооо радиусов Земли, иначе он не мог объяснить свои наблюдения.
В 1669 году по приглашению короля Людовика XIV Кассини переехал в Париж, чтобы возглавить новую Парижскую обсерваторию. Там в его исследовательской программе одной из приоритетных задач стало определение расстояние до Солнца. Поскольку значение, полученное по измерениям в Болонье, могло быть искажено изменениями атмосферной рефракции, нужно было использовать другае методы для подтверждения или опровержения длинной шкалы расстояния до Солнца.
Это может показаться странным, но Ньютон догадывался, насколько далеки звезды. Как же это было возможно до эры параллаксов? В1668 году шотландский математик Джемс Грегори (16381675) предложил новый метод измерения звездных расстояний: стандартную свечу. Если бы все звезды светили так же, как наше Солнце, то, сравнивая видимые яркости звезды и Солнца, можно было бы в единицах расстояния Солнце Земля определить расстояние до звезды.
Мерилом расстояния до звезды служил бы ее блеск.
Конечно, очень трудно сравнивать ослепляющий свет Солнца со светом тусклой звезды. Поэтому Грегори предлагал в качестве промежуточного объекта использовать планету: яркость планеты, сравниваемая с яркостью звезды, зависит от отраженного света Солнца. Таким способом Ньютон смог вычислить расстояние до Сириуса с помощью Сатурна. Оказалось, что Сириус в миллион раз дальше Солнца. Это всего в два раза превосходит истинное расстояние, но в целом подтверждает идею об огромных расстояниях до звезд.
Метод стандартной свечи основан на важном законе, установленном Кеплером: поток света от звезды уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния до нее. Этим фотометрическим методом измерения больших космических расстояний пользуются в тех случаях, когда метод параллаксов уже не работает. Вместо Солнца в качестве стандартной свечи применяют звезды и даже галактики различных типов.
В действительности звезды не одинаковы. По светимости, то есть по излучаемой световой энергии, они могут сильно отличаться от Солнца. Некоторые звезды гиганты излучают как миллион Солнц, а некоторые карлики — в десятки тысяч раз меньше. Близкий к нам пример — Сириус, который на самом деле является двойной звездой. Сириус А имеет светимость, равную 23 светимостям Солнца, а его тусклый сосед Сириус В излучает только 1/500 часть излучения Солнца. Если сравнивать каждую звезду с Солнцем, считая, что она похожа на Солнце, то можно сильно ошибиться с расстоянием до нее. Естественно, астрономы стремятся разделить все небесные объекты на узкие классы по светимости. Отношение светимостей Солнца и Сириуса всего примерно в 20 раз объясняет, почему первые оценки Ньютона дали разумное значение расстояния.
]]>Пока идут жаркие споры: посылать зонд к Плутону или нет, астрономы на Земле могут рассчитывать лишь на новейшие поколения телескопов и технологий, которые по-могут раскрыть им сокровенные тайны этой планеты.
Так, Космический телескоп им. Хаббла, после корректировки его оптической системы, показывает диски Плутона
и Харона яснее и отчетливей всех предыдущих наблюдений.
Более того, новый метод обработки кривых блеска планеты позволил ученым использовать измерения интенсивности солнечного света, отраженного от Плутона, для создания примерной карты этого небесного тела.
Рудольф Альбрехт (Европейский центр управления Космическим Телескопом) с коллегами использовали камеру слабых объектов телескопа им. Хаббла для того, чтобы получить точные размеры Плутона и его спутника Харона. Они, по данным наблюдений, составили (с точностью до 1%) 2320 и 1270 км соответственно. Эти значения хорошо согласуются с наземными оценками. В добавление ко всему, результаты, полученные на Космическом Телескопе, свидетельствуют о том, что Харон имеет более голубой цвет, чем Плутон, подтверждая ранние догадки, базирующиеся на данных наземной спектроскопии о том, что они имеют различный состав.
Между тем, новый подход, примененный группой Вальтера Вайлда (Чикагский Университет), основывается более на данных прошлых наблюдений Плутона, чем на возможностях больших современных телескопов.
Эта серия изображений, полученных компьютером на основе кривых блеска Плутона в 1980 и 1986 годах, показывает различия в отражательной способности поверхности планеты. Мы как бы смотрим на Плутон с четырех различных направлений, отстоящих друг от друга на 90°.
Начиная с 1954 гего группа синтезировала карту альбедо планеты, изображающую области высокой и низкой отражательной способности. Кроме того, результирующие карты показали изменения альбедо различных регионов поверхности с течением времени. Это может быть следствием того, что атмосфера Плутона способна переносить приповерхностный иней с места на место.
Исследователи полагают, что новый метод обработки кривых блеска планет в сочетании с данными Космического телескопа сможет довести разрешение деталей на поверхности Плутона и Харона до 100 км.
Астрономия в значительной степени — наука о космических расстояниях; с этой точки зрения модель Коперника в сравнении со старой моделью имела большие преимущества. Стало возможным из наблюдений установить порядок планет и определить их относительные расстояния от Солнца. Эти расстояния можно было определить в единицах расстояния от Земли до Солнца и этой новой естественной единицей (астрономическая единица) заменить радиус Земли.
В системе Птолемея расстояние до планеты определяется довольно произвольно: важно только установить размер эпицикла относительно деферента, так чтобы видимое движение планеты соответствовало наблюдаемому. Но в гелиоцентрической модели, напротив, порядок планет и их расстояния до Солнца становятся четко определенными. Не вдаваясь в детали, заметим, что расстояние Солнце-планета можно определить в момент, когда треугольник, образованный Землей, Солнцем и планетой, становится прямоугольным.
Коперник выделил Луну из группы планет и сделал ее спутником Земли. Он определил порядок и расстояния планет, как показано в табл.(единицей служит среднее расстояние СолнцеЗемля, астрономическая единица, или а. е,). Следует подчеркнуть, что, после того как круги и эпициклы совпали с наблюдениями, Коперник не обнаружил, что планеты имеют круговые орбиты. Он вычислил минимальное, среднее и максимальное расстояние каждой планеты от Солнца. Таблица показывает, что теперь максимальное расстояние «нижележащей» планеты не равно минимальному расстоянию следующей за ней «вышележащей» планеты.
В отличие от того, что предполагал Птолемей, теперь между планетными орбитами было много пустого места. В системе Коперника сфера неподвижных звезд оказалась просто гигантской, поэтому годичное движение Земли никак не могло стать причиной смещения положений звезд на небе. И так оставалось вплоть до XIX века, пока эти смещения не были наконец открыты. В табл. следует также подчеркнуть большие значения отношений максимального к минимальному расстояний для Меркурия и Марса. Это отражает сильную вытянутость их орбит, которая позднее позволит Кеплеру сделать вывод о том, что в действительности Марс движется по эллипсу. В противоположность этому, расстояния Венеры и Земли от Солнца меняются очень мало.
Мы, как и Коперник, можем заметить, что его система была менее произвольной, чем система Птолемея. Уже только это делало гелиоцентрическую систему более привлекательной. Но еще важнее, что будущие наблюдения могли проверить предсказанный порядок планет и их расстояния.
Имя Коперника связано с двумя идеями. Говоря о коперниканской революции, мы обычно имеем в виду рождение гелиоцентрической модели в 1543 году. Естественно, что процесс окончательного установления этой новой астрономической картины Солнечной си-стемы длился в течение двух столетий. Потребовалось много наблюдений и теоретических работ, пока движение Земли не стало восприниматься столь же естественно, как ее неподвижность — в древние времена.
Но коперниканская революция породила еще и космологический принцип Коперника, утверждающий, что мы не находимся в особом или предпочтительном положении во Вселенной. Правда, сам Коперник думал, что Солнце расположено в центре Вселенной или рядом с ним, что никак не соответствует Принципу Отсутствия Центра, провозглашенному Бруно.
Тем не менее изгнание из цен-трального неподвижного положения Земли, получившей статус обычной планеты, стало настолько крутым изменением, что оно оправдывает название «Принцип Коперника». Космолог из родного Копернику Краковского университета Кондрад Рудницки сформулировал это более современным языком: «Вселенная, наблюдаемая с любой планеты, выглядит одинаково». Сегодня мы можем заменить слова «с любой планеты» словами «из любой галактики».
Коперник не рассуждал о мире, лежащем позади далекой материальной сферы звезд. Но он придал мощный импульс новому взгляду на звезды. Диггес родился через несколько лет после смерти Коперника, а Бруно еще позже. И они поняли, что звезды не при-креплены к сфере, а распределены в бесконечном пространстве.
Книга Коперника не шла нарасхват и сразу не обратила на себя большое внимание. Некоторый энтузиазм проявили те математики, кто смог продраться сквозь трудный текст. Вначале католическая церковь оставалась довольно равнодушна; воз-можно, это в какой то мере было обусловлено предисловием Озиандера, и, как мы уже упоминали, некоторые должностные лица даже поддерживали опубликование новой теории.
Православная церковь считала, что движение Земли как планеты не имеет никакого значения. Первые протесты были выражены лютеранами. Только через 70 лет после публикации книги Коперника, в 1616 году, Святая палата начала действовать. В течение этого времени произошло многое. Прожили свою жизнь и уже умерли Томас Диггес и Джордано Бруно. Тихо Браге, Иоганн Кеплер и Галилео Галилей создали новую астрономию и экспериментальную физику. Был изобретен телескоп. Даже само небо, похоже, отметило коперниканскую революцию.
Заметная комета 1557 года и две сверхновых звезды (последние сверх-новые, наблюдавшиеся в нашей Галактике в историческое время) продемонстрировали, что небо не остается неизменным. И в середине этих событий Шекспир написал: «Есть многое на свете, друг Гораций, что и не снилось нашим мудрецам».
Вселенная Коперника все еще оставалась королевством кругов и эпициклов. Следующим шагом коперниканской революции стала замена наивного предположения о круговом движении представлением о более реалистических замкнутых орбитах. Этот решающий шаг сделал Иоганн Кеплер, для чего ему понадобились очень точные наблюдения Тихо Браге. Следующая глава посвящена их работе.
//www.youtube.com/watch?v=-JwevoUbm4Q
]]>Температуры конденсации в Солнечной туманности Гроссман и Лаример определили в 1974 г. экспериментальным путем при том относительном вакууме (10″4атм), который существовал, вероятно, во время конденсации. Результаты их исследования представлен
ы в виде списка минералов, определяющих конечный химизм возникающих конденсатов. Эта таблица сильно упрощена, и следует отметить, что в указанных там минеральных образованиях могут присутствовать различные малые элементы, вызывающие небольшие изменения соответствующих температур.
Тугоплавкими названы вещества, которые конденсируются при температурах выше 1000°С; к ним относятся богатые кальцием и алюминием конденсаты типа Allende, образующиеся при самых высоких температурах. За ними следуют металлическое железо и железо-магниевые силикаты. Вещества, остающиеся летучими при температурах ниже 1000°С, включают щелочные элементы (хотя они могут входить в состав полевого шпата, сформировавшегося раньше), сульфид железа и окись железа. При самых низких температурах из разреженного газа конденсируются вещества, которые мы обычно считаем газообразными (у земной поверхности при температуре 0-30°С).
Данные показывают, что большая часть вещества метеоритов и планет земной группы должна была сконденсироваться по мере остывания облака до начала и во время аккреции при температурах вплоть до 100°С, тогда как вещество внешних планет не могло конденсироваться, пока температура не упала значительно ниже 0°С. Это снова возвращает нас к радиальному температурному градиенту, упоминавшемуся ранее. Однако приверженцы неоднородной аккреции планет заявляют, что температура понижалась локально и что конденсаты формировались в течение всего времени, пока происходила аккреция планет.
Это означает, что на любом данном расстоянии от Солнца различные вещества постепенно переходя в твердое состояние в соответствии с температурой конденсации, в результате чего и возникло существующее ныне расслоение планет. В менее плотных внешних планетах развивались силикатные и железные ядра, после чего уже происходила конденсация и аккреция толстых газообразных оболочек.
Для плотных планет земной группы, состоящих из скальных горных пород, ранние стадии имеют гораздо большее значение: согласно модели неоднородной аккреции, сначала образовалось высокотемпературное ядро, богатое кальцием и алюминием, затем оно сменилось ядром из металлического железа и, наконец, сформировались силикаты мантии: форстерит, диопсид, анортит и т.д.. Таким образом, возникает трехслойная гетерогенная структура. В дальнейшем, как это можно предвидеть так же, как и в однородной модели, внутренние области разогреваются до температуры, достаточной для плавления и сегрегации элементов по плотности, образуется плотное центральное ядро, богатое железом, а более легкие высокотемпературные конденсаты возвращаются в силикатную внешнюю оболочку. Затруднение с этой частью неоднородной модели состоит в том, что детали многослойной аккреции нельзя проверить непосредственными наблюдениями, так как слои образуют временную, преходящую структуру. Добротная научная теория должна давать такие предсказания, которые можно проверить, но этот аспект модели неоднородной аккреции туманен и нечеток.
Однако радиальные температурные градиенты в Солнечной туманности проверке поддаются, и мы уже отмечали ранее, что на внешних планетах конденсация закончилась при более низких температурах, чем на планетах земной группы.
Но из этого следует, что должны существовать различия в составе, а значит, и в плотности также внутри этой группы. Если доаккреционная сегрегация элементов имела в этом масштабе какое-то значение, то планеты, расположенные дальше от Солнца, должны содержать больше щелочных полевых шпатов, троилита, магнетита и т.д., конденсирующихся при низких температурах.
Помимо обогащения щелочными элементами в том же направлении должно наблюдаться понижение отношения Fe/Siи, следовательно, средней плотности (так как железо значительно плотнее силикатов). Мы исследуем эти предсказания более подробно в совокупности с данными о планетах, а пока что представим основные черты данной модели.
]]>Распространенность элементов в атмосфере Солнца. Распространенность элементов на Солнце («солнечные обилия» элементов) оп
ределяется по спектральным линиям поглощения, появляющимся, когда свет, излучаемый с видимой поверхности Солнца, проходит через тонкие, более холодные слои, расположенные над этой поверхностью. Поглощенные длины волн те же, которые испускались бы парами данного элемента при их нагреве или ином возбуждении.
Примером может служить желтый свет натриевых ламп уличных фонарей. Когда солнечный свет расщепляется спектрометром на составляющие световые волны, линии поглощения выглядят на спектре черными.Интенсивность поглощения зависит не только от количества присутствующего элемента, но также от температуры, давления и от того, насколько эффективно данный элемент поглощает свет (т. е. от «силы осциллятора»). Последний фактор трудно определить расчетным или экспериментальным путем, и он вносит неопределенность в вычисленные значения распространенности некоторых элементов, изменяя их в 10 и более раз.
Интенсивность поглощения зависит не только от количества присутствующего элемента, но также от температуры, давления и от того, насколько эффективно данный элемент поглощает свет (т. е. от «силы осциллятора»). Последний фактор трудно определить расчетным или экспериментальным путем, и он вносит неопределенность в вычисленные значения распространенности некоторых элементов, изменяя их в 10 и более раз.
Поскольку Солнце получает свою энергию путем ядерных реакций, в которых один элемент превращается в другой, возникает вопрос: не повлияли ли эти процессы на распространенность элементов со времени образования Солнца?
Однако из теорий звездной эволюции следует, что такие процессы ограничены, вероятно, глубокими внутренними областями (за исключением процессов, влияющих на распространенность лития), так что внешние слои должны сохранять свой состав.
Знание «солнечных обилий» позволяет определить начальный состав Солнечной туманности, а его можно сравнить с данными о распространенности элементов в других частях Солнечной системы, в частности в метеоритах и в земной коре. Такое сравнение проводится на рис. где все «обилия» сопоставлены с распространенностью кремния.
]]>
В ходе процесса образования центрального солнца и планет из части межзвездного облака существует много возможностей для того, чтобы элементы испытали в какой-то мере сегрегацию, или фракционирование (т.е. разделились бы на фракции). Один из главных факторов-отличие зерен, сложенных менее летучими и обычно более тяжелыми элементами, от газов. Фракционирование могло происходить путем простого оседания зерен в газе, как это отмечалось при описании образования пылевого диска; оно может быть связано с тем, что зерна гораздо реже, чем газовые частицы, получают электрический заряд и, таким образом, подвергаются действию электромагнитных сил; фракционирование могло быть вызвано способностью зерен слипаться посредством различных описанных здесь механизмов.
Вероятно также, что зерна силикатов могли отделяться от зерен металлов из-за их различной плотности, а эксперименты показали, что при столкновении зерен металлов их слипание гораздо более вероятно, чем при столкновении зерен силикатов. Помимо этого, если магнитное притяжение между зернами имеет сколько-нибудь важное значение, то оно, очевидно, благоприятствует аккреции железа и никеля.
До сих пор температура упоминалась только изредка, но она играет ключевую роль в большинстве теорий аккреции и состава планет. То, какие элементы или соединения сформируют зерна, зависит, в ряду других факторов, от температуры, так как все вещества способны испариться, если температура достаточно высока. Кроме того, все согласны, что туманность должна при сжатии нагреваться, причем самая высокая температура будет вблизи ее центра.
Однако различные теории расходятся в вопросе о том, когда оказывает температура наибольшее воздействие — на ранних стадиях эволюции туманности, разогревая ее, или же позже, когда протопланеты станут остывать и зерна начнут снова образовываться при конденсации.
Прентис в своей теории предполагает, что хотя внутри орбиты Меркурия и образовались кольца, температура была там слишком высока, чтобы могли существовать какие-либо зерна, и поэтому начало аккреции там оказалось невозможным. На орбите Меркурия температура составляет около 1000°С, и только наиболее тугоплавкие вещества-некоторые металлы и силикаты-могут там конденсироваться, что и объясняет высокую плотность этой планеты. В широком смысле это относится ко всем планетам земной группы, тогда как Юпитер является самой близкой к центру планетой, при образовании которой могла происходить аккреция более летучих и более легких элементов, таких, как соединения Н, С, N и О .С некоторыми из этих механизмов фракционирования связаны, вероятно, различия в общем составе планет, особенно различия между планетами земной группы и планетами-гигантами, в то время как другие механизмы могли привести к расслоению планеты путем аккреции одних элементов раньше других.
Что же мы узнали, попытавшись проникнуть в суть проблем, связанных с образованием Солнечной системы? Хотя здесь остается еще много неопределенностей, некоторые общие заключения можно сделать. Вероятно, Солнечная система произошла в конечном счете из межзвездного облака, причем вместе со многими другими звездами. Состав, наиболее близкий к составу первоначальной Солнечной туманности, должен характеризовать само Солнце, так как оно образовалось, не испытав сложных процессов аккреции и фракционирования, пройденных планетами (на многие планеты повлияло, кроме того, развитие Солнца). Массы и состав планет можно вывести из грубо равных масс солнечного состава, разделившихся путем последовательного фракционирования. Юпитер потерял сравнительно мало водорода и гелия, Сатурн-значительно больше, тогда как Уран и Нептун утратили большую часть этих элементов и состоят главным образом из соединений углерода, азота и кислорода с небольшим количеством водорода. Планеты земной группы состоят преимущественно из более тяжелых элементов. Более подробные данные о различиях состава вывести из теорий образования Солнечной системы пока что нельзя, и для этого будет использован иной подход.
]]>В результате эволюции туманности большая часть ее массы сосредотачивается в небольшом горячем центральном теле, которое пока еще не стало настоящим солнцем, однако часть вещества остается вне этого тела на расстояниях, соответствующих планетным, в виде диска или колец. Как это вещество собралось вместе и образовало планеты? По этому поводу существуют различные мнения, но все согласны в том, что процесс развивался в несколько стадий.
В облаке каждый элемент с точкой плавления, меньшей температуры облака, может существовать только в виде пара или газа. Однако если точка плавления выше этой температуры, то такие элементы лишь частично присутствуют в виде твердых зерен. Так происходит потому, что все вещества имеют какое-то давление пара, хотя оно и очень мало, если температура значительно ниже точки плавления. В межзвездном облаке давление настолько низкое, что значительная часть равномерно распределенного железа и силикатов существует в виде пара (при таких низких давлениях жидкая фаза отсутствует).
Когда из части межзвездного облака образуется солнечная туманность, рост давления приводит к тому, что часть пара конденсируется в зерна. Одновременно гравитационное тяготение материала туманности стягивает эти зерна к срединной плоскости, так как хотя центробежная сила не позволяет им двигаться к оси вращения, эта сила не мешает движению перпендикулярно срединной плоскости ). Вначале зерна, преодолевая сопротивление газа, падают медленно, но затем, по мере того как растут их размеры в результате конденсации из пара, зерна начинают падать все быстрее. Если пар не истощенный, то зерна при диаметре 3 см должны достигнуть срединной плоскости через 10 лет .
Если общая масса вещества на единицу площади (т. е. поверхностная плотность) пылевого диска в каких-то местах оказывается достаточно большой, то случайные скопления вещества в этом диске будут сжиматься под действием собственного тяготения.
В результате такого процесса пылевое облако соберется в локальные агрегации, так называемые планетезимали, имеющие, вероятно, около 100 м в поперечнике. В свою очередь распределение планетезималей также нестабильно, и они собираются в планетезимали второй генерации с поперечником около 5 км, на что уходит несколько тысяч лет. После этого рост связан не только с притяжением, но и со столкновениями тел, и в течение при-мерно 0,1 млн. лет образуются планеты .
В других теориях главным процессом, приводящим к аккреции, считается слипание зерен. Керридж перечисляет несколько механизмов слипания, включая сварку при столкновениях и электростатическое притяжение. Указывалось и на роль магнитного притяжения между зернами железа.
Когда планетезималь достигает достаточно больших размеров, важным фактором дальнейшего добавления материала становится гравитационное притяжение.
Специалисты согласны в том, что механизм слипания требует, чтобы аккреция продолжалась в течение десятков миллионов лет, т. е. много дольше, чем характерное время действия механизма гравитационной неустойчивости, описанного выше. Поэтому слипание не имело бы большого значения, если бы в диске, находящемся в состоянии аккреции, не было турбулентности, препятствующей росту планетезималей.
Согласно другим теориям, материал солнечной туманности (небулы) под действием гравитационных сил сначала собирается в отдельные облака, или протопланеты, и только после этого начинают действовать описанные выше механизмы аккреции, приводящие к тому, что протопланеты становятся теми планетами, которые мы знаем.
Новая планета видео:
//www.youtube.com/watch?v=JXVkgRfampI
]]>Развитие протозвезды в систему протопланет, обращающихся вокруг центральной массы. К началу этой стадии облако разбилось на много тысяч отдельных мелких облачков, или протозвезд. Они значительно плотнее материнского облака и могут поэтому удерживаться посредством собственного тяготения.
Поскольку протозвезда испытала такое сильное сжатие, она будет вращаться гораздо быстрее, чем материнское облако, даже не обладая пропорциональной долей его момента количества движения. Дальнейшему сокращению объема звезды препятствует газовое давление, центробежная сила и, по мнению некоторых специалистов, ее магнитное поле. Таким образом, протозвезда будет грубой моделью материнского межзвездного облака, но уже с иными значениями плотности, размеров и других параметров.
В результате ускоренного вращения протозвезда будет расплющиваться в диск, или в солнечную туманность (небулу). Гравитационное притяжение всюду направлено к центру массы, но центробежная сила направлена перпендикулярно оси вращения. Эти две силы не антипараллельны (кроме как в срединной плоскости), и поэтому равнодействующая (суммарная) сила будет перемещать газовый и пылевой материал протозвезды ближе к срединной плоскости по мере того, как протозвезда будет сжиматься, а ее вращение ускоряться.
Следующая проблема-показать, как солнечная туманность сможет исторгнуть из себя часть вещества, которое пойдет затем на образование планет, при том, что основная масса, сжимаясь, превратится в центральное солнце. Согласно Прентису [174], диаметр «нашей» туманности во много раз превосходил диаметр Солнечной системы, а плотность составляла около 10″16 кг/м3 (около Ю10 атомов в кубическом сантиметре).
Она была еще холодной (около 100 К), потому что тепло, хотя и выделялось при сжатии, терялось путем излучения. Однако на данной стадии своей эволюции туманность как раз становилась достаточно плотной для того, чтобы задерживать непосредственное излучение; следовательно, дальнейшее сжатие должно было заставить туманность нагреваться. При повышении температуры росло и газовое давление, что способствовало тому, что туманность стабилизировалась и не поддавалась дальнейшему сжатию. Здесь эволюция достигает фазы квазиравновесия, при которой тепло только медленно просачивается из внутренних областей туманности в пространство. Это приводит к медленному сжатию туманности и ее разогреву.
В лаборатории сжатие газа при постоянной температуре не только приводит к уменьшению его объема, но и повышает его давление, так что наступает момент, когда внутреннее газовое давление уравновешивает приложенное внешнее давление. Но в крупной самосжимающейся массе газа этот простой механизм достижения равновесия не действует. Так происходит потому, что сжатие, сближая все частицы вещества, повышает силу тяготения, причем эта сила растет быстрее, чем давление, обусловленное сжатием. Единственная возможность достичь равновесия — оставить в облаке часть тепла, выделяющегося при сжатии, подняв тем самым его температуру и, следовательно, давление газа.
Отсюда и кажущийся парадокс: потеря тепла заставляет облако нагреваться и одновременно сжиматься, причем часть выделенной тепловой энергии идет на то, чтобы обеспечить достаточные потери внешнего тепла, а часть-на поднятие внутренней температуры. Этот процесс играет в звездной эволюции первенствующую роль.
Эта фаза медленной эволюции заканчивается, когда сжатие поднимает температуру до уровня, достаточного для испарения зерен твердых газов (С02, NH3и т.д.), так как при этом тепло поглощается, что препятствует компенсационному росту температуры, описанному выше. Вещество туманности начинает падать по направлению к центру, и стабильность не восстанавливается до тех пор, пока не будут исчерпаны все возможности скрытой теплоты (не только испарение, но и диссоциация газовых молекул, например Н2, на атомы и их ионизация). Когда это произойдет, диаметр протозвезды должен бы всего лишь в несколько раз больше диаметра нынешнего Солнца, а температура составит тысячи градусов.
Этот коллапс захватывает только самую внутреннюю часть облака, составляющую несколько процентов его массы, так как именно эта часть первой достигает температуры испарения. После резкого сокращения объема она восстанавливает свою стабильность уже как центральное «ядро», прежде чем внешняя часть успевает испытать дальнейшее сжатие. Внешняя часть продолжает сжиматься, но затем переходит в стабильное состояние вследствие подъема температуры, вызванного как собственным сжатием, так и теплом, исходящим от горячего центрального «ядра». Прентис считает, что на этой стадии туманность должна иметь примерно такой же диаметр, как у орбиты Нептуна, и быть сильно турбулентной.
Предположение о турбулентности имеет важное значение, так как обмен веществом между внутренними и внешними частями туманности не позволяет внутренним частям вращаться быстрее внешних частей, что имело бы место в сжимающейся туманности в ином случае. Это переносит момент количества движения изнутри туманности к нетурбулентному кольцу на ее краю. В конце концов внешнее кольцо отчленяется от туманности, продолжающей сжиматься. Через какие-то промежутки времени этот процесс повторяется, в результате чего образуется серия колец примерно одной и той же массы, но располагающихся все теснее друг к другу по мере приближения к центральному ядру. Таким образом, согласно этой теории, Лаплас был прав, когда допускал, что должны появляться кольца. Образование колец, отвечающих существующим планетам, заняло бы только около 0,2 млн. лет, хотя окончательное сжатие туманности с преобразованием ее ядра в настоящее солнце заняло бы несколько миллионов лет.
Альвен в 1978 г. предположил, что ключевую роль в развитии туманности играет магнитное поле, если вещество туманности частично ионизировано. Электромагнитные силы (см. приложение 4) переносят момент количества движения во внешние области, позволяя тем самым основной массе сжиматься и производя частичную сепарацию элементов.
Другие предложенные теории также основаны на привлечении магнитных или турбулентных вязких сил, способствующих коллапсу туманности, но эти теории различаются только в деталях и здесь не рассматриваются.
ть