uabooks.top » Фізика » Сонячна система
Інформація про новину
  • Переглядів: 368
  • Дата: 22-02-2019, 20:16
22-02-2019, 20:16

Сонячна система

Категорія: Фізика




Об’єкти Сонячної системи. На сьогодні в Сонячній системі виділяють вісім великих планет (Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун), п’ять карликових планет, понад 100 їх супутників, пояс астероїдів і пояс Койпера, комети, метеороїди та космічний пил (див. задній форзац).

До 2006 р. астероїди ще називали «малі планети». Після введення поняття карликової планети термін «малі планети» практично не вживається.

Що взято за ознаки поділу на ці категорії? Це розміри, форма, домінуюча роль на орбіті.

Планета — будь-яке тіло на орбіті навколо Сонця, яке є достатньо масивним, щоб набути сферичної форми, але недостатньо масивне для початку термоядерного синтезу, і яке змогло очистити околиці своєї орбіти від планетозималей (допланетних тіл).

Планети поділяються на дві групи, що відрізняються масою, хімічним складом (це виявляється значною різницею їхньої густини), швидкістю обертання та кількістю супутників (табл. 5, с. 252).

Планети земної групи — це чотири найближчі до Сонця планети (Меркурій, Венера, Земля, Марс). Вони порівняно невеликі, складаються здебільшого зі щільної кам’янистої речовини та металів. У планет земної групи й супутників унаслідок малої теплопровідності зовнішніх шарів тепловиділення невелике. Надра планет і деяких великих супутників перебувають у розплавленому стані. Венера, Земля й Марс мають атмосфери, що складаються з газів, які виділилися з їхніх надр.

Планети-гіганти (Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун), на відміну від планет земної групи, не мають твердої поверхні, бо за хімічним складом

(99 % Гідрогену та Гелію) і густиною

вони нагадують зорі (темпе-

ратура в їхніх надрах сягає 10 000 °С). Для них характерний потік тепла з надр, що може навіть перевищувати потік, одержуваний ними від Сонця. У планет-гігантів атмосфери являють собою безпосереднє продовження їхніх надр. Зі збільшенням глибини атмосферні гази поступово переходять у конденсований стан. Сполуки кисню, вуглецю й азоту за низьких температур конденсуються в лід.

Таблиця 5

Планети-гіганти обертаються навколо осі набагато швидше, ніж планети земної групи. При цьому кожна з них має помітно менший період обертання екваторіальних зон у порівнянні з приполюсними. Такий закон обертання, типовий для всіх газоподібних тіл, спостерігається і в Сонця. При цьому Юпітер і Сатурн та Уран і Нептун також досить чітко поділяються між собою на дві пари. Юпітер і Сатурн мають більші розміри, менші густини та менші періоди обертання, ніж Уран і Нептун. Чіткий поділ планет-гігантів на дві групи — це дуже важливий експериментальний факт, який вимагає обов’язкового пояснення сучасною теорією походження й еволюції Сонячної системи.

Карликова планета — небесне тіло, що обертається по орбіті навколо Сонця; яке є достатньо масивним, щоб під дією власних сил гравітації підтримувати близьку до кулястої форму; але яке не очистило простір своєї орбіти від планетозималей (допланетних тіл) і не є супутником планети.

За цим визначенням у Сонячній системі є п’ять визнаних карликових планет: Церера, Плутон, Гаумеа, Макемаке та Ерида.

Шість із восьми планет і три карликові планети мають природні супутники. Усі чотири планети-гіганти, окрім великих супутників, мають безліч дрібних й оточені кільцями пилу та інших частинок.

Малі тіла Сонячної системи — інші об’єкти, що обертаються навколо Сонця.

У Сонячній системі є дві ділянки, заповнені малими тілами. Пояс астероїдів, що розташований між Марсом і Юпітером, за складом подібний до планет земної групи, оскільки складається переважно із силікатів і металів. Найбільшими об’єктами поясу астероїдів є: карликова планета Церера та астероїди Паллада і Веста.

За орбітою Нептун, на відстані близько 50 а. о. від Сонця, розташований пояс Койпера. Хоча пояс Койпера схожий на пояс астероїдів, він приблизно у 20 разів ширший і в 20-200 разів масивніший за нього. Як і пояс астероїдів, він складається в основному з малих тіл, тобто матеріалу, що залишився після формування Сонячної системи. На відміну від об’єктів поясу астероїдів, об’єкти поясу Койпера складаються головним чином із замерзлої води, аміаку та метану. Найбільшими об’єктами поясу є карликові планети: Плутон, Гаумеа і Макемаке.

Раніше вважалося, що пояс Койпера — головне джерело короткоперіо-дичних комет. Проте спостереження, проведені із середини 1990-х років, показали, що пояс Койпера динамічно стабільний і що справжнє джерело цих комет — розсіяний диск.

Існує припущення, що джерелом комет з довгим періодом обертання є гіпотетична область Сонячної системи — хмара Оорта. Очікувана відстань від Сонця до зовнішньої межі хмари Оорта становить 50 000 - 100 000 а. о. (приблизно світловий рік). Це — майже чверть відстані до Проксіми Кентавра — найближчої до Сонця зорі, дві інші відомі області транснептунових об’єктів (пояс Койпера та розсіяний диск) — у тисячу разів менші за хмару Оорта. Зовнішня межа хмари Оорта визначає гравітаційну межу Сонячної системи. Проте безпосередніми спостереженнями існування хмари Оорта поки що не підтверджено.

Об’єктами Сонячної системи ще є метеороїди та космічний пил, що обертаються навколо Сонця. А від самого Сонця поширюється потік плазми (Сонячний вітер), який утворює геліосферу.

Характерні особливості будови Сонячної системи. Головна роль у Сонячній системі належить Сонцю. Його маса приблизно в 750 разів перевищує масу всіх інших тіл, що входять до системи. Гравітаційне тяжіння Сонця є визначальною силою для руху всіх тіл Сонячної системи.

Усі планети обертаються навколо Сонця в одному напрямку (у напрямку осьового обертання самого Сонця), майже круговими орбітами, площини яких мають невеликий нахил одна до одної. Площину земної орбіти (екліптику) вважають основною площиною для відліку нахилу орбіт планет та інших тіл, що обертаються навколо Сонця.

Завдяки майже круговій формі планетних орбіт і великим відстаням між ними виключена можливість тісних зближень між планетами, коли вони могли б істотно змінювати свій рух унаслідок взаємного тяжіння. Це забезпечує тривале та стійке існування Сонячної системи.

Планети обертаються також навколо своїх осей, причому в усіх планет, окрім Венери й Урана, обертання відбувається в прямому напрямку, тобто, у тому ж напрямку, що і їх обертання навколо Сонця. Надзвичайно повільне обертання Венери відбувається у зворотному напрямку, а Уран обертається, ніби лежачи на боці (мал. 201, с. 254).

Ці закономірності руху планет у поєднанні з розподілом їх на дві групи за фізичними властивостями вказують на те, що Сонячна система не є випадковим скупченням космічних тіл, а утворилася в єдиному процесі.

Тому вивчення кожного з тіл Сонячної системи робить внесок у висвітлення походження всієї Сонячної системи, а разом з тим і в дослідження походження, еволюції та сучасної будови нашої Землі.

Гіпотези утворення Сонячної системи. Починаючи з XVIII ст. було сформульовано кілька різних гіпотез щодо походження нашої планетної системи (табл. 6).

Таблиця 6

Автор, час

Суть гіпотези

Жорж Бюффон, XVIII ст.

Унаслідок удару комети об Сонце з нього було викинуто масу речовини, з якої утворилися всі інші тіла Сонячної системи.

Іммануїл Кант, XVIII ст.

Сонячна система (і Сонце також) утворилася з газопилової хмари, що оберталася. Тіла планетної системи сформувалися шляхом конденсації речовини хмари.

П’єр Лаплас, XVIII ст.

Сонце і планети утворилися зі сплющеної розжареної газопилової туманності шляхом її охолодження, стискання і фрагментації на окремі кільця. У її центральній частині виникло Сонце.

Джеймс Джинс, ХХ ст.

Масивна зоря, проходячи повз Сонце, вирвала з нього довгий сигароподібний струмінь розжареної речовини. Він розділився на три частини: перша, найближча до Сонця, впала назад на його поверхню; з другої утворилися планети й супутники, а третя — розсіялася в просторі.

Томас Чемберлін та Форест Мультон, ХХ ст.

Повз Сонце на відносно близькій відстані пройшла зоря, спричинивши викид сонячної речовини, яка швидко охолола й затверділа, утворивши окремі згустки — планетезималі. З них шляхом акреції (випадання речовини на поверхню планети) речовини утворилися планети та їхні супутники.

Автор, час

Суть гіпотези

Отто Шмідт, ХХ ст.

Сонце захопило в Галактиці холодну газопилову хмару. Далі в процесі швидкого обертання відбулася її фрагментація на окремі частини та конденсація речовини в тіла Сонячної системи.

А. Гофмейстер і Р Крісс, ХХІ ст.

Утворення Сонця і планет з об’ємної (а не з дископодібної) газопилової хмари шляхом акреції речовини. Формування Сонця і планет відбувається практично одночасно. Гіпотеза пояснює кілька особливостей будови Сонячної системи, які не пояснює класична теорія Віктора Сафронова та Джорджа Візерхілла

У 1950-х роках Отто Шмідт і його послідовники (Віктор Сафронов та Джордж Візерхілл) докладно розробили гіпотези Канта і Лапласа і на їх підставі створили теорію походження нашої планетної системи. Відповідно до неї спочатку була йонізована газова хмара, з якої під дією електромагнітних сил утворилося Сонце, і на певних відстанях від нього залишилися залишки цього газу (мал. 202).

У газопиловому диску на якомусь етапі існування почався процес злипання окремих пилинок. Це привело до утворення спершу невеликих, а потім дедалі більших згустків, які, зіштовхуючись і злипаючись, утворили рій допла-нетних тіл різного розміру — планетезималей. Ці об’єкти стали будівельним матеріалом для планет, а найбільші планетезималі — їхніми «зародками».

Через високу температуру та видування летких елементів у центральній частині диска залишилися важкі тугоплавкі частинки — кам’янисті

сполуки, залізо та інші метали. З них сформувалися планети земної групи. А у віддаленіших зонах, де залишалось багато газів і води, утворилися планети-гіганти та їхні супутники. Причому спочатку, як і в планетах земної групи, у них утворилися ядра з кам’янистих сполук і металів, поверх яких потім нарощувались воднево-гелієві оболонки.

Під час формування планет-гігантів процес випадання речовини (акреція) на планети супроводжувався утворенням навколо них газопилових дисків. Із цих дисків утворилися супутники та кільця.

Особливості обертання Венери й Урана можна пояснити тим, що на початку існування Сонячної системи планети пережили зіткнення з дуже масивними планетезималями. Енергії зіткнення виявилось досить для того, щоб Уран «покласти на бік», а у Венери змінити напрямок обертання на протилежний.

Формування планетної системи відбувалося доволі швидко, від 100 млн до 500 млн років. Причому через особливості гравітаційної взаємодії швидкість формування планет майже не залежала від відстані до Сонця: близька до нього Земля наростила 98 % своєї маси за 108 років, а більш віддалені Уран і Нептун — за 109 р. Загальний вік нашої планетної сім’ї, визначений за зразками речовини метеоритів і місячного ґрунту, становить близько 4,6 млрд років.

Астероїди внутрішнього поясу та об’єкти поясу Койпера теж утворені з первинної речовини газопилової хмари, що через різні обставини не була увібрана великими планетами під час їхнього формування. Причому тверді кам’янисті тіла поясу астероїдів формувалися за орбітою Марса і подібні густиною до планет земної групи. А планетоїди поясу Койпера з великим вмістом льодів різного походження формувались у віддаленій зоні Сонячної системи і споріднені з карликовою планетою Плутон.

Раніше вважали, що Марс свого часу гравітаційною силою захопив два астероїди з внутрішнього поясу, які й стали його супутниками. Але аналізуючи речовину супутників, отриману в результаті космічних місій, науковці виявили, що їх хімічний склад близький до складу мінералів на Марсі. Тому тепер астрономи схиляються до думки, що супутники Марса утворилися з речовини, яку викинуло на орбіту з поверхні Марса колосальне зіткнення з іншим космічним тілом ще в далекій «юності» Сонячної системи. Схоже, що й Місяць колись утворився на орбіті Землі з таких самих причин.

Але деякі супутники планет-гігантів, що рухаються тепер навколо них не в прямому, а у зворотному напрямку, колись таки були астероїдами.

Якщо за часів Шмідта існування газопилового диска було лише припущенням, то в останні десятиріччя ХХ ст. такі диски відкрито в багатьох молодих зір, а наприкінці минулого століття відкриті перші планети та системи планет біля інших зір. Значення цього відкриття важко переоцінити: ми, земляни, пересвідчились, що наша планетна система не є винятком у безмежному Всесвіті.

Відкриття інших планетних систем стало новим етапом у розвитку ідей щодо походження Сонячної системи. Астрономи отримали змогу порівнювати системи планет. Але це порівняння виявило суттєві відмінності

між Сонячною системою й виявленими планетами біля інших зір. Наприклад, планети-гіганти (такі, як Юпітер) обертаються на дуже близьких відстанях від материнських зір (для порівняння, там, де в Сонячній системі рухаються Венера і Меркурій, а то й ще ближче!). Такі факти нинішня теорія формування Сонячної системи не пояснює. Ще одна проблема — зі спостережень молодих зір виявлено, що протопланетні диски існують не більш як 10 млн років, далі їхня речовина розсіюється. Але формування планет Сонячної системи, згідно з попередніми уявленнями, тривало сотні мільйонів років. Ось лише окремі проблеми, що виникли після відкриття планет біля інших зір.

Нині вивчення питань походження Сонячної системи виходить на новий рівень, бо завдяки новим телескопам і новим космічним місіям багато нового відкрилося про об’єкти Сонячної системи.

А що буде з нашою планетною системою далі? Згідно із сучасними уявленнями, вона існуватиме практично в такому ж вигляді, як нині, ще принаймні кілька мільярдів років. Її зміни пов’язують з еволюцією Сонця, що на сьогодні прорахувати досить складно. У дуже загальних рисах — на прикінцевій стадії еволюції Сонце перетвориться в червоний гігант, випарує Меркурій і Венеру, а Земля стане непридатною для життя.

ЗНАЮ, вмію, розумію

1. Назвіть 2-3 характерні особливості будови Сонячної системи.

2. Назвіть 2-3 прізвища астрономів, авторів гіпотез походження Сонячної системи.

3. Чи спостерігають астрономи газопилові диски біля інших зір?

4. Назвіть хоча б одну відмінність у будові Сонячної системи та відомих планетних систем біля інших зір.

 

Це матеріал з підручника Фізика і астрономія за 10 клас Засєкіна (профільний рівень)

 




^