Меню

Гипотезы происхождения солнечной системы гипотеза джинса



Гипотезы происхождения солнечной системы гипотеза джинса

IV. Гипотеза Джинса

В то самое время, когда гипотеза Лапласа подвергалась видоизменениям, техника, прикладные и так называемые «чистые» пауки переживали исключительно быстрый прогресс. Более глубокие математические и физические теории, более точные астрономические наблюдения способствовали тому, что проблемами космогонии начало интересоваться все большее количество ученых. Девятнадцатый век оказался очень богатым на новые и смелые гипотезы о происхождении миров. Правда, хотя эти гипотезы (в частности, гипотезы Фая, Лигондеса, Аррениуса) нередко способствовали выяснению некоторых сторон проблемы происхождения солнечной системы, в настоящее время они в основном уже оставлены. Те наблюдательные и теоретические сведения, на которые опирались авторы этих гипотез, содержали еще слишком много неуверенного и ошибочного.

Начало XX в. ознаменовалось новыми открытиями (в отношении вращения газовых масс, эволюции звезд и т. д.), которые пробудили самые большие надежды. Представлялось возможным расширить слишком узкие рамки космогонии, ограничивающей себя только солнечной системой и рассмотреть всю проблему эволюции вселенной в целом.

В 1916 г. английский астроном Джинс выдвинул гипотезу, которая, казалось, давала ответ на большинство нерешенных вопросов. В течение 15 лет эта гипотеза пользовалась бесспорным успехом. Ее авторитет был настолько велик, что, несмотря на ее различные ошибки, она оказала значительное влияние на все последующее развитие космогонии. Следовательно, мы не можем на ней не остановиться.

Критика Джинсом гипотезы Лапласа

Прежде всего Джинс установил следующее:

1) если газовое сгущение обладало такой большой скоростью собственного вращения, какую предполагал Лаплас, то от него не могли бы отделяться газовые кольца, а оно просто разлетелось бы в разные стороны подобно разорвавшемуся маховику, и, следовательно, наша планетная система образоваться из него не могла;

2) исходя из фактических данных о скоростях движений в солнечной системе, можно утверждать, что Солнце никак не могло когда-либо обладать этой критической скоростью вращения.

Вместе с тем Джонс считал, что явления, с помощью которых Лаплас объяснял происхождение солнечной системы, имели место во вселенной, но происходили в гораздо более крупном масштабе. А именно, по мнению Джинса, гипотеза Лапласа позволяет понять, как из спиральных туманностей образовались звезды.

От спиральных туманностей к звездам

Джинс начал с детального изучения условий существования небесных тел. Для того чтобы сгущение газовой материи было устойчивым (в случае очень малой плотности сгущения), т. е. для того, чтобы собственное (тепловое) движение молекул не могло преодолеть притяжения всего сгущения в целом и привести к рассеянию газа в межзвездном пространстве, необходимо, чтобы сгущение обладало достаточно большими размерами и массой (тем большими, чем меньше его плотность).

Новейшие астрофизические исследования позволили оценить (конечно, довольно грубо) порядок величины средней плотности вещества в пространстве. Эта плотность, т. е., например, количество массы в граммах на кубический сантиметр при условии, что все небесные тела были бы «размолоты» и рассеяны равномерно во вселенной, исключительно мала. * Учитывая этот результат, Джинс нашел, что размеры устойчивых сгущений, которые могут образоваться внутри столь разреженной среды, как раз сравнимы с размерами наблюдаемых спиральных туманностей.

* ( В настоящее время принимают, что эта средняя плотность соответствует одному грамму вещества в кубе с длиной ребра от 1000 до 10 000 км. (Перев.))

Оставляя в стороне вопрос о самом происхождении спиральных туманностей, мы перейдем к изложению точки зрения Джинса на эволюцию одного из таких больших сгущений с массой, превышающей в миллиарды раз массу Солнца.

Согласно Джинсу эти большие сгущения (туманности) имеют сначала примерно сферическую форму. Некоторые отклонения от симметрии в процессе образования туманности приводят к возникновению вращательного движения, которое сообщает туманности форму слегка сплющенного апельсина. В то же самое время туманность сгущается под влиянием сил тяготения, скорость вращения увеличивается и, следовательно, туманность все более сплющивается. Скорость движения молекул вблизи внешней границы туманности может достичь нескольких сот километров в секунду. В экваториальных областях центробежная сила преодолевает силу притяжения, от туманности отделяется вещество, образуя спиральные рукава, окружающие центральное ядро (конечно, туманность не может разлететься в разные стороны по причине своей малой плотности). В свою очередь спиральные рукава распадаются на новые сгущения меньших размеров и большей плотности, превращающиеся в звезды.


Рис. 11. Большая спиральная туманность М31 в созвездии Андромеды, находящаяся на расстоянии 1 700 000 световых лет от нас. В ясные ночи ее можно наблюдать невооруженным глазом в виде маленького светлого пятна

На всю совокупность этих процессов требуется согласно Джинсу исключительно большое время, измеряемое по крайней мере триллионами лет.

Двойные звезды

По поводу происхождения двойных звезд Джинс высказал очень смелую гипотезу, рискованность которой он сам признает. Согласно этой гипотезе звезды каждой пары имеют общее происхождение и должны, по-видимому, образоваться из одной звезды.


Рис. 12. Спиральная туманность NGG 4596, видимая почти ‘с ребра’

Джинс предполагает, что вещество большинства, если не всех, звезд находится в таком состоянии, что оно обладает свойствами жидкости (гипотеза «жидких звезд»). Далее он старается обосновать, что жидкая масса, обладающая быстрым вращением, может разделиться на два отдельных тела. Объяснив таким образом происхождение двойных звезд, Джинс рассматривает дальнейшую их эволюцию с учетом действия тяготения, приливных сил и потери массы за счет излучения. * Между прочим, он приходит к выводу, что звезды пары должны постепенно удаляться одна от другой. Наконец, некоторые звезды пары делятся в свою очередь, благодаря чему образуются «подсистемы», т. е. кратные системы, состоящие из трех и большего числа звезд.

Читайте также:  The straight джинсы мужские

* ( Заметим, что некоторые астрономы (например, Дж. Дарвин), высказывали мнение о том, что подобные процессы могли также привести к рождению Луны путем ее отделения от Земли.)

Происхождение планетной системы

Согласно Джинсу процесс формирования планетной системы представляет в жизни звезды гораздо более редкое явление, чем деление одной звезды на две. Он объясняет образование планет солнечной системы следующим образом.

В начале Солнце было звездой, которая нормально проходила первые стадии своей эволюции. Однако несколько миллиардов лет назад вблизи Солнца прошла очень близко другая, по-видимому, более крупная звезда. Джинс уточняет, что она должна была приблизиться к Солнцу на расстояние, меньшее трех солнечных диаметров. Такое сближение привело к возникновению на обеих звездах гигантских приливных выступов, с которыми наши приливы на Земле не могут идти ни в какое сравнение.

Огромные горы раскаленного вещества, образовавшиеся таким образом на Солнце, все больше росли по мере приближения возмущающей звезды и, наконец, от Солнца оторвался длинный газовый «рукав». Эта струя материи продолжала обращаться вокруг Солнца под влиянием притяжения к нему, в то время как звезда, вызвавшая это явление, продолжала свой путь и удалилась (в настоящее время уже невозможно найти на небе эту звезду).

Можно заметить, что эта гипотеза не очень сильно отличается от гипотезы Бюффона, который предполагал столкновение между Солнцем и кометой. Правда, Джинс не хочет рассматривать случай настоящего столкновения двух звезд по причине крайне малой вероятности подобного события. Однако, если учесть, что расстояния между звездами измеряются вообще триллионами километров, то и такое сближение, какое предполагает Джинс, является чрезвычайно редким событием.

Струя отделившейся от Солнца материи не могла быть устойчивой. Она распалась на отдельные сгущения, причем самые маленькие притягивались и поглощались самыми крупными. Таким путем и образовались планеты, обращающиеся вокруг Солнца в том же направлении, в каком обращалась первоначальная струя материи. Это направление и есть прямое. Собственное вращение планет происходило сначала в обратном направлении и изменение направления вращения в большинстве случаев обязано действию приливных сил.

Что касается спутников, то Джинс предполагает, что они отделились от планет таким же образом, каким отделились от Солнца сами планеты. Приливное воздействие Солнца на каждую планету приводило к извержению из планеты струи материи.

Остается объяснить (здесь мы сталкиваемся с теми же возражениями, какие были сделаны Лапласом Бюффону), почему орбиты планет вокруг Солнца и орбиты спутников вокруг планет близки к кругам. Действительно, согласно законам механики орбиты тел, образованных описанным образом вследствие воздействия на Солнце проходящей звезды, должны были бы быть вытянутыми. Однако Джинс предполагает, что сгущение в планеты вещества, выброшенного из Солнца, произошло не сразу. Таким образом, планеты (и спутники) сначала двигались сквозь остатки пыли и газа, оказывающие некоторое сопротивление их движению. В результате этого сопротивления орбиты планет постепенно приняли нынешнюю форму, мало отличающуюся от круговой.

Малые планеты и кометы

Джинс, как и Лаплас, предполагал, что кометы во время их движения в небесном пространстве были притянуты и затем захвачены солнечной системой. Что касается малых планет, из которых почти все располагаются между орбитами Марса и Юпитера, то Джинс также принял прежнюю гипотезу и утверждал, что они представляют собой осколки распавшейся большой планеты. Эта планета некогда прошла очень близко около Юпитера, и его приливные силы разорвали ее на тысячи кусков. Джинс опирался в этом вопросе на работы французского астронома Роша, согласно исследованиям которого (1850) для каждой планеты существует так называемое критическое расстояние. Любой спутник или любое небесное тело, приблизившееся к более массивной планете ближе, чем на это критическое расстояние, должны, если они более или менее затвердели, разрушиться под действием приливных сил. Рош, в частности, объяснял таким образом происхождение знаменитого кольца Сатурна.

Крушение гипотезы Джинса

Для того чтобы увидеть, что почти все предположения, из которых исходил Джинс, противоречат наблюдаемым фактам, достаточно сослаться на материал главы II.

а) Противоречия в отношении эволюции галактик. Первые затруднения возникают в связи с вопросом об эволюции галактик. С трудом поддавалось объяснению существование спиральных рукавов, и этот вопрос тревожил Джинса настолько, что он однажды высказал предположение, что эти рукава могли быть вызваны проникновением в наше пространство материи из некоторого непознаваемого для нас «внешнего мира» (обладающего, например, дополнительным измерением)!

С другой стороны, тяжелый удар был нанесен теории Джинса более точными оценками возраста спиральных туманностей. Действительно, как мы уже видели (стр. 55), в настоящее время галактикам (и в том числе нашему Млечному Пути) приписывают возраст в сотни и тысячи раз меньший того, который выводил Джинс на основании своих ошибочных статистических подсчетов.

Шведский ученый Линдблад и другие астрономы пытались построить математическую теорию, лучше объясняющую истечение материи в спиральные рукава. Согласно этой теории истечение имеет колебательный характер с очень длинным периодом и происходит как бы последовательными волнами. По мнению этих ученых, именно поэтому образовались довольно правильно расположенные уплотнения, наблюдаемые в спиральных рукавах многих галактик.

Читайте также:  Толстовка с питбулем мужская


Рис. 13. Спиральная туманность М51 в созвездии Гончих Псов

Гипотеза Линдблада имела то преимущество, что допускала более быструю эволюцию галактик.

Но даже после таких видоизменений гипотеза Джинса об эволюции спиральных туманностей была оставлена, как только обнаружили, что сферические галактики не являются газовыми, а состоят из очень большого числа звезд и что они, по-видимому, соответствуют конечной, а не начальной стадии развития. Действительно, если вначале галактики обладают неправильной формой, и если на последнем этапе они приобретают значительную плотность и сферическую форму (в соответствии с принятой сейчас точкой зрения), то соображения Джинса об эволюции спиральных туманностей не имеют под собой никаких оснований.

б) Противоречия в отношении двойных звезд. Гипотезе образования двойных звезд путем деления одной звезды посчастливилось не в большей мере. Все последние данные о внутреннем строении звезд показали, что гипотеза Джинса, т. е. гипотеза «жидких звезд», мало обоснована. Более того, на основании данных о скорости собственного вращения звезд в двойных системах было установлено, что звезда — «прародительница» должна была бы иметь во многих случаях такую скорость вращения, которая никогда не наблюдается в действительности. Напомним, наконец, что В. А. Амбарцумян показал, что все оценки Джинсом возраста двойных систем преувеличены в тысячу раз (стр. 55).

в) Противоречия в отношении планетных систем. В этом пункте идеи Джинса вступили в наиболее резкое противоречие с фактами. Джинс торжественно утверждал в 1929 г. не без некоторого намеренного преувеличения: «Для продолжительности существования в несколько триллионов лет эта вероятность (того, что звезда обладает системой планет. — Я. Л.) не более 1 : 100 000».*

* ( J. Jeans, L’Univers, 1930.)

И вот первые результаты, полученные после 1943 г. при изучении неправильностей в движениях двойных звезд, привели к мысли о том, что, возможно, каждая десятая звезда окружена планетами. Теория извержения струи материи под влиянием притяжения возмущающей звезды совершенно неспособна объяснить такую распространенность планетных систем.

С другой стороны, американский астроном Спитцер теоретически показал, что струя материи, рассматриваемая Джинсом, не могла сгуститься в планеты при тех же условиях, в которых она должна была образоваться. *

* ( Теория Джинса не может также объяснить огромных размеров солнечной системы. На это впервые указал американский астроном Рессел. В самом деле, чтобы вырвать вещество из Солнца, звезда должна была пройти очень близко к нему; но тогда планеты должны обращаться в непосредственной близости от Солнца. Точный расчет, проведенный советским ученым Н. Н. Парийским, подтвердил, что гипотеза Джинса не может объяснить размеров солнечной системы. (Прим. ред.))

Таким образом, от гипотезы Джинса о происхождении небесных тел осталась лишь идея о возможности образования планет из газовых сгущений. Но и эта идея требует пересмотра в свете последних открытий.

Источник

Происхождение Солнечной системы — гипотеза Джинса-Вулфсона

_______________________________________________________________________________________________________________

Происхождение Солнечной системы — г ипотеза Джинса-Вулфсона

Для гипотезы Лапласа эта трудность оказалась непреодолимой. На смену ей стали выдвигаться другие гипотезы. Мы не будем их здесь даже перечислять — сейчас они представляют только исторический интерес. Остановимся лишь на гипотезе Джинса, получившей 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.

Что можно сказать сейчас по поводу этой гипотезы, владевшей умами астрономов в течение трех десятилетий? Прежде всего, она предполагает, что образование планетных систем, подобных нашей Солнечной, есть процесс исключительно маловероятный. В самом деле столкновения звезд, а также их близкие взаимные прохождения в нашей Галактике могут происходить чрезвычайно редко. Поясним это конкретным расчетом.

Известно, что наше Солнце по отношению к ближайшим звездам движется со скоростью около 20 км/с. Даже самая близкая к нам звезда — Проксима Центавра находится от нас на расстоянии 4,2 светового года. Чтобы преодолеть это расстояние, Солнце, двигаясь с указанной скоростью, должно потратить приблизительно 100 тыс. лет. Будем считать (что в данном случае правильно) движение Солнца прямолинейным. Тогда вероятность близкого прохождения (скажем, на расстоянии трех радиусов звезды) будет, очевидно, равна отношению телесного угла, под которым виден с Земли увеличенный в 3 раза диск звезды, к 4пи. Можно убедиться, что данное отношение составляет около 10 -15 . Это означает, что за 5 млрд. лет своей жизни Солнце имело один шанс из десятков миллиардов столкнуться или очень сблизиться с какой-либо звездой. Так как в Галактике насчитывается всего около 150 млрд. звезд, то полное количество таких близких прохождений во всей нашей звездной системе должно быть порядка 10 за последние 5 млрд. лет.

Читайте также:  Варежки для коляски овчина

Отсюда следует, что, если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетных систем, образовавшихся в Галактике за 10 млрд. лет ее эволюции, можно было пересчитать буквально по пальцам. 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 текущего 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. На рис. 1 приведена схема такого «столкновения», основанная на точных расчетах. Положение протозвезды на гиперболической орбите вокруг Солнца приведено для разных моментов времени, которое выражается в секундах. Все явление близкого прохождения протозвезды, схематически изображенное на рис. 1, занимает около 30 лет. Из рисунка видно, как деформируется поверхность протозвезды под влиянием приливных сил. На этом рисунке приведены также различные орбиты захваченных Солнцем отдельных «кусков» протозвездного сгустка. Для каждой такой орбиты указаны кратчайшее расстояние до Солнца и эксцентриситет. Непосредственно видно, что некоторые орбиты так же удалены от Солнца, как орбита Юпитера и даже дальше,— как показывают расчеты,— до 30 астрономических единиц. Таким образом новейшая модификация гипотезы Джинса снимает основную трудность, с которой столкнулся ее первоначальный вариант — объяснение аномально большого вращательного момента планеты. В схеме Вулфсона это достигается предположением о больших размерах «сталкивающегося» с Солнцем объекта и его сравнительно небольшой массе. Из рис. 1 видно, что первоначальные орбиты сгустков были весьма эксцентричны. Так как заведомо не весь захваченный Солнцем газ смог конденсироваться в планеты, вокруг движущихся сгустков должна была образоваться некоторая газовая среда, которая тормозила бы их движение. При этом, как известно, первоначально эксцентричные орбиты постепенно будут становиться круговыми. На это потребуется сравнительно мало времени — порядка нескольких миллионов лет. Каждый такой сгусток будет довольно быстро эволюционировать в протопланету. Вращение протопланет может быть обусловлено действием приливных сил, исходящих от Солнца. В рамках этой модели можно также понять происхождение спутников планет. Последние отделяются от протопланет при сжатии из-за их несимметричной фигуры. Следует заметить, что эта гипотеза сравнительно легко объясняет происхождение больших планет и их спутников. Для объяснения планет земной группы необходимо привлечь новые представления.

Гипотеза Джинса в модификации Вулфсона заслуживает внимания. Она, 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. Похоже на то, что в настоящее время такое доказательство уже имеется.

Источник