Состав и происхождение Солнечной системы

1. Урок 19

Состав и происхождение Солнечной системы
Планеты
Карликовые планеты
Солнечная система, решение МАС 24.08.2006г

2. Солнечной системой

называется совокупность небесных тел, движущихся вокруг Солнца,
которое является динамическим центром этой системы.
Состав Солнечной системы
Солнечная система состоит:
• из одной звезды - Солнца
•планетной системы, включающей в себя все естественные
космические объекты, обращающиеся вокруг Солнца:
•планеты и их спутники,
•карликовые планеты и их спутники,
•а также малые тела: астероиды, кометы, метеороиды,
• космическую пыль, газ, намагниченную плазму.

3.

4. Солнце

Солнце - динамический центр этой системы. Центр Солнца описывает
сложную кривую вокруг центра масс Солнечной системы.
В 1990 г. — центр масс почти совпадает с центром Солнца.
1980–1986 г. — центр масс находится за пределами Солнечного диска.

5. 8 больших планет со своими спутниками и кольцами

определение «большая планета» (уточнено в августе 2006 года)
Большая планета – это небесное тело, которое:
• обращается вокруг Солнца,
• достаточно велика и массивна, чтобы принять шарообразную
форму
• очищает окрестности своей орбиты (т. е. рядом с планетой нет
других сравнимых с ней тел)
• С 2006 года в Солнечной системе всего 8 больших планет:
Меркурий, Венера, Земля, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун

6. Большие планеты

Планеты земной группы
(внутренние планеты)
Меркурий
Венера
Земля
Марс
Газовые гиганты
(внешние планеты)
Юпитер
Сатурн
Уран
Нептун

7.

Имеют почти круговые орбиты, которые располагаются
вблизи эклиптики (плоскости орбиты Земли)

8. Карликовые планеты

В августе 2006 года был введен новый астрономический термин –
«карликовые планеты».
К карликовым планетам отнесли Плутон, Седну, Эриду (Эрис,
Ксена) и Цереру
Карликовая планета – небесное тело, которое:
• обращается вокруг Солнца,
• достаточно велика и массивна, чтобы принять шарообразную
форму
• не очищает окрестности своей орбиты
• не является спутником (планеты)
По данному определению к карликовым планетам отнесли и
астероид Цереру

9. Сравнительные размеры карликовых планет, Земли и Луны

10. Астероиды (уст. Малые планеты)

Ныне принято считать астероидами все тела, размеры которых не
менее 1 км
• Общее число астероидов около 50–100 тысяч
• Считается, что число астероидов размером более 200 км
порядка тридцати
• Астероидов размером от 80 км до 200 км – порядка тысячи
• Астероиды, подчиняясь влиянию Солнца и планет, движутся по
самым разнообразным траекториям
• Главным «дирижером» их движения служит гигантский Юпитер
• Большинство астероидов удалены от Солнца, в среднем, на
2,2–3,6 а.е., то есть находятся между орбитами Марса и
Юпитера
• Среди астероидов есть группы, которые движутся по орбите
Юпитера вокруг Солнца, как его свита:
• Группа Греки опережает Юпитер на 60°
• Группа Троянцы отстает от Юпитера на 60°. К 2004 году стали
известны орбиты около 1640 троянцев

11. Пояс астероидов занимает орбиту между Марсом и Юпитером, между 2,3 и 3,3 а.е. от Солнца.

12. Формы и размеры астероидов Слева вверху – спутники Марса

13. Орбиты некоторых астероидов

14. Спутники больших планет

Спутники
могут быть у больших и карликовых планет
и астероидов
Спутники больших планет
Меркурий
Венера
Земля
Марс
Юпитер
Сатурн
Уран
Нептун
нет
нет
1 (Луна)
2 (Фобос и Деймос)
63
62
27
13

15.

16.

Хаумеа
2 спутника: Хииака и Намака
Ида и Дактиль

17. Кометы

• Малые тела Солнечной системы, обычно размером всего в
несколько километров, состоящие главным образом из
летучих веществ (льдов).
• Орбиты имеют большой эксцентриситет, как правило, с
перигелием в пределах орбит внутренних планет и афелием
далеко за Нептуном

18.

Орбита типичной кометы

19.

Согласно гипотезе известного американского исследователя
Фреда Уипла:
Кометное ядро представляет собой ледяную глыбу, состоящую из
смеси замерзшей воды и замороженных газов с вкраплениями
тугоплавких каменистых и металлических частиц, метеорного
вещества.
При сближении с Солнцем комета принимает эффектный вид,
нагреваясь под действием солнечного тепла так, что газ и пыль
улетают с поверхности, образуя яркий хвост.
Кометы открывают ежегодно.
В среднем их открывается около 20 в год.
Доступно наблюдениям порядка 50 комет.
За всю историю человечества наблюдалось около двух тысяч
появлений комет.

20. Ядро кометы Чурюмова - Герасименко

21.

22.

Облако Оорта, пояс Койпера
В 1950 году голландский космогонист Ян Оорт,
проанализировав распределение орбит известных тогда
комет, обнаружил, что большие полуоси их первичных орбит
группируются к области, удаленной на расстояния более
200 000 а. е.
Оорт предположил, что Солнечная система окружена
гигантским облаком кометных тел (по его оценке
насчитывающим до 1011 тел), находящихся на расстояниях от
20 000 до 200 000 а. е.
В 1951 году Койпер высказал гипотезу о существовании
наряду с облаком Оорта еще одного резервуара комет.
Первый объект пояса Койпера, расположенный на
расстоянии 41 а е., был открыт в 1992 году. В настоящее
время открыто более 400 подобных объектов, размеры
которых превышают 200 км, находящихся далеко за орбитой
Нептуна и Плутона.
По современным оценкам, в поясе Койпера до 35 000
объектов размерами свыше 100 км, а общая численность тел,
по расчетам специалистов, оценивается в несколько
миллиардов. Следовательно, пояс Койпера имеет полную
массу, в сотни раз большую, чем пояс астероидов между
орбитами Марса и Юпитера.

23.

24. Метеорное вещество, межпланетная пыль

В межпланетном пространстве движется множество
твердых камней и частиц самых различные размеров —
метеорное вещество
Столкновения мелких астероидов, разрушение комет
вносит вклад в образование межпланетной пыли внутри
Солнечной системы
Концентрация межпланетного вещества на некотором
расстоянии от Земли (то есть исключая околоземную
составляющую) около 10–22 г/см3, что в 100–1000 раз выше
плотности газопылевых межзвездных облаков
Общее количество пылевого вещества внутри орбиты
Земли оценивается в 1018 кг, то есть примерно равно
массе одного астероида.

25. Возраст Солнечной системы

• Согласно одной из последних оценок, возраст Солнца
составляет 4,49 миллиарда лет. Самые древние горные породы
Земли, которые, однако, являются вторичными образованиями,
существуют около 3,9 миллиарда лет
• Радиометрический возраст наиболее древнего вещества
Солнечной системы, из которого состоят падающие на Землю
метеориты, достигает в среднем 4,6 млрд. лет. Примерно тот же
возраст имеют и наиболее древние породы Луны, доставленные
на Землю космическими аппаратами и экспедициями

26. Возраст тел в Солнечной системе

Определение возраста основано на использовании радиоизотопного метода исследования содержания радиоактивных элементов (изотопов) в породах. Метод
предложен в 1902г Пьером Кюри и разработан совместно с Эрнестом Резерфорд.
Радиоактивный распад зависит от внешних
факторов (Т, р, химических взаимодействий).
Количество распавшихся атомов определяется
формулой N=No.2-t/T, Т - период полураспада.
Так U235 имеет период полураспада 710
млн.лет, а 238U - 4,5 млрд.лет.
Возраст оценивают по соотношению
206Pb/238U, так как свинец конечный продукт
распада.
Возраст Солнца 4,9 млрд. лет - относится к звездам второго поколения.
Солнечная система имеет возраст более 4,6 млрд. лет.
Возраст Луны составляет 4 млрд 527 млн лет (±20-30 млн лет).
Возраст Земли (коры) составляет 3 млрд 960 млн. лет.
Жизнь на планете Земля появилась 3 млрд 416 млн лет назад.

27.

• В течение периода, равного 4/5 предположительного времени
существования Солнечной системы, на Земле существуют
одноклеточные живые организмы
История многоклеточных занимает примерно 1/7 часть истории
Земли
• Существование человека – Homo sapiens – укладывается в
1/10000 часть времени, прошедшего с момента образования
планет
Всего лишь около 1/1000000 этого времени занимает вся
история астрономических наблюдений и осмысливания их
результатов

28. Размеры Солнечной системы

Вопрос о том, где именно заканчивается Солнечная система и
начинается межзвёздное пространство, неоднозначен, поскольку
связан с областями влияния двух различных явлений: солнечного
ветра и солнечного тяготения
Сначала солнечный ветер тормозится, становится более плотным,
тёплым и турбулентным. Момент этого перехода называется границей
ударной волны (termination shock) и находится на расстоянии около 95
а.е. от Солнца.
Ещё приблизительно через 40 а.е. солнечный ветер сталкивается с
межзвёздным веществом и окончательно останавливается
Эта граница, отделяющая межзвёздную среду от вещества Солнечной
системы, называется гелиопаузой. По форме она похожа на пузырь,
вытянутый в противоположную движению Солнца сторону. Область
пространства, ограниченная гелиопаузой, называется гелиосферой
(примерно 85 а.е.)
Даже далеко за пределами гелиопаузы Солнце оказывается в
состоянии удерживать своим тяготением другие объекты вплоть до
облака Оорта - большого скопления комет, окружающего Солнечную
систему и простирающегося на расстояния от 50 000 до 100 000 а.е.,
т.е. почти на световой год

29. Основные особенности Солнечной системы (космогонические характеристики)

Орбиты всех больших планет лежат практически в плоскости
экватора Солнца. Наклон экватора Солнца к эклиптике
составляет 7º 15´. Наибольший наклон у Плутона (17º1´)
Большие планеты движутся вокруг Солнца по орбитам,
близким к круговым. Орбиты планет имеют малые
эксцентриситеты, за исключением Меркурия (0.21)
Направление обращения вокруг Солнца одинаково для всех
планет и совпадает с направлением вращения Солнца. В том
же направлении происходит вращение всех планет, кроме
Венеры и Урана, причём Уран вращается, практически «лёжа
на боку»

30.

Расстояния от одной планеты до другой возрастают закономерно
В 1766 году Иоганном Тициусом, а в 1772 году независимо от него
Иоганном Боде, была подмечена закономерность в ряде чисел,
выражающих средние расстояния планет от Солнца, так
называемое правило Тициуса – Боде:
a = 0,1∙(3∙2n – 2 + 4) а.е.,
где n = 1 для Меркурия, 2 для Венеры, 3 для Земли и так далее. В
полученном ряду цифр место для пятой планеты отсутствовало
В 1781 году был открыт Уран. Формула для него предсказывала
19,6 а. е. Действительное значение среднего расстояния составило
19,19 а.е. Таким образом, правило давало практически правильные
результаты для больших полуосей орбит больших планет

31.

a = 0,1∙(3∙2 n – 2 + 4) а.е.

32.

Масса всех планет системы в 750 раз меньше массы
Солнца.
99.8 % массы С.с. приходится на Солнце и лишь 0.2 % —
на планеты,
тогда как планеты обладают 98 % момента количества
движения всей Солнечной системы

33.

Планеты делятся на две группы, резко отличающиеся
между собой средней плотностью:
Планеты земной группы (расположены внутри пояса
астероидов): меньше гигантов по массе и размерам;
большая средняя плотность вещества и более медленное
вращение
Планеты – гиганты (вне пояса астероидов): в десятки и
сотни раз массивнее планет земной группы, окружены
плотными протяженными водородно-гелиевыми
атмосферами, доля тяжелых элементов значительно
меньше, чем у планет типа Земли

34. Теории происхождения Солнечной системы

Все гипотезы можно разделить на две группы:
эволюционные и катастрофические

35.

Эволюционные
Солнце и планеты образовались из одного вещества
Катастрофические
Солнце и планеты образовались неодновременно вследствие
различных «катастроф»
планетное вещество было
«захвачено» Солнцем
Кант: С.с. образовалась в процессе эволюционного
развития холодной пылевой туманности, сперва
возникло центральное массивное тело — будущее
Солнце, а потом уже планеты.
Лаплас: С.с. образовалась в процессе эволюционного
развития газовой и очень горячей туманности,
находящейся в состоянии быстрого вращения. По
этой гипотезе, планеты образовались раньше
Солнца.
Вайцзеркер: теория турбулентности была приложена к
проблеме возникновения Солнечной системы.
Фесенков: ввел в космогонию идею необходимости
учета астрофизических процессов.
Хойл: идея о возможности переноса момента количества
движения от Солнца к планетам электромагнитным
путем.
Койпер: теория приливной устойчивости.
Мак-Кри: проанализировал возможную эволюцию
гравитационной
конденсации
околозвездной
туманности размером до двух световых лет при
неоднородной плотности на основе своей идеи о
случайных перемещениях ее элементов — сгустков.
Камерон, Шацман,
Амбарцумян: Солнце образуется из некоторого
сверхплотного вещества.
Вулфсон: газовая струя, из
которой
образовались
планеты, была выброшена
из проходившего мимо
Солнца
космического
объекта (протозвезды).
Мультон
и
Чемберлин:
происхождение Солнечной
системы
объясняется
сильным
приливным
воздействием
одной
звезды на другую при
близком
прохождении
друг от друга
Шмидт: что Солнце, вращаясь
вокруг центра Галактики,
захватило облако пыли.
планеты образовались из
вещества, выброшенного
из Солнца
Джинс: исходная материя была
выброшена из Солнца при
случайном прохождении
вблизи него некоторой
звезды.
Бюффон: Солнце пришло во
вращение вследствие
бокового столкновения с
кометой, так как
предполагает, что эти два
тела твердыми. При ударе
от Солнца, по его
предположению,
отрывается часть его
вещества.

36. Гипотеза Джинса

37. Образование Солнечной системы (гипотеза О.Ю. Шмидта)

38.

39. В настоящее время общепризнанной является теория формирования планетной системы в четыре этапа.

• Планетная система формируется из того же протозвездного
пылевого вещества, что и звезда, и в те же сроки
• Первоначальное сжатие протозвездного пылевого облака
происходит при потере им устойчивости. Центральная часть
сжимается самостоятельно и превращается в протозвезду
• Другая часть облака с массой, примерно в десять раз меньше
центральной части, продолжает медленно вращаться вокруг
центрального утолщения, а на периферии каждый фрагмент
сжимается самостоятельно. При этом стихает первоначальная
турбулентность, хаотичное движение частиц
• Газ конденсируется в твердое вещество, минуя жидкую фазу.
Образуются более крупные твердые пылевые крупинки –
частицы. Чем крупнее образовавшиеся крупинки, тем быстрее
они падают на центральную часть пылевого облака.

40.

• Часть вещества, обладающая избыточным моментом вращения,
образует тонкий газопылевой слой – газопылевой диск. Вокруг
протозвезды формируется протопланетное облако – пылевой
субдиск. Протопланетное облако становится все более
плоским, сильно уплотняется.
• Из-за гравитационной неустойчивости в пылевом субдиске
образуются отдельные мелкие холодные сгустки, которые,
сталкиваясь друг с другом, образуют все более массивные тела
– планетезимали. В процессе формирования планетной
системы часть планетезималей разрушилась в результате
столкновений, а часть объединилась. Образуется рой
допланетных тел размером около 1 км, количество таких тел
очень велико – миллиарды.
• Затем допланетные тела объединяются в планеты.
Аккумуляция планет продолжается миллионы лет, что очень
незначительно по сравнению со временем жизни звезды.

41.

• Протосолнце становится горячим. Его излучение нагревает
внутреннюю область протопланетного облака до 400 К,
образовав зону испарения
• Под действием солнечного ветра и давления света легкие
химические элементы (водород и гелий) оттесняются из
окрестностей молодой звезды
• В далекой области, на расстоянии свыше 5 а. е., образуется
зона намерзания с температурой примерно 50 К
• Это приводит к различиям в химическом составе будущих
планет.
• Как только масса протопланеты достигает 1–2 масс Земли, она
способна захватывать атмосферу
• Протоюпитер буквально за сотню лет увеличил свою массу за
счет захвата газов в десятки раз
• Затем скорость аккреции падает, т.к. весь газ непосредственно
на пути планеты уже вобран, а снаружи он поступает
достаточно медленно (за счет диффузии).

42.

• В нашей Солнечной системе на периферии образовались
планеты-гиганты, способные удержать возле себя газовые
оболочки
• Сначала сформировались ядра планет-гигантов, а затем
планеты «нарастили» себе оболочку из водорода и гелия.
• Чем больше масса планеты, тем быстрее идет аккреция
газа на нее.
• По современным расчетам, рост Юпитера продолжался
десятки миллионов лет, а рост Сатурна – сотни миллионов.
• У планет-гигантов возникли собственные минидиски из газа
и пыли, из которых затем сформировались кольца и
многочисленные спутники.

43.

• При формировании Юпитера именно в районе его орбиты
проходила граница конденсации водяных паров
• По современным расчетам, на более близких расстояниях, в
поясе астероидов, летучие вещества находились в
газообразном состоянии
• Это привело к тому, что рост допланетных тел в районе
будущего Юпитера ускорился, а в районе пояса астероидов
замедлился
• Именно поэтому массивный Юпитер обогнал по скорости роста
протопланету, более близкую к Солнцу
• Но после своего «рождения» Юпитер стал тормозить
образование этой планеты в поясе астероидов
• Разогнанные тяготением планет-гигантов сгустки вещества
выбрасывались на окраину Солнечной системы, где
становились кометами

44.

• Уран и Нептун росли еще медленнее. К тому времени газа в
Солнечной системе из-за действия солнечного ветра
осталось еще меньше, поэтому Уран и Нептун содержат
меньше водорода в процентном содержании, чем Юпитер.
Основными составляющими этих планет-гигантов
являются вода, метан и аммиак.

45.

• В центре Солнечной системы сформировались менее
массивные планеты.
• Здесь солнечный ветер выдул мелкие частицы и газ. А вот
более тяжелые частицы, наоборот, стремились к центру.
• Рост Земли продолжался сотни миллионов лет. Ее недра
прогрелись до 1000–2000 К благодаря гравитационному сжатию
и участвовавшим в аккумуляции крупным телам (до сотен
километров в поперечнике).
• Падение таких тел сопровождалось образованием кратеров с
очагами повышенной температуры под ними.
• Другой и основной источник тепла Земли – распад
радиоактивных элементов, в основном, урана, тория и калия.
• В настоящее время температура в центре Земли достигает
5000 К, что гораздо выше, чем в конце аккумуляции.
• Солнечные приливы затормозили вращение близких к Солнцу
планет – Меркурия и Венеры.

46. Изображение протопланетных дисков возле четырех звезд в туманности Ориона

47. Экзопланеты

На 30 января 2015 года достоверно подтверждено существование
1888 экзопланет в 1187 планетных системах, из которых в 477 имеется
более одной планеты.
Первая экзопланета открыта в 1995 году у звезды 51 Pegasi, находящейся в 14,7 пк от нас
астрономами Женевской обсерватории Мишель МАЙОР и Дидье КВЕЛОЦ.
Первая планетарная система, напоминающая нашу открыта 13 июня 2002г астрономами
Джеффри Марси и Пол Батлер у звезда 55 Cancri, удаленной на 41 св.год. Удалена от
звезды на 5,5 а.е., период обращения 13 лет, масса от 3,5 до 5 масс Юпитера.
С помощью орбитального телескопа
Hubble Джон Дебес (John Debes) в начале
мая 2004г впервые сфотографировал
планету в другой системе на расстоянии
примерно 100 световых лет от Земли,
подтвердив открытие, полученное в начале
2004 года на телескопе VLT (Чили) у звезды
2M 1207 (красный карлик) массой в 5 масс
Юпитера, а радиус орбиты в 55 а.е.

48. Астероидные диски у других планет

С помощью космического телескопа Hubble у
двух относительно недалеких звезд обнаружены
пояса астероидов, похожие на пояс Койпера,
имеющийся в нашей солнечной системе. Эти
астероидные диски нашли при исследовании 22
близких звезд, похожих по характеристикам на
наше Солнце. Для обнаружения диска блокировали
свет центральной звезды.
Обе звезды (HD 53143 и HD 139664), имеющие
многочисленные астероиды, находятся на
расстоянии около 60 световых лет от нас. На
снимках видно, что астероидный диск у звезды HD
53143 повернут к нам практически анфас, а у
звезды HD 139664 - почти ребром.
Это не очень молодые звезды, им уже более 300
млн лет. Поэтому системы планет (если таковые у
них есть) и астероидов, вращающихся вокруг них,
уже должны в известной степени
стабилизироваться, как в нашей Солнечной
системе.