1. Возраст Земли и других объектов Солнечной системы можно определить на основе анализа содержания радиоактивных элементов, таких как уран, торий, а также радиоактивных изотопов элементов вроде калия и аргон. Радиоактивные элементы подлежат постоянному распаду, причем этот процесс не подвластен внешним воздействиям. В результате радиоактивного распада образуются изотопы близлежащих элементов периодической таблицы. Эти изотопы также могут быть радиоактивными и подвержены распаду. Процесс завершается, когда атомы радиоактивных элементов превращаются в нерадиоактивные атомы химических элементов и их изотопы. Например, уран-238 (238U) распадается, превращаясь в нерадиоактивный изотоп свинца-206 (206Pb).
Период полураспада представляет собой интервал времени (T), по истечении которого остается половина исходного количества радиоактивных атомов. Этот параметр характеризует скорость распада. В исследованиях возраста земной коры используются изотопы с медленным распадом, такие как уран-238 (T≈4,5•109 лет) и радиоактивный изотоп калия-40 (T≈1,3•109 лет). Для определения возраста коры проводится сравнение содержания радиоактивных элементов и продуктов их распада в многочисленных образцах, взятых для анализа. Эти сравнения позволяют установить возраст земной коры, который составляет около 4,5 миллиардов лет. Этот показатель приблизительно соответствует возрасту Земли как формирующейся планеты. Кроме того, возраст лунных пород и метеоритов также находится в диапазоне от 3,5 до 4,5 миллиардов лет.
Относительно Солнца, вероятно, его возраст (как желтой звезды, расположенной в средней части главной последовательности диаграммы «спектр — светимость») составляет около 5 миллиардов лет. Сравнение возраста Солнечной системы с возрастом Метагалактики (приблизительно 15 миллиардов лет) указывает на то, что Солнце не является звездой первого поколения. Вероятно, в его состав вошел газ, уже пребывавший в недрах более древних звезд. На ранних этапах расширения Метагалактики, как известно, не существовало тяжелых химических элементов, которые позднее стали центрами конденсации твердых частиц, необходимых для формирования планет.
2. Основные закономерности в Солнечной системе. Космогоническая гипотеза о происхождении планет должна дать объяснение следующим основным закономерностям, которые наблюдаются в Солнечной системе:
- Углы наклона плоскостей орбит планет к плоскости эклиптики остаются относительно невеликими, не превышая нескольких градусов (например, у Плутона этот угол составляет 17°). Кроме того, плоскость эклиптики практически совпадает с плоскостью экватора Солнца.
- Эксцентриситеты орбит планет очень малы.
- Средние расстояния планет от Солнца подчиняются определенному закону (см. формулу 25).
- Планеты движутся вокруг Солнца в том же направлении, что и Солнце вращается вокруг своей оси. В этом же направлении обращается большинство спутников.
- У большинства планет (исключая Венеру и Уран) направление вращения вокруг своей оси совпадает с направлением обращения вокруг Солнца.
- По отношению к моменту количества движения всей Солнечной системы, на планеты приходится 98%, в то время как Солнце обладает всего 2% этого момента количества движения.
- Почти 99,9% массы вещества Солнечной системы сосредоточено в Солнце.
- Планеты резко делятся на две основные группы по своим физическим характеристикам: планеты-гиганты и планеты земной группы.
3. Первые космогонические гипотезы возникли задолго до того, как многие основные закономерности Солнечной системы стали известны. Их значимость заключалась, прежде всего, в том, что они предполагали объяснение происхождения небесных тел как результат естественных процессов, а не как одновременного акта божественного творения. Кроме того, некоторые из ранних гипотез содержали правильные идеи о происхождении небесных тел. Например, гипотеза, предложенная немецким философом И. Кантом в середине XVIII века, оказалась довольно точной. Кант высказал предположение, что Солнечная система сформировалась из облака пыли.
Более подробная модель образования Солнечной системы была предложена французским учёным П. Лапласом в конце XVIII века. Лаплас рассматривал большую туманность, медленно вращающуюся и состоящую из разреженного горячего газа. При сжатии этой туманности скорость её вращения возрастала, а сама туманность сплющивалась. Это привело к формированию Солнца из центральной части туманности. Сжатие первоначального Солнца привело к увеличению угловой скорости его вращения вокруг своей оси (в соответствии с законом сохранения момента количества движения), что привело к образованию газовых колец в плоскости экватора Солнца. Из этих колец постепенно сформировались планеты.
Эта модель была настолько убедительной, что долгое время гипотеза Лапласа была доминирующей. Однако в XX веке пришлось отказаться от неё, так как оказалось, что она не способна объяснить, например, распределение момента количества движения в Солнечной системе.
4. Современные представления о происхождении планет далеки от простоты на первый взгляд. Вопрос этот является чрезвычайно сложной и до сих пор не полностью разрешенной проблемой. Решение этой проблемы во многом зависит не только от астрономии, но и от множества других научных дисциплин, особенно от наук о Земле. Ведь пока что мы можем изучать только единственную планетную систему вокруг нашего Солнца. Мы еще мало знаем о других, более молодых и более старых планетных системах, недавно обнаруженных вокруг других звезд.
Для правильного объяснения происхождения планет также необходимо понимать, как формируются Солнце и другие звезды, поскольку планетные системы возникают в результате закономерных процессов развития вещества. Несмотря на все трудности, ученые уверены, что правильные ответы будут найдены. Понимание того, как сформировалась наша планета, крайне важно для дальнейшего развития геофизики, геохимии, геологии и других наук, посвященных изучению Земли.
Ученые разных стран в настоящее время активно занимаются проблемами планетной космогонии. Заметный вклад в развитие современной планетной космогонии внесли отечественные ученые. Например, академик В. Г. Фесенков (1889—1972) в течение полувека занимался этими вопросами, всегда подчеркивая важность тесной связи между процессами формирования Солнца и планет. В начале 40-х годов академик О.Ю. Шмидт (1891—1956) представил космогоническую гипотезу.
Наиболее важные выводы планетной космогонии можно свести к следующему:
- Планеты сформировались путем объединения твердых (холодных) тел и частиц, входивших в состав туманности, окружавшей Солнце (рис. 107). Эту туманность часто называют «допланетным» или «протопланетным» облаком. Предполагается, что Солнце и протопланетное облако сформировались одновременно в рамках единого процесса, однако пока неясно, каким образом произошло отделение части туманности, из которой затем сформировались планеты, от «протосолнца».
- Формирование планет происходило под воздействием различных физических процессов. Механические процессы привели к сжатию (уплощению) вращающейся туманности, ее удалению от «протосолнца», столкновению частиц и их объединению в крупные тела и т.д. Также менялись температура и состояние вещества в туманности. Замедление вращения будущего Солнца могло быть обусловлено магнитным полем, связывающим туманность с «протосолнцем». Воздействие солнечного излучения на вещество протопланетного облака привело к тому, что наиболее легкие и многочисленные частицы оказались вдали от Солнца (в области, где сейчас располагаются планеты-гиганты). Теория, учитывающая все эти процессы, позволяет объяснить многие закономерности в Солнечной системе.
- Спутники планет (включая нашу Луну), вероятно, образовались из роя частиц, окружавших планеты, и, следовательно, из материала протопланетной туманности. Основной пояс астероидов возник там, где притяжение Юпитера препятствовало формированию крупной планеты. Таким образом, основная идея современной планетной космогонии заключается в том, что планеты и их спутники сформировались из холодных твердых тел и частиц.
Земля как планета в основном сформировалась за время, приблизительно равное 100 миллионам лет, и изначально была холодной. Затем произошел последующий нагрев Земли в результате ударов крупных тел (размером с астероиды), гравитационного сжатия, распада радиоактивных элементов и других физических процессов. Постепенно в результате гравитационной дифференциации вещества (то есть разделения вещества на тяжелые и легкие химические элементы) тяжелые элементы (железо, никель и др.) сконцентрировались в центре Земли, что привело к формированию ее ядра. Из более легких химических элементов и соединений образовалась мантия Земли.
Кремний и другие химические элементы стали основой для формирования континентов, а самые легкие соединения образовали океаны и атмосферу Земли. Исходно в земной атмосфере было много водорода, гелия и водородсодержащих соединений, таких как метан и аммиак. С течением времени водород и гелий испарились, а появление растений, способных выделять кислород, привело к постепенному обогащению земной атмосферы кислородом, что стало необходимым условием для существования животного мира.
В настоящее время уже обнаружены газопылевые диски и даже планеты вокруг десятков других звезд, что даст новый импульс для развития планетной космогонии.
