Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №151 с углубленным изучением
отдельных предметов» Кировского района города Казани
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ
на тему «Эволюция Солнца»
Работу выполнила
ученица 10 класса
Индрикова Алина Алексеевна
Г. Казань, 2021
Содержание
Актуальность……………………………………………………………….……..3
Цели и задачи……………………………………………………………………...3
Формирование и эволюция Солнца и Солнечной системы…………………….4
Последующая эволюция.…………………………………………………………5
Планеты земного типа…………………………………………………………….6
Пояс астероидов…………………………………………………………………...7
Поздняя тяжелая бомбардировка………………………………………………...8
Будущее……………………………………………………………………………9
Долговременная устойчивость…………………………………………………...9
Солнце и планеты……………………………………………………………..…10
Галактическое взаимодействие………………………………………………....14
Заключение…………………………………………………………………….....15
Актуальность
С течением времени и развития технологии мы все больше узнаем о происхождении и эволюции нашего светила. Согласно современным представлениям, Солнечная система и сама звезда начали формироваться около 4,6 млрд лет назад из-за коллапса межзвездного молекулярного облака. Но помимо этого варианта были представлены и другие теории: теория Лапса гласит, что Солнце существовало первоначально в виде огромной раскаленной газообразной туманности (небулы) с незначительной плотностью, но зато колоссальных размеров. Эта туманность, согласно Лапласу, первоначально медленно вращалась в пространстве, по теории Шмитда наша планетная система образовалась из вещества, захваченного из газово-пылевой туманности, через которую некогда проходило Солнце, уже тогда имевшее почти "современный" вид, теория Фесенкова утверждает, что возраст Луны и Земли близок возрасту Солнца, полагал в 50-60 годах академик. И вещество, из которого они состоят, возникало из околосолнечной газово-пылевой туманности, а не из межзвездных скоплений.
Мне всегда было интересно как возникла наша вселенная, космос и Солнечная система. Я считаю, что это актуальная проблема для всех ученых во все времена. Изучение солнца способно прогнозировать дальнейшие эволюции и изменения, это в свою очередь может избежать глобальных проблем, влияющих на нашу планету.
Цели и задачи
Цель: узнать и объяснить происхождение и эволюцию Солнца
Задачи:
1) Формирование всей Солнечной системы
2) Отличия Солнца от других звезд
3) Процессы, происходящие на Солнце
Формирование и эволюция Солнца и Солнечной системы
Гипотеза об образовании Солнечной системы из газопылевого облака — небулярная гипотеза — первоначально была предложена в XVIII веке Эммануилом Сведенборгом, Иммануилом Кантом и Пьером-Симоном Лапласом. В дальнейшем её развитие происходило с участием множества научных дисциплин, в том числе астрономии, физики, геологии и планетологии. С началом космической эры в 1950-х годах, а также с открытием в 1990-х годах планет за пределами Солнечной системы (экзопланет), эта модель подверглась многократным проверкам и улучшениям для объяснения новых данных и наблюдений.
Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного газопылевого облака. В общих чертах, этот процесс можно описать следующим образом:
Спусковым механизмом гравитационного коллапса стало небольшое (спонтанное) уплотнение вещества газопылевого облака (возможными причинами чего могли стать как естественная динамика облака, так и прохождение сквозь вещество облака ударной волны от взрыва сверхновой, и др.), которое стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества — центром гравитационного коллапса. Облако уже содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы (металличность), оставшиеся после звёзд предыдущих поколений. Кроме того, коллапсирующее облако обладало некоторым начальным угловым моментом.
В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска.
Как следствие сжатия росла плотность и интенсивность столкновений друг с другом частиц вещества, в результате чего температура вещества непрерывно возрастала по мере сжатия. Наиболее сильно нагревались центральные области диска.
При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться — сформировалась протозвезда. Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. За счёт гидродинамических неустойчивостей, в них стали развиваться отдельные уплотнения, ставшие локальными гравитационными центрами формирования планет из вещества протопланетного диска.
Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов кельвинов, в центральной области началась реакция термоядерного синтеза гелия из водорода. Протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, вращающиеся вокруг центрального светила примерно в одной плоскости и в одном направлении.
Последующая эволюция
Раньше считалось, что все планеты сформировались приблизительно на тех орбитах, где находятся сейчас, однако в конце XX — начале XXI века эта точка зрения радикально изменилась. Сейчас считается, что на заре своего существования Солнечная система выглядела совсем не так, как она выглядит сейчас. По современным представлениям, внешняя Солнечная система была гораздо компактнее по размеру чем сейчас, пояс Койпера был гораздо ближе к Солнцу, а во внутренней Солнечной системе помимо доживших до настоящего времени небесных тел существовали и другие объекты, по размеру не меньшие, чем Меркурий.
Планеты земного типа
В конце эпохи формирования планет внутренняя Солнечная система была населена 50–100 протопланетами с размерами, варьирующимися от лунного до марсианского. Дальнейший рост размеров небесных тел был обусловлен столкновениями и слияниями этих протопланет между собой. Так, например, в результате одного из столкновений Меркурий лишился большей части своей мантии, в то время как в результате другого т. н. гигантского столкновения (возможно, с гипотетической планетой Тейя) был рождён спутник Земли Луна. Эта фаза столкновений продолжалась около 100 миллионов лет до тех пор, пока на орбитах не осталось 4 массивных небесных тела, известных сейчас. Есть гипотеза и о много меньших длительностях периодов формирования планет земной группы.
Одной из нерешённых проблем данной модели является тот факт, что она не может объяснить, как начальные орбиты протопланетных объектов, которые должны были обладать высоким эксцентриситетом, чтобы сталкиваться между собой, смогли в результате породить стабильные и близкие к круговым орбиты оставшихся четырёх планет. По одной из гипотез, эти планеты были сформированы в то время, когда межпланетное пространство ещё содержало значительное количество газо-пылевого материала, который за счёт трения снизил энергию планет и сделал их орбиты более гладкими. Однако этот же самый газ должен был предотвратить возникновение большой вытянутости в первоначальных орбитах протопланет.
Другая гипотеза предполагает, что коррекция орбит внутренних планет произошла не за счёт взаимодействия с газом, а за счёт взаимодействия с оставшимися более мелкими телами системы. По мере прохождения крупных тел сквозь облако мелких объектов последние из-за гравитационного влияния стягивались в регионы с более высокой плотностью и создавали таким образом «гравитационные гребни» на пути прохождения крупных планет. Увеличивающееся гравитационное влияние этих «гребней», согласно этой гипотезе, заставляло планеты замедляться и выходить на более округлую орбиту.
Пояс астероидов
Внешняя граница внутренней Солнечной системы располагается между 2 и 4 а.е. от Солнца и представляет собой пояс астероидов. Выдвигались, но в итоге не были подтверждены гипотезы о существовании планеты между Марсом и Юпитером (например, гипотетической планеты Фаэтон), которая на ранних этапах формирования Солнечной системы разрушилась так, что её осколками стали астероиды, сформировавшие пояс. Согласно современным воззрениям, единой протопланеты — источника астероидов — не было. Изначально астероидный пояс содержал достаточное количество материи, чтобы сформировать 2–3 планеты размером с Землю. Эта область содержала большое количество планетезималей, которые слипались между собой, образуя всё более крупные объекты. В результате этих слияний в поясе астероидов сформировалось около 20–30 протопланет с размерами от лунного до марсианского. Однако начиная с того времени, когда в относительной близости от пояса сформировалась планета Юпитер, эволюция этой области пошла по другому пути. Мощные орбитальные резонансы с Юпитером и Сатурном, а также гравитационные взаимодействия с более массивными протопланетами этой области разрушали уже сформированные планетезимали. Попадая в область действия резонанса при прохождении поблизости планеты-гиганта, планетезимали получали дополнительное ускорение, врезались в соседние небесные тела и дробились вместо того чтобы плавно сливаться.
По мере миграции Юпитера к центру системы возникающие возмущения имели всё более выраженный характер. В результате этих резонансов планетезимали меняли эксцентриситет и наклонение своих орбит и даже выбрасывались за пределы астероидного пояса. Некоторые из массивных протопланет также были выброшены Юпитером за пределы пояса астероидов, в то время как другие протопланеты, вероятно, мигрировали во внутреннюю Солнечную систему, где сыграли финальную роль в увеличении массы нескольких оставшихся планет земного типа. В течение этого периода истощения влияние планет-гигантов и массивных протопланет заставило астероидный пояс «похудеть» до всего лишь 1 % от земной массы, которую составляли в основном маленькие планетезимали. Эта величина, однако, в 10–20 раз больше современного значения массы астероидного пояса, которая теперь составляет 1/2000 массы Земли. Считается, что второй период истощения, который и привёл массу астероидного пояса к текущим значениям, наступил, когда Юпитер и Сатурн вошли в орбитальный резонанс 2:1.
Вполне вероятно, что период гигантских столкновений в истории внутренней Солнечной системы сыграл важную роль в получении Землёй её запасов воды (6⋅1021 кг). Дело в том, что вода — слишком летучее вещество, чтобы возникнуть естественным образом во время формирования Земли. Скорее всего она была занесена на Землю из внешних, более холодных областей Солнечной системы. Возможно, именно протопланеты и планетезимали, выброшенные Юпитером за пределы астероидного пояса, занесли воду на Землю. Другими кандидатами на роль главных доставщиков воды являются также кометы главного пояса астероидов, обнаруженные в 2006 году, в то время как кометы из пояса Койпера и из других отдалённых областей предположительно занесли на Землю не более 6 % воды.
Поздняя тяжёлая бомбардировка
Гравитационное разрушение древнего астероидного пояса, вероятно, положило начало периоду тяжёлой бомбардировки, происходившему около 4 миллиардов лет назад, через 500—600 миллионов лет после формирования Солнечной системы. Этот период длился несколько сотен миллионов лет и его последствия видны до сих пор на поверхности геологически неактивных тел Солнечной системы, таких как Луна или Меркурий, в виде многочисленных кратеров ударного происхождения. А самое древнее свидетельство жизни на Земле датируется 3,8 миллиардами лет назад — почти сразу после окончания периода поздней тяжёлой бомбардировки.
Гигантские столкновения являются нормальной (хоть и редкой в последнее время) частью эволюции Солнечной системы. Доказательствами этого служат столкновение кометы Шумейкера—Леви с Юпитером в 1994, падение на Юпитер небесного тела в 2009 и метеоритный кратер в Аризоне. Это говорит о том, что процесс аккреции в Солнечной системе ещё не закончен, и, следовательно, представляет опасность для жизни на Земле.
Будущее
По оценкам астрономов Солнечная система не будет претерпевать экстремальных изменений до тех пор, пока Солнце не израсходует запасы водородного топлива. Этот рубеж положит начало переходу Солнца с главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Рассела в фазу красного гиганта. Однако и в фазе главной последовательности звезды Солнечная система продолжает эволюционировать.
Долговременная устойчивость
Солнечная система является хаотичной системой, в которой орбиты планет непредсказуемы на очень длинном отрезке времени. Одним из примеров такой непредсказуемости является система Нептун-Плутон, находящаяся в орбитальном резонансе 3:2. Несмотря на то, что сам по себе резонанс будет оставаться стабильным, невозможно предсказать хоть с каким-нибудь приближением положение Плутона на орбите более чем на 10–20 миллионов лет (время Ляпунова). Другим примером может служить наклон оси вращения Земли, который по причине трения внутри земной мантии, вызванного приливными взаимодействиями с Луной, невозможно высчитать начиная с некоторого момента между 1,5 и 4,5 миллиардами лет в будущем.
Орбиты внешних планет хаотичны на больших временных масштабах: их время Ляпунова составляет 2–230 миллионов лет. Это не только означает, что позицию планеты на орбите начиная с этого момента в будущем невозможно определить хоть с каким-нибудь приближением, но и орбиты сами по себе могут экстремально измениться. Наиболее сильно хаос системы может проявиться в изменении эксцентриситета орбиты, при котором орбиты планет становятся более или менее эллиптическими.
Солнечная система является устойчивой в том смысле, что никакая из планет не может столкнуться с другой или быть выброшенной за пределы системы в ближайшие несколько миллиардов лет. Однако за этими временными рамками, например, в течение 5 миллиардов лет, эксцентриситет орбиты Марса может вырасти до значения 0,2, что приведёт к пересечению орбит Марса и Земли, а значит, и к реальной угрозе столкновения. В этот же период времени эксцентриситет орбиты Меркурия может увеличиться ещё больше, и впоследствии близкое прохождение около Венеры может выбросить Меркурий за пределы Солнечной системы, или вывести на курс столкновения с самой Венерой или с Землёй.
Солнце и планеты
В далёком будущем самые большие изменения в Солнечной системе будут связаны с изменением состояния Солнца вследствие его старения. По мере сжигания Солнцем запасов водородного топлива оно будет становиться всё горячее, и, как следствие, будет расходовать запасы водорода всё быстрее. В результате этого светимость Солнца возрастает на 10 % каждые 1,1 миллиардов лет. Спустя 1 миллиард лет из-за увеличения солнечного излучения околозвёздная обитаемая зона Солнечной системы будет смещена за пределы современной земной орбиты. Поверхность Земли постепенно разогреется так сильно, что на ней станет невозможным присутствие воды в жидком состоянии. Испарение океанов создаст парниковый эффект, который приведёт к ещё более интенсивному разогреву Земли. На этом этапе существования Земли существование жизни на земной поверхности станет невозможным. Однако представляется вероятным, что в этот период начнёт постепенно повышаться температура поверхности Марса. Вода и углекислый газ, замороженные в недрах планеты, начнут высвобождаться в атмосферу, и это приведёт к созданию парникового эффекта, ещё более увеличивающему скорость разогрева поверхности. В результате атмосфера Марса достигнет условий схожих с земными, и таким образом Марс вполне может стать потенциальным убежищем для жизни в будущем.
По прошествии примерно 3,5 миллиардов лет от настоящего времени условия на поверхности Земли будут похожи на современные условия планеты Венеры: океаны в значительной степени испарятся, вся жизнь постепенно вымрет.
Приблизительно через 7,7 миллиардов лет от настоящего времени ядро Солнца станет настолько горячим, что запустит процесс горения водорода в окружающей его оболочке. Это повлечёт за собой сильное расширение внешних слоёв звезды, и таким образом Солнце войдёт в новую фазу своей эволюции, превратившись в красный гигант. В этой фазе радиус Солнца составит 1,2 а.е., что в 256 раз больше его современного радиуса. Многократное увеличение площади поверхности звезды приведёт к снижению температуры поверхности (около 2600 К) и к увеличению светимости (в 2700 раз больше современного значения). Поверхностные массы газов будут довольно быстро рассеиваться из-за влияния солнечного ветра, в результате чего будет унесено в окружающее пространство около 33 % его массы. Вполне вероятно, что в течение данного периода спутник Сатурна Титан достигнет условий, приемлемых для поддержания жизни.
По мере своего расширения Солнце полностью поглотит планеты Меркурий и, вероятно, Венеру. Судьба Земли в настоящее время недостаточно изучена. Несмотря на то, что радиус Солнца будет включать современную земную орбиту, потеря звездой массы и, как следствие, уменьшение силы притяжения приведут к перемещению планетных орбит на более дальние расстояния. Возможно, что это позволит Земле и Венере перейти на более высокую орбиту, избежав поглощения материнской звездой, однако исследования 2008 года показывают, что Земля скорее всего всё-таки будет поглощена Солнцем вследствие приливных взаимодействий с его внешней оболочкой.
Постепенное сгорание водорода в областях вокруг солнечного ядра будет приводить к увеличению его массы до тех пор, пока не достигнет значения 45 % от массы звезды. В этот момент его плотность и температура станут такими высокими, что произойдёт гелиевая вспышка и начнётся процесс термоядерного синтеза гелия в углерод. Во время этой фазы Солнце уменьшится в размере от предыдущих 250 до 11 радиусов. Его светимость упадёт с 3000- до 54-кратного уровня современного Солнца, а температура поверхности увеличится до 4770 К. Фаза синтеза гелия в углерод будет иметь стабильный характер, но продлится всего около 100 миллионов лет. Постепенно, как и в фазе горения водорода, в реакцию будут захватываться запасы гелия из областей, окружающих ядро, что приведёт к повторному расширению звезды, и она снова станет красным гигантом. Данная фаза переведёт Солнце в асимптотическую ветвь гигантов диаграммы Герцшпрунга-Рассела. В этой стадии светимость Солнца увеличится в 2090 раз по сравнению с современной, а температура поверхности упадёт до 3500 К[45]. Эта фаза существования Солнца продлится около 30 миллионов лет. В дальнейшем начнёт усиливаться солнечный ветер (рассеяние частиц звёздной оболочки) и оставшиеся внешние слои Солнца будут сброшены в открытый космос в виде мощных струй звёздного вещества. Отбрасываемая материя образует гало, именуемое планетарной туманностью, которое будет состоять из продуктов горения последних фаз — гелия и углерода. Эта материя будет участвовать в обогащении межзвёздного пространства тяжёлыми элементами, необходимыми для образования космических тел следующих поколений.
Процесс сброса Солнцем внешних слоев является относительно спокойным явлением по сравнению, например, со взрывом сверхновой. Он представляет собой значительное увеличение силы солнечного ветра, недостаточное для разрушения им близлежащих планет. Однако значительная потеря звездой своей массы заставит планеты сместиться со своих орбит, повергнув Солнечную систему в хаос. Некоторые из планет могут столкнуться между собой, некоторые могут покинуть Солнечную систему, некоторые — остаться на отдалённом расстоянии. Примерно через 75 000 лет от красного гиганта останется лишь его маленькое центральное ядро — белый карлик, небольшой, но очень плотный космический объект. Остаток массы составит примерно 50 % от той, что Солнце имеет сегодня, а его плотность достигнет двух миллионов тонн на каждый кубический сантиметр. Размеры этой звезды будут сравнимы с размерами Земли. Изначально этот белый карлик может иметь светимость в 100 раз превышающую современную светимость Солнца. Он будет полностью состоять из вырожденного углерода и кислорода, но никогда не сможет достичь температур, достаточных для начала синтеза этих элементов. Таким образом, белый карлик Солнце будет постепенно остывать, становясь всё тусклее и холоднее.
По мере умирания Солнца его гравитационное влияние на обращающиеся вокруг тела (планеты, кометы, астероиды) будет ослабевать из-за потери звездой массы. В этот период будет достигнута заключительная конфигурация объектов Солнечной системы. Орбиты всех сохранившихся планет переместятся на более дальние расстояния: Меркурий прекратит своё существование, если Венера, Земля и Марс будут всё ещё существовать, их орбиты будут лежать приблизительно в 1,4 а.е (210 000 000 км), 1,9 а.е. (280 000 000 км), и 2,8 а.е. (420 000 000 км). Эти и все оставшиеся планеты будут представлять собой холодные, тёмные миры, лишённые каких-либо форм жизни. Они продолжат обращаться по орбитам вокруг их мёртвой звезды, а их скорость значительно ослабеет по причине увеличения расстояния от Солнца и уменьшения гравитационного притяжения. 2 миллиарда лет спустя, когда Солнце охладится до 6000-8000 К, углерод и кислород в ядре Солнца затвердеют, 90 % массы ядра примет кристаллическую структуру. В конечном итоге, после ещё многих миллиардов лет как белый карлик, Солнце полностью прекратит излучать в окружающее пространство видимый свет, радиоволны и инфракрасное излучение, превратившись в чёрный карлик. Вся история Солнца от его рождения до смерти займёт примерно 12,4 млрд лет.
Галактическое взаимодействие
Солнечная Система движется сквозь галактику Млечный Путь по круговой орбите на расстоянии примерно 30 000 световых лет от галактического центра со скоростью 220 км/с. Период обращения вокруг центра галактики, так называемый галактический год, составляет для Солнечной Системы примерно 220—250 миллионов лет. С начала своего формирования Солнечная система совершила как минимум 20 оборотов вокруг центра галактики.
Многие учёные считают, что прохождение Солнечной системы сквозь галактику влияет на периодичность массовых вымираний животного мира в прошлом. Согласно одной из гипотез, вертикальные осцилляции Солнца на его орбите вокруг галактического центра, приводящие к регулярному пересечению Солнцем галактической плоскости, изменяют мощность воздействия приливных сил галактики на Солнечную систему. Когда Солнце находится вне галактического диска, влияние галактических приливных сил меньше; когда оно возвращается в галактический диск — а это происходит каждые 20–25 миллионов лет — то попадает под влияние гораздо более мощных приливных сил. Это, согласно математическим моделям, увеличивает на 4 порядка частоту комет, прибывающих из Облака Оорта в Солнечную систему, а значит, сильно увеличивает и вероятность глобальных катастроф в результате падения комет на Землю.
Однако многие оспаривают эту гипотезу, приводя аргумент, что Солнце уже находится вблизи галактической плоскости, однако последнее массовое вымирание было 15 миллионов лет назад. Следовательно, вертикальное расположение Солнечной системы относительно галактической плоскости само по себе не может объяснить периодичность массовых вымираний на Земле, однако выдвигается предположение, что эти вымирания могут быть связаны с прохождением Солнца сквозь спиральные рукава галактики. Спиральные рукава содержат не только большие скопления молекулярных облаков, гравитация которых может деформировать облако Оорта, но и большое количество ярких голубых гигантов, которые живут относительно недолгое время, и умирают, взрываясь сверхновыми, опасными для всего живого поблизости.
Заключение
Солнце дало нам жизнь, оно же ее у нас и заберёт. Хоть Земля и вся солнечная система погибнет, всё что есть на Земле будет в каком-то смысле жить. Звездная пыль, давшая жизнь земле и ее обитателям, снова станет звездной пылью, чтобы дать новую жизнь новому поколению звезд и планет. |
Скачать 34.33 Kb.