умкд по астрономии. УМКД ОУД.08 Астрономия 2.26.02.03 (набор 2017). Учебнометодический комплекс дисциплины Физика Индекс (Файл) mcd 3 26. 02. 03 Оуд. 082017 г
 Скачать 4.37 Mb.
|
Тема 4.1. Планетные тела и планетные системы Планетные тела - это тип космических объектов: пространственно-обособленные, гравитационно-связанные, непрозрачные для излучения массы вещества в интервале от 10-17 до 1027 кг. Вслед за определением понятия (здесь и в дальнейшем) нужно объяснять ученикам его структуру и содержание, смысл использованных терминов: так, вышеприведенное определение понятия дано "через ближайший род" (планетные тела - это тип космических объектов…) и "видовое отличие" - перечисление характеристик, отличающих данное понятие от всех остальных (планетные тела - это… пространственно-обособленные, гравитационно-связанные, непрозрачные для излучения массы вещества в интервале от 10-17 до 1027 кг). Термин "пространственно-обособленные" означает существование неких четких границ, определяющих размеры и форму объектов; термин "гравитационно-связанные" означает ведущую роль сил тяготения в существовании и определении формы, размеров и иных характеристик объектов; термин "непрозрачные для излучения" означает, что электромагнитное излучение не может пронизывать их насквозь. Заданный интервал масс является главным определяющим признаком данного типа объектов. Нижний предел масс планетных тел - около 10-17 кг - определяется по данным астрономических исследований как масса мельчайших пылинок, входящих в состав газопылевых туманностей. Верхний предел массы планетных тел определяется максимально возможными значениями температуры и давления в центре объекта, выше которых в нем начинают протекать термоядерные реакции и он превращается в космическое тело другого типа (коричневый карлик и, далее, с возрастанием массы – в звезду). В зависимости от основных физических характеристик (массы, размеров, плотности, формы и т. д.) и особенностей внутреннего строения и химического состава планетные тела подразделяются на следующие классы: Метеороиды - планетные тела с массой от 10-17 до 1022 кг, имеющие произвольную форму и однородное строение. В отдельные группы метеороидов выделяют: 1. Метеорные частицы размерами свыше 10-7 м, входившие в состав протозвездной туманности, образовавшиеся при слипании мельчайших пылинок во время формирования протопланетного диска, при дроблении и распаде астероидов и комет, в результате выбросов частиц коренных пород крупных планетных тел при их столкновениях с астероидами и кометами и извержениях вулканов. 2. Кометы массами 1011-1017 кг, размерами 5× 102-5× 104 м и средней плотностью 0,8-1,5 г/см3, сформировавшиеся во внешних областях холодной зоны протопланетного облака и состоящие в основном из льда и замерзших газов (СО, СО2 и др.) с примесью нелетучих веществ. 3. Астероиды (малые планеты) массами до 7× 1022 кг, размерами менее 2,5× 105 м и средней плотностью 3-5,5 г/см3,образовавшиеся при дроблении и распаде планетезималей на границе горячей и холодной зон протопланетного облака и состоящие из силикатных пород и соединений металлов. 4. Кентавры массами до 1017- 1022 кг, размерами до 106 м и средней плотностью 1,5-3 г/см3, состоящие из смеси льда, замерзших газов (СО, СО2 и др.) и силикатных пород и представляющие собой группу метеороидов, промежуточную по своим характеристикам между астероидами и кометами. В Солнечной системы кентаврами является значительная часть транснептуновых объектов пояса Койпера, Хирон, Нессус и некоторые другие космические тела, ранее считавшиеся астероидами. Форма и внутреннее строение более крупных объектов зависят от их массы: обусловленные ею сила тяжести, температура и давление в недрах тел превышают "предел текучести" горных пород и подобно тому, как капля жидкости в невесомости становится круглой, планетные тела с массой свыше 1022 кг приобретают сферическую форму. Планетные тела с массой 1022-1023 кг, обладающие сферической формой, но сравнительно однородным или слабодифференцированным внутренним строением, называются планетоидами. В число планетоидов Солнечной системы входят 4 самые крупные астероида - Церера, Паллада, Юнона и Веста, большинство крупных спутников планет и Плутон, а также крупнейшие объекты, входящие в "пояс Койпера". Выделяют луноподобные планетоиды со средней плотностью 3-3,5 г/см3, состоящие в основном из силикатных пород, и силикатно-ледяные планетоиды со средней плотностью 1-3 г/см3, состоящие на 20-90 % из водяного льда, окружающего ядро из силикатных пород. Планетоиды занимают промежуточное положение между классами метеороидов и планет. Планеты - класс планетных тел с массами 1023-1027 кг, обладающих сферической формой и ярко выраженным дифференцированным внутренним строением. Планеты обладают собственной энергетикой, основанной на энергии гравитационного сжатия, распада радиоактивных элементов и других процессах. Энергия собственного излучения планет сравнима или даже превосходит по величине энергию, сообщаемую планете центральным светилом - звездой. Планеты земной группы с массами 1023-1025 кг и средней плотностью вещества 4-5,5 г/см3 образуются в горячей зоне протопланетного облака и состоят в основном из тяжелых химических элементов - соединений металлов, силикатов и т. д. Планетами земной группы Солнечной системы являются Меркурий, Венера, Земля и Марс. Планеты-гиганты массами 5× 1025-2,5× 1027 кг и средней плотностью 0,7-1,7 г/см3 образуются, вероятно, в холодной зоне протопланетного облака и состоят в основном из водорода, гелия и легких химических соединений. Планетами-гигантами Солнечной системы являются Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Большинство планет-гигантов, открытых в последние годы у ряда звезд (70 Девы,HD 209458, 51 Пегаса), получили название "горячих юпитеров". Близость к звезде обусловила существование у них обширных, раскаленных свыше температуры в 1000 К атмосфер. Проблема условий формирования и эволюции "горячих юпитеров" пока далека от решения. Свыше 20 "новорожденных", свободно перемещающихся в межзвездном пространстве планет-гигантов массой до 2,5× 1027 кг и температурой до 1700 К обнаружено в районах звездообразования в плотных газопылевых туманностях. Космические тела с массами около 2,5× 1027-1028 кг называются коричневые карлики и занимают промежуточное положение между планетными телами и звездами. Термоядерные реакции в их недрах либо не возникали, либо протекали очень короткое время, на завершающих стадиях формирования ядра. Коричневые карлики остывают десятки миллиардов лет. Ввиду своей низкой светимости они являются очень трудным объектом для астрономических наблюдений. Первые коричневые карлики были открыты в 1996 году; в настоящее время ученым известно свыше 1000 объектов данного класса космических тел. Планетные тела различных классов входят в состав планетных систем. Планетные системы - связанные силами взаимного тяготения системы космических объектов, звезд и планетных тел, обладающие общностью происхождения и перемещающиеся в пространстве как единое целое. Исходя из универсальности действия физических законов, следует предположить существование ряда закономерностей для всех планетных систем: 1. Основная масса планетной системы заключена в центральной звезде. 2. Расстояние между звездой и планетами, между планетными телами и их спутниками обуславливаются основными физико-химическими характеристиками, начальным распределением массы, масштабами и особенностями турбулентных движений вещества внутри протопланетного диска, возмущающими взаимодействиями формирующихся протопланет и описываются определенным законом. 3. Орбиты планетных тел и их спутников эллиптические и лежат в одной плоскости (за исключением орбит мелких метеороидов). 4. Почти все планетные тела вращаются вокруг своей оси и вращаются вокруг центральной звезды в направлении её осевого вращения - направлении вращения протозвездного облака вследствие статистического осреднения момента импульса всех образовавших звезду и планетные тела частиц протозвездного облака. Согласно современным теориям звездообразования практически все одиночные медленновращающиеся звезды спектральных классов F5 - M9 массой менее 10 М¤ должны обладать планетными системами. Планетные системы должны быть у 30-50% звезд Галактики - у 30-50× 109 звезд! Однако в силу низкой собственной светимости и близости к своим центральным светилам планетные системы представляют очень трудный объект для астрономических наблюдений. Поиск планетных систем осуществляется различными способами: о наличии планетных систем свидетельствуют периодические микросмещения линий в оптическом или даже радио- спектре звезды (метод лучевых скоростей) или периодические микросмещения в движении данной звезды относительно других звезд (астрометрический метод). Планеты чужих планетных систем получили общее название внесолнечных (экзопланет). Табл. 1 Общие сведения о планетных системах и экзопланетах
В настоящее время астрономы наблюдают планеты-гиганты из планетных систем некоторых близких звезд и вокруг некоторых пульсаров. К середине 2001 года количество известных планетных систем превысило 60. Все они не похожи на Солнечную систему. Значительная часть экзопланет имеет сильно вытянутые эллиптические орбиты с эксцентриситетом до 0,5-0,6 (в Солнечной системе эксцентриситет планетных орбит не превышает 0,2). Часть планет-гигантов – "горячие юпитеры" – вращается по очень близким к звезде круговым орбитам. Открыта планетная система в тесной двойной звездной системе, состоящей из карликов классов К и М в1,5-2 а.е. друг от друга; планета-гигант вращается вокруг центра масс системы на расстоянии 5-7 а.е. Нейтронная звезда-пульсар PSR 1257+12 в созвездии Девы имеет 4 планеты; ничто земное не прожило бы и секунды в вечной тьме под потоками радиации, омывающими поверхности этих планет 160 раз в секунду. Сведения о некоторых планетных системах, известных на середину 2001 года, приводятся в табл. 1. Учитель может применять содержание таблицы для повышения образованности учеников, как справочный материал и данные для составления задач. При знакомстве с таблицей следует обратить внимание учеников на то, что единственной подробно исследованной планетной системой в настоящее время остается наша Солнечная система. Далее излагаются космогонические сведения о происхождении планетных систем и планетных тел.  Изложение материала начинается с повторения (напоминания) понятия "космические процессы". Сообщаем ученикам, что одним из наиболее интересных и важных для современной науки, для понимания причин возникновения жизни и разума на Земле и во Вселенной является космический процесс образования космических объектов. Происхождение и развитие космических объектов изучает отдельный раздел астрономии – наука космогония. Одним из главных направлений исследований космогонии является изучение условий и процессов возникновения планетных систем и планетных тел. В слабых, химико-биологических и гуманитарных классах материал о космогонии планетных систем и планетных тел можно излагать упрощенно, с опорой на схему рис. 1. В классах с сильным контингентом учеников и физико-математических классах материал можно излагать более глубоко и подробно: Планетные системы формируются в ходе образования звезд из вещества космических газопылевых облаков (туманностей), обогащенных тяжелыми химическими элементами и сжимающихся под действием сил тяготения. Момент импульса сжимающегося вращающегося протозвездного облака (L > 1053 г/см2× с) распределяется в нем неравномерно. Внутренними областям, сосредоточившими в себе до 99% массы облака, передается всего 1-2% начального момента импульса, и они сжимаются в протозвезду. Внешним областям облака передается до 98-99% момента импульса и они преобразуются в протопланетный диск, вращающийся вокруг молодой звезды. Плотность вещества в протопланетном диске превышает 10-18 г/см3, размеры частиц космической пыли составляют около 0,1 мкм.
Газопылевой диск вокруг формирующейся звезды очень быстро "сплющивается" под действием сил гравитации и центробежной силы, направленных к наиболее плотной части диска в плоскости его вращения. Спустя несколько сотен тысяч лет диск имеет массу около 0,1М¤ , размеры от 0,2 до 50-70 а.е. и толщину около 0,001 диаметра. Размеры пылевых частиц увеличиваются в результате слипания до 10 мкм; их орбиты становятся почти круговыми. Акустические ударные волны, распространяющиеся в облаке при сжатии протозвездного сгустка вещества и возгорании молодой звезды, способствуют возникновению неоднородностей в диске. Турбулентные вихри ускоряют движение частиц и ведут к возникновению нескольких газопылевых утолщений (уплотнений) - "колец сжатия", распадающихся затем на более мелкие. Эффект кольцевого сжатия не зависит от начальной массы и размеров диска и возникает при формировании любых планетных систем. Внутри колец в результате внутренних динамических процессов формируются многочисленные первоначальные газопылевые сгущения. Крупные частицы присоединяют к себе мелкие, возникают плотные сгустки протопланетного вещества - планетезимали - зародыши планетных тел массами до 6× 1027 кг и размерами свыше 1-100 км, медленно сжимающиеся под действием собственного тяготения. Распад газопылевого диска с образованием "колец сжатия" и последующим формированием планетезималей происходит быстрее, чем за 106 лет. На образование планетных тел затрачивается не более 10-20% вещества протопланетного диска: основная масса космической пыли и газа рассеиваются в межзвездном пространстве. Скорость и направление эволюции протопланетного облака зависит от его массы. Раннее формирование массивных планетезималей ведет к неустойчивости протопланетного диска, ускоряет его эволюцию. Приливное взаимодействие планетезималей обусловливает распределение масс и орбит будущих планет. При своем движении вокруг новорожденной звезды планетезимали создают в пространстве протопланетного диска спиральные волны сжатия и "аккумулируют" (собирают) из него вещество. Их масса и размеры увеличиваются до полного истощения протопланетного диска, пока все вещество из окружающего пространства не выпадет на их поверхность. В околозвездном пространстве плотность вещества протопланетного облака уменьшается намного быстрее, нежели на его периферии: магнитное поле вращающейся звезды увлекает раскаленную газопылевую "смесь": вещество частично аккрецирует вдоль магнитно-силовых линий на поверхность звезды, а частично "выталкивается" прочь от нее; этому способствует давление электромагнитного излучения и потоков элементарных частиц звездного ветра. Вокруг звезды на расстояние десятков ее радиусов образуется почти полностью свободная от вещества "зона прозрачности". При увеличении размеров планетезималей свыше 2000 км протопланетный диск преобразуется в утончающееся со временем газопылевое кольцо, внутренняя граница которого разделяет зону сформировавшихся планет от зоны, в которой процесс планетообразования еще не завершился. В течение нескольких миллионов лет в быстро сжимающемся и редеющем протопланетном диске может сформироваться несколько гигантских протопланет. Сила их тяготения вместе с возмущающим воздействием спиральных волн плотности сильно изменяет характеристики движения протопланет и остатков вещества протопланетного диска. В результате торможения трением в веществе протопланетного облака и резонансного взаимодействия со спиральными волнами плотности они теряют свою механическую энергию, разогреваются и сближаются с формирующейся звездой. Взаимные возмущения движения ведет к увеличению эксцентриситетов орбит планетных тел: часть протопланет начинает вращаться по сильно вытянутым эллиптическим орбитам, а часть приобретает параболические или даже гиперболические орбиты и навсегда покидает планетную систему; наибольшие шансы уцелеть имеют протопланеты, вращающиеся по круговым орбитам в "зоне прозрачности" в непосредственной близости от молодой звезды. При "аккумуляции" планетезималей механическая энергия падающего на них вещества превращается в тепловую: протопланетное тело разогревается, и при температуре свыше 1500 К в центре тел начинается выделение газов. Гравитационное сжатие увеличивает температуру в недрах тел до нескольких тысяч кельвин. Разогреву протопланет способствует мощная ударная бомбардировка: между их орбитами вращаются миллиарды мелких и мельчайших планетезималей и сгустков вещества. В недрах формирующихся протопланет начинаются процессы дифференциации (разделения) планетных оболочек и дегазации: тяжелые компоненты и соединения опускаются вниз, к центру планеты, а легкие поднимаются вверх, к поверхности. Давление, плотность и температура вещества близ центров планет значительно повышаются и вещество качественно изменяется: образуются оболочки планет – первичное ядро и мантия, в расплавленных недрах генерируется магнитное поле, выделяющаяся при расслоении, гравитационном сжатии и распаде радиоактивных элементов энергия путем конвекции переносится к поверхности планет. Легкие вещества, всплывая на поверхность, образуют первичные кору (литосферу), гидросферу и атмосферу планеты. Так образуются планетные тела, дальнейшая эволюция которых зависит от их массы и расстояния до центрального светила (звезды или планеты). Так, вероятно, сформировалось большинство известных сейчас планетных систем. Формирующиеся протопланетные диски наблюдаются в инфракрасном диапазоне вокруг нескольких сотен молодых звезд. У Веги, a Лиры, внутренний диаметр диска составляет 44 а.е. при внешнем диаметре 490 а.е.; некоторые данные указывают на существование по крайней мере одной уже сформировавшейся планеты-гиганта вдвое массивнее Юпитера на расстоянии 54 а.е. от звезды. У Фомальгаут, a Южной Рыбы внутренний диаметр диска 51 а.е. при внешнем диаметре 900 а.е. Планеты сформировались также у звезд b Живописца и у e Эридана – в протопланетном диске диаметром 0,8/580 а.е. на расстоянии 60 а.е. от звезды (масса планеты около 0,32 массы Юпитера). В центре формирующейся планетной системы объекта NGC 2071 (1300 св. лет от Земли) наблюдается протозвезда массой около 1 М¤ , вокруг которой вращается протопланетный диск размерами около 30 а.е. и массой 0,01 М¤ , в недрах которого началось образование планетезималей.
Открыто несколько десятков гигантских планетезималей и планет-гигантов массой 1,5 –2,5× 1027 кг, самостоятельно сформировавшихся из сгустков вещества в недрах плотных протозвездных туманностей. Далее излагаются сведения об образовании Солнечной системы как имеющие наибольший научный и практический интерес и наиболее подробно изученный частный случай космогонии планетных систем: Сжатие протосолнечного облака массой около 10 М¤ и последующее отделение протопланетного диска могло быть вызвано ударной волной при вспышке Сверхновой на расстоянии сотни световых лет от туманности; взрыв внедрил в ее состав изотопы тяжелых химических элементов, урана и тория. Начальная масса протозвездного диска составляла 0,01-0,1 М¤ . Температура в центральной плоскости протопланетного диска Солнечной системы уменьшалась с удалением от Солнца. Особенно сильно нагревалась ближайшая к звезде "горячая" зона облака: на расстоянии в 1 а.е. температура составляла 300-400 К. Процесс образования планет земной группы в "горячей зоне" протопланетного облака на расстоянии от 0,3 до 2,5-3 а. е. от Солнца занял около 100 миллионов лет. Вращение магнитного поля молодого Солнца, световое излучение и потоки элементарных частиц солнечного ветра "выметали" вещество из ближайших окрестностей Солнца, образуя "зону прозрачности". В первую очередь удалялись легкие химические элементы - водород и гелий, концентрация которых постепенно сдвигалась к границам Солнечной системы, порождая различие в химическом составе планет земной группы и планет-гигантов. Зона формирования землеподобных планет очистилась от первичного газа еще до того, как планетезимали "набрали" половину своей окончательной массы. Сфероидальные частицы-хондры из тугоплавкого силикатного вещества и пыль под действием сил гравитации и электростатического притяжения стали сближаться и слипаться, образуя сгустки хондритного вещества. Они концентрировались в плоскости газопылевого диска и в результате трения по спирали постепенно сближались с Солнцем. Присоединяя к себе мелкие сгустки и частицы пыли, они увеличивались до километровых размеров и становились планетезималями. Вероятность взаимодействия многочисленных планетезималей между собой была высока (1 столкновение в 1000 лет); при небольшой взаимной скорости они объединялись, при высокой – разрушались на фрагменты, быстро входившие в состав других планетезималей. За 20000 лет в протопланетном диске образовались сотни объектов размером с Луну; за последующие 10 млн. лет самые крупные из них достигли размеров Земли. Дальнейшему увеличению массы, разогреву, первичной дифференциации недр и дальнейшей эволюции планет способствовала интенсивная ударная бомбардировка: общая масса вещества между орбитами прото-Венеры и прото-Марса достигала 0,01 МÅ . Образование планет-гигантов происходило в "холодной зоне" протопланетного диска на расстоянии от 4 до 40 а. е. от Солнца, где температура вещества туманности уменьшалась до 10-20 К в 10-20 а. е. от Солнца. Частиц водородно-гелиевых "снежинок" и водяного льда в этой области было в десятки раз больше, нежели пылинок. Процесс планетообразования, вероятно, шел в 2 этапа: вначале образовались твердые ядра массой до 2 МÅ : у Юпитера за 30 миллионов лет, у Сатурна за 200 миллионов лет, у Урана и Нептуна за 1 млрд. лет, после чего на ядра начиналось выпадение (аккреция) газа из окружающего пространства, продолжавшееся от 1 до 10 миллионов лет, при этом температура наружных слоев Юпитера достигала 5000 К, а Сатурна - 2000 К, что определило силикатный состав их ближайших спутников. Низкое содержание водорода и гелия в атмосферах Урана и Нептуна объясняется тем, что к моменту окончания первого этапа их формирования солнечный ветер "вымел" эти газы за пределы Солнечной системы. Ряд ученых предполагает, что образование планет-гигантов из сгустков вещества протозвездной туманности началось еще в эпоху формирования прото-Солнца. Также есть гипотеза о том, что начальные этапы формировании Урана и Нептуна происходили значительно ближе к Солнцу, а изменение орбит их планетезималей произошло в результате возмущающего взаимодействия с пра-Юпитером, пра-Сатурном и других планетезималями, часть которых при этом покинула пределы Солнечной системы, а другие стали спутниками планет-гигантов (Тритон, Феба и др.) или столкнулась с ними. Наиболее крупные спутники и системы колец, предположительно, сформировались в аккреционном диске планет-гигантов. В промежутке между "горячей" и "холодной" зонами протопланетного облака из вещества общей массой до 8× 1024 кг образовалось несколько десятков планетезималей размерами свыше 1000 км. Наиболее крупные имели размеры до 8000 км, в их недрах происходили процессы частичной дифференциации вещества с образованием железного (железокаменного) ядра. Все они обладали очень неустойчивыми, подверженными возмущающему влиянию Юпитера орбитами. В результате гравитационного взаимодействия и столкновений между собой и более мелкими планетезималями в течение первого миллиарда лет существования Солнечной системы часть этих тел покинула ее пределы. Оставшиеся изменили характеристики своих орбит и (или) подверглись дроблению и разрушению на мелкие осколки, образовавшие пояс астероидов. Часть астероидов образовалась путем слипания мелких планетезималей при их взаимодействии (столкновениях) между собой, что вело к их уплотнению; за счет радиоактивного распада элементов (в основном, изотопа 26Al) их недра разогревались. В дальнейшем столкновения привели к разрушению и дроблению родительских тел. В результате возмущений со стороны планет-гигантов их орбиты постоянно изменялись; в настоящее время в поясе астероидов осталась лишь 1/2000 часть начального вещества. Мелкие реликтовые планетезимали могли сохраниться до нашего времени. Кометные ядра и кентавры образовались аналогичным путем в "холодной" зоне протопланетного облака на расстоянии до 50 а. е. от Солнца, где уцелело огромное число мелких и мельчайших планетезималей: так возникли кометные пояса меж орбитами планет-гигантов. Значительную часть кометных ядер была "выброшена" гравитационными возмущениями формирующихся планет-гигантов на окраины Солнечной системы и, частично, в межзвездное пространство: так образовались пояс Койпера и окружающее Солнечную систему сферическое облако Хиллса и квазисферическое облако Оорта. Своеобразие характеристик движения планет: разный наклон оси вращения к плоскости эклиптики (у Урана под углом 97њ 55¢), различные периоды осевого вращения (у Венеры - обратное вращение вокруг своей оси), возможно, обусловлено приливными взаимодействиями планетезималей и (или) многочисленными прямыми и фронтальными соударениями крупных планетезималей с мелкими на последних стадиях образования из вещества протопланетного диска. Устойчивость и почти круговая форма орбит большинства планет Солнечной системы, вероятно, обусловлены стабилизирующим влиянием тяготения Солнца и Юпитера: самая массивная планета вращается в 5 а.е. от Солнца по орбите с малым эксцентриситетом (0,04). Изложение нового материала завершается кратким описанием структуры, состава и строения Солнечной системы: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
