1. Происхождение Вселенной и Солнечной системы
Происхождение Вселенной представляет пока нерешенную в своей полноте проблему, однако ход ее эволюции с определенной стадии можно считать установленным на базе открытых законов и наблюдательных фактов.
Предполагается, что энергетика процесса расширения материи из первоначального сверхгорячего и сверхплотного состояния была обеспечена преимущественно аннигиляцией частиц и античастиц при некотором избытке частиц, ставших исходным веществом для формирования космических тел. В процессе остывания оно проходит последовательные фазы интенсивных взаимопревращений, затем – электрически нейтральной плазмы и газовой смеси гелия (25%) с водородом (75% по массе).
Присутствие других элементов в том числе более тяжелых крайне незначительно, и их образование связано уже с процессами синтеза в недрах рождающихся звезд. Но каким образом появляются эти плотные горячие объекты в уже остывшей и разреженной среде с перспективой неизбежной тепловой смерти?
Однако на пути, казалось бы, безудержного расширения Вселенной природа ставит барьеры самоорганизации материи, тормозящие процессы деградации. Роль противодействующего фактора играет гравитация, которая через механизм взаимного притяжения значительно уплотняет разреженную космическую среду, состоящую преимущественно из водорода, гелия и примеси более тяжелых элементов в виде пылевых частиц. Чтобы силы гравитации справились с возрастающим при сжатии давлением среды, необходимо ее предварительное охлаждение. Для образования космического объекта из газопылевого облака его плотность, размеры, температура и масса должны соответствовать друг другу достаточно строго. Рождение Солнца предполагает существование индивидуального облака при плотности 2•10-18 г/см3, температуре 10К, радиусом ≈0.02 Парсек (≈6•1011км), что примерно в 100 раз больше радиуса орбиты самой дальней планеты солнечной системы – Плутона. Радиус образовавшегося Солнца почти в 1 млн. раз меньше родившего его облака, а средняя плотность светила всего в 1.4 раза выше плотности воды, хотя в центре это соотношение приближается уже к двумстам.
Показательно, что среднемассовая температура оформившегося Солнца составляет около 9 млн. градусов, при 15 млн градусов в центральной области и примерно 5500°С на поверхности. В связи с этим заметим, что подавляющая часть материи Вселенной сосредоточена в звездах и имеет высокую температуру при очень холодной межзвездной среде.
Более вероятно представляется образование Солнца в коллективе с другими звездами: в составе ассоциаций или скоплений. Их масса может составлять от десятков до тысяч масс Солнца с размерами в десятки парсек. Требования к температуре и плотности газово-пылевого комплекса для его гравитационного уплотнения будут менее строгими. Такой достаточно протяженный массив в общем случае характеризуется неравномерностью температуры и плотности по объему, а также наличием облаков, движущихся относительно друг друга со скоростями до 10 км/сек. Распад комплекса на отдельные фрагменты происходит вследствие гравитационной неустойчивости, которая может быть усилена ударными волнами от взрыва сверхновой звезды, столкновением облаков и т.д. После оформления протосолнца с локализацией массы в объеме с размерами порядка тысячных долей парсека возможно улавливание облаков, движущихся тангенциально относительно его центра и перевода их в режим орбитального движения. Допускаемая скорость облаков для удержания на орбите близ периферии составляет около 1 км/сек.
Существенное ускорение уплотнения наступает, когда радиус протосолнца в 10000 раз превышает размер будущего светила, т.е. близкий к радиусу орбиты Плутона. Сжатие протосолнца до будущей орбиты Венеры занимает всего около 10 лет. Силы гравитации с этой стадии уже не обеспечивают дальнейшего сжатия из-за сильного разогрева, и требуется охлаждение протозвезды для продолжения процесса аккреции. Стационарное состояние Солнца устанавливается через несколько десятков миллионов лет, когда создаются условия для прохождения протон – протонной термоядерной реакции.
Потеря массы Солнца излучением за время его существования (≈4.6 млрд. лет) составило несколько более 100 масс Земли, или около 0.03% массы Солнца. За это же время убыль водорода, превратившегося в ходе термоядерной реакции в гелий, оказалось на уровне 4.5% от массы Солнца.
Масса всех планет примерно в 448 раз больше массы Земли, а масса всех спутников в 8 раз меньше массы нашей планеты или в 10 раз превышает массу Луны.
Средняя скорость движения Земли по орбите – 29.8 км/сек, период обращения вокруг Солнца 365.24 средних солнечных суток, наклон земной оси к плоскости орбиты ≈66.5°; а к перпендикуляру ≈23.5°, период вращения вокруг оси ≈23 часа 56 минут.
Наличием угла наклона земной оси к плоскости орбиты может быть объяснен закономерным для всех планет движением к общей плоскости обращения вокруг Солнца под действием сил гравитационного взаимодействия. Основную роль в этом процессе, который к настоящему времени еще не завершен, играют Юпитер и Сатурн. Можно полагать, что Земля образовалась близко к плоскости орбиты Сатурна, а современному положению обязана в большей степени Юпитеру.
Важным обстоятельством, имеющем отношение к особенностям образования Солнца, является его незначительный момент количества движения по сравнению с планетами. По этому параметру оно уступает планетам в сумме ≈136 раз, хотя превосходит их по массе в 748 раз.
Земля принадлежит к группе планет с существенно более высокими плотностью и скоростями обращения по орбите, чем удаленные от Солнца Юпитер, Сатурн и др. Орбитальные скорости планет так называемой «земной группы» различаются от 47.9 км/сек у Меркурия до 24.1 км/сек у Марса, тогда как у остальных планет они составляют от 13.1 км/сек у Юпитера до 4.7 км/сек у Плутона.
Плотность планет «земной группы» составляет в среднем 5300 кг/м3 против >~ 1200 кг/м3 у остальных.
Существующие модели образования Солнечной системы не объясняют столь разительного (примерно в 4.5 раза) расхождения в плотности планет земной и периферийной групп.
Как упоминалось выше, сжатие Протосолнца сопровождается его прогрессирующим нагревом за счет гравитационной энергии. При прохождении внешней границы протозвезды уровня орбит от Марса до Меркурия среднемассовая температура объема увеличивается примерно от 15 до 50 тысяч градусов. Температура наружных слоев будет существенно ниже: ≈2300 К для Марса, ≈2800 К для Земли, около 4200 К для Венеры и 6000 К для Меркурия.
Несмотря на разреженность газовой среды, достаточно длительное нахождение под действием лучистого нагрева приводит к освобождению сгустков протопланет (планетезималей) от летучих компонентов, а для Меркурия и Венеры вполне реально может произойти даже полное или частичное расплавление.
