Презентацията космогония надя Кискинова наоп, Стара Загора слънчева система космогония закони на небесната механика 2

Надя Кискинова

НАОП, Стара Загора
1. СЛЪНЧЕВА СИСТЕМА

Слънчевата система е съвкупност от всички тела в близост до Слънцето и тяхната съдба – произход, еволюция и движения в пространството - зависи от тази звезда. На всички тези тела се пада едва около 1/750 част от масата на звездата ни. Основната част от телата в нашата система са в обем около 1/5 000 от разстоянието до най-близката звезда от системата на Проксима Центавър, отстояща на 4,3 светлинни години. Това дава основание да считаме, че върху телата от Слънчевата система гравитационно влияние оказва единствено Слънцето, което е достатъчно изолирано от другите звезди.

Докъде точно се простира гравитационното влияние на Слънцето?

Там, където скоростта на слънчевия вятър става по-малко от тази на звука се оформя повърхност, наречена хелиосфера – вътрешният овал на тази картинка. Счита се, че тя е на 75-90 а.е. от Слънцето.

Там, където слънчевите йони взаимодействат с галактичните, е хелиопаузата. Тя е на разстояние 110 а.е. – средната повърхност на рисунката. Слънчевата хелиопауза се премества през местния междузвезден облак така както лодка плава във вода – в предната си част има главна ударна вълна. Предполага се, че тя е на разстояние

230 а.е.
4. СЛЪНЧЕВА СИСТЕМА

телата от Слънчевата система са

планетите и техните спътници;

малките тела:

астероиди – между Марс и Юпитер,

комети – в покрайнините,

метеороидни тела

и

ПЛАНЕТИ-ДЖУДЖЕТА

ледени тела зад орбитата на Нептун, сред които е Плутон
На сесия на Международния астрономически съюз от август 2006 година с Резолюция № 5 се казва:

„Съвременните наблюдения промениха нашето разбиране за Слънчевата система и класификацията на обектите в нея. В частност това се касае за понятието планета.

Астероидният пояс между орбитите на Марс и Юпитер е като разделителна област между двата вида планети в нашата Слънчева система: планети като Земята и газови гиганти.

Земята единствена сред себеподобните си планети има един от най-големите спътници в Слънчевата система. Луната е съизмерима по размери с най-малката планета Меркурий или тя е само 4 пъти по-малка от Земята, но е на близо половин милион км от планетата ни. Строго погледнато, Луната се върти около точка, доста изместена във вътрешността на Земята от геометричния й център. Земята и Луната – две масивни близки тела всъщност обикалят около общ център на масите. Това дава основание да се говори за система Земя-Луна или за двойна планета.

В новата класификация на телата от Слънчевата система намериха място такива обекти като Плутон и Харон, които преди смущаваха строгата подредба. Новооткритите ледени обекти зад орбитата на Нептун в т.н. пояс на Куйпер вече се наричат планети-джуджета. Към тях се причисляват телата като Плутон и Харон, както и най-големият астероид от астероидния пояс Церера.

7.

И така, в Слънчевата система има 8 планети, които се делят на:

• 
  планети-гиганти - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.
  

8.

Орбитите на двете групи планети в Слънчевата система лежат в почти една равнина – около равнината на еклиптиката и слънчевия екватор и са леко сплескани елипси – почти кръгови. Всички планети обикалят около Слънцето в една и съща посока. А Венера и Уран в се въртят около оста си в обратна на другите планети посока. Плутон също има силен наклон на оста си, но и силно изтеглена орбита, която при това е под голям наклон спрямо равнините на всички останали планети. Тези обстоятелства, както малките размери и леденият й състав озадачаваха астрономите от времето на откриването й през 1930 г. С откриването на множество подобни ледени планети, някои от които с размери по-големи от тези на Плутон се наложи новата класификация – планети-джуджета, които обаче спадат към т.н. малки тела от Слънчевата система.

Математикът на своето време Йохан Кеплер търси закономерностите в планетните движения. Използва точните наблюдения на видимите премествания на Марс сред звездите, правени цял живот от Тихо Брахе и извежда знаменитите си 3 закона, залегнали в основите на небесната механика.

Изведените по емпиричен път закони на Кеплер, по-късно намират обяснението си чрез закона за гравитацията на великия Нютон

Закон на Нютон за гравитацията: Силата Fg, с която две тела се привличат взаимно, е правопропорционална на произведението на техните маси M и m, и обратнопропорционална на квадрата на разстоянието d между тях.

G е гравитационната константа, равна на 6,67.10х/-11/ Nm²/kg².

Елипсата има един център и 2 фокуса. През центъра на елипсата могат да се прекарат перпендикулярно едни на друг два диаметъра – най-големия и най-малкия.

Елементи на елипсата са още голямата и малка полуос, фокусното разстояние сплескаността й – безразмерната величина, наричана ексцентрицитет.

17.

Периодичните комети като Халеевата имат силно изтеглени елиптични орбити, но непериодичните с параболични или хиперболични орбити доближават Слънцето на практика само везнъж.

С други думи, колкото е по-близо до Слънцето една планета, толкова с по-голяма скорост обикаля около него или годината й е по-кратка.

25. Обобщен ТРЕТИ ЗАКОН

Т² / а³ = 4π² / G(М+m)
Кеплер успешно решава задачата за двете тела чрез законите си, поставили основите на небесната механика. Но в действителност рядко две тела във Вселената са напълно изолирани от останалите. Затова на преден план излиза задачата за движение на едно тяло под действие на влиянието на 2 и повече тела.
26. ЗАДАЧА ЗА ТРИТЕ ТЕЛА

Търсенето на положението на 3-то тяло под действие на гравитацията на други 2 вече е доста сложна задача.

Задачата за трите тела в небесната механика

за първи път решава успешно, макар за частен случай, известният математик Лагранж през 1772 г.
27.

Земята и Слънцето са две тела, спрямо които може да се разположи трето тяло в някоя от точките на Лагранж. Във втората точка на Лагранж например на устойчива орбита е спътникът WMAP, който даде удивително детайлни карти на реликтовото лъчение на ранната Вселена. Те изявиха нееднородностите, обясняващи клетъчната структура на днешната Вселена.

В 5-та Лагранжова точка е спътникът “Кеплер”, който в продължение на следващите 3 години ще наблюдава необезпокоян от земното или лунно сияние определена област от небето между съзвездията Лебед и Лира близо 100 000 звезди като Слънцето за преминаващи пред тях земеподобни екзопланети.

Първата или трета Лагранжови точки са предпочитани от спътниците, изучаващи слънчевата активност като спътника СОХО например.

„Както цветовете за окото, както тоновете за ухото, човешкият дух е устроен така, че да опознава не всяко нещо поотделно, а да се доближава до същността на нещата чрез количествените зависимости в основата им.”

Първата универсална концепция на еволюиращата Вселена от 1755 г.

на основата на гравитационната нютонова картина за света.

По-известна е нейната втора част с не дотам точното, но възприето наименование небулярна (газова) космогонична хипотеза за произхода на Слънчевата система от първично сгъстяване, екстраполирана за цялата Вселена.

• 
  1745 г. френският учен Бюфон
  
• 
  1916 г. англичанинът Джеймс Джинс
  

През 1745 г. френският учен Бюфон /1707-1788/ изказал хипотезата, че планетите са се образували от вещество, изхвърлено от Слънцето при сблъсъка му с комета

Според Джинс, когато се е формирало Слънцето, покрай него преминала звезда, която чрез гравитацията си изтеглила част от веществото му към себе си. Пурообразната форма на това вещество обяснявала защо планетите-гиганти са в средата на Слънчевата система, а земеподобните – по-близо до Слънцето.
37.

Бета Пикторис или Бета от Живописец е една от първите звезди, около която е открит газов диск от инфрачервения спътник “Айрас” още в края на 80-те години на миналия век. Изследванията обаче показват явна асиметрия в диска, което може да се обясни с преминала в близост звезда.

38.

Отчайващо редки събития биха били звездите с планети, ако някога Слънцето е било в двойна звездна система, която после се е разкъсала, поради сближаването й с трета звезда, както предположил Ръсел през 1935 г. А какво би останало от Слънцето, ако то е било съсед на масивна звезда, която се е взривила като Свръхнова, както е предположил Хойл по-късно? Всъщност, оказва се, че последното не е чак дотам фатално в някои случаи. Първата извънслънчева планета е открита именно около неутронна звезда! Явно остатъка от веществото, неразпръснато достатъчна надалеч при взрива на Свръхновата, се е кондензирало в планетоподобни тела. През 1991 г. бе открита първата планета около пулсар по незначителното закъснение на импулса му спрямо този, който би идвал, ако нямаше гравитиращо тяло около него.

Веществото на свръхновите се разпилява в пространството с хиляди км/сек и тази ударна вълна поражда нов етап на звездообразуване. Така преди 4,6 млрд. години тук, където сега е Слънчевата система е имало облак от газ и прах с типичното разпространение на тези компоненти в междузвездното пространство – съответно 99:1, с маса 10 000 пъти повече от тази на Слънцето, който започнал да се свива под действие на ударната вълна на избухнала в близост Свръхнова.

Центробежните сили предотвратяват свиването в екваториалните области на облака и възниква акреционен диск /акреция, лат. – „падащ”/.

Формирането на Слънцето като звезда се съпътствало от промени в остатъка вещество, не успяло да влезе в състава му. 1/10 от масата на протооблака продължавала да се върти като диск. Турбулентността постепенно затихвала и движението на частиците придобивало някаква подредба.

В близост до звездата прашните частици се изпаряват, а в хладните по-разредени външни слоеве частиците остават незасегнати. Там те нарастват чрез коагулация (слепване).

Звезди, по-стари от 10 млн. години имат бедни на газ дискове, защото интензивният им звезден вятър вече го е издухал. Ако няма формирани планети до 10 млн. години, вероятността да започне планетообразуване след това е малка, тъй като ще липсва доста материал.
44.

В резултат от коагулацията, размерът на частиците от диска нараства. Поради гравитационната неустойчивост в уплътнения и изтънял прахов диск възникват отделни малки студени сгъстявания. Постепенно в продължение на 20 млн. години те се разрастват до скали от порядъка на метри и километри – т.н. планетезималии. Частиците абсорбират светлината на младата звезда и излъчват инфрачервено лъчение в диапазона на дългите вълни. Това води до загряване на целия диск – включително до тъмните външни места.

Възникват сгъстявания на отделни резонансни места в оформящия се диск.

Тук върху фон, направен от художник се виждат две изображения на космическия телескоп “Хъбъл” – вляво видим отстрани е дискът от тъмни отломъци около звездата AU Микроскоп, отдясно е дискът около звездата HD107146, видим в анфас. Тези изображения, както и получените от космическия инфрачервен телескоп “Спитцер”, позволяват за първи път да се установи пряка връзка между дисковете и планетите около звездите. Може да се предположи, че планетите, напреднали в еволюцията си, разсейват отломки, образувани при сблъсъци в гигантски дискове. С течение на времето праховите дискове се изтощават и стават единствено източник на комети като пояса на Куйпер в нашата Слънчева система.
45. www.astronuke.com/nightsky/solsys_origin.htm

Поради равновесието на налягане, въртене и гравитация газът обикаля младата звезда по-бавно от компактно твърдо тяло със същия радиус на орбитата. Вътре в диска прашните частици се движат по-бързо от газовите. Поради разликата в скоростите със заобикалящата ги среда те сякаш се сблъскват с насрещен вятър, което води до забавянето им, а това – до спираловидно движение към вътрешността на диска. При това, колкото са по-големи частиците, толкова е по-силно изразено това движение по свиваща се спирала. За хиляди години буци с размери от порядъка на метър могат наполовина да намалят разстоянието си до звездата в центъра на диска.

С доближаването си до звездата, праховите частици се загряват. Ако съдържат вода, в един момент тя се изпарява. Разстоянието, на което става това се нарича граница на леда.

46. www.astronuke.com/nightsky/solsys_origin.htm

Тя е на около 2 до 4 а.е. – в Слънчевата система – това е между Марс и Юпитер. Тя разделя планетната система на две: вътрешна област, бедна на летливи вещества, с преобладаващи скални късове и външна – с много воден лед.

Непосредствено до снежната граница водните молекули се концентрират, след като са се изпарили от праховите частици. Това отприщва в споменатата зона поредица от събития. Концентрирането на водните молекули променя рязко свойствата на газа, което води до спадане на налягането, което отново повишава скоростта му на ротация. Близките прахови частици неочаквано престават да изпитват въздействието на насрещен вятър, което забавя и прекратява спиралното ив движение по посока на звездата. Но тъй като от външните региони на диска постъпват както и преди нови частици, които се носят навътре, прахът се събира на снежната граница, тъй че тя постепенно се превръща в „пряспа”.

Отначало зараждането на планетите е самоускоряващ се процес. Колкото по-големи стават планетезималите, толкова по-силна е тяхната гравитация и толкова по-често привличат към себе си други, бедни на маса тела. Щом като достигнат маса, сравнима с тази на нашата Луна, упражняват такова гравитационно въздействие, че разбъркват мощно околния прах и го извеждат извън орбитата му, преди да го притеглят към себе си. По този начин огроничават собственото си нарастване. Младата планетна система се развива в олигархия – т.е. към съществуване едно до друго на много планетни зародиши, всички от които притежват приблизително еднаква маса и се състезават помежду си да привлекат останалите свободни планетезимали.

Зародишите на планети имат само един ограничен „пасищен район” – могат да си доставят материал само от най-близко съседство. Щом като погълнат всички планетезимали вътре в тази зона, престават да нарастват. По чисто геометрични причини „пасището” на една протопланета и нейното нарастване са толкова по-големи, колкото е по-отдалечена от своята звезда.

При разстояние от 1 а.е. нарастването на един млад спътник след 100 000 години се забавя с 0,1 земни маси. Напротив, ако един планетен зародиш е отдалечен на 5 а.е. от своята звезда, тогава в продължение на няколко млн. години нараства с до около 4 земни маси. Може да стане още по-голям, ако се движи близо до снежната граница, или в случай че протопланетният диск има празнини – по тяхната периферия. Тук планетезималите са склонни към акумулация.

В хода на подобни процеси на нарастване се появява излишък от потенциални планети, от които обаче по-нататък само малко оцеляват

Юпитер вероятно се е образувал от планетен зародиш с големината на Земята, който е привличал все повече газ, докато не нараснал с цели 300 земни маси. Поради гравитацията си младите планетни зародиши привличат газ към себе си, който сблъсквайки се с тях се нагорещява и освобождава енергия. За да бъде трайно свързан с небесното тяло, газът трябва да има време да се охлади. Затова темпото на нарастване на една газова планета зависи от дела на охладения газ. Ако газът е малко, лъчението на звездата издухва газа преди планетата да го е свързала със себе си и да се е снабдила с атмосфера. Ако планетата вече има формирана газова обвивка, то външните слоеве на тази атмосфера възпрепятстват преноса на топлина. Доколко – зависи от химичния състав на атмосферата. Такива газови планети се акумулират в близост до снежната граница, където именно е Юпитер в нашата система, но при определени обстоятелства – и на други места в протопланетния облак, ако там има необходимия и като количество материал, както сочат наблюденията на екзопланетите.

Досегашните наблюдения на екзопланетите водят до извода, че планетни системи с достатъчно отдалечени от звездите газови планети са само около 10% от всички. Повечето масивни планети са в неочаквано опасна близост до звездите си.
51.

Това, което изнанада откривателите на екзопланети е наличието в повечето случаи на огромни газови планети като Юпитер в непосредствена близост до звездата си.

Единно е становището, че откритите в множество горещи юпитеровци сред екзопланетите не са породи точно там, където днес се наблюдават – в непосредствена близост зо звездата си. В тези области „пасищата” в протопланетните облаци са твърде малки, за да „изхранят” такива гигантски планети. Те не са и резултат само от миграция от тип І. Тук се появява механизъм, който специалистите наричат миграция от тип ІІ. По протежение на орбитата си гигантската планета създава празнини в протопланетния диск и пречи на газовите маси да преминат през тази пропаст. При това газовата планета трябва да потиска непрекъсната тенденция на турбулентния газ към смесване и разпиляване. Газът обаче постоянно се прокрадва отново в орбиталната празнина и планетата губи постепенно от орбиталната си енергия и бавно се придвижва навътре, измествайки всички планетезимали и планетни зародиши, които се изпречват на пътя й. В резултат може да възникнат горещи земи, които да кръжат опасно близо до звездата. Ако миграцията от тип ІІ не бъде възпрепятствата от някакъв процес или не спре от само себе си, газовата планета може и да падне върху звездата.

Нарастването на газовите планети обаче може да бъде възпрепятствано от склонността на планетния зародиш да мигрира спиралообразно към звездата си – т.н. миграция тип І: откъм тази на планетата, която е по-отдалечена от звездата, газът от диска се движи по-бавно в сравнение със самата планета и постепенно я забавя чрез гравитацията си. От другата страна, по-близка до звездата, газът се движи по-бързо и увлича планетата, ускорява я. Ако външният спрямо планета газ от диска е повече, той печели, т.е планетата забавя движението си по орбита и се устремява спираловидно падащо към звездата си. При снежната граница насрещният вятър на газа от диска може да има ролята на попътен вятър за зародиша, т.е допълнително да го забави и захвърли към вътрешността. Доколко навътре и дали ще се задържи извън снежната граница, нарастването на планетния зародиш – всички това зависи от редица конкретни обстоятелства. Може да има множество и поредица от неуспешни опити да се формират газови планети, които в крайна сметка да не доведат до наличието на нито една.
52.

Щом нарастването на един планетен зародиш веднъж е започнало, то бързо ескалира. Планета като Юпитер може да достигне половината от окончателната си маса в течение само на хиляда години. При това при сблъсъка на уловената от нея материя се освобождава толкова енергия, че планетата свети по-ярко от самата звезда. Ако планетата успее да се формира достатъчно бързо, миграцията й от тип І може да се прекрати на достатъчно голямо разстояние от звездата. Сега вече не газът от диска й въздейства гравитационно, а тя – на газа. Материалът от диска в близост до планетата бива пренасочен на други орбити. Планетата разчиства собствената си орбита, която се стабилизира в елипсовидна.

53.

Фомалхаут - най-ярката звезда от съзвездието Южна риба е 18-тата най-ярка звезда на небето. Освен това, тя е една от най-добре изучените звезди.

В допълнение на доводите за съществуването на масивна планета е и фактът, че също като нашия Куиперов пояс този на Фомалхаут също има рязък вътрешен край. Това се дължи на гравитационното въздействие на Нептун. "Вместо да си има Нептун на 30 а.е, може би Фомалхаут си има по-масивна планета на около 50 или 70 а.е." - която да оформя и външния му край

Наблюдения в по-големи дължини на вълните в началото на 90-те години на ХХ век показват, че има прахов диск около за Фомалхаут. Това не е учудващо, тъй като Фомалхаут е млада звезда, чиято възраст се оценява на 200 млн. години. В последните години астрономите получиха изображения или измериха косвено прахови пояси около други звезди. Но никога преди не го бяха видели в такива подробности, и с толкова точно измерено отместване на звездата от центъра на елипсата. А най-последните наблюдения показаха, че вътре в този прахов диск наистина има планета, вероятно гигант в стадий на формиране.

Вероятно именно Юпитер е възникнал пръв и то за много кратко време. Малко по-навън в протопланетният облак материалът е бил малко по-малко и Сатурн е възникнал едва след няколко милиона години.

И така: възникването на газови планети в планетните системи е много бърз процес, за който са необходими ред благоприятни обстоятелства. Дали ще възникне изобщо процес за формирането им зависи от дебелината и компактността на протопланетния диск.

56.

Планетите от второ поколение възникват от материал, който газовите гиганти от първо поколение са събрали за тях. При Уран и Нептун планетезималите акумулирали толкова бързо, че това се отразило върху необикновеното нарастване на планетните им зародиши до 10-20 земни маси. Когато дошло време да привличат газ, такъв вече почти липсвал в околностите им. Те успели да присъединят към себе си газ само от порядъка на 2 земни маси. Тези планети са не толкова газови, колкото ледени гиганти – може би най-често срещаният тип планети-гиганти.

Ако планетите-гиганти се формират близо една до друга, то гравитацията рано или късно би изхвърлила едната от тях на високоелиптична орбита. Такива планети са често срещани сред екзопланетите. Гигантските планети в нашата система явно не са имали такива взаимоотношения. Орбитите им са почти кръгови. Разликата може би се дължи просто на началните количества газ в протопланетния облак.
57.

Земеподобните планети в Слънчевата система са възникнали вътре в снежната граница и са предимно от желязо и силикати. Нарастването им е едва до 0,1 земни маси. За да станат по-големи, планетните зародиши би трябвало да претърпяват сблъсъци и сливания един с друг, което предполага, че орбитите им се пресичат. Щом като газът бъде издухан от лъчението на звездата, планетните зародиши се дестабилизират взаимно, при което орбитите им стават все по-елиптични. След милиони години може да се пресекат и това да доведе до сблъсък.

Доказателство за сблъсъци на планетни зародиши има съвсем близо до нас. Нещо повече, ние самите сме получили шанса да ни има именно в резултат на сблъсък на зародиш с големината на Марс със Земята в онези времена. Част от разпиления земен материал впоследствие възникнала Луната, която е в ролята си стабилизатор на природните условия на нашата планета. Това явно е необходимо условие за възникването и развитието на живота до висши форми. При космически колизии от такъв мащаб тънката първоначална газова обвивка на сблъскващите се обекти се изпарява. Днешната земна атмосфера се състои предимно от газ, който някога е бил уловен в планетезималите, от които се е създала нашата планета. По-късно този газ е бил освободен от вулканите.

Много по-трудно е да се обясни как орбитите отново се стабилизират.

Според една хипотеза, в момента когато планетата се оформи напълно, все още наоколо се реят множество планетезимали, които през следващите стотина млн. години или се присъединяват към планетата, или в по-голямото си количество се разпиляват от нея, като отнасят и част от импулса й. Така бавно, но неотклонно орбитите стават почти кръгови и стабилни.
58.

последна чистка – време: от 50 млн. до 1 млрд. години

В нашата Слънчева система Уран и Нептун са катапултирали планетезимали или навън в Куйперовия пръстен, или навътре по посока на Слънцето. Юпитер с доминираща си гравитация запращал тези минитела до облака на Оорт, който сигурно съдържа маса от порядъка на 100 земни маси – колкото Сатурн. Докато изхвърлят планетезимали от орбитите си, самите планети се преместват малко – ефект, който би обяснил защо орбитите на Нептун и Плутон са синхронни.

Този период е характерен с многобройните метеоритни сблъсъци, настъпил в Слънчевата система 800 млн. години след раждането на Слънцето. Оттогава са огромните лунни кратери, така е изглеждала и самата Земя, както и останалите претенденти за планети и спътници. Не е изключено в някои планетни състеми да се случат дори мегасблъсъци на доста по-късен етап между формирали се вече планети.

Около половината почти звезди в непосредствена близост от порядъка на 20 и 500 св. г. са открити планети или прахови дискове.

Наблюденията позволяват не само да се погледне по друг начин към възникването на Слънчевата система, но дори да се предположи, че във Вселената има достатъчно много планети от земен тип.
60. ИЗТОЧНИЦИ

Учебно помагало по АСТРОНОМИЯ 11 кл., Валери Голев, 2004