Строительные исследования
страница - 0
СОЛНЕЧНАЯ И СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ: ПРОИСХОЖДЕНИЕ, ЭВОЛЮЦИЯ, КАТАСТРОФЫ, И ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
Ю.В. Баркин (barkin@sai.msu.ru)
(Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга)
Абстракт. В свете последних достижений по изучению тел солнечной системы и новых планетных систем с единых позиций изучаются фундаментальные космогонические проблемы: формирование планетных и спутниковых систем, их эволюция, катастрофические события в жизни Солнечной системы, общие закономерности устройства и эволюции планетных, экзопланетных и спутниковых систем. В основу исследования положена теория происхождения Солнечной системы А.А. Маракушева [8] и малоизвестная теория циклического планетогенеза Л.И. Панкуля [10]. Единение указанных фундаментальных подходов позволяет воссоздать картину основных этапов жизни протопланет и планет солнечной системы, восстановить крупнейшие катастрофы, которые имели место на ранних этапах формирования Солнечной системы. Установлено важное эмпирическое правило поясной иерархической структуры планетных и спутниковых систем, сыгравшее важную роль при историческом анализе эволюции и катастроф в этих системах. В частности указаны орбиты, являющиеся потенциальными для новых объектов в экзопланетных, солнечной и в спутниковых системах.
1. О теориях происхождения Солнечной системы. В последние два года (2000, 2001) одно за другим следуют открытия новых планетных систем у звезд главной последовательности. В настоящее время общий список открытых экзопланет составляет 74 (на октябрь 2001, [6], [7],[14]). Экзопланеты, по своим физическим характеристикам за частую похожие на Юпитер, во многих случаях характеризуются большими эксцентриситетами своих орбит и совершают движение на близких расстояниях от материнской звезды. Присутствие экзопланетных тел на низких орбитах не удается объяснить в рамках «классической» теории многостадийного аккрекционного образования планет [11], [13]. Естественно, что открытия экзопланет стимулировало разработки новых теорий происхождения планетных систем, к тому же эта теория и сама испытывала кризис в своем развитии независимо от современных открытий [3], [7]. В данной работе мы не будем рассматривать работы по теории происхождения планетных систем, выполненные в последние годы, а обратимся к сравнительному анализу двух теорий, разработанных А.А. Маракушевым [8] и Л.И. Панкулем [10]. Эти работы были выполнены до эры открытий экзопланет, но отмечены важными предсказаниями устройства планетных систем на ранних и последующих стадиях их развития. Фактически оба автора блестяще предсказали наличие массивных экзопланет-гигантов, подобных современному Юпитеру, в том числе вблизи материнской звезды [8], [9]. Л. И. Панкуль приводит даже оценки массы подобных тел до 10-20 масс Юпитера, что хорошо согласуется с современными данными по экстрапланетам [10]. А.А. Маракушев весьма аргументировано показал, что планеты земной группы на ранних стадиях развития также представляли собой планеты-гиганты, а в современную эпоху являются как бы ядрами своих предшественниц. Л.И. Панкуль установил ряд закономерностей в распределении и эволюции орбит планет солнечной системы и фактически разработал эффективный метод реставрации катастрофических событий в Солнечной системе на протяжении всей истории ее существования. В частности он предсказал, что Плутон является двойной планетой за десять лет до открытия Харона [10]. Именно эти положения теории Л.И. Панкуля изучаются, развиваются и дополняются в данной работе. Важный интерес представляет детальный сравнительный анализ теорий А. А. Маракушева и Л. И. Панкуля, которые, не смотря на
некоторые коренные различия, содержат много общих формулировок и выводов, хорошо согласующихся с современными данными. Это мы планируем сделать в следующей более емкой работе, а здесь ограничимся лишь схематическим изложением и сравнением указанных теорий, которые в будущем должны получить усовершенствование и развитие.
А.А. Маракушев и Л.И. Панкуль по разному видят процесс формирования планет солнечной системы, но одинаковым образом интерпретируют процессы формирования спутников планет. По А. А. Маракушеву образование планет-гигантов происходило не в результате аккумуляции железо-каменного (метиоритного) вещества, как предполагалось метиоритными гипотезами, а путем аккреции ледяных, содержащих космическую пыль планетозималей, сходных по физическому состоянию с кометами [9]. Согласно этой концепции стяжение огромных масс ледяного вещества сопровождалось их гравитационным сжатием с подъемом температуры (до 20000 K в Юпитере) и полным плавлением. По Л.И. Панкулю схема образования планет ( в результате отделения сгустков материи при быстром вращении протосолнца и циклически-ступенчатом сокращении его радиуса) по своей сути близка к классической схеме П. Лапласа. Он полагает, что процессы образования планет-гигантов и последующего формирования спутников были совершенно аналогичны [10]. И те и другие происходили при гравитационном сжатии Протосолнца (протопланет) в результате отделения или выбросов материи из верхних слоев материнского тела. По А. А. Маракушеву развитие расплавной не смесимости приводило к формированию тяжелых ядер планет. Это приводило к вариациям угловой скорости вращения планеты, к развитию неустойчивых областей вблизи ее поверхности и к последующему отрыву и выбросу масс [8], [9].
2. О механизмах планетогенеза и спутникогенеза. Можно предположить, что именно на этом этапе активно начал проявлять себя механизм относительных поступательных смещений оболочек планет-гигантов с формирующимися железно-селикатными ядрами [2]. Различия в динамических сжатиях ядра и других оболочек (а внешние оболочки были сжаты сильнее) приводили к возникновению гигантских усилий взаимодействия между ними, которые приводили к вариациям напряженного состояния вещества, к вариациям динамического строения и как следствие к значительным вариациям угловой скорости вращения планеты. При относительном радиальном смещении центров масс оболочек одна из полусфер планеты подвергалась интенсивному воздействию (усилению напряженного состояния), а противоположна - его ослаблению. Гипотеза П. Лапласа предполагает циклическое отделение от вращающегося Протосолнца колец материи. Л. И. Панкуль также предлагает механизм ритмичного возникновения скручивающихся и отделяющихся сгустков материи от быстровращающегося гигантского Протосолнца [10]. Предложенный механизм взаимодействия оболочек в принципе может приводит к отделению или взрывному выбросу масс вдоль определенных направлений в теле Протосолнца (преимущественно в плоскости его экватора). Однако, А.А. Маракушев считает, что отделение масс от вращающегося небесного тела происходило только при формировании спутников планет-гигантов, а формирование- аккреция самих планет осуществлялось по особому сценарию. Наряду с указанным механизмом важную роль в формировании планет и спутников могли играть и другие небесно-механические механизмы. На наш взгляд недостаточно изученным является механизм асимметричного прилива, характеризуемый приливным потенциалом первого порядка. Его происхождение связывается с дополнительными членами в классическом выражении приливной силы, вызванными, например, дополнительным ускорением центра масс деформируемого небесного тела из-за его несферичности. Эксцентричность эластичной мантии и эксцентрическое положение центров масс ядра и мантии также приводят к дополнительным членам приливной силы указанной структуры [1]. Недостаточно изучена роль других неинерциальных составляющих в решении уравнений теории упругости (кориолисовых и переносных сил инерции). Другими словами целый ряд положений классической теории приливов нуждается в дальнейшем изучении и развитии.
3. Регулярная структура планетных и спутниковых систем.
3.1Правило иерархии орбит и их поясного группирования. На основных этапах развития планеты (спутники) формировались группами (обозначим их O, A, B, C, D ). Группы A, B, C содержат по пять планет и являются основными для Солнечной системы. Планеты-компаньоны в каждой группе обозначим буквами Ai,Bi,Ci= 1,2,3,4,5)). В группу A
условимся включать первую полную группу с пятью протопланетами, ближайшую к материнской звезде. Неполная группа O в настоящее время не сохранилась. Весьма вероятно, что на ранних стадиях существовали протопланеты O1,O2 . Первая из них (ее мы условно назвали Протоикар) по-видимому погибла в результате сближения с Протомеркурием (см. п. 4). Три основные группы планет A, B, C были заполнены полностью, но, как уже отмечалось, в ряде случаев протопланеты претерпели катастрофические изменения. Более того имеются свидетельства в пользу того, что группа C имеет расширенный характер, а число ее компаньонов может быть значительно больше. На это указывают современные данные об орбитах так называемых малых тел-кентавров с трансплутоновым расположением афелиев орбит (см.табл.1, 2).
Согласно установленному правилу расстояния между орбитами соседних компаньонов данной группы являются одинаковыми. Обозначим их через AO, AA, AB, AC и
т. д. Внешняя и внутренняя группы компаньонов могут насчитывать как меньше, так и значительно больше пяти компаньонов, но расстояние между соседними из них - постоянно. Таким образом, в центральной части располагаются основные регулярные группы планет. Панкуль Л. И. [10] указал три таких группы для системы Солнца (15 протопланет). Возможно, что это наиболее распространенная структура и у планетных систем других звезд. Это положение мы используем при моделировании орбит планетных систем пульсаров PSR 1257+12, PSR 1828-11 и звезды Ups And [14]. Тем не менее в спутниковых системах достаточно уверенно выделяются четыре и более полных групп. Вместо группы O для спутников используется расширенная группа кольцевых структур r и малых внутренних спутников rj (табл. 3-6). В иерархической структуре распределения орбит планет звезды Ups And введена даже вторая внутренняя группа планет oi (см. табл. 2).
Для аналитического описания указанных закономерностей введем в рассмотрение большие полуоси орбит планет в указанных выше группах компаньонов aoi, aOi,
aAi,aBi,aCj,aDj (i = 1,2,3,4,5; j = 1,2,...). Правило планетных расстояний можно записать в
следующем виде:
aZI = az 0 +1 -A z (I = i, j), где Z = o, O, A, B, C, D,(1)
а межорбитальные расстояния удовлетворяют фундаментальным соотношениям:
36Ao = 6AO = AA = AB /6 = AC /36 = AD /216 = 0.267 a.e. (2) и для удобства в формуле (1) использованы обозначения:
aO0 = ao5, aA0 = aO5, aB0 = aA5, aC0 = aB5, aD0 = aC5 .(3)
Из формул (1)-(3) следует, что для установления указанной иерархической структуры планет достаточно указать значение большой полуоси одной, но конкретной планеты (aA1 например) и определить лишь один характерный дистанционный параметр, например A A.
3.2Природа закономерностей в планетных расстояниях трех групп планет [10].
Согласно гипотезе Л. И. Панкуля Протосолнце ритмически сжималось на ранних стадиях звездной эволюции (до выхода на главную последовательность), производя в согласованном ритме выбросы и отделения планетных (или лучше сказать протопланетных) масс. В результате формировалась планетная система со строго упорядоченной структурой и определенной иерархией расположения орбит, которая в значительной степени сохранилась и в современную эпоху. Закономерности в планетных расстояниях (см. п.3.1) выделенных трех групп планет (с учетом позднейших нарушений в планетной системе) вытекают из прямой пропорциональности современных значений величин p(M + m) исходным
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]