Астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Пришляк

Тема. Космогонія Сонячної системи та відкриття екзопланет

1. Гіпотези і теорії виникнення Сонячної системи, утворення планет

З найдавніших теорій походження Сонячної системи відоме вчення Рене Декарта (1644 р.). Його космогонічна гіпотеза — теорія вихорів — протягом певного часу конкурувала з теорією всесвітнього тяжіння. Декарт вважав, що Сонце, як і інші зорі, оточене ефірною речовиною, що розповсюджується на великі відстані у всіх напрямках. Обертаючись, Сонце спричиняє обертальний рух прилеглих областей цієї речовини, потім вони, зі свого боку, передають його наступним областям, так що, нарешті, вся маса приходить в обертання. У цьому ефірному вихорі планети мчать навколо Сонця. Проте Декарт не зміг сформулювати закони планетних рухів, тому його гіпотеза не отримала подальшого розвитку. Тільки з другої половини XVIII ст. були запропоновані еволюційні космогонічні гіпотези такими вченими, як Бюффон, Кант, Лаплас, Рош, Мейєр, Лоньєр, Бікертон.

Нині загальноприйнятою є гіпотеза, що формування Сонячної системи почалося близько 4,6 млрд років тому з гравітаційного стиснення невеликої частини гігантської міжзоряної газопилової хмари (рис. 1.1). Ця початкова хмара, ймовірно, сягала за розмірами кількох світлових років і була прародителькою кількох зір.

У процесі стиснення розміри газопилової хмари зменшувались, і, за законом збереження моменту імпульсу, швидкість обертання хмари зростала. Центр, де зібралася більша частина маси, ставав усе гарячішим у порівнянні з навколишнім диском. Через обертання хмари швидкості її стиснення паралельно і перпендикулярно осі обертання відрізнялися. Це призвело до ущільнення хмари, формування характерного протопланетного диска діаметром близько 200 а. о. і гарячої, щільної протозорі в центрі (рис. 1.2).

Комп’ютерне моделювання дозволяє виділити кілька характерних етапів цього процесу. На першій фазі баланс між гравітацією, тиском і обертанням речовини призвів до утворення спочатку товстого, а потім все тоншого диску. Потім у диску відбулася фрагментація речовини на згустки пилу. Приблизно за 1 млн років пилові згустки злиплися в компактні тіла астероїдних розмірів з близьким до них фізико-хімічним складом. Після цього приблизно ще 100 млн років рій астероїдів відчував інтенсивне перемішування, що супроводжувалося подрібненням крупних об’єктів і об’єднанням (злипанням) дрібних. На цій фазі, власне, і сформувалися зародки планет земної групи — Меркурія, Венери, Марса і Землі. Потім приблизно ще за 200 млн років сформувалися планети групи

Рис. 1.1. Формування Сонячної системи почалося близько 4,6 млрд років тому з гравітаційного стиснення невеликої частини гігантської міжзоряної газопилової хмари

Протопланетний диск — диск щільного газу, що обертається навколо молодої, нещодавно сформованої протозірки, з якого згодом утворюються планети

Рис. 1.2. Протопланетний диск

Рис. 1.3. Екзопланета Проксима Кентавра b

Юпітера, увібравши в себе газ, що не увійшов до менш масивних планет земної групи. І, нарешті, ще за 1 млрд років утворилися найвіддаленіші від Сонця планети — Нептун і Плутон, завершивши процес формування Сонячної системи.

З цього стає зрозуміло, що астероїди і комети — це залишки рою протопланетних тіл, причому астероїди — це кам’янисті утворення внутрішньої зони, яка породила планети земної групи, а комети — це кам’яно-крижані утворення, генетично пов’язані з зоною планет-гігантів. Але найпримітніше, що в процесі формування планет-гігантів Юпітер і Сатурн виконали роль своєрідних «чистильників» Сонячної системи, своїм гравітаційним полем викинувши малі протопланетні згустки на далеку периферію Сонячної системи.

Гіпотези щодо формування Сонячної системи.

2. Відкриття екзопланет, їхні фізичні характеристики

Станом на січень 2015 р. достеменно встановлене існування 1900 екзопланет у 1202 планетних системах, у 480 з яких більше однієї планети, на сьогодні астрономами відкрито вже понад 4000 екзопланет.

Загальна кількість екзопланет у нашій Галактиці може сягати сотень мільярдів. Звичних орбітальних планет, ймовірно, понад 100 млрд, з них від 5 до 20 млрд — землеподібні. Також за поточним оцінюванням 22% сонцеподібних зір мають на орбітах подібні до Землі планети, що перебувають у придатних для життя зонах (рис. 1.4).

Тривалий час виявлення планет поблизу інших зір було невирішуваним завданням, оскільки ці небесні тіла малі й тьмяні порівняно із зорями, а їхні світила розташовані далеко від Землі (відстань до сусідніх зір вимірюється світловими роками). У XXI ст. такі планети почали відкривати завдяки вдосконаленим методам, часто — на межі можливостей. Прикладом може слугувати екзопланета Проксима Кентавра b розташована на відстані близько 4,25 св. років від Землі, у сузір’ї Кентавра (рис. 1.3).

У квітні 2004 р. міжнародна команда спеціалістів, яка працювала на чолі з Ґаелем Шовеном, отримала в інфрачервоному діапазоні перше зображення ймовірної екзопланети, що оберталася за 55 а. о. навколо коричневого карлика 2М1207 у сузір’ї Гідри (рис. 1.6). Об’єкт, названий 2М1207 b, який розташований приблизно за 172 ± 3 св. роки від Землі і має масу 8 ± 2МЮп (деякі дослідники зменшують її до однієї-двох юпітеріанських).

Екзопланета (грец. ехо — поза, ззовні), або позасонцева планета, — планета, що обертається навколо іншої зорі або дрейфує космічним простором (тобто не належить до планетарної системи).

Рис. 1.4. Зони, придатні до життя у різних планетних системах на прикладі Сонця і Землі

Рис. 1.5. Зоря 2М1207 (блакитного кольору) і об'єкт 2М1207 b (червоного кольору). Перший знімок екзопланети

Приблизно в цей час космічний телескоп «Габбл» зробив знімки зорі Фомальгаут, віддаленої від Землі на 25 св. років (рис. 1.5). Їх зіставлення дозволило в листопаді 2008 р. отримати зображення планети Фомальгаут b. Її відкриття в оптичному діапазоні стало несподіванкою, адже відбулося воно лише завдяки винятковій яскравості планети (судячи з усього, об’єкт має дуже високе альбедо).

Того ж року за допомогою найбільших наземних телескопів Keck II і Gemini North, що здатні працювати в інфрачервоному діапазоні, групі астрономів вдалося отримати знімки одразу трьох планет біля іншої велетенської зорі — HR 8799 в сузір’ї Пегаса. Це було перше зображення мультипланетної системи іншої зорі (рис. 1.6).

Найбільш відому на сьогодні планетну систему (не враховуючи Сонячну систему) має зоря HD 10 180. Навколо неї обертаються сім планет, зоря віддалена від нас на відстань 127 св. років і розташовується у сузір’ї Південної Гідри. Достовірно відомо про п’ять планет, а для доведення наявності ще двох потрібні додаткові спостереження.

Рис. 1.6. Знімок планетної системи HD 10 180

Головний напрям пошуку екзопланет — це пошук планет земного типу. На розв’язання цієї задачі спрямовані різні космічні проекти. Серед відомих можна назвати проекти KEPLER (NASA) — космічний телескоп Шмідта, здатний одночасно відслідковувати 100 тис. зір; COROT (ESA) спеціалізований космічний телескоп діаметром 30 см, здатний відкривати планети земного типу. Сучасні астрономи вважають, що відкриття подібних до Землі планет є актуальним науковим питанням, вирішення якого може бути досягнуто в недалекому майбутньому.

Дізнайтеся про інопланетну систему Глізе 581.

Контрольні запитання

  • 1. Опишіть сутність гіпотез щодо походження Сонячної системи.
  • 2. Що таке екзопланета?
  • 3. Коли були зроблені перші знімки екзопланет?
  • 4. Знайдіть в мережі Інтернет інформацію про один із методів пошуку екзопланет. Підготуйте стисле повідомлення.

Українець, який перевершив Галлея

Клим Іванович Чурюмов (1937—2016) — професор, член-кореспондент НАН України, відомий у світі дослідник фізики комет і космогонії Сонячної системи, відкривач двох комет.

Народився у Миколаєві. У 1949 р. родина хлопця переїхала до Києва, де після школи він навчався спочатку у залізничному технікумі, а згодом у Київському університеті ім. Т. Г. Шевченка на фізичному факультеті.

Отримавши 1960 р. університетську освіту за фахом фізик-астроном, молодий науковець працював на станції в бухті Тіксі, де досліджував полярні сяйва, земні струми та іоносферу. Згодом Чурюмов розробляв на київському заводі «Арсенал» астронавігаційну апаратуру для космічних ракет. Після закінчення аспірантури став науковим співробітником Київського університету, а з 1998 р. — професором. З 2004 р. очолював Київський планетарій.

Наукова спадщина Клима Івановича налічує понад 800 праць, але найвідомішим його досягненням стало відкриття комет. Першу вчений відкрив 1969 р. разом з аспіранткою Світланою Герасименко. Цей космічний об’єкт так і назвали — «Комета Чурюмова-Герасименко». У 1986 р. Клим Іванович разом із Валентином Солодовниковим (з Астрофізичного інституту ім. Фесенкова, Казахстан) відкрив другу, довгоперіодичну комету, яка отримала назву «Комета Чурюмова-Солодовникова».

Клим Чурюмов і Світлана Герасименко 2 березня 2004 р. були присутні на космодромі Куру у Французькій Гвіані під час запуску європейського міжпланетного зонда «Розетта», який вирушав до комети Чурюмова-Герасименко. День 12 листопада 2014 р. став черговим тріумфом для Клима Івановича: «Розетта» завершила свою місію — її спусковий апарат «Філі» здійснив вдалу посадку на комету, щоб розпочати її дослідження.

Іще одним досягненням професора Чурюмова стало надання Міжнародним астрономічним союзом національних імен-символів малим планетам на честь Т. Шевченка («2427 Кобзар»), І. Франка («2428 Каменяр»), Г. Сковороди («2431 Сковорода»), КНУ ім. Т. Шевченка («4868 Кнушевія»). А 1984 р. ім’я самого К. І. Чурюмова було вшановано у назві малої планети 2627.

Торжество науки і світло віри

Олена Іванівна Казимирчак-Полонська (1902—1992) — відома й дуже шанована в науковому світі українська астрономка.

Народилася майбутня науковиця на Волині у шляхетній родині місцевих дворян Полонських. У дитинстві та юнацтві дівчина навчалася в кількох жіночих гімназіях — у Варшаві, Петербурзі, Новгород-Сіверському й Луцьку. Вона чудово розмовляла не лише рідною українською, а й добре знала російську, польську, англійську і німецьку мови.

У 1922 р. Олена блискуче склала іспити на фізико-математичний факультет Львівського університету Яна Казимира, на відділення астрономії. З 1934 р. працювала в астрономічній обсерваторії при Варшавському університеті, де захистила дисертацію «Про планети й центричний рух планет» і здобула науковий ступінь доктора філософії.

Після Другої світової війни, протягом якої учена зазнала чимало горя й поневірянь, вона разом із матір’ю та сином переїхала до Херсона, де викладала астрономію в педагогічному інституті. У той самий час Олена Іванівна знову готувалася до захисту кандидатської, оскільки її польського професорського диплому у Радянському Союзі не визнали. У 1950 р. вчена захистила дисертацію на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук.

Олена Іванівна працювала в Одеському педагогічному інституті, потім у Ленінградському (нині Санкт-Петербург). Основні наукові роботи Казимирчак-Полонської присвячені вивченню руху короткоперіодичних комет, зокрема еволюції їхніх орбіт. Вчена досліджувала рухи 35 короткоперіодичних комет, довела, що вплив великих планет є основним чинником, який діє на трансформацію кометних орбіт.

Останні роки життя Олена Іванівна прийняла чернечий постриг, читала лекції і писала книги з богослов’я. У своїх працях вона прагнула подарувати людству світло віри, торжество культури й науки. О. І. Полонська була похована на території Пулковської обсерваторії (Санкт-Петербург).

У 1978 р. ім’ям Олени Казимирчак-Полонської названа мала планета «2006 Полонська», в Херсоні на честь видатної астрономки названа вулиця.