Происхождение Солнечной системы: Критический анализ космогонических гипотез и современная количественная модель

Подавляющая часть массы Солнечной системы (около 99,8%) сосредоточена в Солнце, в то время как основная доля полного момента импульса (около 98%) приходится на орбитальное движение планет, главным образом планет-гигантов. Этот фундаментальный физический дисбаланс, известный как парадокс углового момента, является краеугольным камнем всей космогонической науки. Он служит лакмусовой бумажкой, на которой потерпели крах многие классические теории, и он же определил вектор развития современной небулярно-дисковой модели.

Настоящая работа посвящена систематическому анализу эволюции научных гипотез о происхождении Солнечной системы, начиная от философских предположений XVIII века и заканчивая современной физически обоснованной моделью. Цель исследования — представить исчерпывающий академический обзор, который объясняет ключевые физические и химические особенности нашей планетной системы и критически оценивает методологический вклад российских и международных научных школ в становление теории аккреции. Мы покажем, как эволюция представлений от умозрительных идей к строгим количественным расчетам позволила наконец разрешить этот древний астрономический парадокс.

Введение: Основные свойства Солнечной системы как вызов для теории

Прежде чем приступить к анализу механизмов формирования, необходимо четко определить эмпирические факты, которые должна объяснить любая корректная космогоническая модель. Эти факты служат не просто описанием, но и прямыми «уликами» на место преступления, позволяющими восстановить ход событий, произошедших 4,6 млрд лет назад, то есть они являются строгим критерием верификации для любой гипотезы.

Ключевые особенности Солнечной системы, требующие теоретического объяснения:

1. Проблема распределения момента импульса: Как уже упоминалось, Солнце, обладая 99,8% массы системы, содержит лишь около 2% ее полного углового момента. Этот факт опровергает простые модели сжатия, которые предполагали бы высокую скорость вращения центрального тела.
2. Копланарность и конаправленность орбит: Орбиты всех главных планет лежат практически в одной плоскости (плоскости эклиптики) и имеют одно направление обращения вокруг Солнца. Это убедительно свидетельствует о том, что система сформировалась из плоского, вращающегося диска.
3. Дихотомия планет: Наблюдается резкое разделение планет по составу, плотности и размеру.
   • Планеты Земной группы (внутренние): Малые, высокой плотности ($\rho \approx 4\text{–}5,5$ г/см³), состоят преимущественно из тугоплавких силикатов и железа.
   • Планеты-гиганты (внешние): Крупные, низкой плотности ($\rho \approx 0,7\text{–}1,6$ г/см³), состоят главным образом из водорода, гелия и льдов.
4. Эмпирические закономерности: Расстояния планет от Солнца, хотя и не имеют строгого физического обоснования, в значительной степени подчиняются правилу Тициуса-Боде, выраженному формулой $r_n = 0,4 + 0,3 \cdot 2^n$ (в а.е.). Этот факт, несмотря на исключение Нептуна, указывает на существование определенного механизма самоорганизации в протопланетном диске.

Исторический контекст: От классических идей к парадоксу углового момента

Ранние космогонические гипотезы, возникшие в эпоху Просвещения и позднее, в XIX–XX веках, заложили основу для понимания процесса, но в конечном итоге столкнулись с непреодолимыми физическими противоречиями, не позволяющими объяснить наблюдаемые параметры, особенно распределение углового момента.

Критика классической небулярной гипотезы (Кант-Лаплас)

В XVIII веке были сформулированы первые небулярные гипотезы, предполагающие формирование Солнечной системы из единого вращающегося облака.

Иммануил Кант (1755 г.) предложил, что система образовалась из холодного, невращающегося облака, в котором частицы начали слипаться под действием гравитации, формируя в центре Солнце, а на периферии — планеты. Эта модель была качественно верна в идее образования из единого облака, но не могла объяснить ни вращение, ни копланарность орбит.

Пьер-Симон Лаплас (1796 г.) представил более физически обоснованную модель: система образовалась из раскаленной, вращающейся газовой туманности. По мере сжатия туманности, ее скорость вращения увеличивалась (согласно закону сохранения момента импульса), и от экватора последовательно отделялись газовые кольца, из которых затем формировались планеты.

Теоретическая несостоятельность: Главный провал гипотезы Канта-Лапласа кроется в неспособности объяснить распределение углового момента. Если бы планеты сформировались из колец, отделенных от экватора Солнца, то Солнце должно было бы обладать подавляющим большинством углового момента системы. В действительности, распределение обратное: 98% момента импульса у планет. Физика требовала механизма, который бы эффективно передал почти весь угловой момент от центральной протозвезды к периферии диска. Этот парадокс стал главной причиной отказа от классической небулярной модели.

Анализ катастрофической гипотезы Джинса

В начале XX века, в ответ на провал небулярных гипотез, широкое распространение получили так называемые катастрофические модели.

Гипотеза Джеймса Джинса (Приливная гипотеза): Предполагалось, что планеты образовались в результате катастрофического события — тесного прохождения другой звезды рядом с Протосолнцем. Гравитационный прилив вытянул из Солнца струю горячего газа, которая затем, остывая и конденсируясь, сформировала планеты.

Критика и отвержение:

1. Чрезвычайно низкая вероятность: В разреженном межзвездном пространстве вероятность достаточно близкого прохождения двух звезд, способного вызвать подобный эффект, крайне мала. Если бы эта модель была верна, планетные системы были бы уникальным явлением, что противоречит современным наблюдениям экзопланет.
2. Проблема конденсации: Горячее вещество, вырванное из Солнца, имело бы высокую температуру и скорость. Моделирование показало, что оно должно было либо рассеяться в пространстве, либо упасть обратно на Солнце, а не конденсироваться в крупные, стабильные планеты на текущих орбитах. Таким образом, катастрофические модели были отвергнуты как физически и статистически несостоятельные.

Количественный прорыв: Вклад советской космогонической школы

Переход от умозрительных идей к современной физически обоснованной теории был во многом обеспечен работами советских ученых, которые вернулись к небулярной концепции, но предложили механизм, разрешающий парадокс углового момента. Если классические теории не могли объяснить, куда делся угловой момент, то почему бы не предположить, что его изначально не было в центральном теле?

Гипотеза О.Ю. Шмидта: Решение проблемы углового момента

Отто Юльевич Шмидт (1944 г.) предложил принципиально новый подход, который можно считать мостом между классикой и современностью. Он предположил, что Солнце сформировалось раньше, чем планеты, и на этапе своего движения через Галактику захватило массивное газопылевое облако (протопланетную туманность) из межзвездного пространства.

Преимущество: Поскольку захваченное облако уже обладало собственным, значительным угловым моментом относительно Солнца, этот механизм автоматически объяснял, почему основная доля момента импульса сосредоточена в орбитальном движении планет, а не в самом Солнце. Из этого «холодного» облака затем посредством аккреции сформировались планеты. Гипотеза Шмидта впервые дала удовлетворительное качественное объяснение ключевому парадоксу Солнечной системы.

В.С. Сафронов: Основы количественной теории роста планет

Фундаментальный вклад в развитие теории аккреции внес Виктор Сергеевич Сафронов (работы 1960–1970-х годов), который перевел качественную модель Шмидта в плоскость строгих математических расчетов. Его монография «Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет» (1969) до сих пор является классикой космогонии.

Сафронов разработал количественную теорию, описывающую рост планет из планетезималей — тел размером от километра до десятков километров.

Ключевые достижения Сафронова:

1. Критерий гравитационной неустойчивости: Он разработал критерий для определения условий, при которых тонкий пылевой слой в дифференциально вращающемся диске становится гравитационно неустойчивым, что приводит к образованию первых крупных сгущений (планетезималей).
2. Расчет времени формирования: Сафронов впервые рассчитал темпы роста планет путем столкновений и слияний планетезималей, показав, что формирование планеты типа Земли могло произойти за время порядка $\approx 10^8$ лет (сотни миллионов лет).

Работы Шмидта и Сафронова, основанные на концепции холодной аккреции, заложили физический и математический фундамент для современной, общепринятой Солнечной небулярно-дисковой модели.

Современная стандартная модель: Небулярно-дисковая модель и дихотомия планет

Современная космогония представляет собой эволюционировавшую небулярную теорию, которая включает детальные физические процессы переноса момента импульса (например, через магнито-ротационную неустойчивость) и количественное описание аккреции. Солнечная система образовалась около 4,6 млрд лет назад из части гигантского межзвездного молекулярного облака, богатого водородом, гелием и пылью.

Этап	Продолжительность (приблизит.)	Ключевые процессы
I. Коллапс облака	$10^3\text{–}10^5$ лет	Гравитационное сжатие молекулярного облака, образование Протосолнца.
II. Формирование диска	$10^5\text{–}10^6$ лет	Вращение ускоряется, вещество сплющивается в плоский, горячий протопланетный диск. Момент импульса перераспределяется.
III. Аккреция	$10^6\text{–}10^8$ лет	Слипание пыли в планетезимали, затем в протопланеты. Разделение на внутреннюю (каменную) и внешнюю (ледяную/газовую) зоны.
IV. Рассеяние диска	$\approx 10^7$ лет	Газ диска рассеивается под действием излучения молодой звезды.

Роль Снеговой линии и дихотомия планет

Ключевой фактор, объясняющий дихотомию между планетами земной группы и планетами-гигантами, — это Снеговая линия (Snow Line), или линия конденсации. Это расстояние от Солнца, за которым летучие соединения (прежде всего, водяной лед $\text{H}_2\text{O}$) могут конденсироваться и становиться стабильными в твердом состоянии. Отчего же это так важно для формирования планет?

Количественная оценка: В протосолнечной туманности Водная Снеговая линия, согласно современным моделям, располагалась в диапазоне $\approx 2,7\text{–}3,1$ астрономических единиц (а.е.), то есть в области современного пояса астероидов.

• Внутри Снеговой линии ($r < 2,7$ а.е.): Температура была слишком высока. В твердом состоянии могли существовать только тугоплавкие материалы (силикаты, железо, никель). Это ограничило общее количество твердого вещества, доступного для аккреции, что привело к формированию малых, плотных планет земной группы.
• За пределами Снеговой линии ($r > 3,1$ а.е.): К тугоплавкому материалу добавилось огромное количество льдов (водяного, метанового, аммиачного). Это резко увеличило запас твердой массы, позволив сформироваться гораздо более массивным ядрам планет.

Механизм аккреции ядра (Core Accretion)

На сегодняшний день механизм аккреции ядра является основной моделью формирования планет-гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна). Он протекает в три фазы:

1. Формирование твердого ядра: Планетезимали и галька слипаются, формируя твердое ядро, состоящее из силикатов и льдов.
2. Критическая масса: Когда масса ядра достигает критического порога ($\approx 5\text{–}10$ масс Земли, $M_{\oplus}$), его гравитационное поле становится достаточно сильным, чтобы инициировать фазу безудержной аккреции газа.
3. Безудержная аккреция газа: Ядро гравитационно захватывает огромное количество легких газов (Н и Не) из протопланетного диска. Поскольку протопланетный диск рассеивается относительно быстро, эта фаза должна быть стремительной: оставшиеся 90% газовой массы планеты-гиганты могут набрать всего за $\approx 1000\text{–}10\ 000$ лет.

Альтернативный механизм, дисковая нестабильность, предполагает, что в массивных, холодных внешних областях диска могут возникать локальные гравитационные сгущения газа и пыли, которые коллапсируют напрямую, формируя газовые гиганты без необходимости в твердом ядре. Однако аккреция ядра лучше объясняет наличие массивных ядер у Юпитера и Сатурна.

Современные вызовы и передовые механизмы аккреции

Открытия в области экзопланетологии, в частности обнаружение «горячих Юпитеров» (массивных газовых гигантов, вращающихся очень близко к своим звездам), бросили серьезный вызов старой версии небулярной модели, поскольку не объясняли их образование в такой близости от звезды.

Проблема временного масштаба и планетарная миграция

Проблема временного масштаба (Timescale Problem): Это одно из самых острых противоречий. Наблюдения показывают, что типичное время жизни газового протопланетного диска вокруг звезды солнечного типа составляет всего **около 10 миллионов лет ($\approx 10^7$ лет)**. Классические расчеты аккреции ядра, основанные на слиянии планетезималей, часто требовали значительно большего времени (сотни миллионов лет) для достижения критической массы $5\text{–}10 M_{\oplus}$. Каким же образом Юпитер успел сформироваться, пока диск не рассеялся?

Планетарная миграция: Для объяснения «горячих Юпитеров» и потенциально для разрешения временного парадокса была введена концепция планетной миграции. Эта теория утверждает, что сформировавшаяся планета-гигант может взаимодействовать с газом, оставшимся в диске, теряя или приобретая орбитальный угловой момент, что приводит к ее постепенному перемещению (миграции) либо к звезде (внутренняя миграция), либо от нее (внешняя миграция).

Галечная аккреция (Pebble Accretion) как решение

Для преодоления Проблемы временного масштаба в последние годы получила развитие теория галечной аккреции.

Традиционная аккреция оперировала планетезималями (километровыми телами). Галечная аккреция фокусируется на частицах размером от сантиметра до метра, которые астрофизики называют «галькой» (pebbles).

Механизм: Галька, в отличие от планетезималей, испытывает сильное аэродинамическое сопротивление со стороны газа в диске. Это сопротивление вызывает их дрейф к центру диска, а также значительно снижает относительную скорость их движения относительно ядра планеты. Благодаря низким скоростям, ядра могут гравитационно захватывать эту гальку с невероятной эффективностью. Что позволяет нам не только объяснить скорость роста гигантов, но и понять механизмы дихотомии планет.

Результат: Механизм галечной аккреции позволяет наращивать массу ядра планеты-гиганта значительно быстрее — по некоторым оценкам, до **1000 раз быстрее**, чем при классической аккреции планетезималей. Это позволяет сформировать ядро с критической массой ($5\text{–}10 M_{\oplus}$) в пределах короткого срока жизни протопланетного диска ($\approx 10^7$ лет), тем самым разрешая Проблему временного масштаба.

Малые тела как «капсулы времени» протопланетного диска

Малые тела Солнечной системы — астероиды, кометы, транснептуновые объекты (объекты пояса Койпера) и гипотетическое Облако Оорта — не являются просто космическим мусором. Они представляют собой остатки первоначального вещества протопланетного диска, которое не было включено в состав крупных планет.

Астероиды (преимущественно в поясе между Марсом и Юпитером) состоят из тугоплавких материалов, что соответствует их расположению внутри или на границе Снеговой линии.

Объекты пояса Койпера и кометы представляют собой ледяные тела, сформировавшиеся за Нептуном. Они сохранили первозданный, летучий состав, характерный для холодных внешних областей протопланетного диска.

Изучение химического и изотопного состава этих малых тел (например, через метеориты или миссии, как Rosetta и New Horizons) позволяет напрямую восстановить первоначальный градиент температуры и химический состав протопланетной туманности. Считается, что **Облако Оорта** состоит из планетезималей, которые сформировались вблизи планет-гигантов, но были выброшены на дальние эллиптические орбиты их мощным гравитационным воздействием на ранних этапах динамической нестабильности системы.

Заключение

Современная небулярно-дисковая модель, основанная на идеях Канта, Лапласа, но преобразованная количественными расчетами советской школы (Шмидт-Сафронов) и дополненная новейшими механизмами (галечная аккреция, планетарная миграция), представляет собой наиболее полную и физически обоснованную картину происхождения Солнечной системы. Эта модель успешно интегрирует как динамические, так и термохимические аспекты формирования.

Модель успешно объясняет:

• Копланарность и конаправленность орбит через формирование из плоского диска.
• Дихотомию планет через концепцию Снеговой линии, разделяющей области аккреции силикатов и льдов.
• Распределение момента импульса через механизмы его переноса и концепцию формирования из вращающейся туманности.

Однако планетология продолжает развиваться, сталкиваясь с новыми вызовами, поставленными экзопланетами. Проблема временного масштаба и необходимость объяснения динамической эволюции систем требуют дальнейшего углубления в физику турбулентности, магнитных полей и миграционных процессов в протопланетных дисках. Открытые вопросы, такие как точный механизм передачи углового момента от Протосолнца и детали формирования Нептуна и Урана, служат отправной точкой для будущих углубленных исследований в астрофизике и планетологии, ведь понимание рождения нашей системы — это лишь первый шаг к пониманию Вселенной.

Список использованной литературы

1. Шилов И. А. Экология : учебник для вузов / И. А. Шилов. М. : Высшая школа, 2005. 128 с.
2. Фащук Д. Я. Мировой океан. История. География. Природа. М.: Академкнига, 2005. 281 с.
3. Реймерс Н. Ф. Охрана природы и окружающей человека Среды: Словрь-справочник. М.: Просвещение, 2002. 320 с.
4. Захаров Е.И., Качурин Н.М., Панферова И.В. Основы общей экологии: Учеб. пособие. Тула: ТулГТУ, 2002. 96 с.
5. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов / С.Х. Карпенков. М.: Высш. шк., 2003. 488 с.
6. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Курс лекций. М., Центр, 2007. 208 с.
7. Земля – уникальная планета! [Электронный ресурс]. URL: http://o-planete.ru/obolotchki-zemli (дата обращения: 15.10.2014).
8. Происхождение химических элементов [Электронный ресурс]. URL: http://treeofknowledge.narod.ru/ (дата обращения: 18.12.2014).
9. Гипотеза Джинса [Электронный ресурс]. URL: https://12apr.su/ (дата обращения: 30.10.2025).
10. Происхождение планет. Гипотезы Канта, Лапласа и Джинса [Электронный ресурс]. URL: https://msu.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
11. II. Протопланетные диски [Электронный ресурс]. URL: https://astronet.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
12. Снеговая линия в планетарной системе [Электронный ресурс]. URL: https://cosmos-journal.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
13. Солнечная система: строение и характеристика [Электронный ресурс]. URL: https://foxford.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
14. Правило Тициуса-Боде [Электронный ресурс]. URL: https://megabook.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
15. Отто Юльевич Шмидт [Электронный ресурс]. URL: https://100balov.com/ (дата обращения: 30.10.2025).
16. Гипотеза Джинса [Электронный ресурс]. URL: https://astro-cabinet.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).
17. Новая модель объясняет быстрое формирование газовых и ледяных гигантов [Электронный ресурс]. URL: https://pcnews.ru/ (дата обращения: 30.10.2025).