Прикладная космология: от макета к компьютерной модели Солнечной системы

Статья посвящена вопросам происхождения Солнечной системы. Рассмотрены гипотезы возникновения планетарных систем около звёзд в галактиках. Предложены модели визуализации Солнечной системы с помощью макетов и компьютерных программ.

Ключевые слова: космология, звезда, планета, Солнечная система, моделирование, макет, аккреция, чёрная дыра, галактика, туманность, Вселенная.

Объяснение возникновения Галактики и Солнечной системы — одна из трудных задач космогонии, раздела астрономии, посвященного изучению происхождения и развития небесных тел. Гипотезы возникновения Солнечной системы существовали определённое время, и если они не объясняли многочисленные процессы Солнечной системы, то возникали новые гипотезы, которые развивались и дополнялись учеными.

По одной гипотезе возникли идеи одновременного образования Солнца и планет Солнечной системы из облака диффузной космической материи — гипотеза И. Канта — «холодная гипотеза» (1755 г.), и гипотеза П. Лапласа — «горячая гипотеза» (1796 г). В пользу общности гипотез говорит родство тел Солнечной системы: сходство их химического и изотопного состава, возраст, особенности движения и строения [1–2].

В гипотезах другого направления формирование Солнца рассматривается отдельно от процесса образования планет системы и спутников (гипотезы учёных начала XX в. Ф. Мультона, Т. Чемберлена и Д. Джинса). К ним также относится гипотеза академика О. Ю. Шмидта: захват Солнцем холодного газопылево-метеоритного облака и дальнейшая конденсация его в планеты и спутники планет. Внутренние планеты в процессе эволюционных образований утратили летучие вещества из-за близости к Солнцу и состоят из железосиликатного каменного материала. Атмосфера внутренних планет связана с процессом дегазации недр в результате вулканических процессов. Внешние планеты и их спутники состоят замерзших лёгких газов — водорода, аммиака и метана. Рис. 1.

Актуальной является гипотеза образования нашей системы из газопылевого холодного облака в результате его уплотнения. Планеты не были раскалёнными телами, и Земля разогрелась на последнем этапе формирования. Причину разогрева планет объясняют в выделении энергии в результате разделения магматического расплава под действием гравитации Земли по плотности и радиоактивного распада. [1–2].

Рис. 1. Расположение внешних и внутренних планет Солнечной системы

Более 4,7 млрд. лет появились — газопылевая первичная туманность и звезда, превратившаяся в «сверхновую» — это был первый этап формирования системы. На втором этапе туманность попала в область влияния «сверхновой» звезды и в туманности стали происходить процессы аккреции «реликтового» вещества, а затем — конденсации вещества «сверхновой» звезды и «вторичного» вещества туманности около 4,7 млрд. лет назад — третий этап. На четвёртом этапе произошло центральное сгущение вещества, которое превратилось в Солнце и началось формирование Солнечной системы и планеты Земля, завершившееся примерно 4,6 млрд. лет назад. [1–3].

Для полноценного изучения Солнечной системы необходимо использовать метод моделирования, т. к. представить себе небесные тела солнечной системы довольно затруднительно из-за их размеров и расстояний между ними. И поэтому для визуализации солнечной системы используются компьютерные или натурные модели с учетом пропорций и траекторий планет. Модель — материальный мысленный или условный объект: гипотеза, абстракция, формула, рисунок, план, карта, чертёж, программа, схема, и т. п., которые определяют существенные свойства объекта исследования в упрощённой форме. В нашем случае к модели Солнечной системы приходится прибегать из-за того, что наш объект очень велик и обладает другими трудно реализуемыми физическими параметрами.

С помощью небольшого набора инструментов и материалов студентами был изготовлен макет Солнечной системы, который получился ярким и наглядным. Для этого использовали фигуры из папье-маше в форме полусфер разного размера. Рисунок на поверхности моделей планет и спутников наносили с помощью красок в соответствии с цветом настоящих планет. Рис. 2.

Рис. 2. Макет солнечной системы

Для математических расчётов движения планет вокруг Солнца использовалась свободно распространяемая компьютерная программа Solsys (3.0) 7. Интересной функциональной особенностью этой программы по моделированию движения объектов в Солнечной системе, является наличие возможности экспериментально определить период обращения планет и параметры полученных орбит, эксцентриситет, расстояния до Солнца в афелии и перигелии, а также скорости в этих точках. Рис.3.

Рис. 3. Расчёт движения планет в программе Solsys3.0

Рис. 4. Схема расположения Солнечной системы в нашей Галактике — Млечный путь

В работе представлено исследование объекта — Солнечная система с помощью натурных и компьютерных моделей. В настоящее время развитие космологии зависит от развития космических технологий, которые достаточно сложны для использования в учебном процессе, но модели позволяют представить объекты и процессы Солнечной системы в наглядной форме [5].

Литература:

1. Schmidt O.Ju. A Theory of Earth's Origin. Moscow. 1958.
2. Hawking S. The Universe in a Nutshell, Published by Bantam Dell Publ. Group. — 2007. — P. 464.
3. Семенов О. Ю. Астрофизические тайны чёрных и белых дыр / Вучкович В. В., Ионов А. Э., Шааб М. Н., Чеботников А. А., Семенов О. Ю. // Юный учёный. — 2016. — № 2 (5). — С. 87–93.
4.                Семенов О. Ю. Успехи небесной механики / Тесситоре А. Ф., Семенов О. Ю. // Юный учёный. — 2016. — № 1. — С. 28–32.
5.                Семенов О. Ю. Дидактика астрономии в общеобразовательных учебных заведениях / Гуманитарные науки в XXI веке 2014. — № XXIII. — С. 81–84.