Солнечная система входит в крупную галактику Млечный Путь, располагаясь примерно в 2/3 от ее центра. Наша Галактика вместе со спутниковыми Большим и Малым Магеллановыми облаками, соседней галактикой Туманность Андромеды и рядом других образует местную группу галактик, которых во Вселенной насчитывается до 10 млрд.
Установлено, что галактики "разбегаются" друг от друга и в то же время в разные стороны от некоего центра. В связи с этим одной из самых вероятных сейчас считается гипотеза Большого взрыва, случившегося примерно 20 млрд. лет тому назад. В результате Вселенная начала центробежное движение, в ходе которого сформировалось вещество, находившееся первоначально в сверхплотном состоянии. Затем пошел ядерный синтез гелия, дейтерия и т.д. 18-19 млрд. лет назад началось образование галактик, 15-16 млрд. лет назад образовались первые звезды как результат сжатия гигантских скоплений водорода и гелия, их разогревания и начавшегося термоядерного процесса.
Образование Солнечной системы, как и самого Солнца, произошло значительно позже, около 4,6 млрд. лет назад. Такой возраст имеют самые старые каменные метеориты, а также лунные породы. Нет однозначного мнения о том, возникли ли Солнце и околосолнечная туманность одновременно, хотя большинство исследователей считает, что это именно так. Существуют гипотезы, предполагавшие отрыв вещества будущих планет от уже сформировавшегося Солнца благодаря воздействию постороннего объекта. Такая гипотеза впервые была выдвинута еще Ж.Бюффоном в 1749 г. Он считал возможным столкновение Солнца с кометой (приливная гипотеза). Эту гипотезу развили уже в XX в. Д.Джине и Г.Джефрис, полагавшие, что проходившая вблизи Солнца звезда вырвала своим гравитационным воздействием часть солнечного вещества, из которого и сформировалась туманность, породившая впоследствии планеты. Однако из-за малой вероятности такого катастрофического события и некоторых теоретических трудностей эта гипотеза была отвергнута.
Со времен немецкого философа И.Канта (1775) доминирующим является мнение о существовании первично холодной газово-пылевой туманности. Под воздействием гравитационных сил, когда более крупные частицы стали притягивать менее крупные, система пришла в движение, образовались сгустки, постепенно превратившиеся в Солнце и планеты.
Французский математик и астроном П.Лаплас (1797) развил и дополнил эту гипотезу, дал ей математическое обоснование. Известно, что все планеты Солнечной системы движутся вокруг Солнца почти в одной плоскости, в одном направлении, по орбитам, близким к круговым. Вокруг оси они также вращаются в одном направлении с Солнцем, за редким исключением (Венера, Уран, некоторые спутники планет-гигантов). П.Лаплас объяснял образование планет постепенным сжатием раскаленной газово-пылевой туманности, в результате которого скорость ее вращения увеличивалась и под действием самогравитации центробежные силы приводили к выбросу колец вещества в экваториальной плоскости. Эти концентрические кольца продолжали вращаться, а вследствие неравномерного распределения материи в них возникали сгущения - зародыши планет. Окончательное формирование планет происходило при остывании газовых сгустков. Гипотеза Канта - Лапласа получила широкое признание, потому что впервые объяснила происхождение Солнечной системы эволюционным путем с научных, строго математических позиций, используя закон всемирного тяготения И.Ньютона.
Современное представление об образовании Солнечной системы, хотя и базируется на основном постулате гипотезы Канта - Лапласа о первоначальной газово-пылевой туманности, коренным образом видоизменилось. Вклад в его формирование внесли многие ученые, в том числе наши соотечественники О.Ю.Шмидт, В.А.Амбарцумян, В.Г.Фесенков и др. Медленно вращающееся газовое облако существовало в относительном равновесии с окружающей средой десятки миллионов лет. Скорее всего, взрыв близкой сверхновой звезды своей ударной волной мог вызвать коллапс этого облака. Началось более быстрое вращение и сжатие облака, уплотнение центрального ядра - будущего Солнца. Возникшие при этом электромагнитные поля своими закрученными магнитными силовыми линиями заставили периферические части уже уплощенного облака вращаться гораздо быстрее, чем центральное ядро. Вероятно, этим объясняется распределение момента количества движения, обратно пропорциональное массе Солнца с одной стороны и всех остальных тел Солнечной системы - с другой (для планет - 1/700 массы Солнца и 98% момента количества движения).
Плотное центральное непрозрачное ядро постепенно разогревалось, становилось светящимся объектом. В околосолнечной туманности, поддерживаемой вращением, происходила конденсация вещества. Все больше пылевых частиц накапливались в плоскости эклиптики, соединяясь путем неупругого соударения (аккреции) в гравитационно-связанные комки - планетезимали, зародыши планет. Многочисленные кратеры, следы заключительной фазы формирования планет - метеоритной бомбардировки - видны на Луне, Меркурии и других планетах, лишенных атмосферы. Межпланетное пространство почти очистилось от мелких частиц.
Поблизости от молодого Солнца из-за высокой температуры происходило испарение легких веществ, оттеснявшихся к периферии. Сохранялись только жаропрочные металлические и каменистые частицы, образовавшие плотные и мелкие внутренние планеты - Меркурий, Венеру, Землю и Марс. Во внешних областях Солнечной системы с относительно низкими температурами концентрировались громадные массы легких веществ - водорода, гелия, аммиака, метана и др. Здесь сформировались планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Плутон, самая маленькая планета с сильно вытянутой и наклоненной орбитой, первоначально был, скорее всего, спутником Нептуна, отделившимся в результате катаклизма. Подобные процессы формирования планетных тел из планетезималей повторились при образовании спутников планет. Астероиды и кометы представляют собой оставшиеся первичные частицы, не вошедшие в состав планет (как и кольца Сатурна). Описанные выше процессы произошли сравнительно быстро, примерно за 100 млн. лет, то есть 4,7-4,6 млрд. лет тому назад.
ЛУННАЯ СТАДИЯ РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ
Планетезимали, образовавшие Землю, под влиянием столкновений друг с другом и гравитационных сил расплавлялись, сформировав горячее ядро. Температура в нем поддерживалась и возрастала благодаря радиоактивному распаду тяжелых изотопов, многие из которых сейчас уже прекратили свое существование. На ранних стадиях, скорее всего, наблюдалось полное расплавление Протоземли, благодаря которому произошла гравитационная дифференциация вещества. Тяжелые элементы, преимущественно железо, никель и другие, стягивались к центру, образовав массивное ядро, до сих пор пребывающее в жидком состоянии при температуре примерно 4000° Кальций, кремний, магний и другие более легкие элементы сформировали мантию, самая верхняя часть которой - "шлаковая корочка" - составляет земную кору. Мощность ее настолько мала относительно других геосфер, что сравнима с толщиной почтовой марки, наклеенной на футбольный мяч.
Существует также гипотеза гетерогенной аккреции (Э.В.Соботович, А.П.Виноградов, А.Рин-гвуд и др.), согласно которой дифференциация вещества шла параллельно с аккрецией планетези-малей, то есть образующиеся в результате конденсации газово-пылевой туманности при понижении температуры железные планетезимали сразу формировали ядро Земли, а позже за ними следовали каменные частицы алюмосиликатного состава, формировавшие мантию.
В расплавленном ядре, как и в мантии, где тоже имеются обширные участки находящегося в жидкой среде вещества, постоянно возникают конвективные потоки, связанные с перераспределением плотности. Подобные токи во внешней мантии сказываются и на тонкой корочке земной коры, растрескивая ее, проплавляя, растаскивая осколки в разные стороны.
Первые примерно полмиллиарда лет, прошедшие со времени формирования Земли до образования первичных горных пород (-4,5-4,0 млрд. лет), иногда называют лунной стадией. Представления о ней могут основываться, пожалуй, только на сравнении с Луной, где благодаря отсутствию атмосферы сохранились следы этой самой ранней стадии развития, общей для обеих планет. В это время во внешних оболочках Земли должно было накопиться достаточно большое количество радиоактивных элементов, что привело к разогреванию протокоры. Продолжающиеся интенсивные столкновения с более мелкими планетезималями - "метеоритная бомбардировка" -могли привести к взламыванию тонкой внешней оболочки и появлению обширных "озер" и даже "морей" расплавленной магмы (скорее всего базальтового состава), в особенности на ранних этапах лунной стадии. Покрытая кратерами разных размеров поверхность Земли сильно напоминала современную поверхность Луны, тем более что атмосфера еще не была окончательно сформирована.
На тепловой режим Земли влияли такие процессы, как радиоактивный распад, продолжающаяся гравитационная дифференциация, а также приливно-отливные взаимодействия в системе Земля - Луна.
Освобождающиеся путем дегазации мантии в ходе магматических процессов летучие элементы - газы и водяной пар - образовали атмосферу Земли. Первоначальная атмосфера была весьма горячая (несколько сотен градусов), плотная и насыщенная водяным паром, углекислым газом» аммиаком, метаном; в ней практически отсутствовал свободный кислород. Очень похожа на прежнюю атмосферу Земли современная атмосфера Венеры. Вода в такой атмосфере могла существовать лишь в газообразной фазе, а жидкая начала образовываться только при достаточном для этого остывании атмосферы и земной поверхности ниже 100°С. Началось сгущение водяных паров, и этот первичный ливень длился многие тысячи лет. В результате сформировалась гидросфера, началось разрушение горных пород под действием воды, стали образовываться осадочные породы. Эти события и завершили догеологический этап, этап формирования Земли как планеты. С этого времени стало возможным расшифровывать историю Земли, опираясь на геологические документы. Начался архейский акрон (примерно 4,0 млрд. лет назад), сменившийся протерозойским акроном (2,5-2,6 млрд. лет) в развитии земной коры.
Научные данные указывают на то, что Земля образовалась из солнечной туманности около 4,54 миллиарда лет назад
