Формування Планетної системи

Теорія, яка розглядає походження Сонячної системи, повинна пояснювати такі факти:

♦ орбіти всіх планет лежать практично у площині сонячного екватора;

♦ планети рухаються навколо Сонця по орбітах, близьких до кола;

♦ напрямок обертання планет навколо Сонця однаковий для всіх планет і збігається з напрямком обертання Сонця і власним обертанням планет (окрім Венери, Урана і Плутона); у тому ж напрямку, що і планети навколо Сонця, обертається навколо них більшість їхніх супутників;

♦ середня відстань планет від Сонця (за винятком Нептуна і Плутона) підлягає правилу Тиціуса-Боде;

♦ 99,86 % маси Сонячної системи припадає на Сонце і лише 0,14 % на планети, тоді як планетам належить 98 % моменту загальної кількості руху Сонячної системи;

♦ планети поділяються на дві групи, різко відмінні між собою за середньою густиною, хімічним складом, розмірами і внутрішньою будовою.

Впродовж останніх 300 років, починаючи з Декарта (1596-1650), було висловлено кілька десятків космогонічних гіпотез і розглянуто найрізноманітніші варіанти ранньої історії Сонячної системи. Серед мислителів минулого, які намагалися пояснити її походження, були Ж. Бюффо (1707-1788), І. Кант (1724-1804), П. Ла-плас (1749-1827), Дж. Джінс (1877-1946) та інші. Але всі гіпотези мали один недолік - добре пояснюючи одну частину спостережних фактів, вони виявлялися безпорадними перед іншою. Наприклад, гіпотеза Лапласа, що припускала виникнення планет із розжареної туманності, не змогла пояснити особливості розподілу моменту кількості руху між планетами і Сонцем.

При розробці космогонічної гіпотези перш за все необхідно вирішити питання: звідки взялася матерія, з якої утворились планети?

На сьогодні найбільш імовірним видається варіант, за яким планети утворились із того ж газово-пилового диска, що й Сонце. Велика роль у розробці цього варіанту належить О. Ю. Шмідту (видатний математик і астроном, 1891-1956), котрий першим висунув гіпотезу про те, що Земля та інші планети сформувалися з холодних допланетних тіл - пла-нетезималей.

Спостережні дані, отримані за допомогою космічних і найпотужніших земних телескопів, підтверджують, що біля багатьох молодих зір головної послідовності справді є навколозоряні пилові оболонки дисковидної форми, які утворилися разом із зорею під час її формування з протозоряної туманності.

Розглянемо можливий сценарій утворення планетної системи, уточнений сучасними теоретиками. Найважливіше в цьому сценарії те, що він спирається не тільки на єдиний ще до недавнього часу приклад Сонячної системи, але і на приклади інших планетних систем, відкритих за останні роки. Теорія походження планетних систем біля зір, хоча і не сформульована ще остаточно, має тепер під собою надійну спостережну основу.

Маса газово-пилового диска, який оточує протозорю, становить кілька відсотків від маси Сонця і спочатку може мати розміри, порівнянні з її розмірами. Хімічний склад такого диска відповідає складу міжзоряних туманностей - 99 % газу і 1 % пилових частинок розмірами від 0,1 мкм до 1 мм.

При підвищенні температури протозорі нагрівається і диск, частинки пилу випаровуються, молекули газу розпадаються на атоми, атоми іонізуються, а розміри диска за рахунок сильної турбуленції - різнона-правленого хаотичного руху частинок - збільшуються до кількох десятків астрономічних одиниць.

Для подолання класичних труднощів з перерозподілом моменту кількості руху між Сонцем і планетами припускається, що Протосонце мало відчутне магнітне поле, яке, взаємодіючи з іонізованим газом, гальмувало його власне обертання і прискорювало обертальний рух про-топланетної речовини. Далі диск охолоджується, турбулентність стихає. У ньому знову утворюються тверді пилові частинки - відбувається конденсація. При цьому основні космічні елементи - водень і гелій - залишаються у вигляді газу. А просторовий розподіл пилинок за їхнім хімічним складом залежить від розподілу температури, яка зменшується по мірі віддалення від Протосонця.

Такий перший етап еволюції протопланетного диска (ППД), який триває близько 1 000 років.

На другому етапі формування ППД частинки збільшуються у розмірах, зіштовхуються одна з одною, злипаються. І коли густина пилу стає вищою за густину газу в десятки разів, пиловий диск переходить у стан гравітаційної нестійкості, за якої навіть дуже маленькі згустки, що виникли випадково, не розсіюються, а навпаки, з часом стають ще більшими.

Як наслідок, на третьому етапі еволюції ППД розпадається на безліч окремих малих згустків, які далі, зіштовхуючись і злипаючись, утворюють рій допланетних тіл різного розміру - планетезималі.

Акумуляція планет. Утворення планетезималей тривало десятки тисяч років. Подальше об'єднання їх у планети - набагато довший процес, який тривав сотні мільйонів років.

Допланетний рій був складною системою великої кількості планетезималей. Всі вони, окрім однакової швидкості для тіл на однаковій відстані від Сонця, мали ще й власні швидкості з випадковим розподілом напрямків. Планетезималі зіштовхувались, дробились, і тільки найбільші серед них поступово збільшували свої маси за умови, що швидкість зіткнення не перевищувала 1 м/с.

Внутрішню частину Сонячної системи утворили планети земної групи, їхній ріст відбувався за відсутності летких газів за рахунок кам'янистих частинок і тіл, що містили в собі залізо та інші метали. Основна маса газів розсіялась із зони планет земної групи через видування їх сонячним вітром, який очистив від них і віддаленіші простори Сонячної системи. Проте планети-гіганти Юпітер і Сатурн встигли увібрати в себе достатню кількість газів, як і взагалі переважну частину речовини всієї планетної системи. Причому спочатку, як і в планетах земної групи, у них утворилися ядра із кам'янистих і льодових планетезималей, а потім поверх них нарощувались воднево-гелійові оболонки.

Така схема утворення планет-гігантів підтверджується фактами. По-перше, з'ясувалося, що їхні ядра мають приблизно однакову масу - 14-20 мас Землі, тоді як частка водню і гелію закономірно зменшується. По-друге, існують такі «речові докази» ранньої історії планет-гігантів, як їхні супутники та кільця. Адже випадання газу на планети також супроводжується утворенням навколо них газово-пилових дисків. Із цих дисків і утворилися супутники, причому розподіл їхніх густин, розмірів і мас повторює розподіл планет на земну групу і планети-гіганти.

Щодо найдальшої планети Плутон з його супутником Хароном, то, очевидно, ці два тіла - найближчі та найбільші серед понад стотисячної сім'ї транснептунових об'єктів поясу Койпера. Формування з них ще більш масивної планети через дуже повільний рух і низьку густину речовини йшло так повільно, що не завершилось і досі. І вже ніколи не завершиться, бо взаємні зіткнення, а також збурююча дія Урана і Нептуна значно зменшила їхню кількість.

Особливості обертання навколо своїх осей Венери і Урана пояснюються тим, що в період «бурхливої» юності Сонячної системи ці планети пережили зустріч з дуже масивними планетезималями, такими, що енергії зіткнення виявилося достатньо для того, щоб Уран «покласти на бік», а у Венери змінити напрямок обертання навколо осі на протилежний.

Утворення астероїдів і комет. Оскільки загальна маса всіх астероїдів не перевищує 1/2о маси Місяця, то пояс астероїдів, подібно до кілець Сатурна, - це речовина, що не спромоглася стати планетою. Таке визначення дав свого часу О. Ю. Шмідт, який припустив, що процесові акумуляції завадило сусідство масивного Юпітера. Але чому ж тоді сам Юпітер сформувався не на місці поясу астероїдів, на відстані 3-4 а.о., а далі - на відстані 6 а. о.?

Як вказують розрахунки, на відстані 3-4 а. о. ще є леткі речовини у газоподібному стані, тоді як на відстані Юпітера пролягає межа конденсації водяної пари. Тому в його зоні гравітаційна нестійкість виявилась раніше, тверді згущення росли набагато стрімкіше, ніж у зоні астероїдів. А далі Протоюпітер, набравши масу, своїм гравітаційним збуренням не дав сформуватися планеті у поясі астероїдів.

Більше того, він змінив орбіти деяких із астероїдів так, що ті стали рухатися по витягнутих, а не колових орбітах, перетинаючи орбіти Марса, Землі і навіть Венери та Меркурія. Два таких невеликих астероїди свого часу були захоплені Марсом, перетворившись на його супутники. Деякі астероїди перетворилися з часом на супутники планет-ве-летнів і рухаються тепер навколо них не в прямому, а у зворотному напрямку (проти обертання планети навколо осі).

Астероїди продовжують зіштовхуватися, дробитись на менші уламки, даючи початок метеорним тілам - метеороїдам, які й у наш час випадають на Землю та на інші небесні тіла у вигляді метеоритів.

Щодо комет, то за сучасними уявленнями періодичні комети приходять до Сонця із поясу Койпера. Всі інші комети - це льодяні планете-зималі, закинуті планетами-велетнями в період формування планетної системи на відстань 100-150 тисяч а. о., де вони утворюють уже згадану велетенську і дуже розріджену кометну хмару Оорта. Кометна речовина під час руху комет поблизу Сонця поповнює міжпланетний простір пилом та газом, який вимітається сонячним вітром за її межі.

Земля на початку історії. Початок геологічної історії Землі тісно пов'язаний з її утворенням. Розрахунки показують, що ріст Землі до сучасних розмірів і маси тривав не менше 100 млн років. При цьому температура її поверхні не перевищувала 350-400 К. її надра під дією гравітаційного стискання були дещо теплішими, але не набагато. Земля прогрілася завдяки тому, що в акумуляції брали участь дуже великі тіла радіусом до сотень кілометрів. Падіння таких тіл спричиняло утворення величезних кратерів, під якими до глибини 1-2 тис. км формувались зони високої температури, до 1 500-2 500 К.

Іноді температура сягала точки плавлення гірських порід, і тоді вони розділялися за складом: важкі хімічні елементи (метали) опускалися до центра, а легкі спливали. Додатковий розігрів надр відбувався і за рахунок стиснення порід шарами, що лежали вище. Але основним джерелом розігріву планети був розпад радіоактивних елементів - урану, торію і калію, які в невеликих кількостях були в кам'янистій речовині.

Атмосфера і гідросфера поступово виділилися з твердої речовини планети, оскільки гази і вода входять як складові у гірські породи.

Аналізуючи хімічний склад Сонячної системи, ми знаходимо в планетах високий вміст тих хімічних елементів, які синтезуються під час термоядерних реакцій у надрах зір.

Як вони потрапили у протопланетний диск? Відповідь одна - під час появи наднових, які шаленою силою вибуху розкидають їх у навколишній простір. Отже, слід припустити, що перш ніж з'явилася Сонячна система, речовина, з якої вона формувалась, безперервно поповнювалась важкими хімічними елементами внаслідок спалахів наднових у Галактиці.

Ось такі основні риси сценарію, згідно з яким утворилась Сонячна планетна сім'я. Але цей сценарій дає відповіді не на всі запитання. Наприклад, не зовсім ясно, як утворився Місяць - супутник Землі; незрозуміло, чому у Венери і Меркурія супутники взагалі відсутні, тоді як навіть у деяких астероїдів і супутників планет, не кажучи вже про всі інші великі планети, супутники є? А зараз, коли відкрито інші планетні системи, ми знаходимо, що вони не зовсім схожі на Сонячну. Це свідчить про те, що в питанні походження та розвитку планет ще рано ставити крапку.

1. Які закономірності будови нашої планетної системи слід пояснити теоретично?

2. У чому полягають основні етапи формування протопланетного диска?

3. Як пояснюється несхожість хімічного складу, розмірів і густин гу між планетами земної групи і планетами-гігантами?

4. Довгий час існувала гіпотеза про утворення поясу астероїдів внаслідок розпаду гіпотетичної планети Фаетон між орбітою Марса і Юпітера. Подумайте, чи могло так бути насправді?

5. Скільки часу пішло на зростання Землі до її сучасних розмірів?