§ 17. Формування планетної системи
1. Закономірності будови Сонячної системи. Теорія,
розглядаюча походження Сонячної системи, повинна пояснювати такі закономірності:
орбіти всіх планет лежать практично в площині сонячного екватора;
планети рухаються навколо Сонця по орбітах, близьким до окружності;
напрямок обігу навколо Сонця однаковий для всіх планет і збігається з напрямком обертання Сонця й власним обертанням планет (крім Венери, Урана й Плутона); у тім же напрямку обертається навколо планет більшість їхніх супутників;
середні відстані планет від Сонця (за винятком Нептуна й Плутона) підтверджують правило Тициуса-Боде;
99,86% маси Сонячної системи доводиться на Сонце й лише 0,14% — на планети, тоді як планетам належить 98% моменту загальної кількості руху Сонячної системи;
по середній щільності, хімічному складу, розмірам і внутрішній будові всі планети розділені на дві групи.
2. Небагато історії. Протягом останніх 300 років, починаючи з Декарта (1596 — 1650), висувалося кілька десятків космогонічних гіпотез і розглядалися найрізноманітніші варіанти початкового етапу формування Сонячної системи. Серед мислителів минулого, що намагалися пояснити її походження, було Ж. Бюффон(1707 - 1788), И. Кант(1724 - 1804), П. Лаплас (1749 - 1827), Дж. Джині (1877 - 1946), Г. Рессел (1935), Ф. Хойл (1944) та інші. У всіх цих гіпотез був один недолік - вони добре пояснювали лише частину закономірностей. Наприклад, Лаплас висунув гіпотезу, відповідно до якої планети виникли з гарячої туманності. Але він не зміг пояснити особливості розподілу моменту кількості руху між планетами й Сонцем.
Щоб побудувати космогонічну гіпотезу, необхідно насамперед вирішити питання: звідки взялася речовина, з якої утворилися планети? На сьогоднішній день вчені в основному схиляються до думки, що планети утворилися з того ж газово-пилового диска, що й Сонце. Велика заслуга в розробці цієї теорії належить .О. Ю. Шмідту (1891 - 1956). Цей видатний математик й астроном перший математично обґрунтував гіпотезу, відповідно до якої Земля й інші планети сформувалися з холодних допланетних тіл — планетезималей. . . .
Дані спостережень, отримані за допомогою космічних і самих потужних земних телескопів, підтверджують, що багато молодих зірок головної послідовності (§21) справді оточені білязірковими пиловими оболонками дисковидной форми. Ці оболонки з'явилися в період формування зірки із протозіркової туманності (§23).
Розглянемо можливий процес формування планетної системи з обліком коректив сучасних теоретиків. Найважливіше в ньому те, що він застосовний не тільки до Сонячної системи, але й до інших планетних систем, відкритим в останні роки. Теорія походження планетних систем біля зірок, хоча й не сформульована ще остаточно, але підтверджується результатами спостережень, зробленими останнім часом.
3. Етапи формування протопланетного диска. Маса газово-пилового диска, що оточує протозірку, може становити кілька відсотків від маси Сонця й спочатку мати розміри, порівнянні з розмірами протозірки. Хімічний склад такого диска відповідає сполуці міжзоряних туманностей - 99% газу й 1% пилових часток розмірами від 0,1 до 1 мкм.
У міру підвищення температури протозірки нагрівається й диск, частки пилу випаровуються, молекули газу розпадаються на атоми, атоми іонізуються, а розміри диска через сильну турбулентність (різнонаправленого хаотичного руху часток) збільшуються до декількох десятків астрономічних одиниць.
Передбачається, що перерозподіл моменту кількості руху між Сонцем і планетами здійснювалося сильним магнітним полем Протосонця в такий спосіб: взаємодіючи з іонізованим газом, поле гальмувало власне обертання Протосолнца й прискорювало обертовий рух протопланетної речовини. Далі диск прохолоджується, затихає турбулентність. У ньому знову утворяться тверді пилові частки — відбувається конденсація. При цьому основні космічні елементи — водень і гелій — залишаються в газоподібному стані. А просторовий розподіл порошин по їхньому хімічному складі залежить від розподілу температури, що зменшується в міру видалення від Протосонця. Це перший етап еволюції протопланетного диска (ППД), що тривав близько 1 000 років.
На другому етапі формування ППД частки збільшуються в розмірах, зіштовхуються й злипаються. Коли щільність пилу стає більше щільності газу в десятки разів, пиловий диск переходить у стан гравітаційної нестійкості. У такому стані навіть дуже маленькі згустки, що виникають випадково, не розсіюються, а, навпаки, збільшуються в розмірах.
На третьому етапі еволюції ППД розпадається на велику кількість окремих згустків, які потім, зіштовхуючись і злипаючись, утворять рій допланетних тіл різного розміру — планетезималі.
4. Акумуляція планет. Формування планетезималей тривали десятки тисяч років, а їхнє подальше об'єднання в планети - сотні мільйонів років.
Допланетний рій - складна система великої кількості планетезималей, які, крім однакової швидкості для тіл на однаковій відстані від Сонця, володіли ще й власною швидкістю з випадковим розподілом напрямків. Планетезималі, зіштовхуючись, дробилися, найбільші з них поступово збільшували свої маси за умови, що швидкість зіткнення не перевищувала 1 м/с.
Внутрішню частину Сонячної системи утворили планети земної групи. Аналізуючи сполуку цих планет, можна зробити висновок про те, що їхній ріст відбувався за рахунок кам'янистих частин і тіл, які містили в собі залізо й інші метали, при відсутності випаровуючихся газів. Під впливом сонячного вітру основна маса газів була витиснута із зони планет земної групи в більше віддалений простір Сонячної системи. Проте такі планети-гіганти, як Юпітер і Сатурн змогли утримати достатню кількість газів, як і більшу частину речовини всієї планетної системи. Причому спочатку, як до у планетах земної групи, у них утворилися ядра з кам'янистих і льодових планетезималей, а потім нарощувались воднево-гелієві оболонки.
Така схема утворення планет-гігантів підтверджується фактами. По-перше, було встановлено, що їхнього ядра мають приблизно однакову масу - 14-20 мас Землі, тоді як кількість водню й гелію закономірно зменшується. По-друге, існують такі речовинні докази ранньої історії планет-гігантів, як їхні супутники й кільця, адже випадання газу на поверхню планети супроводжується утворенням газово-пилових дисків навколо них. Із цих дисків утворилися супутники, причому розподіл їх щільностей, розмірів і мас нагадує поділ планет на земну групу й планети-гігантів.
Що стосується самої віддаленої планети Плутон і його супутника Харона, то, мабуть, вони є найближчими до Сонця й самих великих тіл з більш ніж стотисячної родини транснептунових об'єктів пояса Койпера. Процес формування з них більш масивної планети через їх дуже повільні рухи й низкою щільності йшов так повільно, що дотепер не завершився. І цей процес не завершиться ніколи, тому що взаємні зіткнення й дії, що обурюють, Урана й Нептуна значно зменшили їхню кількість.
Особливості обігу навколо своїх осей Венери й Урана пояснюються тим, що в період «бурхливої» юності Сонячної системи ці планети пережили зустрічі з дуже масивними планетезималями. Енергії зіткнення виявилося досить для того, щоб Уран - «покласти на бік», а у Венери змінити напрямок обертання навколо осі на протилежне.
5. Утворення астероїдів і комет. Оскільки загальна маса всіх астероїдів відносно мала (не перевищує 1/20 маси Місяця), то пояс астероїдів, подібно кільцям Сатурна, являє собою речовина, що не змогло сформуватися в окрему планету. Таке визначення дав у свій час О. Ю. Шмідт, що припустив, що процесу акумуляції перешкодило сусідство масивного Юпітера. Тоді виникає питання: чому сам Юпітер сформувалося не на місці пояса астероїдів, на відстані 3-4 а. о., а далі - на відстані 5 а. о.?
Як показують розрахунки, на відстані 3-4 а. е. ще втримуються газоподібні речовини, тоді як біля Юпітера пролягає кордон конденсації водяної пари. Тому в його зоні гравітаційна нестійкість виявилася раніше, тверді згущення росли набагато швидше, ніж у зоні астероїдів, а потім Протоюпітер, набираючи масу, своїм гравітаційним збурюванням не дав сформуватися планеті в поясі астероїдів.
Більш того, він змінив орбіти деяких астероїдів так, що ті сталі рухатися по витягнутим, а не по кругових орбітах, перетинаючи орбіти не тільки Марса, Землі, але й Венери, Меркурія. Два таких невеликих астероїди у свій час були захоплені Марсом, ставши його супутниками. Деякі із часом стали супутниками планет-гігантів і рухаються зараз навколо них не в прямому, а у зворотному напрямку (проти осі обертання планети).
Астероїди продовжують зіштовхуватися, дробитися на менші уламки, перетворюючись у метеорні тіла - метеороїди, які випадають на Землю й на інші небесні тіла у вигляді метеоритів.
Що стосується комет, то по сучасних поданнях періодичні комети з'являються в Сонця, приходячи з пояса Койпера. Інші ж являють собою крижані планетезималі, відкинуті планетами-гігантами в період формування планетної системи на відстань 100-150 тисяч а.о., де вони утворили велике й дуже розріджену кометну хмару Оорта. Кометна речовина, що виділяється під час руху комети поблизу Сонця, поповнює міжпланетний простір пилом і газом, які витісняються сонячним вітром за її межі.
6. Земля на початку своєї історії. Початок геологічної історії Землі тісно пов'язане з її формуванням. Розрахунки показують, що нинішні розміри й масу Земля здобувала на протязі не менш 100 млн років. При цьому температура її поверхні не перевищувала 350-400 К. Температура земних надр під дією гравітаційного стиску був більше цієї величини, але незначно. Земля прогрілася в результаті процесу акумуляції, у якому приймали участь дуже великі тіла радіусом до сотень кілометрів. Їхнє падіння викликало появу величезних кратерів глибиною 1-2 тис. км, під котрими утворювалися області високої температури, до 1 500-2 500 ДО.
Іноді при цьому температура досягала точки плавлення гірських порід, і тоді породи розділялися по складу: важкі хімічні елементи (метали) опускалися до центру, а легені спливали. Додатковий розігрів надр відбувався за рахунок стиску порід шарами, розташованими вище. Але основним джерелом розігріву планети залишався розпад радіоактивних елементів - урану, торію й калію, які в невеликих кількостях були присутні в кам'янистій речовині.
Атмосфера й гідросфера поступово виділилися із твердої речовини планети за рахунок газів і води, що входять до складу гірських порід.
Аналіз хімічного складу Сонячної системи показує, що в надрах планет у більших кількостях утримуються хімічні елементи, що синтезуються в надрах зірок у ході термоядерних реакцій. Як вони потрапили в протопланетний диск? Відповідь один - під час спалахів понаднових зірок (§24), коли величезної сили вибухи розкидають їх у навколишній простір. Таким чином, можна припустити, що ще до появи Сонячної системи, речовина, з якого вона сформувалася, безупинно поповнювалося важкими хімічними елементами в результаті спалахів понаднових зірок у Галактиці.
Такі основні риси сценарію, відповідно до якого утворилася Сонячна планетна родина (мал. 17.1). На жаль, цей сценарій дає відповіді не на всі питання. Наприклад, не зовсім ясно, як сформувалася Місяць -- супутник Землі; незрозуміло, чому у Венери й Меркурія супутники взагалі відсутні, тоді як у більших планет, деяких астероїдів і супутників вони є? А зараз, коли відкриті інші планетні системи, ми знаходимо, що вони відрізняються від Сонячної. Це свідчить про те, що в питанні походження й розвитку планет ще рано ставити крапку.
1. Які закономірності будови нашої планетної системи варто пояснити теоретично?
Які основні етапи формування протопланетного диска?
Як пояснити різний хімічний склад, розміри й щільність планет
земної групи й планет-гігантів? 4. Довгий час існувала гіпотеза про утворення пояса астероїдів внаслідок розпаду гіпотетичної планети фаетон між орбітою Марса і Юпітера. Чи могло так бути насправді?
Скільки часу треба було Землі для досягнень нею своїх нинішніх розмірів?
Сонце — центральне світило в Сонячній системі. Явища, що відбуваються на ньому, значною мірою визначають процеси, що протікають на планетах, у тому числі й на Землі.
У той же час Сонце - типова жовта зірка серед мільярдів інших, що населяють нашу Галактику. Завдяки винятковій близькості до Землі, Сонце - єдина зірка, на поверхні якої ми добре бачимо окремі деталі й властивості якої, у порівнянні з іншими зірками, вивчені досить добре.
Отже, вивчаючи Сонце, ми починаємо краще розуміти природу інших зірок, недосяжних для безпосереднього дослідження через їхню далекість. Важливо вивчати Сонце ще й тому, що воно є джерелом життя на Землі.