Книга: 100 великих загадок астрономии

Как зародилась Солнечная система?

Как зародилась Солнечная система?

На протяжении многих столетий люди были уверены в том, что планеты сотворены Богом. Лишь в XVIII веке появились первые научные теории, объясняющие далекое прошлое Солнечной системы. Современная теория ее происхождения основана на гипотезе немецкого философа «века Просвещения» Иммануила Канта, который первым предположил, что на месте Солнечной системы вращалась обширная туманность из газа и пыли.

По нынешним представлениям, эта туманность состояла в основном из водорода и гелия, которые образовались во время Большого взрыва. Менее 1 % приходилось на примеси в виде пылинок, содержавших более тяжелые элементы и соединения, например, воду, аммиак, оксид углерода, углекислый газ. Отдельные части этой туманности сжимались и уплотнялись. Причиной этого могли быть взрывы сверхновых звезд в непосредственной близости от нее. Порожденные этими взрывами ударные волны пронизывали туманность, вызывая появление в ней сгустков. Те стали зародышами предположительно нескольких сотен, а то и тысяч звезд – звездного скопления, которое по прошествии сотен миллионов лет распалось на множество одиночных и двойных звезд. Одной из этих звезд и было Солнце, окруженное своим газопылевым облаком.

Газопылевое Солнечное облако

Прошли миллионы лет, пока возле Солнца не появились планеты. Протопланетный диск, из которого они возникли, простирался на многие миллиарды километров. Его масса могла составлять от 1 до 10 % массы звезды. Существуют две основные гипотезы, объясняющие появление планет внутри этого диска.

Первую из них можно было бы назвать «Коагуляция и аккреция». Пылинки и небольшие крупицы, содержащиеся в протопланетном диске, сталкивались и слипались, что вело к образованию твердых сгустков – планетезималей. В свою очередь, те тоже сталкивались друг с другом, образуя все более крупные глыбы. Чем больше была планетезималь, тем больше вещества она собирала вокруг себя. Поэтому более крупные тела росли быстрее, чем маленькие. Постепенно планетезимали превращались в протопланеты, которые могли достигать размера Луны. У них имелось жидкое металлическое ядро, окруженное каменной мантией. Они были достаточно массивны, чтобы за счет гидростатического равновесия принять форму шара. Возможно, подобные мини-планеты, обладавшие магнитным полем, были широко распространены в ту пору, когда Солнечная система только формировалась. Газовые планеты возникали в этой модели за счет поглощения газообразных веществ наиболее крупными планетезималями.

Другая гипотеза – «Гравитационная нестабильность». Внутри протопланетного диска возникали уплотнения, которые в конце концов вырастали в планеты. По расчетам Л. Майера, опубликованным в 2002 году на страницах журнала «Science», всего за тысячу лет из спиралевидного сгустка, появившегося в протопланетном диске, может вырасти газовая планета-гигант. Пока непонятно, почему образуются эти нестабильности. Расчеты показывают, что очень массивные диски, остывая, сами по себе становятся нестабильными. В менее крупных дисках локальные нестабильности, возможно, возникают под влиянием внешних воздействий, например, при взрыве сверхновой звезды, находящейся поблизости от диска.

Оба сценария возникновения планет вполне вероятны и не исключают друг друга. Так, газовые планеты-гиганты могут зарождаться за счет гравитационных нестабильностей, в то время как планеты земного типа – за счет слияния планетезималей. Например, такие планеты, как Уран и Нептун, вполне могли возникнуть благодаря гравитационным нестабильностям, в то время как, согласно модели аккреции, их формирование на периферии планетной системы продолжалось бы несколько сотен миллионов лет. Это противоречит результатам наблюдений, ведь протопланетные диски, насколько известно астрономам, существуют не более 10 миллионов лет. С другой стороны, Уран и Нептун содержат большое количество тяжелых элементов, а это говорит в пользу гипотезы аккреции. Ведь химический состав планет, возникших за счет гравитационных нестабильностей, должен мало чем отличаться от химического состава Солнца.

Итак, протопланетные диски существуют недолго и постепенно распадаются. Звездный ветер и давление излучения звезды выметают газообразные вещества и крупицы размером менее микрометра. Средние крупицы размером от одного микрометра до одного сантиметра, перемещаясь по спиральной траектории, сближаются со звездой и поглощаются ею. Лишь крупным частицам удается уцелеть.

По оценкам астрономов, формирование Солнечной системы завершилось около 4,568 миллиарда лет назад (погрешность расчетов – 2 миллиона лет). К такому выводу ученые пришли, исследуя метеориты определенного типа, чей состав близок к составу протопланетного диска.

Решающее влияние на процесс формирования планет оказывало их расстояние до Солнца. В его окрестности конденсировались, прежде всего, тугоплавкие вещества и соединения, в то время как солнечный ветер уносил летучие вещества на периферию Солнечной системы – туда, где зарождались газовые гиганты. В настоящее время близ Солнца располагаются каменные шары – планеты земного типа.

Из оставшегося вещества, которое не было захвачено планетами, образовались небольшие небесные тела – кометы и астероиды. Они почти не изменились со времени формирования Солнечной системы. Поэтому их исследование может прояснить многие все еще не понятные аспекты этой теории.

Одна из нерешенных проблем следующая. Сейчас масса Солнца составляет почти 99,9 % всей массы Солнечной системы, но в то же время на долю Солнца приходится лишь 0,5 % общего момента количества движения, а главная доля заключена в орбитальном вращении планет. Почему?

А почему экваториальная плоскость Солнца наклонена примерно на 7 градусов по отношению к плоскости, в которой расположены орбиты планет? Масса Солнца очень велика по сравнению даже с суммарной массой планет. Поэтому при взаимодействии с ними оно не могло изменить свое положение. Может быть, рядом с Солнцем в далеком прошлом находилась карликовая звезда? Или же наше светило когда-то сблизилось с одной из звезд того громадного звездного скопления, которое образовалось одновременно с ним? Именно гравитационное воздействие другой звезды могло накренить его.

Ученые продолжают спорить и о том, насколько теория происхождения Солнечной системы применима к образованию других планетных систем. Ведь астрономы, например, обнаружили экзопланеты (внесолнечные планеты), которые вращаются в обратном направлении, нежели их звезда. Это не согласуется с современной теорией. Быть может, в период своего формирования эти планеты подвергались гравитационному воздействию не только той звезды, вокруг которой они теперь обращаются. Их притягивали к себе более крупные планеты или даже соседние звезды? Это и нарушило привычный ход небесных тел.

Изучение экзопланет поможет астрономам лучше понять, как образуются планетные системы. Вот лишь некоторые открытия, сделанные в последнее время. В 1994 году с помощью Космического телескопа имени Хаббла астрономам удалось обнаружить первые протопланетные диски в туманности Ориона. Здесь ими окружена почти половина всех молодых звезд. В 1998 году протопланетный диск был впервые замечен возле крупной звезды. В 2008 году с помощью инфракрасного спектроскопа в одном из далеких протопланетных дисков были выявлены органические вещества, а также углекислый газ и вода.