Приблизно 4,5 мільярдів років тому сила тяжіння стиснула хмару пилу і газу, щоб сформувати Сонячну систему. Допоки вчені не впевнені в точності процесу, але спостереження молодих зоряних систем в поєднанні з комп’ютерним моделюванням дозволили їм розробити три моделі процесу, який міг відбутися так багато років тому.

 

 

  

Уявлення художника про будову Сонячної системи (не в масштабі). Фото з сайту www.space.com.

Народження Сонця

Велике скупчення міжзоряного газу та пилу утворило молекулярну хмару — місце народження Сонця. Низькі температури призвели до того, що газ став стискатися, а його густина зростала. Компактні ділянки хмари почали руйнуватися під власною силою тяжіння, утворюючи велику кількість молодих зоряних об’єктів, відомих як протозорі. Гравітація неперервно постачала матеріал на молодий об’єкт, формуючи зорю та газопиловий диск довкола неї, з якого пізніше формуватимуться планети. Коли температура протозорі зросла, то виник зоряний вітер, який очистив її околиці від залишків газу і пилу та перешкодив їхньому падінню на молоду зорю.

Незважаючи на те, що газ і пил приховують видиме світло молодих зір, інфрачервоні телескопи дослідили багато хмар галактики Молочний Шлях, щоб виявити місця народження інших зір. Науковці застосовували те, що вони спостерігали в інших системах, до нашої власної зорі.

Після утворення Сонця, масивний диск матеріалу оточував його близько 100 мільйонів років. Може скластися враження, що цього часу більш ніж достатньо, щоб сформувалися планети, але в астрономічному плані це дуже мало. Оскільки новонароджене Сонце нагрівало диск, то газ швидко випаровувався, даючи новонародженим планетам і супутникам дуже мало часу, щоб зібрати його.

Структура моделей

Науковці розробили три різні моделі, щоб пояснити, як в Сонячній системі можуть утворитися планети. Перша і найбільш широко прийнята модель, нарощення (акреція) ядра, добре пояснює утворення твердих землеподібних планет, але має проблеми з планетами-гігантами. Друга, акреція гальки, передбачає швидке формування планет з найменших матеріалів. Третя, система нестійкого диска, може пояснити утворення гігантських планет.

Модель акреції ядра

Приблизно 4,6 мільярда років тому на місці Сонячної системи була хмара пилу і газу, відома як сонячна туманність. Гравітація стала скупчувати речовину, яка почала крутитися, формуючи в центрі туманності Сонце.

По мірі формування Сонця, матеріал, що залишився, став збиратися в окремі фрагменти. Малі частинки об’єднувалися через силу тяжіння в більші частинки. Сонячний вітер видував легкі елементи, такі як водень та гелій, з найближчих до Сонця регіонів, залишивши лише важкий, твердий матеріали для створення планет земного типу. Але на більшій відстані від світила сонячні вітри мали менший вплив на легкі елементи, що дозволило їм об’єднатися в газові гіганти. У такий спосіб утворені астероїди, комети, планети та супутники.

Здається, що деякі спостереження екзопланет підтверджують модель нарощення ядра, як головного процесу формування. Зорі з більшим вмістом «металів» — термін, який астрономи використовують для елементів, відмінних від водню та гелію, — мають більше планет-гігантів, ніж їхні посестри, бідні на «метали». Згідно з даними NASA, модель акреції ядра дозволяє припустити, що малі, тверді планети мають бути поширенішими, ніж масивні газові гіганти.

Відкриття 2005 р. великої планети з масивним ядром, яка обертається довкола зорі типу Сонця HD 149026, допомогло зміцнити аргументи на користь моделі акреції ядра.

«Це підтверджує теорію акреції ядра формування планет і є доказом того, що планет такого роду має бути багато» — зауважив Ґреґ Генрі в прес-релізі. Генрі, астроном університету штату Теннессі (Нешвілл), виявив затемнення зорі.

2018 р. Європейське космічне агентство планує запустити космічний телескоп CHEOPS (CHaracterising ExOPlanet Satellite, Супутник для дослідження екзопланет, «Хеопс»), який буде вивчати екзопланети в діапазоні розмірів від супер-Земель до Нептунів. Вивчення цих далеких світів може допомогти визначити, як формувалися планети в Сонячній системі.

«У сценарії нарощення ядра, ядро планети має досягти критичної маси, перш ніж воно зможе розсіювати газ, який на нього падає» — наголошує команда науковців «Хеопса». «Ця критична маса залежить від багатьох фізичних змінних, найважливішою з яких є швидкість наростання планетезималей».

Вивчаючи, як планети, що формуються, обростають матеріалом, «Хеопс» забезпечить розуміння того, як вони виникають.

Модель нестійкого диска

Але швидке формування великих газових планет є однією з проблем моделі акреції ядра. Згідно моделі, цей процес займає кілька мільйонів років, довше, ніж легкі гази були в наявності в ранній Сонячній системі. Водночас, модель нарощення ядра стикається з проблеми міграції, оскільки молоді планети, імовірно, падали протягом короткого проміжку часу по спіралі на Сонце.

«Великі планети формуються дуже швидко, протягом декількох мільйонів років» — зауважує Кевін Волш (Kevin Walsh), науковий співробітник Південно-західного науково-дослідного інституту (the Southwest Research Institute, SwRI) в Боулдері, штат Колорадо. «Це створює обмеження в часі, оскільки газовий диск навколо Сонця існував від 4 до 5 мільйонів років».

Згідно відносно нової теорії нестійкого диска, згустки пилу і газу пов’язані один з одним вже на початку існування Сонячної системи. З плином часу такі згустки повільно стискаються в гігантську планету. В такому разі великі планети можуть утворюватися швидше, ніж в моделі нарощування ядра, іноді лише за 1000 років, що дозволяє їм вловлювати легкі гази, які швидко зникають. Крім того, вони швидко досягають маси, яка забезпечує їм стабільну орбіту, що вберігає їх від падіння на Сонце.

Науковці, вивчаючи планети всередині Сонячної системи, а також навколо інших зір, зможуть краще зрозуміти, як формуються газові гіганти.

Акреція гальки

Найбільшою проблемою в моделі акреції ядра є час — масивні газові гіганти мають формуватися досить швидко, щоб захопити легкі компоненти їх атмосфер. Нещодавно науковці з’ясували, що злиття невеликих об’єктів, розміром з гальку, приводить до появи великої планети в 1000 разів швидше, ніж передбачали попередні дослідження.

«Це перша модель, яка вказує на те, що ви починаєте з досить простої структури сонячної туманності, з якої формуються планети, але, зрештою, маєте систему з великими планетами» — так висловився в 2015 р. провідний автор дослідження Гарольд Левісон (Harold Levison), астроном з SwRI.

У 2012 р. науковці Міхиль Ламбрехц (Michiel Lambrechts) і Андерс Йохансен (Anders Johansen) з Лундського університету в Швеції запропонували, що крихітні камінчики, які вони тоді описали, стане ключем до пояснення швидкого формування великих планет.

«Вони показали, що залишок гальки від процесу формування, яку раніше вважали несуттєвою, може насправді вирішити велику проблему формування планет» — зазначив Левісон.

Спираючись на цю ідею, Левісон і його команда виконали ретельне моделювання того, як крихітні камінчики могли сформувати планети, видимі нині в Галактиці. Тоді як попередні моделювання вказували, що об’єкти і великих, і середніх, розмірів поглинали своїх малих «родичів» (гальку) з відносно постійною швидкістю, моделювання Левісона свідчить — великі об’єкти діяли як забіяки, хапаючи більше камінчиків середньої маси. Це дозволяло їм зростати значно швидше.

«Більші об’єкти, зазвичай, розсіюють дрібніші, аніж навпаки, тому менші розсіюються в гальковому диску» — зауважила Кетрін Кретке (Katherine Kretke), співавтор дослідження, також з SwRI. «Як старші хлопці залякують менших, щоб самим з’їсти всі «камінчики», так великі об’єкти можуть забезпечити собі зростання аж до формування ядер планет-гігантів».

Ніцца модель

Науковці спершу вважали, що планети сформувалися в тих ділянках Сонячної системи, де вони містяться нині. Відкриття екзопланет вплинуло на ці погляди, адже було з’ясовано, що принаймні деякі з наймасивніші об’єкти можуть мігрувати.

2005 р. в трьох статтях, опублікованих в журналі Nature, було запропоновано, що планети-гіганти мали майже колові та значно компактніші орбіти, ніж вони є в них тепер. На відстані приблизно в 35 разів більше відстані від Землі до Сонця, одразу за нинішньою орбітою Нептуна, їх оточував великий диск з твердих уламків і льоду. Науковці назвали ці уявлення «Ніцца модель» (Nice model), за назвою міста у Франції, де вони її вперше обговорювали.

Планети, взаємодіючи з меншими тілами, направляли більшість з них в напрямку до Сонця. Цей процес змусив їх обмінюватися енергією з об’єктами, виштовхуючи Сатурн, Нептун і Уран далі в Сонячну систему. Коли, зрештою, малі об’єкти досягли Юпітера, він спрямував їх на околиці Сонячної системи або взагалі за її межі.

Переміщення між орбітами Юпітера і Сатурна привело до того, що орбіти Урана і Нептуна стали більш ексцентричними і ці планети пройшли через залишки диску з малих об’єктів. Внаслідок цього деякий матеріал диска потрапив у внутрішню частину Сонячної системи і випав на планети земного типу під час пізнього сильного бомбардування. Інший матеріал було викинуто назовні — з нього утворився пояс Койпера.

Коли Нептун і Уран рухались повільно назовні, вони помінялися місцями. Врешті-решт, взаємодія із залишками диску малих тіл змусила ці планети, коли вони досягли своїх теперішніх відстаней від Сонця, перейти на майже колові орбіти.

На цьому шляху, цілком можливо, одна або навіть дві інші великі планети були викинуті з системи. Астроном Девід Несворни (David Nesvorny) з SwRI моделював ранню Сонячну систему в пошуках доказів, які можуть привести до розуміння її ранньої історії.

«На початку Сонячна система була дуже різною, з багатьма іншими планетами, мабуть, такими ж масивними, як Нептун, що формувалися й розміщувалися в різних місцях» — підкреслив Несворни.

Збирачі води

Сонячна система не завершила процес формування після утворення планет. Земля виділяється серед планет через її високий вміст води, що, на думку багатьох науковців, сприяло еволюції життя. Але сучасне місце розташування планети було б занадто теплим для того, щоб збирати воду в ранній Сонячній системі. Цей факт дозволяє висловлювати припущення, що цілюща рідина могла потрапити на Землю вже після того, як планета була сформована.

Але вчені досі не знають джерела цієї води. Спочатку вони підозрювали комети, однак декілька місій, зокрема шість, котрі вивчали комету Галлея в 1980-х роках і найновіший зонд «Розетта» (Rosetta) Європейського космічного агентства, показали, що склад крижаного матеріалу з околиць Сонячної системи не зовсім відповідає земному.

Ще одним потенційним джерелом води є пояс астероїдів. У деяких метеоритах виявлено зміни, що відбулися на початку їх існування, які натякають — вода в тій чи іншій формі взаємодіяла з їхньою поверхнею. Падіння метеоритів може бути ще одним джерелом води для нашої планети.

Нещодавно деякі науковці поставили під сумнів ідею про те, що рання Земля була занадто гарячою для збору води. Вони стверджують: якщо планета сформувалася досить швидко, вона могла б зібрати воду з льодових крупинок, перш ніж вони випарувалися.

Поки Земля збирала свою воду, Венера і Марс, мабуть, могли б отримати важливу рідину в схожий спосіб. Підвищення температури на Венері та випаровування в космічний простір атмосфери на Марсі унеможливили збереження їхньої води. Це призвело до того, що ці планети нині посушливі.

Додаткові джерела інформації (англійською мовою)

Факти Сонячної системи (Solar System Facts: A Guide to Things Orbiting Our Sun)

Як утворилося Сонце? (How Was the Sun Formed?)

Як утворилася Земля? (How Was Earth Formed?)

За інф. з сайту www.space.com