Этапы формирования солнечной системы и земли. Как зародилась солнечная система. Проблемы при изучении образования Солнечной системы

План:

1 Формирование
2 Последующая эволюция
- 2.1 Планеты земного типа
- 2.2 Пояс астероидов
- 2.3 Планетная миграция
- 2.4 Тяжёлое Бомбардирование
- 2.5 Формирование спутников
3 Будущее
- 3.1 Долговременная устойчивость
- 3.2 Спутники и кольца планет
- 3.3 Солнце и планеты
4 Галактическое взаимодействие
- 4.1 Столкновение галактик

Введение

Согласно современным представлениям, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного молекулярного облака. Большая часть вещества оказалась в гравитационном центре коллапса с последующим образованием звезды - Солнца. Вещество, не попавшее в центр, сформировало вращающийся вокруг него протопланетный диск, из которого в дальнейшем сформировались планеты, их спутники, астероиды и другие малые тела Солнечной системы.

Протосолнце и протопланеты в представлении художника

1. Формирование

Гипотеза об образовании Солнечной системы из газопылевого облака - небулярная гипотеза - первоначально была предложена в 18-ом веке Эммануилом Сведенборгом, Иммануилом Кантом и Пьером-Симоном Лапласом. В дальнейшем её развитие происходило с участием множества научных дисциплин, в том числе астрономии, физики, геологии и планетологии. С началом космической эры в 1950-х годах, а также с открытием в 1990-х годах планет за пределами Солнечной системы (экзопланет), эта модель подверглась многократным проверкам и улучшениям для объяснения новых данных и наблюдений.

Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного газопылевого облака. В общих чертах, этот процесс можно описать следующим образом:

Спусковым механизмом гравитационного коллапса стало небольшое (спонтанное) уплотнение вещества газопылевого облака (возможными причинами чего могли стать как естественная динамика облака, так и прохождение сквозь вещество облака ударной волны от взрыва сверхновой, и др.), которое стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества - центром гравитационного коллапса. Облако уже содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы (металлы), оставшиеся после звёзд предыдущих поколений. Кроме того, коллапсирующее облако обладало некоторым начальным угловым моментом.
В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска.
Как следствие сжатия росла плотность и интенсивность столкновений друг с другом частиц вещества, в результате чего температура вещества непрерывно возрастала по мере сжатия. Наиболее сильно нагревались центральные области диска.
При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться - сформировалась протозвезда. Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. За счёт гидродинамических неустойчивостей, в них стали развиваться отдельные уплотнения, ставшие локальными гравитационными центрами формирования планет из вещества протопланетного диска.
Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов кельвинов, в центральной области началась термоядерная реакция горения водорода. Протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, вращающиеся вокруг центрального светила примерно в одной плоскости и в одном направлении.

2. Последующая эволюция

Раньше считалось, что все планеты сформировались приблизительно на тех орбитах, где находятся сейчас, однако в конце 20 - начале 21 века эта точка зрения радикально изменилась. Сейчас считается, что на заре своего существования Солнечная система выглядела совсем не так, как она выглядит сейчас. По современным представлениям, внешняя Солнечная Система была гораздо компактнее по размеру чем сейчас, Пояс Койпера был гораздо ближе к Солнцу, а во внутренней Солнечной системе помимо доживших до настоящего времени небесных тел существовали и другие объекты, по размеру не меньшие чем Меркурий.

2.1. Планеты земного типа

Гигантское столкновение двух небесных тел, породившее спутник Земли Луну.

В конце эпохи формирования планет внутренняя Солнечная система была населена 50-100 протопланетами с размерами, вырьирующимися от лунного до марсианского . Дальнейший рост размеров небесных тел был обусловлен столкновениями и слияниями этих протопланет между собой. Так, например, в результате одного из столкновений Меркурий лишился большей части своей мантии , в то время как в результате другого был рожден спутник Земли Луна. Эта фаза столкновений продолжалась около 100 миллионов лет до тех пор, пока на орбитах не осталось 4 массивных небесных тела известных сейчас .

Одной из нерешенных проблем данной модели является тот факт, что она не может объяснить, как начальные орбиты протопланетных объектов, которые должны были обладать высоким эксцентриситетом, чтобы сталкиваться между собой, смогли в результате породить стабильные и близкие к круговым орбиты оставшихся четырех планет . По одной из гипотез, эти планеты были сформированы в то время, когда межпланетное пространство ещё содержало значительное количество газо-пылевого материала, который за счёт трения снизил энергию планет и сделал их орбиты более гладкими . Однако этот же самый газ должен был предотвратить возникновение большой вытянутости в первоначальных орбитах протопланет . Другая гипотеза предполагает. что коррекция орбит внутренних планет произошла не за счет взаимодействия с газом, а за счет взаимодействия с оставшимися более мелкими телами системы. По мере прохождения крупных тел сквозь облако мелких объектов последние из-за гравитационного влияния стягивались в регионы с более высокой плотностью, и создавали таким образом «гравитационные гребни» на пути прохождения крупных планет. Увеличивающееся гравитационное влияние этих «гребней», согласно этой гипотезе, заставляло планеты замедляться и выходить на более округлую орбиту .

2.2. Пояс астероидов

Внешняя граница внутренней Солнечной системы располагается между 2 и 4 а.е. от Солнца и представляет собой пояс астероидов. Изначально астероидный пояс содержал достаточное количество материи чтобы сформировать 2-3 планеты Земля. Эта область содержала большое количество планетозималей, которые слипались между собой, образуя всё более крупные объекты. В результате этих слияний в поясе астероидов сформировалось около 20-30 протопланет с размерами от лунного до марсианского . Однако начиная с того времени, когда в относительной близости от пояса сформировалась планета Юпитер, эволюция этой области пошла по другому пути. Мощные орбитальные резонансы с Юпитером и Сатурном, а также гравитационные взаимодействия с более массивными протопланетами этой области разрушали уже сформированные планетозимали. Попадая в область действия резонанса при прохождении поблизости планеты-гиганта планетозимали получали дополнительное ускорение, врезались в соседние небесные тела и дробились вместо того чтобы плавно сливаться .

По мере миграции Юпитера к центру системы возникающие возмущения имели всё более выраженный характер . В результате этих резонансов планетозимали меняли эксцентриситет и наклонение своих орбит и даже выбрасывались за пределы астероидного пояса. Некоторые из массивных протопланет также были выброшены Юпитером за пределы пояса астероидов, в то время как другие протопланеты, вероятно, мигрировали во внутреннюю Солнечную систему, где сыграли финальную роль в увеличении массы нескольких оставшихся планет земного типа . В течение этого периода истощения влияние планет-гигантов и массивных протопланет заставило астероидный пояс «похудеть» до всего лишь 1 % от Земной массы, которую составляли в основном маленькие планетозимали . Однако эта величина в 10-20 раз больше современного значения массы астероидного пояса, которая теперь составляет 1/2000 массы Земли . Считается, что второй период истощения, который и привёл массу астероидного пояса к текущим значениям, наступил, когда Юпитер и Сатурн вошли в орбитальный резонанс 2:1.

Вполне вероятно, что период гигантских столкновений в истории внутренней Солнечной системы сыграл важную роль в получении Землёй её запасов воды (~6×10 21 кг). Дело в том, что вода - слишком летучее вещество, чтобы возникнуть естественным образом во время формирования Земли. Скорее всего она была занесена на Землю из внешних, более холодных областей Солнечной системы . Возможно именно протопланеты и планетозимали, выброшенные Юпитером за пределы астероидного пояса, занесли воду на Землю . Другими кандидатами на роль главных доставщиков воды являются также кометы главного пояса астероидов, обнаруженные в 2006 году , в то время как кометы из пояса Койпера и из других отдалённых областей предположительно занесли на Землю не более 6 % воды .

2.3. Планетная миграция

В соответствии с небулярной гипотезой две внешние планеты Солнечной системы находятся в «неправильном» месте. Уран и Нептун, «ледяные гиганты» Солнечной системы, располагаются в области, где пониженная плотность вещества туманности и длительные орбитальные периоды делали формирование таких планет весьма маловероятным событием. Считается, что эти две планеты изначально сформировались на орбитах вблизи Юпитера и Сатурна, где имелось гораздо больше строительного материала, и только спустя сотни миллионов лет мигрировали на свои современные позиции .

Симуляция, показывающая расположение внешних планет и пояса Койпера: a) Перед орбитальным резонансом 2:1 Юпитера и Сатурна b) Разбрасывание объектов древнего пояса Койпера по Солнечной системе после сдвига орбиты Нептуна c) После выбрасывания Юпитером объектов пояса Койпера за пределы системы

Планетная миграция в состоянии объяснить существование и свойства внешних регионов Солнечной системы .За Нептуном Солнечная система содержит пояс Койпера, рассеянный диск и облако Оорта, представляющие собой рассеянные скопления маленьких ледяных тел и дающие начало большинству наблюдаемых в Солнечной системе комет . Сейчас пояс Койпера располагается на расстоянии 30-55 а.е. от Солнца, рассеянный диск начинается в 100 а.е. от Солнца, а облако Оорта - в 50000 а.е. от центрального светила. Однако в прошлом пояс Койпера был гораздо плотнее и ближе к Солнцу. Его внешний край находился примерно в 30 а.е. от Солнца, в то время как его внутренний край располагался непосредственно за орбитами Урана и Нептуна, которые в свою очередь были также ближе к Солнцу (приблизительно 15-20 а.е) и, кроме того, располагались в противоположном порядке: Уран был дальше от Солнца чем Нептун .

После формирования Солнечной системы орбиты всех планет-гигантов продолжали медленно изменяться под влиянием взаимодействий с большим количеством оставшихся планетозималей. Спустя 500-600 миллионов лет (4 миллиарда лет назад) Юпитер и Сатурн вошли в орбитальный резонанс 2:1; Сатурн совершал один оборот вокруг Солнца в точности за то время, за которое Юпитер совершал 2 оборота . Этот резонанс создал гравитационное давление на внешние планеты, вследствие чего Нептун вырвался за пределы орбиты Урана и врезался в древний пояс Койпера. По этой же причине планеты стали отбрасывать окружающие их ледяные планетозимали вовнутрь Солнечной системы, в то время как сами стали отдаляться вовне. Этот процесс продолжался аналогичным образом: под действием резонанса планетозимали выбрасывались вовнутрь системы каждой последующей планетой, которую они встречали на своем пути, а орбиты самих планет отдалялись все дальше . Этот процесс продолжался до тех пор, пока планетозимали не вошли в зону непосредственного влияния Юпитера, после чего огромная гравитация этой планеты отправила их на высокоэллиптические орбиты или даже выбросила их за пределы Солнечной системы. Эта работа в свою очередь слегка сдвинула орбиту Юпитера вовнутрь [~ 1] . Объекты, выброшенные Юпитером на высокоэллиптические орбиты, сформировали облако Оорта, а тела, выброшенные мигрирующим Нептуном, сформировали современный пояс Койпера и рассеянный диск . Данный сценарий объясняет, почему рассеянный диск и пояс Койпера имеют малую массу. Некоторые из катапультированных объектов, включая Плутон, со временем вошли в гравитационный резонанс с орбитой Нептуна . Постепенно трение с рассеянным диском сделало орбиты Нептуна и Урана вновь гладкими .

Считается, что в отличие от внешних планет внутренние тела системы не претерпевали значительных миграций, поскольку после периода гигантских столкновений их орбиты оставались стабильными .

2.4. Тяжёлое Бомбардирование

Гравитационное разрушение древнего астероидного пояса, вероятно, положило начало периоду Тяжёлого Бомбардирования, происходившему около 4 миллиардов лет назад, 500-600 миллионов лет после формирования Солнечной системы. Этот период длился несколько сотен миллионов лет и его последствия видны до сих пор на поверхности геологически неактивных тел Солнечной системы, таких как Луна или Меркурий. А самое древнее свидетельство жизни на Земле датируется 3.8 миллиардами лет назад - почти сразу после окончания периода Позднего Тяжёлого Бомбардирования.

Гигантские столкновения являются нормальной (хоть и редкой в последнее время) частью эволюции Солнечной системы. Доказательствами этого служат столкновение кометы Шумейкера-Леви с Юпитером в 1994, падение на Юпитер небесного тела в 2009 и метеоритный кратер в Аризоне. Это говорит о том, что процесс аккреции в Солнечной системе ещё не закончен, и, следовательно, представляет опасность для жизни на Земле.

2.5. Формирование спутников

Естественные спутники образовались у большинства планет Солнечной системы, а также у многих других тел. Различают три основных механизма их формирования:

формирование из около-планетного диска (в случае газовых гигантов)
фомирование из осколков столкновения (в случае достаточно крупного столкновения под малым углом)
захват пролетающего объекта

Юпитер и Сатурн имеют много спутников, таких как Ио, Европа, Ганимед и Титан, которые, вероятно, сформировались из дисков вокруг этих планет-гигантов по тому же принципу, как и сами эти планеты сформировались из диска вокруг молодого Солнца. На это указывают их большие размеры и близость к планете. Эти свойства невозможны для спутников, приобретённых путём захвата, а газообразная структура планет делает невозможной и гипотезу формирования лун путем столкновения планеты с другим телом.

3. Будущее

По оценкам астрономов Солнечная система не будет претерпевать экстремальных изменений до тех пор, пока Солнце не израсходует запасы водородного топлива. Этот рубеж положит начало переходу Солнца с главной последовательности диаграммы Герцшпрунга - Рассела в фазу красного гиганта. Однако и в фазе главной последовательности звезды Солнечная система продолжает эволюционировать.

3.1. Долговременная устойчивость

Солнечная система является хаотичной системой , в которой орбиты планет непредсказуемы на очень длинном отрезке времени. Одним из примеров такой непредстазуемости является система Нептун-Плутон, находящаяся в орбитальном резонансе 3:2. Несмотря на то, что сам по себе резонанс будет оставаться стабильным, невозможно предсказать хоть с каким-нибудь приближением положение Плутона на орбите более чем на 10-20 миллионов лет (время Ляпунова) . Другим примером может служить наклон оси вращения Земли, который по причине трения внутри Земной мантии, вызванного приливными взаимодействиями с Луной, невозможно высчитать начиная с некоторого момента между 1.5 и 4.5 миллиардами лет в будущем .

Орбиты внешних планет хаотичны на больших временных масштабах: их время Ляпунова составляет 2-230 миллионов лет . Это не только означает, что позицию планеты на орбите начиная с этого момента в будущем невозможно определить хоть с каким-нибудь приближением, но и орбиты сами по себе могут экстремально измениться. Наиболее сильно хаос системы может проявиться в изменении эксцентриситета орбиты, при котором орбиты планет становятся более или менее эллиптическими .

Солнечная система является устойчивой в том смысле, что никакая из планет не может столкнуться с другой или быть выброшенной за пределы системы в ближайшие несколько миллиардов лет . Однако за этими временными рамками, например, в течение 5 миллиардов лет, эксцентриситет орбиты Марса может вырасти до значения 0.2, что приведет к пересечению орбит Марса и Земли, а значит, и к реальной угрозе столкновения. В этот же период времени эксцентриситет орбиты Меркурия может увеличиться ещё больше, и впоследствии близкое прохождение около Венеры может выбросить Меркурий за пределы Солнечной системы , или вывести на курс столкновения с самой Венерой или с Землёй .

3.2. Спутники и кольца планет

Эволюция лунных систем планет определяется приливными взаимодействиями между телами системы. Из-за разности силы гравитации, воздействующей на планету со стороны спутника, в разных её областях (более удаленные области притягиваются слабее, в то время как более близкие - сильнее), форма планеты изменяется - она как бы слегка вытягивается в направлении спутника. Если направление обращения спутника вокруг планеты совпадает с направлением вращения планеты, и при этом планета вращается быстрее чем спутник, то этот «приливный бугор» планеты будет постоянно «убегать» вперёд по отношению к спутнику. В этой ситуации угловой момент вращения планеты будет передаваться спутнику. Это приведет к тому, что спутник будет получать энергию и постепенно удаляться от планеты, в то время как планета будет терять энергию и вращаться все медленнее и медленнее.

Земля и Луна являются примером такой конфигурации. Вращение Луны приливно-закреплено по отношению к Земле: период обращения Луны вокруг Земли (в настоящее время примерно 29 дней) совпадает с периодом вращения Луны вокруг своей оси, и поэтому Луна всегда повернута к Земле одной и той же стороной. Луна постепенно отдаляется от Земли, в то время как вращение Земли постепенно замедляется. Через 50 миллиардов лет, если они переживут расширение Солнца, Земля и Луна станут приливно-закреплены по отношению друг к другу. Они войдут в так называемый спин-орбитальный резонанс, при котором Луна будет обращаться вокруг Земли за 47 дней, период вращения обоих тел вокруг своей оси будет одинаков, и каждое из небесных тел будет всегда видимо только с одной стороны для своего партнера .

Другими примерами такой конфигурации являются системы Галилеевых спутников Юпитера , а также большинство крупных лун Сатурна. .

Нептун и его спутник Тритон, заснятый при пролете миссии Вояджер-2 . В будущем, вероятно, этот спутник будет разорван на части приливными силами, породив новое кольцо вокруг планеты.

Иной сценарий ожидает системы, в которых спутник движется вокруг планеты быстрее, чем она вращается вокруг себя, или в которых спутник движется в направлении противоположном направлению вращения планеты. В таких случаях приливная деформация планеты постоянно отстает от позиции спутника. Это меняет направление переноса углового момента между телами на противоположное. что в свою очередь приведет к ускорению вращения планеты и сокращению орбиты спутника. С течением времени спутник будет приближаться по спирали к планете, пока в какой-то момент либо не упадет на поверхность или в атмосферу планеты, либо не будет разорван приливными силами на части, породив таким образом планетарное кольцо. Такая судьба ожидает спутник Марса Фобос (через 30-50 миллионов лет) , спутник Нептуна Тритон (через 3,6 миллиарда лет) , Метиду и Адрастею Юпитера , и, как минимум, 16 мелких лун Урана и Нептуна. Дездемона Урана при этом может быть даже столкнётся с луной-соседкой .

Ну и, наконец, в третьем типе конфигурации планета и спутник приливно-закреплены по отношению друг к другу. В этом случае «приливный бугор» расположен всегда точно под спутником, передача углового момента отсутствует, и, как следствие, орбитальный период не меняется. Примером такой конфигурации является Плутон и Харон .

До экспедиции аппарата Кассини - Гюйгенс в 2004 году считалось, что кольца Сатурна намного моложе Солнечной системы, и что они просуществуют не более чем 300 миллионов лет. Предполагалось, что гравитационные взаимодействия с лунами Сатурна будут постепенно передвигать внешний край колец ближе к планете, в то время как гравитация Сатурна и бомбардирующие метеориты закончат начатое, полностью расчистив пространство вокруг Сатурна . Однако данные с миссии Кассини заставили учёных пересмотреть эту точку зрения. Наблюдения зарегистрировали ледяные глыбы материала до 10 км в диаметре, находящиеся в постоянном процессе дробления и переформирования, которые постоянно обновляют кольца. Эти кольца намного более массивные чем кольца других газовых гигантов. Считается, что именно эта большая масса сохранила кольца в течение 4.5 миллиардов лет, начиная с момента когда сформировался Сатурн, и, вероятно, сохранит их в течение последующих миллиардов лет .

3.3. Солнце и планеты

В длительном будущем самые большие изменения в Солнечной системе будут связаны с изменением состояния Солнца вследствие его старения. По мере сжигания Солнцем запасов водородного топлива оно будет становиться всё горячее, и, как следствие, будет расходовать остатки водорода всё быстрее. В результате этого Солнце будет увеличивать светимость на 10 процентов каждые 1.1 миллиардов лет. Спустя 1 миллиард лет из-за увеличения солнечного излучения его околозвёздная обитаемая зона сдвинется за пределы современной земной орбиты: поверхность Земли разогреется так сильно, что на ней станет невозможным присутствие воды в жидком состоянии. Испарение воды с поверхности океанов создаст парниковый эффект, что приведет к ещё более интенсивному разогреву Земли. В этой фазе существование жизни на земной поверхности станет невозможным . Однако представляется вероятным, что в этот период начнет постепенно повышаться температура поверхности Марса. Вода и углекислый газ, замороженные в недрах планеты, начнут высвобождаться в атмосферу, и это приведёт в созданию парникового эффекта, ещё более увеличивающему скорость разогрева поверхности. В результате атмосфера Марса достигнет условий схожих с земными, и таким образом Марс вполне может стать потенциальным убежищем для жизни в будущем .

По прошествии примерно 3.5 миллиардов лет от настоящего времени условия на поверхности Земли будут похожи на современные условия планеты Венеры .

Структура звезды солнечного типа и красного гиганта

Приблизительно через 5.4 миллиардов лет от настоящего времени ядро Солнца станет настолько горячим, что запустит процесс горения водорода в окружающей оболочке . Это повлечет за собой сильное расширение внешних слоёв звезды, и таким образом Солнце войдёт в новую фазу своей эволюции, превратившись в красный гигант . В этой фазе радиус Солнца составит 1.2 а.е., что в 256 раз больше его теперешнего радиуса. Многократное увеличение площади поверхности звезды приведет к снижению температуры поверхности (около 2600 К) и к увеличению светимости (в 2700 раз больше современного значения). Во время фазы красного гиганта Солнце будет испытывать сильное влияние звёздного ветра, который унесет около 33 % его массы . Вполне вероятно, что в течение данного периода спутник Сатурна Титан достигнет условий, приемлемых для поддержания жизни .

По мере своего расширения Солнце полностью поглотит планеты Меркурий и, вероятно, Венеру . Судьба Земли менее ясна. Несмотря на то, что радиус Солнца будет включать современную Земную орбиту, потеря звездой массы и, как следствие, уменьшение силы гравитации приведут к перемещению планетных орбит на более дальние расстояния . И можно было бы предположить, что это позволит Земле и Венере избежать поглощения материнской звездой , однако исследования 2008 года показывают, что Земля скорее всего всё-таки будет поглощена Солнцем вследствие приливных взаимодействий с его внешней оболочкой .

Туманность Кольцо - планетарная туманность, похожая на ту, которую однажды в будущем породит Солнце

Постепенно сгорание водорода в областях вокруг солнечного ядра будет приводить к увеличению его массы до тех пор пока не достигнет значения 45 % от массы звезды. В этот момент его плотность и температура станут такими высокими, что произойдет гелиевая вспышка и начнется процесс синтеза гелия в углерод. Во время этой фазы Солнце уменьшится в размере от предыдущих 250 до 11 радиусов. Его светимость уменьшится с 3000- до 54-кратного уровня современного Солнца, а температура поверхности увеличится до 4770 К. Фаза синтеза гелия в углерод будет иметь стабильный характер, но продлится только 100 миллионов лет. Постепенно, как и в фазе горения водорода, в реакцию будут захватываться запасы гелия из областей, окружающих ядро, что приведёт к повторному расширению звезды. Данная фаза переведёт Солнце в Асимптотическую ветвь гигантов Диаграммы Герцшпрунга-Расселла. В этой фазе светимость Солнца увеличится снова до 2090 современных светимостей, а температура поверхности упадет до 3500 К . Эта фаза продлится около 30 миллионов лет, после которой в течение последующих 100 000 лет оставшиеся внешние слои Солнца будут сброшены вовне в виде мощных струй материи. Отбрасываемая материя образует гало, именуемое Планетарной туманностью, которое будет состоять из продуктов горения последних фаз - гелия и углерода. Эта материя будет участвовать в обогащении межзвёздного пространства тяжёлыми элементами, необходимыми для образования космических тел следующих поколений .

Процесс сброса Солнцем внешних слоев является относительно спокойным явлением по сравнению, например, со взрывом сверхновой. Он представляет собой значительное увеличение силы солнечного ветра, недостаточное для разрушения им близлежащих планет. Однако значительная потеря звездой своей массы заставит планеты сместиться со своих орбит, повергнув Солнечную систему в хаос. Некоторые из планет могут столкнуться между собой, некоторые могут покинуть Солнечную систему, некоторые - остаться на отдалённом расстоянии . А от Солнца в конце концов останется маленький белый карлик - суперплотное космическое тело, составляющее 54 процента от первоначальной Солнечной массы, но в диаметре примерно равное диаметру Земли. Изначально этот белый карлик может иметь светимость в 100 раз превышающую современную солнечную. Он будет полностью состоять из вырожденного углерода и кислорода, но никогда не сможет достичь температур, достаточных для начала синтеза этих элементов. Таким образом, белый карлик Солнце будет постепенно остывать, становясь всё тусклее и тусклее .

По мере умирания Солнца его гравитационное влияние на обращающиеся вокруг тела (планеты, кометы, астероиды) будет ослабевать из-за потери звездой массы. Орбиты всех сохранившихся планет переместятся на более дальние расстояния: если Венера, Земля и Марс будут всё ещё существовать, их орбиты будут лежать приблизительно в 1.4 а.е (210,000,000 км), 1.9 а.е. (280,000,000 км), и 2.8 а.е. (420,000,000 км). Эти и все оставшиеся планеты превратятся в темные холодные глыбы лишенные каких-либо форм жизни . Они продолжат обращаться по своим орбитам вокруг Солнца на более медленных скоростях по причине увеличения расстояния от Солнца и уменьшения силы гравитации. 2 миллиарда лет спустя, когда Солнце охладится до 6000-8000 К, углерод и кислород в ядре Солнца замерзнут, 90 % массы ядра примет кристаллическую структуру . В последующие триллионы лет Солнце полностью погаснет и превратится в чёрный карлик .

4. Галактическое взаимодействие

Расположение Солнечной системы в галактике Млечный Путь

Солнечная Система движется сквозь галактику Млечный Путь по круговой орбите на расстоянии примерно 30 000 световых лет от галактического центра со скоростью 220 км/с. Период обращения вокруг центра галактики, так называемый галактический год, составляет для Солнечной Системы примерно 220-250 миллионов лет. С начала своего формирования Солнечная система совершила как минимум 20 оборотов вокруг центра галактики .

Многие ученые считают, что прохождение Солнечной системы сквозь галактику влияет на периодичность массовых вымираний животного мира в прошлом. Согласно одной из гипотез, вертикальные осцилляции Солнца на его орбите вокруг галактического центра, приводящие к регулярному пересечению Солнцем галактической плоскости, изменяют мощность воздействия приливных сил галактики на Солнечную систему. Когда Солнце находится вне галактического диска, влияние галактических приливных сил меньше; когда оно возвращается в галактический диск - а это происходит каждые 20-25 миллионов лет - то попадает под влияние гораздо более мощных приливных сил. Это, согласно математическим моделям, увеличивает на 4 порядка частоту комет, прибывающих из Облака Оорта в Солнечную систему, а значит, сильно увеличивает и вероятность глобальных катастроф в результате падения комет на Землю .

Однако многие оспаривают эту гипотезу, приводя аргумент, что Солнце уже находится вблизи галактической плоскости, однако последнее массовое вымирание было 15 миллионов лет назад. Следовательно, вертикальное расположение Солнечной системы относительно галактической плоскости само по себе не может объяснить периодичность массовых вымираний на Земле, однако выдвигается предположение, что эти вымирания могут быть связаны с прохождением Солнца сквозь спиральные рукава галактики. Спиральные рукава содержат не только большие скопления молекулярных облаков, гравитация которых может деформировать облако Оорта, но и большое количество ярких голубых гигантов, которые живут относительно недолгое время, и умирают, взрываясь сверхновыми, опасными для всего живого поблизости .

4.1. Столкновение галактик

Галактики «Антенны» - пример сталкивающихся галактик

Несмотря на то, что подавляющее большинство галактик во Вселенной удаляется от Млечного пути, Галактика Андромеды, являющаяся самой крупной галактикой местной группы, напротив, приближается к нему со скоростью 120 км/с . Через 2 миллиарда лет Млечный путь и Андромеда столкнутся, и в результате этого столкновения обе галактики деформируются. Внешние спиральные рукава разрушатся, но зато образуются «приливные хвосты», вызванные приливным взаимодействием между галактиками. Вероятность того, что в результате этого события Солнечная система будет выброшена из Млечного пути в хвост, составляет 12 %, а вероятность захвата Солнечной системы Андромедой составляет 3 % . После серии касательных столкновений, повышающих вероятность выброса Солнечной Системы из Млечного пути до 30 % , их центральные черные дыры сольются в одну. По прошествии 7 миллиардов лет Млечный Путь и Андромеда закончат свое слияние и превратятся в одну гигантскую эллиптическую галактику. Во время слияния галактик из-за увеличившейся силы гравитации межзвездный газ будет интенсивно притягиваться к центру галактики. Если этого газа будет достаточно много, это может привести к так называемой вспышке звездообразования в новой галактике . Падающий в центр галактики газ будет активно подпитывать новообразованную черную дыру, превращая её в активное галактическое ядро. В эту эпоху, вероятно, Солнечная система будет вытолкнута во внешнее гало новой галактики, что позволит ей остаться на безопасном расстоянии от радиации этих грандиозных коллизий .

Достаточно распространено ошибочное предположение, что столкновение галактик почти наверняка разрушит Солнечную систему, однако это не совсем так. Несмотря на то, что гравитация пролетающих мимо звезд вполне в состоянии это сделать, расстояние между отдельными звездами настолько велико, что вероятность разрушительного влияния какой-нибудь звезды на целостность Солнечной системы во время галактического столкновения весьма незначительна. Скорее всего Солнечная система испытает на себе влияние столкновения галактик как целое, но расположение планет и Солнца между собой останется непотревоженным .

Однако с течением времени суммарная вероятность для Солнечной системы быть разрушенной гравитацией пролетающих мимо звезд постепенно возрастает. Предполагая, что Вселенная не закончит своё существование в виде большого сжатия или большого разрыва, расчеты предсказывают, что Солнечная система будет полностью разрушена пролетающими звездами за 1 квадриллион (10 15) лет. В том отдалённом будущем Солнце и планеты продолжат свое путешествие по галактике, однако Солнечная система как единое целое прекратит своё существование .

Примечания

Причина, по которой Сатурн, Уран и Нептун двигались вовне, в то время как Юпитер двигался вовнутрь, состоит в том, что Юпитер достаточно массивен, чтобы выбрасывать планетозимали за пределы Солнечной системы, а эти три планеты - нет. Для того, чтобы выбросить планету за пределы системы, Юпитер передает ей часть своей орбитальной энергии, и следовательно, приближается к Солнцу. Когда Сатурн, Уран и Нептун выбрасывают планетозимали вовне, эти объекты выходят хоть и на высокоэллиптические, но всё же замкнутые орбиты, и таким образом, могут вернуться к возмущающим планетам и возместить им их потерянную энергиюю. Если же эти планеты выбрасывают планетозимали вовнутрь системы, то это увеличивает их энергию и заставляет их отдаляться от Солнца. И что ещё более важно, объект, выброшенный этими планетами вовнутрь, имеет больше шансов быть захваченным Юпитером и потом быть выброшенным за пределы системы, что навсегда закрепляет лишнюю энергию, полученную внешними планетами при «катапультировании» этого объекта.

Происхождение Солнечной системы напрямую обязано силам тяготения. Именно, благодаря им, существуют Вселенная, галактики, звёзды и планеты. Люди, жившие много столетий назад, предполагали, что должны существовать какие-то таинственные силы, исподволь управляющие миром. Но первым, кто создал математическую модель всемирного тяготения, был английский физик, математик и астроном Исаак Ньютон (1642-1727). Он заложил основы небесной механики.

Именно на основании работ Ньютона появились эмпирические законы Кеплера. Была создана теория движения комет и Луны. Ньютон научно объяснил прецессию земной оси. Всё это по сей день считается огромным вкладом в науку. А вот свои соображения об образовании Солнца и планет высказал впервые немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804).

В 1755 году увидело свет его сочинение "Всеобщая естественная история и теория неба". В ней философ предположил, что все небесные тела и само светило возникли из туманности, которая изначально представляла собой огромное газопылевое облако. Кант первым заговорил о космогонии - происхождении мира.

Для этого необходим первичный материал и силы тяготения. А вот божественное вмешательство в данном вопросе не требуется. То есть мир возник в результате физических законов, а Бог в этом не принимал никакого участия. В то время это было довольно смелое утверждение.

Три стадии образования Солнечной системы

Современные взгляды на происхождение Солнечной системы во многом совпадают с умозаключениями Канта. Недаром же он, если верить Булгакову, постоянно завтракал с самим Дьяволом . Стало быть, философ знал, что говорил, и нынешние учёные умы с ним во многом согласны.

Основная теория предполагает, что на месте нынешней Солнечной системы 5 млрд. лет тому назад существовало гигантское облако из газов и пыли . Оно имело огромные размеры, и было растянуто в пространстве на 6 млрд. км. Аналогичные пылевые облака существуют во многих уголках необъятной Вселенной. Их основная масса состоит из водорода. Это тот газ, из которого первоначально образуются звёзды. Затем, в результате термоядерной реакции, начинает выделяться инертный газ гелий. На долю остальных веществ приходится всего 2%.

В какой-то момент пылевое облако получило внешний мощный импульс, представляющий собой огромный выброс энергии. Это могла быть ударная волна, сгенерированная взрывом сверхновой звезды. А возможно, что внешнего воздействия и не было. Просто за счёт закона притяжения облако стало уменьшаться в объёме и уплотняться.

Данный процесс дал толчок гравитационному коллапсу. То есть произошло быстрое сжатие космической массы. В результате этого в центре возникло раскалённое ядро с очень высокой плотностью. Вся остальная масса рассосредоточилась по краям ядра. А так как в космосе всё вращается вокруг своей оси, то эта масса приобрела форму диска.

Ядро уменьшалось в размере, увеличивая свою температуру и плотность. В результате оно трансформировалось в протозвезду . Так называется звезда, в которой существуют предпосылки для начала термоядерной реакции. А газовое облако вокруг ядра всё больше уплотнялось.

Наконец, в ядре температура и давление достигли критической величины. Это спровоцировало начало термоядерной реакции, и водород начал превращаться в гелий. Протозвезда перестала существовать, а вместо неё возникла звезда под названием Солнце . Весь этот процесс продолжался около одного млн. лет. По космическим меркам совсем немного.

А вот далее пошёл другой процесс. Газопылевые облака, вращающиеся вокруг Солнца, стали стягиваться в плотные кольца. В каждом из них образовался сгусток с более высокой плотностью. Причём наиболее тяжёлые вещества оказались в центре сгустка, а лёгкие создали внешнюю оболочку. Так сформировались ядра планет, окружённые газами.

Выражаясь совсем просто, можно сказать, что с ближайших ядер звезда "сдула" газовые оболочки. Так образовались маленькие планеты, вращающиеся рядом с Солнцем. Это Меркурий, Венера, Земля и Марс . А другие планеты находились на большом расстоянии от светила. Поэтому свои "газовые шубы" и сохранили. В настоящее время они известны как газовые планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун . На все эти трансформации ушло ещё 4 миллиона лет.

В дальнейшем произошло возникновение спутников вокруг планет. Так возле Земли появилась Луна . Остальные планеты также обзавелись спутниками. И, в конце концов, образовалось единое космическое сообщество, которое существует по сей день.

Вот таким образом наука объясняет происхождение Солнечной системы. Кстати, данная теория присуща и другим звёздным образованиям, которых в космосе бесконечное множество. Кто знает, может быть где-то в чёрной бездне существует аналогичная нашей звёздная система. Там есть разумная жизнь, а, следовательно, имеется и какая-то цивилизация. Вполне возможно, что когда-нибудь люди встретят братьев по разуму. Это станет самым выдающимся событием нашей истории .

Ни одна из большого числа различных моделей происхождения и развития Солнечной системы не удостоилась перевода в ранг общепризнанной теории.

Согласно гипотезе Канта – Лапласа система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи, находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

Впервые английский физик и астрофизик Дж. Х. Джинс (1877 - 1946) предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, превратилась в планеты. Учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется невероятным.

Из современных гипотез происхождения Солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика Х. Альфвена (1908 - 1995) и английского Ф. Хойла (1915 - 2001). Согласно этой теории первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того, как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде – Солнцу, но его магнитное поле остановило движущийся газ на различных расстояниях – как раз там, где находятся планеты. Гравитационные и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение этого газа. В результате образовались планеты. Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, создав, таким образом, системы спутников.

Известна также гипотеза образования Солнечной системы из холодного газопылевого облака, окружающего Солнце, предложенная советским ученым О.Ю. Шмидтом (1891 - 1956).

Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд. лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвездного газопылевого облака. Это начальное облако было, вероятно, размером в несколько световых лет и являлось прародителеи для нескольких звезд.

В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшились и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Центр, где собралась большая часть массы, становился все более и более горячим, чем окружающий диск. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного протопланетного диска с диаметром примерно 200 а.е. и горячей, плотной протозвезды в центре. Полагают, что в этой точке эволюции Солнце было звездой типа Т Тельца. Изучение таких звезд показывает, что они часто сопровождаются протопланетными дисками с массами 0,001 – 0,1 солнечной массы, с подавляющим процентом массы туманности, сосредоточенным непосредственно в звезде. Планеты сформировались аккрецией из этого диска (рис.27).

В течение 50 млн лет давление и плотность водорода в центре протозвезды стали достаточно большими для начала термоядерных реакций. Температура, скорость реакции, давление и плотность увеличились, пока не было достигнуто гидростатическое равновесие, с тепловой энергией, противостоящей силе гравитационного сжатия. На этом этапе Солнце стало полноценной звездой главной последовательности.

Рис.27 Эволюция Солнца

Солнечная система просуществует, пока Солнце не начнет развиваться вне главной последовательности диаграммы Герцшпрунга – Рассела, которая показывает зависимость между яркостью звезд и температурой их поверхности. Более горячие звезды являются более яркими.

Солнце сжигает запасы водородного топлива, при этом выделяющаяся энергия, имеет тенденцию к исчерпанию, заставляя Солнце сжиматься. Это увеличивает давление в его недрах и нагревает ядро, таким образом ускоряя сжигание топлива. В результате Солнце становится ярче на примерно десять процентов каждые 1,1 млрд лет.

Через приблизительно 5 - 6 млрд. лет, водород в ядре Солнца будет полностью преобразован в гелий, что завершит фазу главной последовательности. В это время внешние слои Солнца расширятся примерно в 260 раз – Солнце станет красным гигантом. Из-за чрезвычайно увеличивающейся площади поверхности, она будет гораздо более прохладной, чем при нахождении на главной последовательности (2600 К).

В конечном счете, внешние слои Солнца будут выброшены мощным взрывом в окружающее пространство, образовав планетарную туманность, в центре которой останется лишь небольшое звездное ядро – белый карлик, необычно плотный объект в половину первоначальной массы Солнца, но размером с Землю. Эта туманность возвратит часть материала, который сформировал Солнце, в межзвездную среду.

Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.

Отсутствие общепризнанной версии происхождения планетной системы имеет свое объяснение. Прежде всего, единственность объекта наблюдения исключает применение сравнительного анализа и заставляет решать нелегкую задачу восстановления истории на основании одних только знаний о сегодняшнем состоянии Солнечной системы. Например, представления об эволюции звезд от их рождения до гибели получены благодаря накоплению и статистической обработке наблюдаемых данных о современном состоянии множества звезд разных классов, находящихся на разных стадиях развития. Неудивительно, что о развитии далеких от нас звезд астрономия знает существенно больше, чем о происхождении и развитии места нашего обитания – Солнечной системы.

Таким образом, солнечная система – очень сложное природное образование, сочетающее разнообразие составляющих ее элементов с высочайшей устойчивостью системы как целого. При огромном числе и разнообразии составляющих систему элементов, при тех сложных взаимоотношениях, которые устанавливаются между ними, задача определения механизма ее образования, оказывается очень непростой.

В Солнечную систему входят:

· Солнце;

· 4 планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс и их спутники;

· пояс малых планет – астероидов, куда входит планета – карлик Церера;

· бесчисленное число метеоритных тел, движущихся как роями, так и одиночно.

· 4 планеты – гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и их спутники;

· сотни комет;

· кентавры;

· транснептуновые объекты: пояс Койпера, куда входят 4 планеты – карлика: Плутон, Хаумеа, Макемаке, Эрида и рассеянный диск;

· Отдаленные области, куда входит облако Оорта и Седна;

· Пограничные области.

Солнце

Солнце относится к рядовым звездам нашей Галактики и представляет собой раскаленный газовый (плазменный) шар преимущественно гелиево- водородного состава, который разбавлен примесью (около 1%) остальных химических элементов, соотношение которых изменяется от поверхности к ядру. В верхних слоях Солнца водорода содержится около 90 %, а гелия – 10 %. В ядре содержится лишь 37 % водорода. Соотношение между водородом и гелием с течением времени изменяется в пользу гелия, поскольку уже в течение 4,5 млрд. лет на Солнце протекают термоядерные реакции, превращающие ядра водорода в ядра гелия. Ежесекундно около 600 млн. т водорода превращаются в гелий при температуре около 15 млн. 0 С. При этом 4,3 млн. т переходит в лучистую энергию (рис.28).

Пересказ истории рождения нашей Солнечной системы весьма однообразен уже многие годы. Все началось миллиарды лет назад с темного и медленно вращающегося облака газа и пыли. Облако сжималось, образуя в своем центре Солнце. Со временем из остатков газа и твердых обломков, крутившихся вокруг нашей звезды, сформировались восемь планет и множество меньших тел, таких как . С тех пор планеты кружат вокруг Солнца и их движения точны и предсказуемы, как часовой механизм.

В последнее время астрономы обнаруживают факты, опровергающие эту старую сказку. По сравнению с устройством тысяч недавно обнаруженных экзопланетных систем наиболее характерные черты нашей Солнечной системы - ее внутренние каменистые планеты, внешние газовые гиганты и отсутствие планет внутри орбиты Меркурия - выглядят довольно странно. Моделируя на компьютерах прошлое, мы видим, что эти причуды стали продуктом бурной молодости. Необходимо переписать историю Солнечной системы, включив в нее гораздо больше драмы и хаоса, чем большинство из нас ожидали.

Новый вариант истории повествует о блуждающих планетах, изгнанных из родных мест, о потерянных мирах, сгинувших давным-давно в огненном пекле Солнца, и об одиноких гигантах, заброшенных в холодные глубины у границы межзвездного пространства. Изучая эти древние события и оставшиеся после них «шрамы» - вроде предполагаемой девятой планеты, которая может скрываться за орбитой Плутона, - астрономы выстраивают стройную картину важнейших формообразующих эпох Солнечной системы на фоне нового понимания космических процессов.

Классическая Солнечная система

Планеты- это побочный продукт формирования звезд, протекающего в недрах гигантских молекулярных облаков, превосходящих наше Солнце по массе в 10 тыс. раз. Отдельные уплотнения в облаке под действием гравитации сжимаются, образуя в своем центре светящуюся протозвезду, окруженную широким непрозрачным кольцом из газа и пыли - протопланетным диском.

Многие десятилетия теоретики моделировали протопланетный диск нашего Солнца, пытаясь объяснить одну из важнейших особенностей Солнечной системы: ее деление на группы каменистых и газовых планет. Орбитальные периоды четырех землеподобных планет заключены между 88-дневным Меркурием и 687-дневным Марсом. В отличие от этого известные газовые гиганты находятся на гораздо более далеких орбитах с периодами от 12 до 165 лет и все вместе более чем в 150 раз превосходят по массе планеты земной группы.

Оба типа планет, как полагают, родились в едином процессе формирования, в котором твердые пылинки, мчась в турбулентном вихре газового диска, сталкивались и слипались, образуя тела километрового масштаба - планетезимали (примерно так на неподметенном полу вашей кухни воздушные потоки и электростатические силы скатывают пылевые шарики). Самые крупные планетезимали обладали наибольшим гравитационным притяжением и росли быстрее других, притягивая мелкие частицы к своей орбите. Вероятно, в течение миллиона лет в процессе сжатия из облака протопланетный диск нашей Солнечной системы, как и любой другой во Вселенной, кишел планетными эмбрионами размером с Луну.

Самый крупный эмбрион располагался непосредственно за современным поясом астероидов, достаточно далеко от света и тепла новорожденного Солнца, где в протопланетном диске сохранялись льды. За этой «границей льдов» эмбрионы могли пировать на обильных россыпях планетостроительных льдов и вырастать до огромных размеров. Как водится, «богатые становятся богаче»: крупнейший эмбрион рос быстрее других, выгребая своим гравитационным полем большую часть доступного льда, газа и пыли из окружающего диска. Всего лишь примерно за миллион лет этот жадный эмбрион вырос настолько, что стал планетой Юпитер. Как думали теоретики, то был решающий момент, когда архитектура Солнечной системы разделилась надвое. Отстав от Юпитера, другие планеты-гиганты Солнечной системы оказались мельче, поскольку они росли медленнее, захватывая своей гравитацией лишь тот газ, который не успел захватить Юпитер. А внутренние планеты оказались еще намного мельче, так как они родились внутри границы льдов, где диск был почти лишен газа и льда.

Экзопланетная революция

Когда два десятилетия назад астрономы стали обнаруживать экзопланеты, они начали тестировать теорию формирования Солнечной системы на галактическом масштабе. Многие из первых открытых экзопланет оказались «горячими юпитерами», то есть газовыми гигантами, стремительно обращающимися вокруг своих звезд с периодами всего несколько суток. Существование гиганских планет так близко к пылающей поверхности звезды, где лед совершенно отсутствует, полностью противоречит классической картине формирования планет. Чтобы объяснить этот парадокс, теоретики предположили, что горячие юпитеры формируются вдали, а затем как-то мигрируют внутрь.

Более того, основываясь на данных о тысячах экзопланет, обнаруженных в таких обзорах, как сделанный космическим телескопом NASA «Кеплер», астрономы пришли к тревожному выводу о том, что двойники Солнечной системы весьма редки. Средняя планетная система содержит одну или несколько суперземель (планет, в несколько раз больших Земли) с орбитальными периодами короче примерно 100 суток. А гигантские планеты типа Юпитера и Сатурна встречаются лишь у 10% звезд, и еще реже они движутся по почти круговым орбитам.

Обманутые в своих ожиданиях, теоретики поняли, что «несколько важных деталей» классической теории формирования нашей планетной системы требуют лучшего объяснения. Почему внутренняя область Солнечной системы столь маломассивна в сравнении с ее экзопланетными аналогами? Вместо суперземель в ней мелкие каменистые планеты, и нет ни одной внутри 88-суточной орбиты Меркурия. И почему орбиты планет-гигантов у Солнца такие круглые и широкие?

Очевидно, ответы на эти вопросы кроются в недостатках классической теории формирования планет, не учитывающей изменчивость протопланетных дисков. Оказывается, новорожденная планета, как спасательный плотик в океане, может дрейфовать далеко от места своего рождения. После того как планета подросла, ее гравитация начинает влиять на окружающий диск, возбуждая в нем спиральные волны, гравитация которых оказывает влияние уже на движение самой планеты, создавая мощные положительную и отрицательную обратные связи между планетой и диском. В результате может происходить необратимый обмен импульсом и энергией, позволяющий молодым планетам отправляться в эпическое путешествие по родительскому диску.

Если учесть процесс миграции планет, то границы льдов внутри дисков уже не играют особой роли в формировании структуры планетных систем. Например, планеты-гиганты, рожденные за границей льдов, могут стать горячими юпитерами, дрейфуя к центру диска, то есть путешествуя вместе с газом и пылью по спирали по направлению к звезде. Беда в том, что этот процесс работает даже слишком хорошо и, кажется, должен происходить во всех протопланетных дисках. Тогда как же объяснить далекие орбиты Юпитера и Сатурна вокруг Солнца?

Смена галса

Первый намек на убедительное объяснение дала в 2001 г. компьютерная модель Фредерика Массе (Frederic Masset) и Марка Снэллгроува (Mark Snellgrove) из Лондонского университета королевы Марии. Они моделировали одновременную эволюцию орбит Сатурна и Юпитера в протопланетном диске Солнца. Из-за меньшей массы Сатурна его миграция к центру происходит быстрее, чем у Юпитера, в результате чего орбиты этих двух планет сближаются. В конце концов орбиты достигают определенной конфигурации, известной как резонанс средних движений, при котором Юпитер делает три оборота вокруг Солнца за каждые два орбитальных периода Сатурна.

Две планеты, связанные резонансом средних движений, могут обмениваться друг с другом импульсом и энергией туда-сюда, наподобие межпланетной игры с перебрасыванием горячей картофелины. Из-за согласованной природы резонансных возмущений обе планеты оказывают усиленное гравитационное влияние друг на друга и на свое окружение. В случае Юпитера и Сатурна эта «раскачка» позволила им коллективно воздействовать своей массой на протопланетный диск, создав в нем большой разрыв с Юпитером на внутренней стороне и Сатурном на внешней. Причем из-за своей большей массы Юпитер сильнее притягивал к себе внутренний диск, чем Сатурн- внешний. Парадоксально, но это заставило обе планеты изменить движение и начать удаляться от Солнца. Такую резкую смену направления миграции часто называют сменой галса (the grand tack) из-за сходства с движением лавирующего парусника, идущего против ветра.

В 2011 г., через десять лет после рождения концепции смены галса, компьютерная модель Кевина Уолша (Kevin J. Walsh) и его коллег из Обсерватории Лазурного берега в Ницце (Франция) показала, что эта идея хорошо объясняет не только динамическую историю Юпитера и Сатурна, но и распределение каменистых и льдистых астероидов, а также малую массу Марса. Когда Юпитер мигрировал внутрь, своим гравитационным влиянием он захватывал и перемещал планетезимали на своем пути сквозь диск, сгребая и толкая их перед собой, как бульдозер. Если предположить, что Юпитер, прежде чем повернуть назад, мигрировал к Солнцу до расстояния нынешней орбиты Марса, то он мог перетащить ледяные блоки общей массой более десяти масс Земли в область землеподобных планет Солнечной системы, обогащая ее водой и другими летучими веществами. Этот же процесс мог создать четкую внешнюю границу у внутренней части протопланетного диска, прекратив рост ближайшего планетного эмбриона, который в результате стал тем, что сегодня мы называем Марсом.

Атака Юпитера

Несмотря на то что сценарий смены галса в 2011 г. выглядел весьма убедительным, его отношение к другим неразгаданным тайнам нашей Солнечной системы, таким как полное отсутствие планет внутри орбиты Меркурия, оставалось неясным. По сравнению с другими планетными системами, где плотно упакованы суперземли, наша кажется почти пустой. Неужели наша Солнечная система миновала важнейший этап формирования планет, который мы видим повсюду во Вселенной? В 2015 г. двое из нас (Константин Батыгин и Грегори Лафлин) рассмотрели, как бы могла повлиять смена галса на гипотетическую группу близких к Солнцу суперземель. Наш вывод оказался поразительным: суперземли не пережили бы смену галса. Замечательно, что миграциями Юпитера внутрь и наружу можно объяснить многие свойства планет, которые нам известны, а также и неизвестные.

Когда Юпитер погрузился во внутреннюю область Солнечной системы, своим «бульдозерным» влиянием на планетезимали он должен был нарушить их аккуратные круговые орбиты, превратив их в хаотический клубок пересекающихся траекторий. Некоторые планетезимали должны были сталкиваться с большой силой, разбиваясь на фрагменты, которые неизбежно порождали дальнейшие столкновения и разрушения. Таким образом, миграция Юпитера внутрь скорее всего вызвала каскад столкновений, который разрушал планетезимали, измельчая их до размера валунов, гальки и песка.

Под действием столкновительного трения и аэродинамического сопротивления в загазованной внутренней области протопланетного диска разрушенные планетезимали быстро теряли свою энергию и по спирали приближались к Солнцу. Входе этого падения они легко могли быть захвачены в новые резонансы, связанные с какой-либо из близких к ним суперземель.

Таким образом, смена галса Юпитера и Сатурна, возможно, вызвала мощную атаку на население первичных внутренних планет Солнечной системы. По мере того как бывшие суперземли падали на Солнце, они должны были оставлять за собой пустынную область в протопланетной туманности, простирающуюся до орбитальных периодов около 100 суток. В результате стремительный маневр Юпитера по молодой Солнечной системе привел к появлению довольно узкого кольца каменистых обломков, из которых через сотни миллионов лет сформировались планеты земной группы. Приведшее к этой тонкой хореографии стечение случайных событий указывает, что маленькие каменистые планеты типа Земли - а возможно, и сама жизнь на них - должны редко встречаться во Вселенной.

Модель Ниццы

К тому времени, когда Юпитер и Сатурн двинулись обратно из своего набега во внутреннюю часть Солнечной системы, протопланетный газово-пылевой диск уже сильно истощился. В конце концов резонансная пара- Юпитер и Сатурн - сблизилась с недавно сформировавшимися Ураном и Нептуном, а также, возможно, с еще одним телом подобного размера. С помощью гравитационных эффектов торможения в газе динамический дуэт захватил и эти меньшие гиганты в резонансы. Таким образом, когда большая часть газа ушла из диска, внутренняя архитектура Солнечной системы, вероятно, состояла из кольца каменистых обломков в окрестности нынешней орбиты Земли.

Во внешней области системы была компактная резонансная группа по меньшей мере из четырех планет-гигантов, движущихся по почти круговым орбитам между нынешней орбитой Юпитера и примерно половиной расстояния до нынешней орбиты Нептуна. В наружной части диска, за орбитой самой внешней планеты-гиганта, на дальнем холодном краю Солнечной системы двигались льдистые планетезимали. За сотни миллионов лет сформировались планеты земной группы, а некогда беспокойные внешние планеты пришли в состояние, которое можно было бы назвать стабильным. Однако это еще не было заключительным этапом эволюции Солнечной системы.

Смена галса и атака Юпитера вызвали последний всплеск межпланетного буйства в истории Солнечной системы, нанесли последний штрих, который привел планетную свиту нашего Солнца практически в ту конфигурацию, которую мы видим сегодня. Этот последний эпизод, названный поздней тяжелой бомбардировкой, произошел между 4.1 и 3,8 млрд лет назад, когда Солнечная система временно превратилась в тир. заполненный множеством сталкивающихся планетезималей. Сегодня шрамы от столкновений с ними видны в виде кратеров на поверхности Луны.

Работая с несколькими коллегами в Обсерватории Лазурного берега в Ницце в 2005 г., один из нас (Алессандро Морбиделли) создал так называемую модель Ниццы, чтобы объяснить, как взаимодействие между гигантскими планетами могло вызвать позднюю тяжелую бомбардировку. Там, где заканчивается смена галса, начинается модель Ниццы.

Близко расположенные друг к другу планеты-гиганты все еще двигались во взаимном резонансе и по-прежнему чувствовали слабое гравитационное влияние окраинных льдистых планетезималей. Фактически они балансировали на грани нестабильности. Накапливаясь за миллионы орбитальных оборотов в течение сотен миллионов лет, каждое незначительное по отдельности влияние внешних планетезималей понемногу меняло движение гигантов, медленно выводя из тонкого баланса резонансов, связывавшего их друг с другом. Переломный момент наступил, когда один из гигантов выпал из резонанса с другим, нарушив тем самым баланс и запустив серию взаимных хаотических возмущений планет, которые сдвинули Юпитер немного внутрь системы, а остальные гиганты - наружу. За короткое по космическим масштабам время в несколько миллионов лет внешняя область Солнечной системы пережила резкий переход от плотно упакованной, с почти круговыми орбитами к рассеянной и неупорядоченной конфигурации с движением планет по широким вытянутым орбитам. Взаимодействие между гигантскими планетами было настолько сильным, что одна или даже несколько из них, возможно, были выброшены далеко за пределы Солнечной системы, в межзвездное пространство.

Если бы динамическая эволюция на этом остановилась, то строение внешних областей Солнечной системы соответствовало бы той картине, которую мы видим у многих экзопланетных систем, где гиганты движутся вокруг своих звезд по эксцентрическим орбитам. К счастью, диск из льдистых планетезималей, вызвавший до этого беспорядок в движении планет-гигантов, позже помог его ликвидировать, взаимодействуя с их вытянутыми орбитами. Проходя поблизости от Юпитера и других планет-гигантов, планетезимали постепенно отбирали у них энергию орбитального движения и тем самым округляли их орбиты. При этом большинство планетезималей были выброшены за пределы гравитационного влияния Солнца, но некоторые остались на связанных орбитах, образовав диск из льдистого «мусора», который теперь мы называем поясом Койпера.

Девятая планета: окончательная теория

Упорные наблюдения на крупнейших телескопах постепенно раскрывают нам просторы пояса Койпера, демонстрируя его неожиданную структуру. В частности, астрономы заметили своеобразное распределение самых далеких , движущихся у внешних границ области обзора. Несмотря на большую разницу расстояний от Солнца, орбиты этих объектов плотно сгруппированы, как будто бы все они испытывают общее и очень сильное возмущение. Компьютерное моделирование, выполненное Батыгиным и Майклом Брауном (Michael Е. Brawn) из Калифорнийского технологического института, показало, что такую картину могла бы создать не обнаруженная до сих пор с массой раз в десять больше, чем у Земли, движущаяся по весьма эксцентрической орбите вокруг Солнца с периодом около 20 тыс. лет. Такая планета вряд ли могла сформироваться настолько далеко, но ее появление там довольно легко можно понять, если она была заброшена туда в эпоху юности Солнечной системы.

Если существование девятой планеты подтвердится, это резко усилит ограничения на картину эволюции нашей странной - с «дырой» в центре - Солнечной системы и выставит новые требования к теории, которая могла бы объяснить все ее особенности. Сейчас астрономы используют крупнейшие телескопы Земли, пытаясь найти эту загадочную планету. Ее открытие завершило бы предпоследнюю главу в длинной и сложной истории о том, как мы пытались понять наше место во Вселенной. А завершится эта история лишь тогда, когда мы наконец-то найдем планеты с жизнью, обращающиеся вокруг других звезд.

Как секвенирование нитей ДНК раскрывает историю древних миграций человечества по поверхности нашей маленькой планеты, так и компьютерное моделирование позволяет астрономам реконструировать величественную историю путешествий планет за миллиарды лет жизни Солнечной системы. От момента своего рождения в темном молекулярном облаке к формированию первых планет, к разрушительным событиям смены галса, атаки Юпитера и модели Ниццы, к возникновению жизни и сознания вблизи по меньшей мере одной из звезд на просторах Млечного Пути полная биография нашей Солнечной системы станет одним из самых значительных достижений современной науки - и, несомненно, одной из самых грандиозных историй, которые когда-либо были рассказаны.

Материал из Википедии и видео (фильм компании США Flight 33 Productions и Workaholic Productions).

Согласно современным представлениям, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного молекулярного облака. Большая часть вещества оказалась в гравитационном центре коллапса с последующим образованием звезды Солнца. Вещество, не попавшее в центр, сформировало вращающийся вокруг него протопланетный диск, из которого в дальнейшем сформировались планеты,их спутники, астероиды и другие малые тела Солнечной системы.

Гипотеза об образовании Солнечной системы из газопылевого облака - небулярная гипотеза - первоначально была предложена в XVIII веке Эммануилом Сведенборгом, Иммануилом Кантом и Пьером-Симоном Лапласом. В дальнейшем её развитие происходило с участием множества научных дисциплин, в том числе астрономии, физики, геологии и планетологии. С началом космической эры в 1950-х годах, а также с открытием в 1990-х годах планет за пределами Солнечной системы (экзопланет), эта модель подверглась многократным проверкам и улучшениям для объяснения новых данных и наблюдений.

В общих чертах, процесс формирования нашей системы можно описать следующим образом:
Спусковым механизмом гравитационного коллапса стало небольшое(спонтанное) уплотнение вещества газопылевого облака (возможными причинами чего могли стать как естественная динамика облака, так и прохождение сквозь вещество облака ударной волны от взрыва сверхновой, и др.), которое стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества - центром гравитационного коллапса. Облако уже содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы (Металличность), оставшиеся после звёзд предыдущих поколений. Кроме того, коллапсирующее облако обладало некоторым начальным угловым моментом.
В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска.
Как следствие сжатия росла плотность и интенсивность столкновений друг с другом частиц вещества, в результате чего температура вещества непрерывно возрастала по мере сжатия. Наиболее сильно нагревались центральные области диска.
При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться - сформировалась протозвезда. Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. За счёт гидродинамических неустойчивостей, в них стали развиваться отдельные уплотнения, ставшие локальными гравитационными центрами формирования планет из вещества протопланетного диска.

Планеты земного типа

Гигантское столкновение двух небесных тел, возможно, породившее спутник Земли Луну
В конце эпохи формирования планет внутренняя Солнечная система была населена 50-100 протопланетами с размерами, варьирующимися от лунного до марсианского. Дальнейший рост размеров небесных тел был обусловлен столкновениями и слияниями этих протопланет между собой. Так, например, в результате одного из столкновений Меркурий лишился большей части своей мантии, в то время как в результате другого был рождён спутник Земли Луна. Эта фаза столкновений продолжалась около 100 миллионов лет до тех пор, пока на орбитах не осталось 4 массивных небесных тела известных сейчас.

Одной из нерешённых проблем данной модели является тот факт, что она не может объяснить, как начальные орбиты протопланетных объектов, которые должны были обладать высоким эксцентриситетом, чтобы сталкиваться между собой, смогли в результате породить стабильные и близкие к круговым орбиты оставшихся четырёх планет. По одной из гипотез, эти планеты были сформированы в то время, когда межпланетное пространство ещё содержало значительное количество газо-пылевого материала, который за счёт трения снизил энергию планет и сделал их орбиты более гладкими. Однако этот же самый газ должен был предотвратить возникновение большой вытянутости в первоначальных орбитах протопланет. Другая гипотеза предполагает, что коррекция орбит внутренних планет произошла не за счёт взаимодействия с газом, а за счёт взаимодействия с оставшимися более мелкими телами системы. По мере прохождения крупных тел сквозь облако мелких объектов последние из-за гравитационного влияния стягивались в регионы с более высокой плотностью, и создавали таким образом «гравитационные гребни» на пути прохождения крупных планет. Увеличивающееся гравитационное влияние этих «гребней», согласно этой гипотезе, заставляло планеты замедляться и выходить на более округлую орбиту.

Поздняя тяжёлая бомбардировка

Гравитационное разрушение древнего астероидного пояса, вероятно, положило начало периоду тяжёлой бомбардировки, происходившему около 4 миллиардов лет назад, через 500-600 миллионов лет после формирования Солнечной системы. Этот период длился несколько сотен миллионов лет и его последствия видны до сих пор на поверхности геологически неактивных тел Солнечной системы, таких как Луна или Меркурий, в виде многочисленных кратеров ударного происхождения. А самое древнее свидетельство жизни на Земле датируется 3,8 миллиардами лет назад - почти сразу после окончания периода поздней тяжёлой бомбардировки.

Формирование спутников
Естественные спутники образовались у большинства планет Солнечной системы, а также у многих других тел. Различают три основных механизма их формирования:

Формирование из около-планетного диска (в случае газовых гигантов)
формирование из осколков столкновения (в случае достаточно крупного столкновения под малым углом)
захват пролетающего объекта
Юпитер и Сатурн имеют много спутников, таких как Ио, Европа, Ганимед и Титан, которые, вероятно, сформировались из дисков вокруг этих планет-гигантов по тому же принципу, как и сами эти планеты сформировались из диска вокруг молодого Солнца. На это указывают их большие размеры и близость к планете. Эти свойства невозможны для спутников, приобретённых путём захвата, а газообразная структура планет делает невозможной и гипотезу формирования лун путём столкновения планеты с другим телом.

Лекция 6.3 | Эволюция планетных систем. Происхождение планет и их спутников | Владимир Сурдин Лекториум Опубликовано: 31 мая 2016 г.

Сурдин - Владимир Георгиевич Сурдин (род. 1 апреля 1953 года, г. Миасс) - советский и российский астроном и популяризатор науки. Кандидат физико-математических наук, доцент. Старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга, доцент физического факультета МГУ. Лауреат Беляевской премии и премии «Просветитель» за 2012 год.Владимир Сурдин является автором и редактором нескольких десятков научно-популярных книг по астрономии и астрофизике, а также множества научно-популярных статей, очерков и интервью. За цикл научно-популярных статей удостоен Беляевской премии. Читает популярные лекции в Политехническом музее. , входит в состав редколлегии её печатного органа - бюллетеня РАН «В защиту науки».

Страница Сурдина со всеми изданными книгами и лекциями, которые учавствуют в нескольких крупнейших общеросиийских образовательных проектах. http://lnfm1.sai.msu.ru/~surdin/

Есть еще документальные фильм серии Вселенная (2007-2012 г) 7 сезонов.
Программа создана компаниями США Flight 33 Productions и Workaholic Productions.
6 сезон 3 серия 2011 год. Как создавалась Солнечная система Все предыдущие копии и ссылки на списки серий перестали работать, а видеоматериалы заблокированы правообладателями. Ну и они значительно устарели, хотя это и было красивое в основном мультяшное кино для детей (анимация имитации движения обьектов солнечной системы там около 80%). Кто хочет может поискать по названию, я просто устала бегать по книге и стирать очередной исчезнувший ролик. Вот похоже из этого фильма предполагаемый механизм формирования красного гиганта и белого карлика в будущей эфолюции нашего Солнца, взгляды на момент примерно 2010 года с тех пор они по этим вопросам вроде мало изменились

Этапы формирования солнечной системы и земли. Как зародилась солнечная система. Проблемы при изучении образования Солнечной системы

План:

Введение

1. Формирование