2. Виникнення і еволюція планет

Тепер можна перейти до теми виникнення планет.

Рух планет в Сонячній системі впорядкування: вони обертаються навколо Сонця в одному напрямку і майже в одній площині. Відстані від однієї планети до іншої зростають закономірно. Орбіти планет близькі до кіл, що і дозволяє їм обертатися навколо Сонця мільярди років, не стикаючись один з одним.

Якщо рух планет підкоряється тому ж порядку, то й процес їх утворення повинен бути єдиним. Це показали в XVIII в. Іммануїл Кант і П'єр Лаплас. Вони дійшли висновку, що на місці планет навколо Сонця спочатку оберталася туманність з газу і пилу.

Але звідки взялася ця туманність? І яким чином газ і пил перетворилися на великі планетні тіла? Ці питання залишалися невирішеними в космогонії XIX і початку XX в. Каменем спотикання була і проблема моменту кількості руху планет. Маса всіх планет системи в 750 разів менше маси Сонця. При цьому на частку Сонця припадає лише 2% загального моменту кількості руху, а інші 98% укладені в орбітальному обертанні планет.

Впритул цими проблемами наука зайнялася лише в другій половині XX в. Майже до кінця 80-х рр. ранню історію нашої планетної системи доводилося "відтворювати" лише на основі даних про неї самої. І тільки до 90-их рр. стали доступні для спостережень невидимі раніше об'єкти - газопилові диски, що обертаються навколо деяких молодих зірок, схожих з Сонцем.

Газопилової туманності, в якої виникли планети, їх супутники, дрібні тверді тіла - метеорити, астероїди і комети, називають протопланетним (або допланетним) хмарою. Планети обертаються навколо Сонця майже в одній площині, а значить, і саме газопилова хмара мало сплощення, чечевицеоподібну форму, тому його називають ще диском. Учені думають, що і Сонце, і диск утворилися з однієї і тієї ж обертаючої маси міжзоряного газу - протосонячній туманності.

Початкова фаза протосонячної туманності - предмет дослідження астрофізики і зоряної космогонії. Вивчення ж її еволюції, що призвела до появи планет, - центральна задача космогонії планетної.

Вік Сонця налічує трохи менше 5 млрд. років. Вік найдавніших метеоритів майже такий же: 4,5-4,6 млрд. років. Настільки ж старі і рано затверділі частини місячної кори. Тому прийнято вважати, що Земля й інші планети сформувалися 4,6 млрд. років тому. Сонце відноситься до зірок так званого другого покоління Галактики. Найстаріші її зірки значно (на 8-10 млрд. років) старше Сонячної системи. В Галактиці є й молоді зірки, яким всього 100 тис. - 100 млн років (для зірки це зовсім юний вік). Багато з них схожі на Сонце, і по них можна судити про початковий стан нашої системи. Спостерігаючи кілька десятків подібних об'єктів, учені прийшли до наступних висновків.

Розмір допланетного хмари Сонячної системи повинен був перевищувати радіус орбіти останньої планети - Плутона. Хімічний склад молодого Сонця і оточувавшої його газопилової хмари-диска, мабуть, був однаковий. Загальний вміст водню і гелію досягало в ньому 98%. На частку всіх інших, більш важких елементів припадало лише 2%; серед них переважали леткі сполуки, що включають вуглець, азот і кисень: метан, аміак, вода, вуглекислота.

Розрахунки показують, що в межах орбіти Плутона, тобто диска радіусом 40 а.о., загальна маса всіх планет разом із загубленими до теперішнього часу летючими речовинами повинна була становити 3-5% від маси Сонця. Таку модель хмари називають хмарою помірно малої маси, вона підтверджується і спостереженнями околозоряних дисків.

Якби маса хмари була порівнянна з масою центрального тіла, то мала б утворитися зірка - компаньйон Сонця (або ж треба знайти пояснення викиду величезних надлишків речовини з Сонячної системи).

Найменш вивчена найраніша стадія - виділення протосонячній туманності з гігантського батьківського молекулярного хмари, що належить Галактиці. В 40-х рр. академік Отто Юлійович Шмідт висунув ставшу загальноприйнятою гіпотезу про утворення Землі та інших планет з холодних твердих допланетних тіл - планетезималей. Поширена раніше точка зору, що планети "- це невеликі залишки колись розпечених гігантських газових згустків сонячного складу, які втратили летючі речовини, прийшла в протиріччя з науками про Землю.

Земля, як показують дослідження, ніколи не проходила через вогненно-рідкий, тобто повністю розплавлений стан. Досліджуючи крок за кроком еволюцію допланетного диска, науковці отримали послідовність основних етапів розвитку газопилового диска, що оточував Сонце, в систему планет.

Початковий розмір хмари перевищував сучасний розмір планетної системи, а його склад відповідав тому, який спостерігається в міжзоряних туманностях: 99% газу і 1% пилових частинок розмірами від часток мікрометра до сотень мікрометрів. Під час колапсу, тобто падіння газу з пилом на центральне ядро (майбутнє Сонце), речовина сильно розігрівалося, і міжзоряний пил міг частково або повністю випаруватися. Таким чином, на першій стадії хмара складалося майже цілком з газу, притому добре перемішаного завдяки високій турбулентності - різноспрямованого, хаотичного руху частинок.

По мірі формування диска турбулентність стихає. Це займає небагато часу - близько 1000 років. При цьому газ охолоджується і в ньому знову утворюються тверді пилові частинки. Такий перший етап еволюції диска.

Для остигаючого допланетного хмари характерно дуже низький тиск - менше десятитисячної частки атмосфери. При такому тиску речовина з газу конденсується безпосередньо в тверді частинки, минаючи рідку фазу. Першими конденсуються самі тугоплавкі сполуки кальцію, магнію, алюмінію і титану, потім магнієві силікати, залізо і нікель. Після цього в газовому середовищі залишаються лише сірка, вільний кисень, азот, водень, все інертні гази і деякі леткі елементи.

В процесі конденсації стають активними пари води, що окислюють залізо і утворюють гідрарізованние з'єднання. Основні ж космічні елементи - водень і гелій - залишаються в газоподібному формі. Для їх конденсації потрібні були б температури, близькі до абсолютного нуля, ні за яких умов недосяжні в хмарі.

Хімічний склад пилинок в допланетного диску визначався температурою, яка падала в міру віддалення від Сонця. На жаль, розрахувати зміну температури в допланетного хмарі дуже важко. Хімічний склад планет земної групи показує, що вони складаються в основному з речовин, конденсованих при високих температурах. У складі ближньої частини пояса астероїдів переважають кам'янисті тіла. Віддаляючись від Сонця в поясі астероїдів збільшується число тіл, які містять збагачені водою мінерали і деякі леткі речовини. Їх вдалося виявити в метеоритах, які є осколками астероїдів. Серед малих планет, мабуть, немає або дуже небагато крижаних тіл. Отже, кордон конденсації водяної криги повинен був проходити за ними, не ближче зовнішнього краю пояса астероїдів - в три з гаком рази далі від Сонця, ніж Земля.

У той же час найбільші супутники Юпітера - Ганімед і Каллісто - наполовину складаються з води. Вони знаходяться на набагато більшій відстані від Сонця, ніж пояс астероїдів. Значить, водяний лід конденсировался у всій зоні утворення Юпітера. Починаючи з орбіти Юпітера і далі в допланетній хмарі повинні були переважати крижані порошинки з вкрапленнями більш тугоплавких речовин. В області зовнішніх планет, при ще більш низькій температурі, в складі порошинок виявилися льоди метану, аміаку, тверда вуглекислота й інші замерзлі летючі з'єднання. Подібний склад в даний час мають кометні ядра, котрі залітають в околиці Землі з далекої периферії Сонячної системи.

Перші конденсати - пилинки, крижинки - відразу після своєї появи починали рухатися крізь газ до центральної площині хмари. Чим крупніше були частинки, тим швидше вони осідали, так як при своєму русі більші частки (на відміну від дрібних) зустрічають менший опір газу на одиницю їх маси.

На другому етапі завершувалося виникнення тонкого пилового шару - пилового субдиска - у центральній площині хмари. Розшарування хмари супроводжувалося збільшенням розмірів часток до декількох сантиметрів. Стикаючись один з одним, частинки злипалися, при цьому швидкість їх руху до центральної площини збільшувалася і зростання теж прискорювався.

У деякий момент щільність пилу в субдиску наблизилася до критичного значення, перевищивши щільність газу вже в десятки разів. При досягненні критичної щільності пиловий шар робиться гравітаційно нестійким. Навіть дуже слабкі ущільнення, випадково виникаючі в ньому, чи не розсіюються, а, навпаки, з часом згущуються. Спочатку в ньому могла утворитися система кілець, які, ущільнюючи, також втрачали свою стійкість і на третьому етапі еволюції диска розпадалися на безліч окремих дрібних згустків. Через обертання, успадкованого від обертового диска, ці згустки не можуть відразу стиснутися до щільності твердих тіл. Але, стикаючись один з одним, вони об'єднуються і все більш ущільнюються. На четвертому етапі утворюється рій допланетних тіл розміром близько кілометра; початкове число їх досягає багатьох мільйонів.

Описаний шлях утворення тіл можливий, якщо пиловий субдиск дуже плоский: його товщина повинна бути в багато разів менше діаметра. Такі об'єкти існують і нині, наприклад кільця Сатурна.

Інший шлях формування допланетних тел крім гравітаційної конденсації - це їх прямий ріст при зіткненнях дрібних частинок. Вони можуть злипатися лише при невеликих швидкостях зіткнень, при досить розпушеній поверхні контакту або в разі підвищеної сили зчеплення.

Такі тіла, яким би з двох шляхів вони не виникли, послужили будівельним матеріалом для формування планет, супутників і метеорних тіл.

Вчені припускають, що допланетні тіла, що утворилися на периферії хмари при дуже низькій температурі, збереглися до цих пір в кометному хмарі, куди вони були закинуті гравітаційними збуреннями планет-гігантів.

Утворення допланетних тіл в газопиловому хмарі тривало десятки тисяч років - вкрай незначний термін в космогонічної шкалі часу. Подальше об'єднання тіл в планети - акумуляція планет - набагато більш тривалий процес, який зайняв сотні мільйонів років. Детально відновити його дуже важко: подальша геологічна стадія, що триває вже більше 4 млрд. років, до теперішнього часу стерла особливості початкового стану планет.

Допланетний рій мав вигляд складної систему великої кількості тіл планетезималей. Вони володіли неоднаковими масами і рухалися з різними швидкостями. Окрім загальної для всіх тіл на даній відстані від Сонця швидкості обертання по орбіті ці тіла мали додаткові індивідуальні швидкості з випадково розподіленими напрямками. В допланетній хмарі найчисленнішими завжди були дрібні частинки і тіла. Меншу частку становили тіла проміжних розмірів. Великих тіл, порівнянних з Місяцем або Марсом, було зовсім мало.

Еволюція хмари вела до того, що саме в небагатьох крупних тілах зосереджувалася основна маса всього планетного речовини. Ця ієрархія збереглася і до наших днів: сукупна маса планет набагато вище загальної маси всіх малих тіл - супутників, астероїдів, комет і пилових частинок.

Великі тіла своїм гравітаційним впливом поступово збільшують хаотичні швидкості планетезималей. Кожне зближення двох тіл змінює характер їх руху по навколосонячними орбітах. Як правило, орбіти стають більш витягнутими і більш нахиленими до центральної площини. Таким чином, протягом цього етапу йде "розгойдування" системи від дуже плоского диска до більш потовщений. При цьому тіла набувають тим більші хаотичні швидкості, чим менше їх маса, і навпаки.

Ростуть тіла дуже нерівномірно. Найбільше з них у будь кільцевої зоні, де орбіти інших тіл перетинаються з його орбітою, отримує привілейоване становище і в перспективі може стати зародком планети.

Роль зіткнень можна пояснити на прикладі сучасного пояса астероїдів, де наслідки ударів неоднакові для різних тел. В нинішній час хаотичні швидкості астероїдів складають приблизно 5 км / с; з такими ж швидкостями вони стикаються з дрібними тілами. Енергія удару при падінні тіла на поверхню астероїда зазвичай так велика, що руйнується не тільки саме впавше тіло, а й частина астероїда. Утворюється ударний кратер, викиди з якого розлітаються зі швидкостями сотні метрів в секунду. Розлітається речовина знову падає на поверхню астероїда тільки в тому випадку, якщо він володіє достатнім тяжінням.

Всі астероїди сучасного пояса втрачають масу при зіткненнях. Лише кілька найбільших (з радіусами більше 200 км) в кращому випадку здатні зберегти свою масу. Точно так само і зіткнення планетезималей приводили до зростання лише найбільш великих з них.

Внутрішню частину Сонячної системи утворюють планети земної групи - Меркурій, Венера, Земля і Марс. Склад цих планет свідчить, що їх зростання відбувалося за відсутності легких газів за рахунок кам'янистих частинок і тіл, що містили різну кількість заліза та інших металів.

Головна умова зростання тіл при зіткненнях - їх низькі відносні швидкості на початковому етапі. Щоб тіла досягли кілометрових розмірів, хаотичні швидкості не повинні перевищувати 1 м / с. Це можливо, тільки якщо немає сильного впливу ззовні. У зоні росту планет земної групи зовнішні впливи були слабкі, лише в зоні Марса позначився вплив Юпітера, сповільнюється його ріст і зменшує масу. В поясі астероїдів, навпаки, явно простежується виводить із рівноваги вплив сусідньої планети-гіганта Юпітера. Стадія об'єднання планетезималей в планети і їх росту тривала більше 100 млн років.

Період диссипации (розсіювання) газу із зони земних планет тривав не більше 10 млн років. В основному газ видувався сонячним вітром, тобто. потоками заряджених частинок (протонів і електронів), що викидаються з поверхні Сонця зі швидкостями сотні кілометрів на секунду.

Сонячний вітер очистив від газу не тільки область планет земної групи, а й більш віддалені простору планетної системи. Однак планети-гіганти Юпітер і Сатурн вже встигли увібрати в себе величезну кількість речовини, переважну частину маси всієї планетної системи.