3. Як формувалися планети-гіганти

Їх зародки могли виникати двома шляхами: через гравітаційну нестійкість газових мас допланетного диска або шляхом наростаючого захоплення газової атмосфери на масивному ядрі з планетезималей.

У першому випадку маса допланетного хмари мала складати значну частку маси Сонця, а склад планет-гігантів повинен збігатися з сонячним. Ні те ні інше не відповідає фактам. Дослідження останніх років показали, що в ядрах Юпітера і Сатурна, мабуть, присутні елементи важче водню і гелію, складові щонайменше 5-6% маси планети. Це істотно більше, ніж можна було б очікувати при сонячному змісті хімічних елементів. Значить, більш ймовірний другий шлях: спочатку, як і у планет земної групи, утворюється масивне ядро-зародок з кам'янистих і крижаних планетезималей, а потім воно нарощує воднево-гелієву оболонку.

Процес приєднання речовини називають аккрецией. Починаючи з одної-двох мас Землі, тіло може не тільки утримувати газову атмосферу на поверхні, але і в збільшуючому темпі захоплювати нові порції газу, якщо на шляху його руху є газова середу. Акреція припиняється лише тоді, коли газ повністю вичерпаний. Тривалість цього процесу набагато коротше, ніж стадія утворення ядра-зародка. За розрахунками вчених, зростання ядра Юпітера тривав десятки, а ядра Сатурна - сотні мільйонів років.

Поки ядро, занурене в газ, невелике, воно приєднує лише невелику атмосферу, що знаходиться в рівновазі. Але при деякій критичній масі (2-3 маси Землі) газ починає в зростаючому темпі випадати на тіло, сильно збільшуючи його масу. На стадії швидкої акреції всього за кілька сот років Юпітер виріс до маси, що перевищує 50 мас Землі, поглинувши газ зі сфери свого гравітаційного впливу. Потім швидкість акреції впала, так як газ міг надходити до планети лише шляхом повільної дифузії з більш широкої зони диска.

Одночасно Юпітер продовжував рости за рахунок твердих планетезималей, а ті, що не були ним поглинені, могли бути відкинуті його тяжінням або всередину, в зону астероїдів і зону Марса, або геть з Сонячної системи. Юпітер надавав твердим тілам швидкості більше швидкості звільнення: для того щоб покинути Сонячну систему з орбіти Юпітера, достатньо швидкості всього 18 км / с, а тіло, що пролітає від Юпітера на відстані декількох його радіусів, розганяється до десятків кілометрів на секунду. Сатурн формувався аналогічним чином. Але його ядро росло не так швидко і досягло критичної маси пізніше.До цього часу через дії сонячного вітру газу залишилося менше, ніж в зоні Юпітера до початку його аккреціі. Ось чому в порівнянні з Юпітером Сатурн містить у декілька разів більше конденсованого речовини і ще сильніше відрізняється за складом від Сонця.

Уран і Нептун росли ще повільніше, а газ з зовнішньої зони диссипирував швидше. Коли ці планети досягли критичної маси, газу в їх зонах майже не залишилося. Тому на частку водню і гелію припадає лише близько 10% маси Урана, Нептун же містить їх ще менше. Головними складовими цих тіл є вода, метан і аміак, а також окисли важких елементів; гази входять в планетні атмосфери.

Двоступенева схема утворення планет-гігантів (формування ядер з конденсованих речовин і газова аккреция на ці ядра) підтверджується фактами. По-перше, з'ясувалося, що сучасні маси ядер Юпітера і Сатурна, а також маси Урана і Нептуна без їх атмосфер мають близькі значення: 14-20 мас Землі, тоді як частка газів - водню і гелію - в них закономірно зменшується по мірі віддалення від сонця. По-друге, існують такі "речові докази" ранньої історії планет-гігантів, як їхні супутники і кільця. Акреція газу на планети супроводжується утворенням навколо них газопилових дисків, в яких формуються супутники.

На стадії швидкої акреції звільнялося величезна кількість енергії, і верхні шари планет сильно нагрівалися. Максимальна температура поверхні Юпітера і Сатурна, мабуть, становила кілька тисяч градусів - майже як у зірок. У диску Юпітера, де формувалися його супутники, на близьких відстанях від планети температура була вище точки конденсації водяної пари, а на більш далеких - нижче. І дійсно, ближні супутники Юпітера, включаючи Іо і Європу, складаються з кам'янистих речовин, а більш віддалені - Ганімед і Каллісто - наполовину з водяного льоду. У Сатурна в диску температура була нижче, тому лід там конденсировался на всіх відстанях (частинки кілець Сатурна і всі його близькі супутники - крижані).