Как образовалась солнечная система

Исследователи не могут непосредственно изучить то, как сформировалась наша собственная солнечная система, но объединение наблюдений за молодыми звездными системами с компьютерным моделированием привело к моделям того, что могло произойти это много лет назад.

До того, как возникла Солнечная система, огромная концентрация межзвездного газа и пыли создала молекулярное облако, которое должно было сформировать место рождения Солнца. Из-за низких температур газ слипался, становясь все плотнее. Самые плотные части облака начали разрушаться под действием собственной гравитации, возможно, под воздействием близлежащего звездного взрыва, образовав множество молодых звездных объектов, известных как протозвезды.

Гравитация продолжала разрушать материал в зарождающейся солнечной системе, создавая звезду и диск из материала, из которого должны были сформироваться планеты. В конце концов, по данным НАСА, новорожденное солнце охватило более 99% массы Солнечной системы. Когда давление внутри звезды стало настолько сильным, что начался термоядерный синтез, превративший водород в гелий, звезда начала испускать звездный ветер, который помог убрать обломки и остановил их падение внутрь.

Хотя газ и пыль окутывают молодые звезды в видимом диапазоне длин волн, инфракрасные телескопы исследовали многие облака в нашей галактике, чтобы изучить окружающую среду других новорожденных звезд. Ученые применили то, что они видели в других системах, к нашей собственной звезде.

Планеты, луны, астероиды и все остальное в Солнечной системе образовались из небольшой доли материала, который не упал в молодое солнце. Этот материал образовал массивный диск вокруг новорожденной звезды, который окружал ее около 100 миллионов лет — мгновение в астрономических терминах.

За это время из диска образовались планеты и луны. Ученые утверждают, что среди планет Юпитер, вероятно, сформировался первым, возможно, через миллион лет после начала жизни Солнечной системы.

Ученые разработали три различные модели, чтобы объяснить, как могли образоваться планеты в Солнечной системе и за ее пределами. Первая и наиболее широко принятая модель, аккреция ядра, хорошо справляется с образованием скалистых планет земной группы, но имеет проблемы с планетами-гигантами. Вторая, аккреция гальки, может позволить планетам быстро формироваться из мельчайших материалов. Третий, метод нестабильности диска, может объяснять создание планет — гигантов.

Примерно 4,6 миллиарда лет назад Солнечная система представляла собой облако пыли и газа, известное как солнечная туманность. Гравитация сжала материал внутри себя, когда он начал вращаться, образуя солнце в центре туманности.

С восходом солнца оставшийся материал начал склеиваться вместе. Согласно модели аккреции ядра, мелкие частицы, связанные силой тяжести, сближаются в более крупные частицы. Солнечный ветер унес более легкие элементы, такие как водород и гелий, из более близких областей, оставив только тяжелые, скалистые материалы для создания земных миров. Но дальше солнечные ветры оказывали меньшее влияние на более легкие элементы, позволяя им объединяться в газовых гигантов. Таким образом, были созданы астероиды, кометы, планеты и луны.

Некоторые наблюдения экзопланет, по-видимому, подтверждают, что аккреция ядра является доминирующим процессом формирования. Звезды с большим количеством «металлов» — термин, который астрономы используют для обозначения элементов, отличных от водорода и гелия, — в своих ядрах имеют больше планет-гигантов, чем их бедные металлами родственники. По данным НАСА, аккреция ядра предполагает, что небольшие скалистые миры должны быть более распространены, чем крупные газовые гиганты.

Открытие в 2005 году гигантской планеты с массивным ядром, вращающейся вокруг солнцеподобной звезды HD 149026, является примером экзопланеты, которая помогла укрепить аргументы в пользу аккреции ядра. Ученые обнаружили, что ядро планеты примерно в 70 раз массивнее Земли; они считают, что оно слишком велико, чтобы образоваться из коллапсирующего облака.

Самая большая проблема для аккреции ядра — это создание массивных газовых гигантов достаточно быстро, чтобы захватить более легкие компоненты их атмосферы. Исследование, опубликованное в 2015 году, показало, как более мелкие объекты размером с гальку сливались вместе, создавая планеты-гиганты в 1000 раз быстрее, чем в предыдущих исследованиях.

Это первая известная нам модель, в которой вы начинаете с довольно простой структуры солнечной туманности, из которой формируются планеты, и заканчиваете системой планет-гигантов, которую мы видим.

В 2012 году исследователи Михаэль Ламбрехтс и Андерс Йохансен из Лундского университета в Швеции предположили, что крошечные обломки, когда-то списанные, являются ключом к быстрому строительству планет-гигантов. Они показали, что оставшиеся от этого процесса образования камешки, которые ранее считались несущественными, на самом деле могут стать огромным решением проблемы формирования планет.

В симуляциях, которые разработали Левисон и его команда, более крупные объекты вели себя как хулиганы, выхватывая камешки из масс среднего размера, чтобы расти гораздо быстрее.

Другие модели пытаются объяснить образование газовых гигантов. Согласно моделям аккреции ядра, этот процесс занял бы несколько миллионов лет, дольше, чем легкие газы были бы доступны в ранней Солнечной системе.

Планеты-гиганты формируются очень быстро, за несколько миллионов лет. Это создает ограничение по времени, потому что газовый диск вокруг Солнца длится всего 4-5 миллионов лет.

Относительно новая теория, называемая нестабильностью диска, решает эту проблему. В модели нестабильности диска формирования планет скопления пыли и газа связаны друг с другом в начале жизни Солнечной системы. Со временем эти скопления медленно уплотняются в гигантскую планету.

Согласно моделям, планеты могут образоваться таким образом всего за 1000 лет, что позволит им улавливать быстро исчезающие более легкие газы. Они также быстро достигают массы, стабилизирующей орбиту, которая удерживает их от смертельного марша к солнцу.

Поскольку ученые продолжают изучать планеты внутри Солнечной системы, а также вокруг других звезд, они лучше поймут, как образовались газовые гиганты. Первоначально ученые думали, что планеты сформировались в их нынешнем местоположении в Солнечной системе. Но открытие экзопланет встряхнуло ситуацию, показав, что, по крайней мере, некоторые из самых массивных миров могли мигрировать через их окрестности.

В 2005 году в трех статьях, опубликованных в журнале Nature, была изложена идея, которую исследователи назвали моделью Ниццы, в честь города во Франции, где они впервые обсудили ее. Эта модель предполагает, что в первые дни существования Солнечной системы планеты-гиганты были связаны почти круговыми орбитами, гораздо более компактными, чем сегодня. Их окружал большой диск из камней и льда, простирающийся примерно в 35 раз дальше расстояния Земля-Солнце, как раз за нынешней орбитой Нептуна.

Когда планеты взаимодействовали с меньшими телами, они рассеивали большинство этих объектов по направлению к Солнцу. Этот процесс заставил массивные планеты обмениваться энергией с более мелкими объектами, отправляя Сатурн, Нептун и Уран дальше в Солнечную систему. В конце концов маленькие объекты достигли Юпитера, что отправило их на край Солнечной системы или полностью за ее пределы.

Движение между Юпитером и Сатурном привело Уран и Нептун к еще более эксцентричным орбитам, отправив пару через оставшийся диск льдов. Часть материала была выброшена внутрь, где он врезался в планеты земной группы во время Поздней Тяжелой бомбардировки. Другой материал был выброшен наружу, создав пояс Койпера.

Медленно продвигаясь вперед, Нептун и Уран поменялись местами. В конце концов, взаимодействие с оставшимися обломками заставило пару двигаться по более круговым траекториям, когда они достигли своего текущего расстояния от солнца.

По пути наша солнечная система, возможно, потеряла своих членов: возможно, что одна или даже две другие планеты-гиганты были изгнаны из окрестностей всем этим движением. Астроном Дэвид Несворный из SwRI смоделировал раннюю солнечную систему в поисках подсказок, которые могли бы привести к пониманию ее ранней истории.

В первые дни Солнечная система была совсем другой, с большим количеством планет, возможно, таких же массивных, как Нептун, которые формировались и были разбросаны в разных местах.

Даже после того, как сформировались планеты, сама солнечная система была не совсем узнаваема. Земля выделяется среди планет своим высоким содержанием воды, которое, как подозревают многие ученые, способствовало эволюции жизни.