Примерно 4,6 миллиарда лет назад в некоем оживленном месте галактики Млечный путь обособилось облако из туманности, образованной из вещества после взрыва или даже не одного сверхновых.
Предполагается, что протосолнечное облако было в несколько раз массивнее современного Солнца.
Как оно обособилось? Сценариев может быть множество. Попробуем что-то обобщить, собрать из возможного множества сценариев наиболее очевидные закономерные явления.
Вещества Солнечной системы образовались в недрах массивных звезд в процессах термоядерного синтеза - от гелия до железа и никеля. Более тяжелые элементы синтезировались в процессе разрушения звезд - взрывах сверхновых.
В процессе взрыва сверхновой внешняя внеядерная оболочка звезды сталкивается с сильно вращающейся поверхностью стремительно сжимающегося ядра - будущей нейтронной звезды или с горизонтом событий черной дыры в зависимости от массы разрушающегося объекта. Встретив препятствие, вещество быстро сжимается, резко повышается давление и температура и происходит взрыв.
Бывшая внешняя оболочка звезды разлетается от места взрыва, формируя туманность, которая со временем становится образованием в диаметре порядка 10-20 световых лет.
Есть мнение, что вещество нашей Солнечной системы образовалось из туманности, которая произошла от двух взрывов сверхновых. Такие выводы делаются на основе изотопного анализа. Изотопы - это, напоминаю, химические элементы одного наименования с одинаковым количеством протонов и электронов (зарядовым числом), но имеющие разное количество нейтронов. Они являются как бы метками, по которым можно судить об однородности или неоднородности происхождения какой-либо системы.
Сжатые взрывом плотные фрагменты отброшенного вещества могли стать центром гравитационного притяжения окружающего вещества туманности. Облако под действием гравитации указанного центра притяжения и собственной массы сжималось и приобретало вращательный момент.
Это происходит во всех процессах звездообразования. Что-то заставляет протозвездное облако вращаться.
Дело в том, что гравитационное взаимодействие по Эйнштейну — это искривление пространства-времени. Вещество движется в облаке к центру не прямолинейно, а по дуге искривленного пространства-времени — спирали. Вот и получается самопроизвольное вращение вещества и надобности во внешних воздействиях на это явление нет.
Вращающееся облако выделилось из остальной массы туманности или нескольких туманностей. Предполагается, что в начале своей эволюции оно было размером порядка нескольких световых лет в диаметре.
Под действием силы гравитации растет вращательный момент, т.е количество движения, характеризующееся угловой скоростью вращения и его радиусом. При уменьшении радиуса вращения по мере сжатии облака происходит эффект увеличения угловой скорости вращения.
В центре формируется массивный шар из вещества облака - протосолнце. Его масса растет от падения на него вещества аккреционного облака.
Под действием гравитации и возникающей от вращения центробежной силы само облако приобретает форму компактного аккреционного диска.
По мере наращивания угловой скорости вращения внутри него формируются фракции вещества, вращающиеся по стабильным орбитам - масса вещества в них достигает уровня, при котором сила гравитационного притяжения протосолнца уравновешивается центробежной силой вращения.
Внутри протосолнца загораются смеси водорода, кислорода, азота и углерода под воздействием гравитационного сжатия. Образующиеся при этом углеводороды, аммиак и вода по мере разогрева вещества в виде спиралевидных джетов выталкиваются из полюсов вращения протосолнца.
Вращающиеся остатки этих джетов вполне могли присоединиться под действием гравитации к аккреционному диску. Можно предположить, что они падали на сформировавшиеся кольца вещества на стабильных орбитах диска, и таким образом становились очагами образования вращающихся вокруг своих осей протопланет. Но думается, что так могло происходить только на внешних орбитах, где образовались газовые гиганты и карлики в поясе Койпера. Каменистые планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс создавались по другим сценариям.
Через несколько десятков миллионов лет от начала эволюции облака температура в ядре протосолнечного шара достигла 10 миллионов Кельвинов - а это уже условие для термоядерного синтеза гелия из водорода.
Процесс формирования Солнца до статуса звезды главной последовательности продолжался до тех пор, пока протозвезда не достигла такого уровня силы излучения солнечного ветра, при котором его давления становится достаточно для отталкивания остатков аккреционного вещества от поверхности Солнца.
Солнечный ветер - это поток солнечной плазмы и радиофотонов магнитного поля. Солнечная плазма - это в основном альфа-частицы (атомы и йоны гелия), протоны и электроны.
Массы остатков вещества аккреции протопланетного диска оказалось недостаточно, чтобы сформировать звезду-напарницу, как это часто происходит в таких случаях. Для образования второй звезды необходимо минимум 0,0767 Мс (масс Солнца) вещества. А в наличии было всего 0,0014 Мс. Остальное вещество забрало себе Солнце.
Таким образом, Солнечная система - это нетипичный случай в истории Вселенной. Не единственный, конечно, но нечастый. Все-таки в звездном хозяйстве доминируют звездные пары или сочетания нескольких звездных пар. Это системы, в которых две и более звезд вращаются вокруг общего центра масс.
Почему в случае с Солнечной системой произошло вот так - образовалась только одна звезда с относительно небольшим по массе придатком в виде планет и астероидов?
Общей массы протосолнечного облака должно было хватить для образования, например, двух красных карликов в бинарной системе. Но для этого не хватило количества вращательного момента системы. При более сильном вращении центробежные силы отбрасывали бы вещество облака в большем количестве от протосолнца, ускоряя формирование звезды главной последовательности в центре. А из вращающихся вокруг солнца остатков вещества формировалась бы вторая звезда.
На наше счастье общая плотность первоначального протосолнечного облака перед возникновением гравитационного вращения была относительно высокой, т.е. больше, чем в среднем по небу. Скорее всего за счет плотного вещества в центре облака.
Следовательно, его первоначальный радиус оказался меньше чем обычно бывает при такой массе. В итоге протосолнечная система не смогла довести количество вращательного момента до величин, необходимых для образования бинарной звездной системы. Ну и славно.
В бинарной системе мы бы вряд ли появились на свет, даже если бы планета Земля образовалась и оказалась в "зеленой зоне". Представьте себе два солнца. Нет ночей. В таких условиях невозможно размножаться)))
Одновременно с эволюцией протосолнца происходило образование планет и непланетных объектов на девяти стабильных орбитах — будущие восемь планет и пояс астероидов. Плюс к этому во внешней области образовался обширный разреженный пояс Койпера.
На четырех ближайших к Солнцу орбитах образовались каменистые планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Их называют планетами земной группы. Почему они получились каменистыми? На таких расстояниях от жаркого Солнца с его мощными излучениями солнечного ветра газовые планеты не могут образоваться. Только каменистые или никакие.
Причем эти четыре каменистые планеты имеют значительные по относительной массе железоникелевые ядра.
Ну а подальше от Солнца образовались водородо-гелиевый Юпитер и аналогичные, но поменьше Сатурн, Уран и Нептун. Это группа газовых водородо-гелиевых гигантов. Предполагается, что у них тоже имеются относительно небольшие каменные или даже металлические ядра. И эти ядра обволакиваются слоями так называемого металлического водорода - плазмы из протонов и электронов.
Следует отметить, что все орбиты планет имеют форму эллипсов с небольшим эксцентриситетом. Например, Земля в афелии находится от Солнца в 152 миллионах километров, а в перигелии - в 147 миллионах километров.
В начале своей эволюции планеты Солнечной системы вращались по своим орбитам быстрее, чем в настоящее время. Приливная гравитация Солнца и Юпитера, а также магнитные поля этих объектов замедлили скорости вращения планет. По этим причинам их орбиты приблизились к Солнцу. И этот процесс продолжается.
Между Марсом и Юпитером образовался пояс астероидов. Это не состоявшаяся пятая каменистая планета. Приливная гравитация Юпитера не дала возможности ей образоваться на этой орбите. Ну это когда, кроме одного направления взаимного гравитационного притяжения на камешки действует еще и значительно более сильное притяжение Юпитера, мешающее сближению астероидов друг с другом. Разве что Церера по массе и форме смогла стать карликовой планетой.
А за орбитой Нептуна в широком поясе Койпера сформировались ледяные карликовые планеты — Плутон, Фароут, Хаумеа и Макемаке. В этой области Солнечной системы преобладают замерзшие вода, аммиак и метан.
Орбиты плутоноидов наклонены к плоскости орбит остальных планет. Это свидетельствует о неодновременности формирования орбит основных планет и пояса Койпера. Пояс Койпера в основном образован из джетов вещества протосолнца. Он как бы присоединился к уже сформированному протосолнечному диску.
Кроме указанных плутоноидов в поясе Койпера обнаруживаются сотни тысяч непланетных ледяных объектов.
Непланетными они являются потому, что имеют неправильную форму, т.е. не шарообразны. Шар получается от достаточной массы вещества, когда гравитация сжимает его до минимально возможной поверхности.
А нормальными планетами астрономы договорились считать те образования, которые полностью очистили свои орбиты от остатков вещества. Спутники - это пожалуйста, потому что они являются уже внутренними объектами планетных систем.
Но поясом Койпера не ограничивается Солнечная система.
Солнце излучает свою плазму в виде солнечного ветра, образуя гелиосферу, радиус которой составляет около 120 астрономических единиц. Астрономическая единица - это 150 миллионов километров, то есть радиус земной орбиты вокруг Солнца. Гелиосфера защищает нас от внешнего космического излучения.
Но и это еще не все.
Окончательной структурой Солнечной системы является облако Оорта - зона гравитационного контроля Солнца.
Радиус этого явления составляет один-два световых гола. То есть это та величина, которая нам знакома по показателю радиуса первородной туманности, из которой создавалась Солнечная система. Логично.
В пределах облака Оорта по эллиптическим орбитам гуляют кометы.
Подробности о планетах, спутниках и прочих объектах Солнечной системы я изложу в следующих статьях.
Владимир Черевичко