7 подписчиков

Зарождение вселенной

15 января 202415 янв 2024

14 мин

Оглавление

Последующая эволюция
Пояс астероидов
Внешняя граница внутренней Солнечной системы располагается между 2 и 4 а. е. от Солнца и представляет собой пояс астероидов. Выдвигались, но в итоге не были подтверждены гипотезы о существовании планеты между Марсом и Юпитером (например, гипотетической планеты Фаэтон), которая на ранних этапах формирования Солнечной системы разрушилась так, что её осколками стали астероиды, сформировавшие пояс. Согласно современным воззрениям, единой протопланеты — источника астероидов — не было. Изначально астероидный пояс содержал достаточное количество материи, чтобы сформировать 2–3 планеты размером с Землю. Эта область содержала большое количество планетезималей, 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[9]. Однако начиная с того времени, когда в относительной близости от пояса сформировалась планета Юпитер, эволюция этой области пошла по другому пути[3]. Мощные орбитальные резонансы с Юпитером и Сатурном, а также гравитационные взаимодействия с более массивными протопланетами этой области разрушали уже сформированные планетезимали. Попадая в область действия резонанса при прохождении поблизости планеты-гиганта, планетезимали получали дополнительное ускорение, врезались в соседние небесные тела и дробились, вместо того чтобы плавно сливаться[10].

С незапамятный времен человечество пытается ответить на вопрос о том, как появилась Вселенная. Однако всерьез заниматься этим вопросом стали только с началом научной революции, когда в мире стали доминировать теории, доказательства которых осуществлялось эмпирическим путем. Именно с этого момента — промежуток между 16-м и 18-м веками — астрономы и физики стали выводить доказательные объяснения того, с чего началась жизнь нашего Солнца, планет и всей Вселенной.

После формирования Солнечной системы орбиты всех планет-гигантов продолжали медленно изменяться под влиянием взаимодействий с большим количеством оставшихся планетезималей. 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[22]. 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 планетезимали вовнутрь Солнечной системы, в то время как сами стали отдаляться вовне. Этот процесс продолжался аналогичным образом: под действием резонанса планетезимали выбрасывались вовнутрь системы каждой последующей планетой, которую они встречали на своём пути, а орбиты самих планет отдалялись всё дальше[22]. Этот процесс продолжался до тех пор, пока планетезимали 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 [22]. 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[24]. Постепенно трение с рассеянным диском сделало орбиты Нептуна и Урана вновь гладкими[22][25].

Существует также гипотеза о пятом газовом гиганте, претерпевшем радикальную миграцию и вытолкнутом при формировании современного облика Солнечной системы на её далёкие окраины (ставшим гипотетической планетой Тюхе или другой «Планетой X») или даже за её пределы (ставшим планетой-сиротой). По модели астронома Дэвид Несворны из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере (Колорадо, США) 4 млрд лет назад пятая планета-гигант силой своей гравитации вытолкнула Нептун c занимаемой им тогда орбиты рядом с Юпитером и Сатурном, на новое место на самой периферии Солнечной системы, за Ураном. Во время этой одиссеи Нептуна гравитационными силами были выброшены со своих орбит и малые планеты, сформировавшие затем сердцевину нынешнего пояса Койпера. Сама пятая планета-гигант по модели Несворны была выброшена из Солнечной системы навсегда[26].

Гипотезу о наличии массивной планеты за орбитой Нептуна выдвинули Константин Батыгин и Майкл Браун 20 января 2016 года на основе анализа орбит шести транснептуновых объектов. Её предполагаемая масса, использующаяся в расчётах, составляла примерно 10 земных масс, а оборот вокруг Солнца предположительно занимал от 10 000 до 20 000 земных лет[2].

В начале марта 2016 года группа учёных из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и университета Мичигана на основе моделирования методом Монте-Карло предположила, что если Юпитер выкинул Девятую планету на вытянутую орбиту на достаточно ранних стадиях миграции планет, то за 4,5 млрд лет существования и развития Солнечной системы была 10–15-процентная вероятность вылета Девятой планеты за пределы Солнечной системы при прохождении на близком расстоянии от Солнца другой звезды. А значит за всю историю планетарной системы Девятая планета не приближалась достаточно близко к массивным объектам[27].

Считается, что в отличие от внешних планет внутренние тела системы не претерпевали значительных миграций, поскольку после периода гигантских столкновений их орбиты оставались стабильными[6].

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.

Газопылевое облако, в котором сформировались Солнце и ближайшие к нему звёзды, возникло, возможно, в результате взрыва сверхновой звезды массой примерно 30 масс Солнца, после чего в космос попали тяжёлые и радиоактивные элементы. В 2012 году астрономы предложили назвать эту сверхновую Коатликуэ — в честь ацтекской богини [1].

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.

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 (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.
Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов кельвинов, в центральной области началась реакция термоядерного синтеза гелия из 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.

Последующая эволюция

Раньше считалось, что все планеты сформировались приблизительно на тех орбитах, где находятся сейчас, однако в конце XX — начале XXI века эта точка зрения радикально изменилась. Сейчас считается, что на заре своего существования Солнечная система выглядела совсем не так, как она выглядит сейчас[2]. 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.

Пояс астероидов

Внешняя граница внутренней Солнечной системы располагается между 2 и 4 а. е. от Солнца и представляет собой пояс астероидов. Выдвигались, но в итоге не были подтверждены гипотезы о существовании планеты между Марсом и Юпитером (например, гипотетической планеты Фаэтон), которая на ранних этапах формирования Солнечной системы разрушилась так, что её осколками стали астероиды, сформировавшие пояс. Согласно современным воззрениям, единой протопланеты — источника астероидов — не было. Изначально астероидный пояс содержал достаточное количество материи, чтобы сформировать 2–3 планеты размером с Землю. Эта область содержала большое количество планетезималей, 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[9]. Однако начиная с того времени, когда в относительной близости от пояса сформировалась планета Юпитер, эволюция этой области пошла по другому пути[3]. Мощные орбитальные резонансы с Юпитером и Сатурном, а также гравитационные взаимодействия с более массивными протопланетами этой области разрушали уже сформированные планетезимали. Попадая в область действия резонанса при прохождении поблизости планеты-гиганта, планетезимали получали дополнительное ускорение, врезались в соседние небесные тела и дробились, вместо того чтобы плавно сливаться[10].

По мере миграции Юпитера к центру системы возникающие возмущения имели всё более выраженный характер[11]. В результате этих резонансов планетезимали меняли эксцентриситет и наклонение своих орбит и даже выбрасывались за пределы астероидного пояса[9][12]. 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[9][13][14]. 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 планетезимали[12]. Эта величина, однако, в 10–20 раз больше современного значения массы астероидного пояса, которая теперь составляет 1/2000 массы Земли[15]. 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⋅1021 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[16]. Возможно, именно протопланеты и планетезимали, выброшенные Юпитером за пределы астероидного пояса, занесли воду на Землю[13]. Другими кандидатами на роль главных доставщиков воды являются также кометы главного пояса астероидов, обнаруженные в 2006 году[16][17], в то время как кометы из пояса Койпера и из других отдалённых областей предположительно занесли на Землю не более 6 % воды[18][19].

Однако метеориты, образовавшиеся на ранних стадиях формирования Солнечной системы являются "сухими"[20]

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[21].

Планетная миграция в состоянии объяснить существование и свойства внешних регионов Солнечной системы[22]. 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 [23]. 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 50 000 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 Уран был дальше от Солнца, чем Нептун[22].