История Солнечной системы — это история превращения хаоса в порядок. И она начинается с одного незначительного события.
1. Протопланетное облако
За миллиарды лет до рождения Солнца Галактика уже существовала. В ней рождались и умирали звезды. Взрывы сверхновых разбрасывали в пространство тяжелые элементы — углерод, кислород, железо, кремний. Из этих «звездных останков» состояли мельчайшие пылинки, дрейфующие в межзвездной среде.
Примерно 4,6 миллиарда лет назад на окраине Галактики, в одном из спиральных рукавов Млечного Пути, существовало гигантское молекулярное облако. Оно вращалось медленно, почти незаметно. Ничто не предвещало событий.
Но что-то произошло. Возможно, неподалеку взорвалась сверхновая. Ударная волна прошла сквозь облако, сжимая его в одном месте. Возможно, облако просто достигло критической массы под действием собственной гравитации. Точная причина неизвестна.
Но факт остается: облако начало сжиматься.
А знаете ли вы? Облако, из которого сформировалась Солнечная система, содержало около 1% тяжелых элементов (все, что тяжелее водорода и гелия). Остальные 99% — водород и гелий. Все планеты, все горы, все наши тела — это 1% примеси в гигантском водородном шаре.
2. Коллапс
Сжатие, или коллапс, происходило катастрофически быстро по космическим меркам. За несколько сотен тысяч лет облако уменьшилось в размерах в тысячи раз.
Гравитация тянула вещество к центру. Чем плотнее становился центр, тем сильнее была гравитация, тем быстрее падал газ. Цепная реакция.
В центре сгустка росла плотность и температура. Когда температура достигла миллионов градусов, запустился термоядерный синтез. Водород начал превращаться в гелий с выделением огромной энергии. Протозвезда зажглась. Это было рождение Солнца.
Но Солнце тогда еще не было таким, как сейчас. Это была молодая звезда — T Тельца. Она вращалась быстрее, была ярче в рентгеновском диапазоне и постоянно извергала мощные струи вещества с полюсов.
Вокруг новорожденного Солнца остался диск из газа и пыли. Он не упал на звезду — центробежная сила удерживала его на орбите. Этот диск, называемый протопланетным, был местом рождения планет.
3. Протопланетный диск
Протопланетный диск имел диаметр около 200 астрономических единиц — в 200 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Он был тонким — толщина в центре составляла десятую долю диаметра. Температура вблизи Солнца достигала тысяч градусов, а на краю была близка к абсолютному нулю.
Внутри диска происходило невероятное. Микроскопические частицы сталкивались и слипались благодаря силам электростатики — тот же эффект, который заставляет воздушные шарики прилипать к волосам.
Крошечные агрегаты росли. Сантиметровые. Метровые. Километровые. Это были планетезимали — зародыши будущих планет.
Внутренняя часть диска была горячей. Там могли существовать только тугоплавкие материалы — металлы и силикаты. Поэтому планеты внутренней Солнечной системы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) — каменные.
Внешняя часть диска была холодной. Там водяной пар конденсировался в лед. Ледяных частиц было намного больше, чем каменных. Поэтому внешние планеты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) набрали огромную массу и стали газовыми гигантами.
4. Аккреция
Когда планетезимали достигли размеров в несколько километров, гравитация начала играть главную роль. Крупные зародыши притягивали к себе более мелкие. Это называется аккрецией.
Процесс был жестоким. Планетезимали сталкивались, слипались, разрушались. Иногда два крупных тела сталкивались и разлетались на тысячи осколков. Иногда они объединялись в еще более крупные.
За 10-100 миллионов лет в зоне формирования каждой планеты остался один доминирующий зародыш — протопланета. Он собрал большую часть материала в своей орбитальной зоне.
Но процесс не был спокойным. Внутренняя Солнечная система была ареной гигантских столкновений. Одно из них, столкновение протоземли с планетой размером с Марс (Тейя), привело к образованию Луны.
Юпитер рос быстрее всех. Он набрал массу, достаточную для того, чтобы начать притягивать газ прямо из протопланетного диска. Водород и гелий хлынули на него, и Юпитер стал газовым гигантом.
5. Солнечный ветер
Примерно через 10 миллионов лет после рождения Солнца наша звезда вошла в фазу T Тельца. Она стала излучать мощный звездный ветер — поток заряженных частиц, летящий со скоростью сотни километров в секунду.
Этот ветер сдул остатки газа из протопланетного диска. Легкие элементы — водород и гелий — были выметены в межзвездное пространство. Тяжелые элементы, связанные в твердых телах, остались.
Таким образом, рост газовых гигантов прекратился. Юпитер и Сатурн успели набрать свои атмосферы. Уран и Нептун, находившиеся дальше, где плотность диска была ниже, успели меньше — они меньше по размеру и содержат меньше водорода и гелия.
Земля и другие каменные планеты потеряли свои первичные атмосферы из водорода и гелия. Их вторичные атмосферы сформировались позже — из газов, выделявшихся из недр при вулканической активности.
6. Миграция планет
Долгое время считалось, что планеты сформировались там, где находятся сейчас. Но современные модели показывают иное.
Юпитер сформировался дальше от Солнца, чем сегодня. Затем он мигрировал внутрь, к Солнцу. Его гравитация разметала планетезимали в поясе астероидов и, возможно, помешала формированию еще одной планеты между Марсом и Юпитером.
Сатурн, Уран и Нептун тоже двигались. Считается, что в какой-то момент Уран и Нептун даже поменялись местами — Нептун изначально был ближе к Солнцу.
Эта миграция, названная моделью Ниццы (в честь французского города, где она была разработана), объясняет многие загадки Солнечной системы: странные орбиты ледяных гигантов, структуру пояса Койпера, позднюю тяжелую бомбардировку Земли.
7. Поздняя тяжелая бомбардировка
Примерно через 500-700 миллионов лет после формирования планет Солнечная система пережила катастрофический период. Миллионы астероидов и комет бомбардировали внутренние планеты.
На Луне этот период оставил огромные кратеры, заполненные затем лавой — темные области, которые мы называем «морями». На Земле следы этой бомбардировки стерты геологической активностью.
Причина — миграция планет-гигантов. Их гравитация дестабилизировала орбиты объектов в поясе астероидов и поясе Койпера. Целый рой камней и льда хлынул внутрь Солнечной системы.
Именно во время этой бомбардировки Земля получила значительную часть своей воды. Кометы и астероиды, падавшие на планету, приносили с собой лед. Возможно, тогда же были занесены первые органические молекулы — кирпичики жизни.
8. Астероиды, кометы, пояс Койпера
Процесс формирования планет не был на 100% эффективным. Значительная часть материала не вошла в состав ни одной планеты.
Пояс астероидов между Марсом и Юпитером — это остатки планетезималей, которые не смогли сформировать планету из-за гравитационных возмущений Юпитера.
Пояс Койпера за орбитой Нептуна — это ледяные планетезимали, оставшиеся с момента формирования. Некоторые из них — карликовые планеты (Плутон, Эрида, Макемаке, Хаумеа).
Облако Оорта — сферическая оболочка на расстоянии до 1,5 световых года от Солнца — это самые далекие ледяные тела, выброшенные гравитацией планет-гигантов на окраину системы.
Кометы, которые мы видим с Земли, приходят из пояса Койпера (короткопериодические кометы) и из облака Оорта (долгопериодические).
9. Уникальность нашей системы
Долгое время Солнечную систему считали типичной. Но открытия экзопланет показали: наша система скорее необычна.
У большинства планетных систем есть суперземли — планеты с массой между Землей и Нептуном — на орбитах меньше орбиты Меркурия. У нас таких нет. Большинство систем имеют горячие юпитеры — газовые гиганты, вращающиеся в непосредственной близости от звезды. У нас Юпитер далеко.
Солнечная система кажется более «аккуратной», чем средняя система. Крупные планеты на круговых орбитах, внутренние — каменные, внешние — газовые и ледяные. Возможно, именно эта упорядоченность создала условия для возникновения жизни на Земле. А возможно, мы просто не видим более хаотичные системы, потому что в них жизнь не возникла и задавать вопросы некому.
10. Как мы это узнали
Историю рождения Солнечной системы мы восстановили по разным источникам.
Метеориты. Хондриты — каменные метеориты — имеют возраст 4,567 миллиарда лет. Они содержат кальций-алюминиевые включения — первые твердые частицы, сконденсировавшиеся в протопланетном диске.
Лунные породы. Образцы, доставленные миссиями «Аполлон», имеют возраст около 4,5 миллиардов лет. Они зафиксировали момент формирования Луны — столкновение с Тейей.
Изотопные соотношения. Разные элементы распадаются с разной скоростью. По соотношению продуктов распада можно определить, когда сформировалось ядро Земли, когда были извергнуты первые лавы.
Компьютерные модели. Мы не можем вернуться в прошлое и посмотреть. Но мы можем создать 100 000 виртуальных протопланетных дисков, запустить симуляцию и посмотреть, какие условия приводят к системе, похожей на нашу. Так мы и выяснили, что Юпитер мигрировал, а Уран и Нептун, вероятно, менялись местами.
Телескопы. Мы видим протопланетные диски вокруг молодых звезд (например, в туманности Ориона или у звезды HL Тельца). Мы видим планеты, формирующиеся прямо сейчас. Это не прошлое, но оно похоже на то, каким было наше прошлое.
Мы знаем, как родилась Земля. Это знание говорит нам о том, насколько мы уникальны — или не уникальны.
В Галактике миллиарды звезд. У многих есть протопланетные диски. Процесс формирования планет, по-видимому, универсален. Но результат зависит от множества факторов: массы звезды, состава облака, наличия соседних сверхновых, случайных столкновений.
Мы живем на планете, которая сформировалась из второстепенных элементов — углерода, кислорода, железа, кремния. Эти элементы были произведены в недрах предыдущих звезд и рассеяны их взрывами. Мы — звездная пыль. В прямом смысле.
И мы живем в системе, которая, вероятно, является одной из «счастливых» — достаточно упорядоченной, чтобы планета земной группы оказалась в зоне обитаемости, получила воду и органику, не была уничтожена гигантскими столкновениями. Возможно, таких систем не так много. Возможно, наша — одна из немногих.
Подпишись, если понравилась статья!