Произходът на Слънчевата система

Има редица факти за Слънчевата система, които не са резултат на явни физически закони (например, законите на Кеплер за движението на планетите, които са пряк резултат от характера на гравитацията). В основата на науката е приемането, че всяко наблюдавано свойство трябва да е резултат от някаква причина. Тези характеристики трябва да са пряк резултат от това как се е формирала Слънчевата система. Списъкът по-долу очертава тези наблюдаваните факти:

Динамични закономерности

• Всички планетарни орбити лежат почти в една равнина, с други думи, Слънчевата система е плоска (орбитата на Плутон е изключение).
• Орбитите на планетите са почти кръгли (изключения са Меркурий и Плутон).
• Орбитите на планетите са в една и съща плоскост с екватора на Слънцето.
• Планетите и Слънцето се въртят в една и съща посока (CCW гледано от север), която е от запад на изток, както се вижда Слънцето в небето от Земята (астрономите наричат това  ​​директна посока на движение ).
• Слънцето и планетите, всички се въртят в една и съща посока с инклинация (наклон между екваториалните и орбитални равнини), които обикновено са малки (изключения са Венера, Уран и Плутон).
• Планетите и повечето астероиди имат сходни ротационни периоди (изключения са Меркурий, Плутон и Венера) и се въртят около оста си в една и съща посока.
• Планетите са равномерно разположени (това често се изразява под формата на проста математическа прогресия, известен като закон на Тициус-Боде).
• Осите на въртене на повечето планети са приблизително перпендикулярни на еклиптиката (Равнината на земната орбита се нарича още равнина на еклиптиката. Самата еклиптика е сечението на тази равнина с небесната сфера. По-интуитивно определение е това, че еклиптиката е видимият път на Слънцето по небесната сфера за 1 година.)
• Основните луни в планетарни спътникови системи приличат на Слънчевата система в по-малък мащаб (кръгови орбити, единна посока на въртене (CCW), в плоска равнина с редовни интервали)

Тези динамични закономерности могат да бъдат обяснени, ако всички планети са образувани от голям въртящ се диск.

Закономерности в свойствата на планетите

Небесните тела на Слънчевата система показват също различни закономерности, които ги разделят на три класа по химическия състав:

• твърди, богати на метал "земни" планети, близо до слънцето
• гигантски, богати на водород (газ) планети, срещащи се само във външната част на Слънчевата система. 
• метеорити с подобен, но не идентичен химически състав на планетните и лунни скали.
• съществуват и комети в много по-голям, сферичен облак обграждащ Слънчевата система.

Свойствата на планетите са свързани с обстоятелството колко далеч са от Слънцето Планетите от земен тип са по-близо до Слънцето, отколкото планетите от вида на Юпитер.

Всяка теория за образуването на Слънчевата система, трябва да може да обясни динамичните закономерности на планетите и съществуването на планети от земен тип, Юпитер, ледените планети и другите обекти на Слънчевата система.

През годините, учените са измисляли различни теории, за да обяснят наблюдаваните характеристики на Слънчевата система. Някои от тези теории включват така наречените катастрофични теории, като сблъсъка на Слънцето с друга звезда. Съвременната теория изрично отхвърля всяка идея, че нашата слънчева система е уникална или специална, като по този начин се изключват катастрофичните теории.

Най-разпространената хипотеза, обясняваща формирането и еволюцията на Слънчевата система в момента е небуларната хипотеза (от лат. nebula — мъглявина), известна също като планетезимална хипотеза или теория на кондензацията. Последната се приема като развитие на небуларната хипотеза.

Моделът е разработен за първи път още през XVIII -ти век от Емануел Сведенборг, Емануил Кант и Пиер-Симон Лаплас. Множество научни дисциплини - астрономия, физика, геология и др. за развивали и прецизирали през времето този модел. Вече има преки доказателства, че планетните системи се образуват по този начин след началото на космическата ера през 1950г., както и с откриването през 1990 г. на планети извън нашата Слънчева система.

Моделът първоначално е бил приложен само към Слънчевата система, но се смята, че този метод на образуване на планетна система, може да се приложи за цялата Вселена. Най-достоверният му, съвременен вариант е Моделът на Слънчевия Небуларен Диск (Solar Nebular Disk Model, SNDM).

Съгласно тази общоприета хипотеза, преди 4.6 милиарда години Слънчевата система е все още протозвезден облак (мъглявина), който се състои предимно от водород и хелий, които са се образували след Големия взрив и със следи (2 на сто ) на други, по-тежки елементи, останали от експлозии на свръхнови.

Тези облаци могат да бъдат стабилни в продължение на много дълъг период от време като активната сила на гравитацията се балансира от пасивното налягане на газа.  Но британският теоретик Джеймс Джинс (James Jeans) показа, че най-малкото смущение (може би ударна вълна от близка звездна експлозия) може да наруши това равновесие и гравитацията да надделее и да започне мъглявината да се свива, а този процес физиците наричат гравитационен колапс.

Формиране на Слънчевата система

Като цяло, този процес може да се опише така:

Спонтанно образувано уплътнение

Началото на гравитационния колапс може да е дало малко, спонтанно образувано уплътнение на материала на първичния газово-прахов облак. Вероятна причинa за това е ударната вълна от експлозията на супернова, което предположение се потвърждава от изследване на древни метеорити. В тях са намерени следи от полуразпада на изотопи като желязо 60, които се образуват по време на експлозията на масивни звезди. 

Протослънчевата мъглявина е първоначално газове водород и хелий, осеяна с малки частици прах . Тези малки зърна служат като градивни блокове на планетите. Праховите зърна играят важна роля в развитието на всеки газов облак. Тези зърна действат като кондензационни ядра, в които се наблюдава натрупване на материята.

Аналогия 1: снежните "парцали", движещи се в силна снежна буря растат все по-големи, тъй като се сблъскват с повече снежинки.

Аналогия 2: Дъждовните капки се формират в атмосферата на Земята като праховите частици и сажди във въздуха служат за кондензационни ядра, събиращи околните водни молекули.

Това уплътнение се превръща в център на гравитационния колапс, привличайки заобикалящия го материал. Придобива и някакъв начален ъглов момент.

Протопланетарен диск

Под влияние на собствената си гравитация, газово-праховият облак започва да се свива и да се върти по-бързо и по-бързо, подобно кънкьор, който прибира ръцете си в пирует. Този ефект е познат като закон за запазване на момента на импулса (ъгловия момент).

Скоростите на въртене успоредно и перпендикулярно на оста на въртене се различават и това уплътнява облака и му придава форма на диск.

Сблъскването на праховите зърна и газ в колапсиращия плътен облак имат тенденция да се изравнят по посока на движението като в този момент, две сили пречат на частиците за потъване към центъра:

• Налягането навън във всички посоки
• Центробежната сила в равнината на въртене

По този начин, частица падаща от място над или под равнината на въртене трябва да преодолее само налягането, но ако пада по протежение на равнината на въртене трябва да се противопостави не само на налягането, но и центробежната сила. Така въртящият се облак има тенденция да се сплеска по оста на въртене. Този процес продължава от 100,000 до 500,000 години. Резултатът е протопланетен диск. Последствията от този процес са:

• Слънчевата ротация и планетарните орбити трябва да бъдат в една и съща равнина - еклиптиката .
• Въртенето трябва да бъде в една и съща посока.

Тази проста идея за сплескването на Слънчевата мъглявина води до естественото обяснение на няколко от динамичните закономерностите на планетите. А именно, посоката на въртене на орбитите е една и съща, орбитите са грубо в една равнина, въртенето около оста на планетите е в същата посока, както движението по орбитите и орбитите на спътниците са в същата посока, както орбитите на планетата. 

Формиране на Слънцето

Сърцевината на облака става все по-гъста и сблъсъците между частиците се увеличават, превръщайки кинетичната енергия в топлинна. Най-силно се нагрява централната област на диска.

Около 100 000 години след началото на този процес, когато температурата достигне няколко хиляди градуса по Келвин,  централната област на диск започва да свети, формира се протозвезда - нашето бъдещо Слънце.

При липсата на други фактори, новото Слънце щеше да продължи все по-бързо да се върти, но наличието на магнитно поле е забавило значително тази ротация

Протозвездата продължава да привлича вещество от облака, увеличава се налягането и температурата в центъра на мъглявината, но външните й области остават сравнително студени. Там започват да се развиват отделни уплътнения като локални гравитационни центрове за формиране на бъдещите планети, които обикалят около централната област приблизително в една и съща равнина и в една и съща посока. 

Когато температурата в центъра на протозвездата достигне милиони градуси по Келвин, в централната област  на  облака, започва термоядрен синтез на водородните атоми в хелий и протозвездата се превръща в истинска звезда. 

Еволюция на планетите в Слънчевата система

Предполага се, че различните планети са се образували от веществото на дискообразния газово-прахов облак, което не е участвало директно като материал за Слънцето.

Има три процеса, които формират планетите:

• Кондензация 

Когато колапсиращият облак стане толкова гъст, че вече е непрозрачен за видимата светлина, това предизвиква нещо като соларен парников ефект. Лъчите на протослънцето не може да проникват в космоса, така че в центъра на облака, около 2 до 3 AU (астрономически единици), температурите достигат 2000 K и почти целият материал се изпарил на този ранен етап.

Когато дисковия материал или се събира в протослънцето или е издухан във външния диск, вътрешния диск става по-прозрачен, което позволява на радиация да се измъкне от вътрешната част на Слънчевата система. Това нарушава парниковия ефект и материалът във вътрешната област на диска се охлажда и започват да се кондензират твърди зърна. 

• За едно конкретно място, различните вещества се кондензират последователно като се започва с тези с най-висока температура на втвърдяване - огнеупорни вещества като корунд (Al₂ O ₃, прозрачен скъпоценен камък в син - сапфир или червен цвят - рубин ) и завършва с летливи вещества като метан (CH₄).

А ако се погледне като цяло диска, кондензираните огнеупорни вещества са във вътрешната му част, а летливите вещества - във външната.

В примитивните метеорити са открити следи от тези първи твърди вещества и ако започнем по реда на втвърдяването им, те са:

• Пресоларни зърна - остатъци от първичния колапсиращ облак, които са толкова огнеупорни, че никога не са се изпарявали, дори по време на "парниковата" фаза. те са около десет различни вида минерали, между които диамантен прах, графит, силициев и титанов карбид, силикатни минерали (оливин и пироксен) и др.
• Калциево-алуминиеви включения - по-големите светли петна на метеорита долу.
• Хондрули,  малки зърна от огнеупорен материал в хондрити (неметални метеорити), които се кондензират малко след калциево-алуминиевите включения

Срез на карбонния хондрит NWA 3118 , намерен в пустинята Сахара. Кръглите петънца са хондрули. Те са формирани от първичния прах на Слънчевата мъглявина, от който са се образували планетите. Белият минерал, наречен калциево-алуминиево включение е малко по-стар от хондрулите.

Снимка: Bob King, Duluth News Tribune

• Коагулация

При сблъсъците си, праховите частици понякога слепват една към друга чрез електростатични, механични или магнитни сили като този процес се нарича коагулация. На разстояние 1 AU, тези взаимодействия биха могли да доведат до частици един сантиметър в диаметър в едва след 2000 години. Както при кондензацията, коагулацията протича с различни темпове в различните области като на разстояния до 5-10 AU, скоростта на коагулация е максимална, а в по-далечните краища на облака, където веществата са по-разредени, сблъсъците са редки.

• Акреция

Процесът на привличане на вещество от околното пространство, благодарение на гравитацията, формиращ планетите се нарича от учените акреция, като бъдещите планети започват да се оформят около прахови зърна в орбита около протозвездата. 

Праховите частици в плътната среда на диска имат тенденция да се обединяват, което води до образуването на по-големи тела до няколко сантиметра. Следи от този процес може да се наблюдават в инфрачервения спектър на излъчване от млади дискове около променливите звезди тип T Телец (T Tauri). Слънцето е също от този тип. Слънчевите ветрове се очаква да са изгорили всеки обект, по-малък от 10 м в диаметър от вътрешната част на Слънчевата система, така че всеки обект, предопределен да стане част от една вътрешна планета трябва да е  бил по-голям от този размер. Сред тях, продължава процеса на коагулация и в крайна сметка се формират малки планетоподобни тела, които астрономите наричат планетезимали.

Обекти с големина около 10 км вече са достатъчно големи, че гравитацията им да може да започне да привлича по-малки обекти. Това натрупване води до образуването на блокове с диаметър от 1 до 10 км, а след сблъскването им един с друг, се образуват по-големи тела (около 5 км). Вследствие на многобройните сблъсъци, планетезималите постепенно нарастват със скорост няколко сантиметра годишно през следващите няколко милиона години. Този процес приключва, когато размерът на тялото надвиши около 1000 км в диаметър.

Докато във вътрешната част текат процеси на акреция, външните части или се изпаряват под влиянието на силната ултравиолетова радиация от централната звезда или от други близки звезди.

Планетите от земен тип

В околностите на Слънцето се оформят планетите от земен тип. Там са оцелели само най-тежките и най-малко летливи елементи от първичния облак, защото температурата е достатъчно висока, за да се избегне кондензация на вода и газове в лед. Това води до концентрация само на тежки частици като метали и скални силикати, а по-късно към формирането на планетите от земен тип.

В края на епохата на формирането на планетите, вътрешната Слънчева система е била населена 50-100 планетезимали. Те нарастват допълнително вследствие на нови сблъсъци и сливания, докато в орбита не остават четирите масивни небесни тяла, известни и днес - Меркурий, Венера, Земя и Марс. Някои от тези протопланети включват в себе си вода, която дава началото на земните океани. 

Поясът астероиди между орбитите на Марс и Юпитер

Астероидният пояс първоначално съдържа достатъчно материал за образуване на планета, но по същото време, сравнително близо се формира планетата-гигант Юпитер и развитието на тази област тръгва по друг начин.  

Ефектите на гравитационното взаимодействие с Юпитер са разпръснали по-голямата част от изходния материал на  астероидния пояс, оставяйки количество по-малко от 1/10 от масата на Земята. Обектите с много голяма маса имат достатъчно силно гравитационно поле, за да се предотврати загубата на големи количества материал при изобилните в този период сблъсъци. Това не е така в астероидния пояс. Загубата на маса е основният фактор, който пречи на астероидния пояс да се консолидира като планета. 

Газовите гиганти

Гигантските газови планети - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, са се образували на по-отдалечени разстояния от Слънцето, отвъд линията на замръзване. Тази линия минава между орбитите на Марс и Юпитер, където материалът на диска е достатъчно студен така, че летливите вещества като хелий остават в твърдо състояние.

Материалът, който образува външните планети е по-богат на метали и силикати от колкото този, който формират планетите от земен тип. Това е причина планетите-гиганти да станат доста масивни, улавяйки най-леките, но и най-разпространените елементи във вселената - водород и хелий. Днес, четирите газови гиганти съставят близо 99% от масата на Слънчевата система без самото Слънце.

Това, че Юпитер, най-голямата планета е точно зад ледената линия въобще не е случайно. По линията на замръзване се натрупват големи количества вода при изпаряването на леда, падащ от външните области, тази линия на замръзване действа като бариера, която предизвиква бързо натрупване на материал за образуването на Юпитер, който в крайна сметка достига 318 пъти масата на Земята. По-малката маса на Сатурн се обяснява с факта, че се е образувал няколко милиона години след Юпитер, когато свободния материал в газовия облак е по-малко.

Останалите

Тъй като планетезимали са многобройни, те населяват целия протопланетен диск, но не всички се обединят, за да направят по-масивни тела. Астероидите вероятно са такива оцелели планетезимали с по-малки размери. Кометите са също са планетезимали от отдалечените райони на Слънчевата система. Метеоритите са малки планетезимали, които падат на повърхността на планетите и осигуряват на учените богата информация за произхода на нашата Слънчева система. Някои метеорити са парчета от раздробени планетезимали, останки от по-малки или по-големи планетезимали.

Някои от тези тела са били отблъснати от ефекта на гравитационната прашка от гигантската планета Юпитер до границата на Слънчевата система. Тези малки тела, направени от лед и скали, са групирани в две големи области: 

• пояс на Кайпер на разстояние между 30 и 100 астрономически единици от Слънцето и
• облак на Оорт, който образува обвивка около Слънчевата система между 10 000 астрономически единици и една светлинна година от Слънцето. 

Доказателства за теорията на кондензацията/небуларната хипотеза

• Наблюдения на околозвездни дискове в различни мъглявини.

• Наблюденията показват, че звезди, съдържащи по-големи фракции на "прашни" елементи, като например въглерод и силиций, са по-склонни да имат планети.
• Компютърни симулации, показващи, че множество обикалящи частици могат след многократни сблъсъци да се установят на няколко стабилни орбити.

Основни понятия и лексика

• Слънчевата небуларната хипотеза
• Протозвезден облак (мъглявина), уплътнение на първичния газово-прахов облак
• Протопланетарен диск, ефект на закона за запазване на момента на импулса
• Гравитационен колапс
• Фрагментация на облака
• Протозвезда / протослънце (звезден тип T Телец (T Tauri))
• Хондрити
• Планетезимали
• Етапи на формиране на планетите:
  • кондензация
  • коагулация
  • акреция

Източници:

‘Naked’ Comets Could Expose Solar System’s Ancient Origin Story, ELIZABETH HOWELL

What is our Solar System made of?, Sarah Crowther

Solar System Archaeology, Part I

Des milliards de Terre, luxorion The Physical Earth , Mitchell Beazley

La théorie actuelle

Meteorite hunters scour hills near Sutter’s Mill, site of California gold rush

Origin of Water Ice in the Solar System, Jonathan I. Lunine (pdf)

ИСТОРИЯ ЗЕМЛИ И ЖИЗНИ НА НЕЙ, К.Ю. Еськов

Гипотеза происхождения Земли и Солнечной системы Гидросфера Планета Земля, Знания-сила

Още по темата

12/11/2014

Земята

Как се е образувала Земята и нейният спътник - Луната