18. Современные представления о происхождении Солнечной системы

Определения и обозначения

Протосолнечная туманность — облако газа и пыли, из которого сформировались Солнце и тела Солнечной системы. Слово «протосолнечная» означает, что это облако существовало до появления Солнца и стало его предшественником. Понятие помогает представить общее исходное вещество системы.

Аккреция — постепенное увеличение тела за счёт притяжения и присоединения к нему вещества. Например, растущий зародыш планеты может захватывать частицы и сталкиваться с другими телами. Термин обозначает способ, которым небольшие объекты становились крупнее.

Планетезималь — небольшое твёрдое тело, возникшее из вещества протопланетного диска и ставшее строительным материалом планет. Планетезимали занимают промежуточное место между мелкими частицами и зародышами планет. Это понятие объясняет, из каких тел постепенно собирались планеты.

Протопланетный диск — уплощённое вращающееся облако вещества вокруг молодого Солнца. В нём находились газ и твёрдые частицы, из которых затем формировались планеты и малые тела. Представление о диске связывает происхождение Солнца с происхождением всей планетной системы.

Как это устроено

Началом формирования системы стало сжатие облака газа и пыли под действием гравитации. Когда вещество притягивается к другим его частям, облако становится плотнее, а частицы чаще сталкиваются. При сжатии растут плотность и температура вещества. Исходное облако вращалось, поэтому при его уменьшении вращательное движение сохранялось и влияло на распределение вещества: оно собиралось в уплощённую структуру.

Так вокруг центральной области возник вращающийся протопланетный диск. В его центре постепенно сосредоточилась значительная часть вещества, потому что гравитационное притяжение направляло материал к наиболее плотной области. Центральная область сжималась и нагревалась всё сильнее. В результате сформировалось молодое Солнце, а оставшееся вещество продолжало двигаться вокруг него в диске.

В диске твёрдые пылинки сталкивались, а при подходящих условиях слипались. По мере накопления вещества появлялись всё более крупные частицы и тела — планетезимали. Их гравитационное притяжение становилось заметнее по мере роста размеров. Столкновения и присоединение новых частиц увеличивали отдельные тела, из которых постепенно возникали зародыши планет; этот постепенный рост называется аккрецией.

Температура в диске зависела от расстояния до молодой звезды, поэтому условия в его областях различались. В горячих внутренних областях летучие вещества не могли так же легко сохраняться в твёрдом виде, как тугоплавкие минералы. Дальше от Солнца температура была ниже, и там могли конденсироваться льды — переходить из газа в твёрдое состояние. Поэтому внутренние планеты формировались преимущественно из каменного материала, а внешние могли накапливать больше льдов и газа.

Планеты возникли из вещества, оставшегося в диске после формирования молодого Солнца. Не весь материал вошёл в состав крупных планет: некоторые частицы и тела не собрались в большие объекты или сохранились между ними. Такие остатки стали малыми телами, среди которых есть астероиды и кометы. Значит, происхождение планет и малых тел — разные результаты развития одного и того же диска.

Этапы формирования Солнечной системы

Таблица показывает, как один этап сменял другой и к какому результату он приводил. Читая её сверху вниз, проследите путь от исходного облака до планет и малых тел. Важно видеть, что формирование планет было постепенным, а не мгновенным событием.

Разбор задач

1. Последовательность формирования тел

Условие. Расположите в правильной последовательности: протопланетный диск, планетезимали, исходное газопылевое облако, зародыши планет. Чтобы решить задачу, нужно восстановить ход формирования системы от самого раннего состояния к более позднему. Следует различать исходный материал и тела, которые возникали из него постепенно.

1. Сначала было исходное газопылевое облако: оно ещё не разделилось на Солнце и планетные тела.
2. При сжатии и вращении вещества возник протопланетный диск вокруг центральной области.
3. В диске частицы объединялись и давали начало планетезималям — небольшим твёрдым телам.
4. Столкновения и аккреция планетезималей приводили к росту зародышей планет.

Ответ. Исходное газопылевое облако → протопланетный диск → планетезимали → зародыши планет. Такая последовательность отражает постепенное укрупнение вещества, а не появление всех тел сразу.

2. Различия состава планет

Условие. Объясните, почему планеты земной группы преимущественно каменные, а планеты-гиганты содержат много льдов и газов. Недостаточно сказать, что первые находятся ближе к Солнцу, а вторые дальше. Нужно связать расстояние с температурой вещества в диске и условиями, при которых разные вещества могли сохраняться и накапливаться.

1. Внутренняя часть диска была горячее из-за близости к молодому Солнцу.
2. При высокой температуре летучие вещества не так легко оставались в твёрдом состоянии, тогда как тугоплавкие вещества могли сохраняться.
3. Во внешней, более холодной части диска могли конденсироваться льды; там также было возможно накопление газов.
4. Из доступного в каждой области материала росли планеты, поэтому их состав оказался различным.

Ответ. Планеты земной группы сформировались преимущественно из тугоплавкого каменного материала, а планеты-гиганты смогли накопить больше льдов и газов. Различия объясняются температурными условиями диска и тем, какие вещества в этих условиях могли конденсироваться и сохраняться.

3. Свойства системы и этапы её формирования

Условие. Сопоставьте наблюдаемые свойства Солнечной системы: планеты обращаются почти в одной плоскости, движутся в общем направлении, а их состав различается. Здесь каждое свойство нужно связать с тем этапом, который мог его сформировать. Так мы проверяем, объясняет ли модель наблюдения, а не просто перечисляет их.

1. Почти общая плоскость орбит связана с тем, что планеты росли внутри уплощённого диска.
2. Общее направление движения связано с вращением исходного облака и диска: вещество уже двигалось согласованно вокруг центральной области.
3. Различия состава связываются с неодинаковой температурой диска и условиями конденсации вещества в разных областях.
4. Проверьте, что объяснения относятся к разным свойствам: геометрии орбит, направлению движения и составу тел.

Ответ. Плоское расположение орбит и общее направление движения отражают вращение и форму протопланетного диска. Различия состава показывают влияние температурной неоднородности диска. Все три свойства согласуются с формированием планет из вращающегося вещества вокруг молодого Солнца.

Типичные ошибки

• Неверно считать, что планеты возникли одновременно с уже готовым Солнцем. Так думают, потому что Солнце и планеты составляют одну систему, но эта связь не означает одновременного появления готовых тел. Проверьте себя: в описании модели планеты растут из вещества диска вокруг молодого Солнца.

• Не следует представлять аккрецию как мгновенное слипание крупных тел. Такое представление возникает, если пропустить начальные стадии роста вещества. Проверьте последовательность: пылинки, более крупные частицы, планетезимали, зародыши планет.

• Ошибочно объяснять состав планет только их расстоянием от Солнца. Расстояние важно потому, что связано с температурой и условиями конденсации разных веществ. Для проверки объясните, какие вещества могли сохраняться в горячих внутренних и более холодных внешних областях диска.

• Планетезимали нельзя считать уже сформировавшимися планетами. Их могут путать из-за того, что это твёрдые тела, способные расти и притягивать вещество. Проверьте себя: планетезимали — промежуточные строительные тела, а не итог формирования планет.

Связь с другими темами

Для понимания формирования системы нужно знать, что гравитация вызывает взаимное притяжение тел и может сжимать облака вещества. Законы Кеплера описывают закономерности движения планет по орбитам; их можно сопоставлять с общими свойствами планетной системы. Модель протопланетного диска пригодится при изучении экзопланет — планет у других звёзд. Наблюдая диски вокруг молодых звёзд, астрономы проверяют, насколько распространены процессы, подобные тем, что привели к возникновению Солнечной системы.

Что запомнить

• Солнечная система сформировалась из газопылевого вещества.
• Вращение и сжатие исходного облака привели к образованию диска.
• Солнце сформировалось в центральной области диска.
• Планеты росли в результате столкновений и аккреции вещества.
• Планетезимали стали строительными телами планет.
• Температура в диске влияла на состав формировавшихся планет.