"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Солнечная система сформировалась около 4,6 млрд лет назад из общего вращающегося газопылевого облака. Под действием тяготения облако сжалось: в центре возникло Солнце, а вокруг него — плоский протопланетный диск. В диске частицы вещества слипались, образовывали планетезимали и протопланеты. Температура зависела от расстояния до Солнца, поэтому рядом возникли каменные планеты, а дальше — газовые и ледяные гиганты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Протопланетное облако — холодное облако газа и пыли, состоявшее главным образом из водорода и гелия с примесью тяжёлых элементов. Его гравитационное сжатие стало началом образования Солнца и планет. Это исходный «строительный материал» всей системы.
Протопланетный диск — вращающийся плоский диск вещества вокруг молодого Солнца. Он возник, когда сжимающееся облако расплющилось из-за вращения и сохранения момента импульса. Именно в диске происходило образование будущих планет.
Аккреция — постепенное объединение частиц и тел под действием их взаимного притяжения. При столкновениях небольшие тела росли, превращаясь сначала в крупные глыбы, а затем в протопланеты. Так объясняется поэтапный рост планет, а не их мгновенное появление.
Планетезималь — небольшое твёрдое тело протопланетного диска, служившее зародышем будущей планеты. Оно уже обладало заметным притяжением и могло захватывать соседние частицы. Столкновения планетезималей запускали дальнейшую аккрецию.
Сначала облако начало сжиматься под действием собственного тяготения. При уменьшении радиуса его вращение ускорилось: это следствие сохранения момента импульса, подобно тому как фигурист ускоряет вращение, прижимая руки. Вещество с небольшим движением поперёк оси столкнулось и осело, поэтому возник диск, а большая часть массы собралась в центральном уплотнении.
Центральное уплотнение продолжало сжиматься и нагреваться, потому что энергия падающего вещества превращалась во внутреннюю энергию. Когда температура и давление стали достаточно большими, в ядре начались термоядерные реакции — сформировалось Солнце. Его излучение нагревало внутреннюю часть диска, а поток частиц постепенно выдувал часть лёгкого вещества.
В диске пылевые частицы сталкивались и слипались благодаря электростатическим силам, а более крупные тела притягивали соседние уже гравитацией. Так возникали планетезимали, затем их скопления и протопланеты. Повторные столкновения могли разрушать тела или объединять их, поэтому рост шёл неравномерно и сопровождался выделением тепла.
Температура диска уменьшалась с расстоянием от Солнца. Внутри могли сохраняться в основном каменные и металлические вещества, а лёд испарялся, поэтому близкие планеты получились небольшими и плотными. В холодной внешней области льды добавили зародышам массу, а крупные тела смогли захватить водород и гелий, образовав большие оболочки.
Не весь материал вошёл в состав планет. Часть осталась в виде астероидов, комет, метеороидов и карликовых планет, а притяжение гигантов меняло их орбиты, выбрасывая некоторые тела наружу или направляя их к Солнцу. Поэтому современная система сохранила следы раннего строительства, но уже не выглядит полностью «очищенной».
| Этап | Главный процесс | Результат | Наблюдаемое подтверждение |
|---|---|---|---|
| Протопланетное облако | Сжатие вещества под действием тяготения | Образование вращающегося диска и центрального уплотнения | Наблюдение газопылевых облаков и дисков вокруг молодых звёзд |
| Формирование Солнца | Разогрев центрального уплотнения и начало термоядерных реакций | Возникновение звезды в центре системы | Возраст и свойства Солнца |
| Формирование планетезималей | Слипание и столкновение частиц в диске | Появление крупных твёрдых зародышей планет | Астероиды и остатки вещества в Солнечной системе |
| Формирование планет | Аккреция планетезималей и протопланет | Возникновение планет с разным составом и размерами | Почти общее направление орбит и вращения планет |
| Остаточное вещество | Гравитационное рассеяние и сохранение не вошедших в планеты тел | Астероиды, кометы, карликовые планеты и метеороиды | Пояса астероидов и кометные области |
Читая таблицу, сначала проследите последовательность процессов от облака к остаточным телам. Затем сравните результат каждого этапа с наблюдаемыми признаками современной системы. Последний столбец показывает, какие факты помогают проверять модель происхождения.
Задача 1. Объясните, почему орбиты большинства планет лежат примерно в одной плоскости и имеют одно направление обращения вокруг Солнца. Нужно связать наблюдаемую картину с общим источником вещества. Отдельно следует учесть сохранение направления вращения диска.
Ответ: общее направление и почти общая плоскость орбит объясняются происхождением планет из единого вращающегося диска. Это подтверждает модель формирования Солнечной системы.
Задача 2. Сравните условия образования планет земной группы и планет-гигантов. Требуется объяснить не только различие размеров, но и различие состава. Главная причина — изменение температуры с расстоянием от молодого Солнца.
Ответ: близкие планеты преимущественно каменные и небольшие, а далёкие планеты содержат много льдов и лёгких газов и потому значительно крупнее.
Задача 3. Орбита Земли имеет радиус 1 а.е. и период 1 год. Найдите период обращения тела на круговой орбите радиусом 4 а.е. Используем третий закон Кеплера: T₂/T₁ = (a₂/a₁)³ᐟ².
Ответ: период обращения равен 8 годам. Чем дальше орбита от Солнца, тем больше её период.
Ошибка: считать, что планеты возникли из уже существующего Солнца. Так думают, потому что Солнце находится в центре системы, но оба типа тел сформировались из общего облака. Проверка: вспомните, что планеты образовались из остатка диска вокруг молодого Солнца.
Ошибка: объяснять плоскую структуру системы только притяжением. Одного тяготения недостаточно: нужны вращение облака и сохранение момента импульса. Проверка: назовите причину ускорения вращения и образования диска.
Ошибка: путать планетезимали с готовыми планетами. Планетезимали — промежуточные малые тела, из которых при аккреции выросли протопланеты. Проверка: расположите понятия в цепочке «частицы — планетезимали — протопланеты — планеты».
Ошибка: утверждать, что планеты полностью очистили свои орбиты. Астероиды и кометы сохранились из-за сложного гравитационного взаимодействия и неустойчивых орбит. Проверка: приведите хотя бы два типа малых тел, оставшихся после формирования планет.
Для понимания темы нужны закон всемирного тяготения, законы Кеплера и закон сохранения момента импульса. Понятия температуры, давления и фазовых переходов объясняют, почему состав планет зависит от расстояния до Солнца. Эти знания применяются при изучении экзопланет, эволюции звёзд и поиске похожих планетных систем.
Почему все планеты не упали на Солнце?
Планеты движутся по орбитам с большой боковой скоростью, поэтому постоянно как бы падают на Солнце, но промахиваются мимо него. Гравитация удерживает их на орбитах, а движение по инерции не даёт упасть прямо в центр.
Почему планеты вращаются примерно в одной плоскости?
Планеты образовались из вещества общего протопланетного диска. Поэтому их орбиты унаследовали плоскую форму диска и общее направление вращения, хотя гравитационные взаимодействия со временем немного изменили наклоны орбит.
Почему рядом с Солнцем нет планет-гигантов?
Вблизи молодого Солнца температура была слишком высокой для сохранения льдов и лёгких газов. Там могли конденсироваться главным образом тугоплавкие каменные и металлические вещества, поэтому образовались небольшие планеты земной группы.
Откуда в Солнечной системе взялись астероиды и кометы?
Это остатки вещества протопланетного диска, которые не вошли в состав крупных планет. Их орбиты и состав изменялись под действием притяжения планет, поэтому часть тел сосредоточилась в поясах и удалённых областях.
Можно ли считать современную модель происхождения Солнечной системы окончательно доказанной?
Модель хорошо согласуется с возрастом Солнца, общим направлением орбит, составом планет и наблюдениями дисков вокруг молодых звёзд. Однако детали формирования отдельных тел уточняются, поэтому научное объяснение считают убедительным, но не окончательным во всех подробностях.
5. Происхождение Солнечной системы
