4. Происхождение Солнечной системы

Определения и обозначения

Небулярная гипотеза — представление о том, что Солнечная система сформировалась из вращающегося облака газа и пыли. Это не описание случайного столкновения готовых планет, а модель последовательного рождения центральной звезды и планет. Она нужна, чтобы объяснить общие свойства системы — например, близкие плоскости орбит.

Протопланетное облако — исходное облако вещества, из которого образовались Солнце и планеты. При его сжатии большая часть вещества собралась в центре, а оставшаяся оказалась вокруг него. Понятие помогает представить исходный материал и начальные условия формирования системы.

Аккреция — постепенное образование крупных небесных тел при объединении частиц вещества и падении новых частиц на уже возникшее тело. Сначала сталкивались мелкие частицы пыли, позднее рост продолжался за счёт притяжения более крупных тел. Аккреция объясняет, как из рассеянного вещества получились планеты.

Планетезимали — небольшие тела, возникшие из вещества протопланетного диска и ставшие строительными блоками планет. Их столкновения и взаимное притяжение могли приводить к появлению более крупных тел. Этот термин обозначает промежуточную ступень между частицами пыли и протопланетами.

Как это устроено

В протопланетном облаке действовало тяготение: каждая часть вещества притягивала остальные. Если плотность облака становилась достаточно большой, притяжение преодолевало сопротивление движению частиц и облако сжималось. При уменьшении его размеров вращение ускорялось: при отсутствии значительного внешнего воздействия сохраняется момент импульса. Быстрое вращение мешало веществу свободно падать к оси, поэтому облако становилось плоским.

Сжимающееся вещество не распределялось равномерно: его большая часть собиралась около центра, где плотность и температура росли. Так возникло центральное сгущение, а вращение растянуло оставшееся вещество в диск вокруг него. В центре температура со временем стала достаточно высокой для начала термоядерных реакций — родилось Солнце. Диск сохранился вокруг молодой звезды и стал областью, где формировались планеты.

В диске частицы двигались по орбитам и сталкивались. При сравнительно небольших скоростях некоторые из них удерживались вместе силами сцепления, а с ростом тел всё заметнее становилось их собственное тяготение. Так шла аккреция: частицы собирались в планетезимали, затем крупные тела объединялись и формировали протопланеты. Дальнейшие столкновения, притяжение и поглощение вещества увеличивали протопланеты до размеров планет.

Состав диска зависел от расстояния до молодого Солнца, потому что температура с удалением обычно снижалась. В горячей внутренней области летучие вещества — те, что легко превращаются в газ, — не могли надолго оставаться твёрдыми, поэтому материал для роста состоял главным образом из каменных и металлических частиц. Дальше от Солнца сохранялись также льды, а массивные тела могли притягивать лёгкие газы. Поэтому внутренние планеты получились преимущественно каменными, а внешние — крупнее и богаче лёгкими веществами.

Нынешнее устройство Солнечной системы согласуется с происхождением из общего диска. Большинство планет обращается вокруг Солнца в одном направлении и примерно в одной плоскости, поскольку исходные частицы двигались в общей вращающейся области. Почти круговые орбиты большинства планет также согласуются с постепенным формированием и взаимодействиями в диске. Наблюдаемые вокруг молодых звёзд диски газа и пыли показывают, что такие условия встречаются и в других планетных системах.

Основные этапы формирования Солнечной системы

Читайте строки сверху вниз как последовательность: каждый этап создаёт условия для следующего. В последнем столбце ищите физическую причину, а в третьем — результат процесса. Таблица также показывает, что различия планет появились не случайно, а связаны с условиями в разных областях диска.

Разбор задач

1. Почему планеты движутся примерно в одной плоскости и в одном направлении?

Условие. Наблюдается, что большинство планет обращается вокруг Солнца примерно в одной плоскости и в одном направлении. Нужно связать это с происхождением планет. Отдельные отклонения не отменяют общего правила.

1. Сначала найдём общий этап их истории: планеты сформировались не независимо друг от друга, а из вещества вокруг молодого Солнца.
2. Протопланетный диск уже вращался и был уплощён. Частицы в нём в основном двигались в близких плоскостях и в одном направлении.
3. При слипании и аккреции будущие планеты унаследовали основное движение вещества диска. Поэтому общий порядок движения сохранился и после формирования планет.

Ответ. Планеты движутся примерно в одной плоскости и в одном направлении, потому что возникли из общего вращающегося протопланетного диска.

2. Чем различались условия образования Земли и Юпитера?

Условие. Земля — сравнительно небольшая каменная планета, а Юпитер гораздо крупнее и содержит много лёгких газов. Обе планеты образовались в одном диске, но на разном расстоянии от Солнца. Нужно объяснить различия температурой и составом доступного вещества.

1. Определяем, что менялось с расстоянием: в среднем чем дальше от молодого Солнца, тем холоднее была область диска.
2. В области Земли высокая температура затрудняла сохранение льдов и других летучих веществ в твёрдом состоянии. Для роста оставались преимущественно каменные и металлические материалы.
3. Дальше от Солнца, где формировался Юпитер, могли сохраняться льды. Возникшее массивное ядро притягивало окружающее вещество, в том числе лёгкие газы, поэтому итоговые размер и состав отличались.

Ответ. Земля сформировалась в более горячей внутренней области из преимущественно каменного вещества, а Юпитер — в холодной внешней области, где были доступны льды и лёгкие газы.

3. Что происходит с вращением сжимающегося облака?

Условие. Радиус облака уменьшается, а внешнее воздействие, заметно меняющее его вращение, отсутствует. Требуется объяснить, как меняется вращение и почему формируется диск. Для рассуждения используем закон сохранения момента импульса.

1. Для вращающегося тела момент импульса зависит от распределения массы и скорости вращения. Если масса приближается к оси, момент инерции уменьшается.
2. При сохранении момента импульса уменьшение момента инерции компенсируется ростом угловой скорости: облако начинает вращаться быстрее.
3. Вращение затрудняет падение вещества к оси, тогда как вдоль оси вещество может сжиматься. Поэтому исходное облако уплощается, и возникает диск.

Ответ. При сжатии вращение облака ускоряется из-за сохранения момента импульса. Вращение способствует уплощению облака и образованию протопланетного диска.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что планеты образовались непосредственно из вещества уже готового Солнца. Так могут рассуждать, потому что Солнце содержит основную часть массы системы и находится в центре. Проверьте себя: по модели планеты возникали из окружающего Солнце диска, а не отделялись от сформировавшейся звезды.

• Ошибка — объяснять уплощение облака одной лишь силой тяжести. Тяготение действительно сжимает облако, но без учёта вращения непонятно, почему вещество образует диск. Проверьте объяснение: в нём должны быть и вращение, и сохранение момента импульса.

• Ошибка — утверждать, что все планеты имеют одинаковый состав. Такое предположение возникает, если забыть, что вещество везде было частью одного облака. Но температура менялась с расстоянием от Солнца, значит, различались доступные материалы; сопоставьте состав планет с их положением.

• Ошибка — путать планетезимали с готовыми планетами. Это происходит из-за сходства слов и того, что планетезимали уже являются телами, а не пылью. Проверьте порядок этапов: сначала частицы объединяются в планетезимали, затем из них формируются протопланеты и планеты.

Связь с другими темами

Чтобы понять сжатие протопланетного облака, нужны закон всемирного тяготения, представление о движении по орбитам и закон сохранения момента импульса. Тема связана с образованием звёзд и галактик: в обоих случаях важны гравитация, движение и распределение вещества. Эти знания помогают изучать строение Солнечной системы, эволюцию звёзд и наблюдаемые у других звёзд планеты — экзопланеты.

Что запомнить

• Солнечная система сформировалась из вращающегося облака газа и пыли.
• Гравитационное сжатие облака привело к образованию Солнца и протопланетного диска.
• Уплощение диска связано с вращением и сохранением момента импульса.
• Планеты возникали постепенно в результате аккреции вещества.
• Планетезимали были промежуточными строительными блоками планет.
• Близкие к Солнцу планеты преимущественно каменные, а далёкие содержат больше льдов и лёгких газов.
• Общее направление и плоскость движения планет — следствие их образования в одном диске.