§100. Образование Солнечной системы

Определения и обозначения

Протосолнечное облако — газопылевое облако, из вещества которого сформировалась Солнечная система. В нём находились газ и мелкие твёрдые частицы; сила тяготения притягивала части облака друг к другу. Именно это облако стало исходным материалом для Солнца, планет и малых тел.

Протосолнце — уплотняющаяся центральная часть протосолнечного облака, из которой сформировалось Солнце. Вещество собиралось к центру под действием тяготения, поэтому там постепенно росли плотность и температура. Понятие помогает отличать будущую звезду от вещества диска, из которого образовывались планеты.

Планетезимали — сравнительно небольшие твёрдые тела, возникшие в околосолнечном диске. Они образовались из слипшихся частиц и затем служили строительным материалом для планет. Это промежуточный этап между мельчайшей пылью и крупными планетными зародышами.

Аккреция — постепенное увеличение небесного тела при столкновениях и слиянии более мелких частиц и тел. Чем крупнее становилось тело, тем сильнее оно могло притягивать окружающее вещество. Так объясняют рост планетезималей и зародышей планет.

Как это устроено

Тяготение заставляло вещество протосолнечного облака собираться плотнее. Поскольку облако уже вращалось, его сжатие не означало простого падения всех частиц прямо к центру: при уменьшении расстояния до оси вращения скорость вращения возрастала. Вращающееся вещество распределялось преимущественно в плоскости вращения, поэтому облако уплощалось и принимало форму диска с центральным уплотнением.

В центре диска собиралось больше вещества, а сжатие повышало там плотность и температуру. Так возникло протосолнце, которое впоследствии стало Солнцем. Вещество, не попавшее в центральную область, осталось обращаться вокруг неё и образовало околосолнечный диск; из него формировались планеты и другие тела. Поэтому планеты не были отделившимися кусками готового Солнца.

В диске присутствовали газ и частицы пыли. При столкновениях часть частиц сцеплялась, создавая всё более крупные скопления; дальнейшее притяжение помогало им собирать вещество. Так появлялись планетезимали, а их столкновения и слияния увеличивали зародыши планет. Этот постепенный рост тел называют аккрецией.

Температура диска менялась с расстоянием от молодой звезды: ближе к центру было горячее, дальше — холоднее. Во внутренних областях могли сохраняться главным образом тугоплавкие вещества, тогда как во внешних могли конденсироваться и льды. Поэтому у внутренних планет было меньше доступного строительного материала, а внешние области позволяли накапливать больше вещества. Различие условий объясняет, почему планеты получились неодинаковыми по составу и размерам.

Дальнейшие столкновения и взаимное тяготение меняли орбиты тел и помогали им собирать окружающее вещество. Из выросших зародышей сформировались планеты, а вокруг некоторых планет возникли спутники. Не всё вещество вошло в крупные тела: его остатки сохранились в малых телах Солнечной системы. Так из единого диска возникла система объектов, движущихся вокруг Солнца.

Сравнение планет земной группы и планет-гигантов

Сопоставляйте не только состав планет, но и их положение: оно связано с температурой вещества в диске. Таблица показывает общую закономерность, а не абсолютное правило для каждой характеристики. Особенно полезно проследить, как доступность строительного вещества связана с размерами и плотностью планет.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему при сжатии вращавшегося протосолнечного облака возник диск, а не бесформенное скопление вещества.

1. Облако уже вращалось, поэтому его вещество обладало моментом импульса.
2. При сжатии расстояние вещества от оси вращения уменьшалось. При сохранении момента импульса вращение ускорялось, а вещество не могло просто собраться в неподвижный ком.
3. Вращение приводило к распределению вещества преимущественно в плоскости вращения. Облако уплощалось, формируя диск вокруг плотной центральной области.

Ответ: сжатие усиливало вращение, а сохранение момента импульса и распределение вещества в плоскости вращения привели к образованию диска.

Задача 2. Возраст Солнечной системы — 4,6 млрд лет, этап формирования планет — около 100 млн лет. Сколько длился этот этап и какую долю возраста системы он занимает?

1. Переведём возраст системы в миллионы лет: 4,6 млрд лет = 4600 млн лет.
2. Время этапа уже задано в тех же единицах: 100 млн лет. Отношение составляет 100 / 4600 ≈ 0,022.
3. Чтобы получить проценты, умножим долю на 100: 0,022 × 100 ≈ 2,2%.

Ответ: около 100 млн лет, или примерно 2,2% возраста Солнечной системы.

Задача 3. Во внутренней области диска могли конденсироваться только тугоплавкие вещества, а во внешней — также лёд. Как это повлияло на состав и размеры планет?

1. Сравним доступное вещество: во внутренней области твёрдыми оставались главным образом тугоплавкие компоненты, а во внешней к ним добавлялся лёд.
2. Больший набор доступных твёрдых веществ во внешней области давал возможность зародышам набирать больше массы.
3. Крупные внешние тела могли притягивать и удерживать лёгкие газы, тогда как внутренние планеты образовались преимущественно из каменистого и металлического вещества.

Ответ: внутренние планеты получились преимущественно каменистыми и металлическими, а внешние смогли накопить больше вещества, льды и газовые оболочки.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что планеты образовались непосредственно из вещества Солнца. Так думают, потому что Солнце и планеты возникли из одного облака, но это не означает, что планеты отделились от уже сформировавшейся звезды. Проверьте себя: планетный материал оставался в околосолнечном диске, пока центральное вещество собиралось в протосолнце.

Ошибка — принимать планетезимали за готовые планеты. Название может показаться похожим, но планетезимали были промежуточными твёрдыми телами, которые росли при столкновениях и слияниях. Проверка простая: если в объяснении планетезимали уже имеют свойства сформированной планеты, этапы образования перепутаны.

Ошибка — объяснять уплощение облака только тяготением. Тяготение вызывает сжатие, но облако вращалось, и это вращение важно для формирования диска. Проверьте себя: в объяснении должны присутствовать и действие тяготения, и сохранение момента импульса при сжатии.

Ошибка — ожидать одинакового состава у всех планет. Иногда забывают, что температура диска зависела от расстояния до Солнца, поэтому в разных областях были доступны разные вещества. Чтобы проверить ответ, свяжите положение планеты с температурой и тем, какие вещества могли там сохраняться.

Связь с другими темами

Для понимания образования Солнечной системы нужны закон всемирного тяготения и представление о действии силы тяжести: они объясняют сжатие облака и притяжение тел. Вращение диска связано с законом сохранения момента импульса. Тема также относится к образованию звёзд и планетных систем: наблюдения протопланетных дисков вокруг молодых звёзд помогают проверять эти представления. Они пригодятся при изучении спутников, малых тел и планет у других звёзд.

Что запомнить

• Солнечная система сформировалась из газопылевого облака около 4,6 млрд лет назад.
• Сжимающееся вращающееся облако уплощалось и образовало околосолнечный диск.
• В центральной части облака возникло Солнце.
• Планеты росли из частиц и планетезималей при столкновениях и слияниях.
• Температура в диске менялась с расстоянием от Солнца.
• Различия условий в диске повлияли на состав и свойства планет.