"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Солнечная система — Солнце и небесные тела, удерживаемые его гравитацией: планеты и их спутники, карликовые планеты, астероиды, кометы и другие малые тела. Она возникла из газопылевого протосолнечного облака, которое сжималось и превратилось во вращающийся диск. В центре сформировалось Солнце, а в диске частицы постепенно объединялись в планеты. Температура на разных расстояниях повлияла на состав этих тел, а столкновения и гравитация продолжили менять систему.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Солнечная система — Солнце и связанные с ним гравитацией небесные тела: планеты, их спутники, карликовые планеты, астероиды, кометы и другие малые тела. Гравитационная связь означает, что притяжение Солнца влияет на движение этих объектов. Такое определение помогает отличать систему от одной только группы планет: в неё входят и многочисленные небольшие тела.
Протосолнечное облако — газопылевое облако, из вещества которого сформировалась Солнечная система. Газ и пыль в нём стали исходным материалом для Солнца, планет и малых тел. Это понятие нужно, чтобы представлять образование системы как последовательное преобразование вещества, а не появление готовых планет.
Протосолнце — уплотняющаяся центральная часть протосолнечного облака, ставшая предшественником Солнца. В ней постепенно собиралось вещество, а при сжатии росли температура и давление. Термин помогает отделить раннюю стадию формирования звезды от уже возникшего Солнца.
Планетезималь — небольшое твёрдое тело, образовавшееся при слипании частиц в диске и способное участвовать в создании планет. Сталкиваясь и притягивая другие тела, планетезимали могли увеличиваться. Это промежуточное звено объясняет, как от пылинок система перешла к крупным зародышам планет.
Гравитация стягивала вещество протосолнечного облака к его центру, поэтому облако становилось плотнее. При сжатии вращение усиливалось: так проявляется сохранение момента импульса, то есть меры вращательного движения системы. Частицы сталкивались, обменивались движением и чаще оказывались в общей плоскости вращения. В результате облако уплощалось и возникал диск вокруг центрального уплотнения, а не сохранялась исходная сферическая форма.
В центре диска под действием притяжения собиралось всё больше вещества, формируя протосолнце. Сжатие повышало температуру и давление в его недрах, потому что вещество оказывалось в меньшем объёме и сильнее взаимодействовало. Когда условия стали достаточными, начались термоядерные реакции — превращения ядер лёгких атомов с выделением энергии. Так центральное уплотнение стало звездой, а оставшееся вещество продолжило обращаться вокруг неё.
В диске пылинки сталкивались, и часть столкновений приводила к их слипанию. Постепенно появлялись более крупные частицы и планетезимали; их столкновения могли объединять вещество в тела ещё большего размера. Чем массивнее становился зародыш планеты, тем сильнее было его гравитационное притяжение, поэтому он мог захватывать больше окружающего вещества. Так рост проходил через промежуточные стадии, а не одним скачком от газа к готовой планете.
Состав будущих планет зависел от расстояния до Солнца, потому что температура в разных частях диска была неодинаковой. В горячей внутренней области летучие вещества не могли легко сохраняться, зато оставались тугоплавкие материалы — вещества с высокой температурой плавления. Во внешней, более холодной части диска могли существовать льды, увеличивая количество доступного для образования тел вещества. Крупные тела там также могли притягивать и удерживать газ, поэтому внутренние и внешние планеты сформировались разными по составу.
После возникновения планет развитие системы не остановилось, так как вокруг оставались тела и вещество, продолжавшие взаимодействовать. Столкновения могли менять поверхность, объединять объекты или выбрасывать часть вещества. Гравитационное влияние планет и других тел меняло орбиты, а движение остаточного вещества также влияло на их развитие. Поэтому наблюдаемое устройство системы стало результатом не только начального формирования, но и последующей длительной эволюции.
| Этап | Что происходит | Результат |
|---|---|---|
| Сжатие протосолнечного облака | Гравитация стягивает газ и пыль; вращение облака усиливается. | Плотное вращающееся облако. |
| Образование диска и центрального уплотнения | Вещество уплощается вокруг области наибольшей плотности. | Диск и центральное уплотнение. |
| Формирование протосолнца | В центральной части собирается и сжимается вещество. | Предшественник Солнца. |
| Рост частиц и образование планетезималей | Пылинки сталкиваются и объединяются в твёрдые тела. | Планетезимали. |
| Объединение вещества в зародыши планет и формирование планет | Крупные тела притягивают и присоединяют окружающее вещество. | Зародыши и планеты. |
| Изменение системы под действием столкновений и гравитации | Тела взаимодействуют, а их орбиты и состав меняются. | Дальнейшая эволюция системы. |
Читайте таблицу сверху вниз: она показывает, как менялись вещество и масштаб формирующихся объектов. В столбце «Что происходит» указана причина перехода между этапами, а в столбце «Результат» — его итог. По этой последовательности удобно проверять, не пропущены ли промежуточные стадии между облаком и планетами.
Условие. Объясните, почему сжимающееся облако вещества образовало диск, а не осталось сферическим. Нужно связать результат с вращением облака. Для ответа достаточно проследить, что происходит с вращением и движением частиц при сжатии.
Сначала отметим, что облако вращалось ещё до сжатия. Поэтому его вещество обладало моментом импульса, который при сжатии не исчезает.
Когда размеры облака уменьшались, вращение усиливалось. Столкновения частиц перераспределяли их движение и помогали веществу собираться в плоскости вращения.
В этой плоскости вещество формировало диск вокруг центра. Значит, форма диска связана с вращением и сохранением момента импульса.
Ответ. Облако превратилось в диск, потому что при сжатии сохранялся его момент импульса, а вращение усиливалось. Столкновения частиц способствовали уплощению вещества в плоскости вращения.
Условие. Сравните область протопланетного диска близко к Солнцу и удалённую от него. Объясните, почему там возникли тела разного состава. Ключ к решению — различие температур и возможность сохранения льдов.
Близкая к Солнцу область получала больше тепла, поэтому там было сложнее сохраняться летучим веществам. В твёрдых телах преобладали тугоплавкие материалы.
Вдали от Солнца температура была ниже. Там могли оставаться льды, и в формировании тел участвовало больше видов вещества.
Сопоставим условия: нагревание ограничивало состав внутренней области, а холод позволял внешней области удерживать лёд. Разные исходные материалы привели к различиям планет.
Ответ. Внутри диска формировались тела преимущественно из тугоплавких веществ, а во внешней области могли сохраняться льды. Поэтому близкие и удалённые от Солнца планеты различаются по составу.
Условие. По описанию «слипание пылинок — появление планетезималей — рост зародышей планет» восстановите этапы формирования планеты. Объясните, какую роль играла гравитация. Важно расположить события от наименьших объектов к крупнейшим.
Сначала пылинки сталкивались и при удачных столкновениях слипались. Так возникали более крупные частицы, из которых постепенно формировались планетезимали.
Затем планетезимали сталкивались и объединялись, образуя зародыши планет. По мере увеличения их массы усиливалось гравитационное притяжение.
Более сильная гравитация помогала захватывать окружающее вещество и ускоряла дальнейший рост тела. Поэтому объекты увеличивались последовательно, от пылинок до планет.
Ответ. Последовательность такова: пылинки, планетезимали, зародыши планет, планеты. Гравитация притягивала вещество и крупные тела, способствуя объединению и росту зародышей.
Ошибка: считать, что планеты возникли прямо из газа. Такую мысль допускают, если представляют весь процесс одним событием и не замечают промежуточных стадий. Между частицами диска и планетами были планетезимали и зародыши планет. Проверьте себя: можете ли вы расположить эти этапы по возрастанию размеров тел?
Ошибка: путать протосолнечное облако и протосолнце. Сходство слов может навести на мысль, что речь идёт об одном объекте. Но облако было исходной системой вещества, а протосолнце — его уплотнявшейся центральной частью. Проверка простая: облако охватывало область формирования системы, протосолнце находилось в её центре.
Ошибка: считать, что все планеты должны иметь одинаковый состав. Это предположение не учитывает разницу температур в диске. Близко к Солнцу условия ограничивали сохранение льдов, а дальше от него они могли оставаться. Проверьте объяснение, спросив себя, было ли одинаково тепло во всех областях диска.
Ошибка: представлять формирование системы мгновенным. К такому выводу приводят краткие схемы, где несколько стадий показаны одной стрелкой. На деле образование тел шло последовательно, а столкновения и гравитация продолжали менять систему. Чтобы проверить себя, перечислите стадии от сжатия облака до дальнейших изменений орбит и состава тел.
Для понимания эволюции Солнечной системы нужны знания о гравитационном притяжении и движении небесных тел. Сохранение момента импульса объясняет, почему сжимающееся вращающееся облако уплощалось в диск. Эти идеи пригодятся при изучении звёзд и планетных систем: общий принцип помогает рассуждать о том, как могут возникать другие системы. Та же последовательность формирования тел важна для объяснения происхождения Земли.
Из чего образовалась Солнечная система?
Она сформировалась из протосолнечного облака — газа и пыли, которые сжимались под действием гравитации. Центральная часть облака стала Солнцем, а вещество диска вокруг неё образовало планеты и малые тела.
Почему протосолнечное облако превратилось в диск?
Облако вращалось, и при сжатии его вращение ускорялось из-за сохранения момента импульса. Столкновения частиц помогали веществу распределяться в плоскости вращения, поэтому облако уплощалось и становилось диском.
Что такое планетезималь?
Планетезималь — небольшое твёрдое тело, возникшее при слипании частиц в протопланетном диске. Столкновения и гравитационное притяжение таких тел помогали формироваться более крупным зародышам планет.
Почему внутренние и внешние планеты различаются по составу?
Вблизи молодого Солнца было горячо, поэтому там сохранялись главным образом тугоплавкие вещества. Дальше от него температура была ниже: там могли оставаться льды, а массивные планеты могли накапливать газовые оболочки.
Продолжается ли эволюция Солнечной системы сегодня?
Да, система продолжает изменяться, хотя многие процессы идут медленно. Гравитация влияет на движение тел, а столкновения и перемещение остаточного вещества могут менять их орбиты и состав.
§101. Эволюция Солнечной системы
