3. Происхождение Солнечной системы

Определения и обозначения

Солнечная система — Солнце и все небесные тела, связанные с ним силой тяготения. В неё входят восемь планет, их спутники, карликовые планеты, астероиды, кометы, метеороиды и пыль. Чёткой внешней границы нет, но к системе относят и очень далёкие тела облака Оорта.

Протопланетное облако — облако газа и пыли, из которого сформировались Солнце и планеты. Слово «прото» означает «первоначальный», то есть речь идёт о состоянии системы до появления готовых планет. Это понятие нужно, чтобы объяснить общее происхождение Солнца, планет и малых тел.

Аккреция — постепенный рост небесного тела при столкновении и объединении частиц. Если после удара частицы не разлетаются, масса будущего тела увеличивается. Так небольшие скопления вещества превращались в более крупные тела.

Планетезимали — небольшие твёрдые тела протопланетного диска, из которых формировались планеты. Их размеры могли быть от сравнительно малых до нескольких километров и больше. Планетезимали стали промежуточным звеном между пылью и протопланетами.

Как это устроено

Сначала холодное протопланетное облако начало сжиматься под действием собственного тяготения. Даже небольшое первоначальное вращение при уменьшении размеров стало заметнее: вещество стало обращаться вокруг общего центра. Столкновения частиц постепенно уменьшали движения поперёк основной плоскости, поэтому облако приобрело форму вращающегося плоского диска.

В центре диска плотность и давление росли, потому что туда стекало всё больше вещества. Центральное сгущение стало протозвездой, а после разогрева и запуска ядерных реакций превратилось в Солнце. Оставшееся вещество продолжало вращаться вокруг него и образовало протопланетный диск.

Вращение облака не исчезло во время сжатия, поскольку момент импульса сохраняется, если на систему почти не действуют внешние силы. Поэтому Солнце сохранило собственное вращение, а части вещества продолжили двигаться вокруг него. Планеты унаследовали это движение, так что большинство из них обращается примерно в одном направлении и почти в одной плоскости.

Пылинки в диске сталкивались, сцеплялись и образовывали всё более крупные комки. Из таких комков возникли планетезимали, а их взаимные столкновения привели к появлению протопланет. Рост продолжался за счёт аккреции: более массивные тела сильнее притягивали окружающее вещество.

Вблизи Солнца температура была слишком высокой для сохранения лёгких газов и многих льдов, поэтому там оставались главным образом каменные и металлические вещества. Из них сформировались небольшие плотные планеты земной группы. Дальше от Солнца было холоднее, там накопились льды, а крупные ядра смогли захватить много водорода и гелия, став планетами-гигантами; за их пределами сохранились ледяные малые тела.

Этапы формирования Солнечной системы и их результат

Таблицу удобно читать сверху вниз: каждый этап подготавливает следующий. В третьем столбце указано, к какому результату привели процессы, описанные во втором. Так можно восстановить общую последовательность формирования системы.

Разбор задач

Задача 1. Хронологическая последовательность

Условие: расположите события: образование планетезималей, сжатие протопланетного облака, формирование Солнца, рост протопланет. Нужно восстановить порядок, в котором возникали основные структуры. Для этого проследим путь от исходного облака к крупным телам.

1. Сначала облако начало сжиматься под действием собственного тяготения, поэтому это исходный этап.
2. При сжатии в центре образовалось сгущение, из которого затем сформировалось Солнце, а вокруг него — диск.
3. В диске пылинки объединились в более крупные твёрдые тела — планетезимали.
4. Столкновения и аккреция планетезималей привели к росту протопланет.

Ответ: сжатие протопланетного облака → формирование Солнца → образование планетезималей → рост протопланет. Формирование Солнца и диска происходило на близком раннем этапе, но без диска появление планетезималей и протопланет было бы невозможно.

Задача 2. Общее направление движения планет

Условие: объясните, почему планеты обращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости и в одном направлении. Нельзя ограничиваться ответом «из-за притяжения», потому что тяготение удерживает тела на орбитах, но не задаёт само по себе общее направление движения. Нужно связать результат с историей облака.

1. Протопланетное облако имело небольшое начальное вращение.
2. При сжатии его момент импульса сохранился, поэтому вращение стало более заметным.
3. Столкновения частиц уменьшили хаотические движения, а вещество собралось в плоский диск.
4. Планеты возникли внутри диска и унаследовали его направление обращения.

Ответ: почти общая плоскость орбит объясняется образованием планет в одном протопланетном диске, а общее направление — сохранением момента импульса вращавшегося облака. Небольшие отклонения появились из-за взаимного влияния тел и последующих столкновений.

Задача 3. Каменные планеты и планеты-гиганты

Условие: сравните область диска близко к Солнцу и далёкую область. Объясните, почему внутри возникли каменные планеты, а снаружи — планеты-гиганты. Для решения надо учесть не только расстояние, но и температуру и состав вещества.

1. Близко к молодому Солнцу температура была высокой, поэтому лёд и лёгкие вещества испарялись.
2. Там оставались тугоплавкие каменные и металлические частицы, из которых образовались небольшие плотные тела.
3. Во внешней холодной области лёд сохранялся и добавлял материала будущим ядрам.
4. Достаточно массивные ядра захватывали водород и гелий из диска, поэтому быстро превращались в гигантов.

Ответ: внутренние планеты сложены в основном из каменных и металлических веществ, а внешние смогли накопить лёд и большие оболочки газа. Поэтому различие планет связано с температурным распределением в протопланетном диске.

Типичные ошибки

Планеты — оторвавшиеся куски Солнца. Так считают, потому что Солнце находится в центре и содержит почти всю массу системы. Однако современная модель говорит об общем протопланетном облаке: Солнце возникло в центре, а планеты — из окружающего диска. Проверка: вспомните, что состав и строение планет отличаются от солнечного вещества.

Протопланеты и планетезимали — одно и то же. Ошибка появляется из-за похожих названий и общей связи с ранней системой. Планетезимали — сравнительно малые тела, а протопланеты выросли из них благодаря аккреции. Проверка: поставьте эти понятия в цепочку «пыль — планетезимали — протопланеты — планеты».

Плоское строение объясняется только тяготением. Притяжение действительно собирало вещество, но само по себе не объясняет его общее вращение и плоскость. Нужны два фактора: первоначальное вращение облака и сохранение момента импульса при сжатии. Проверка: ответьте, откуда взялось направление движения частиц.

Все планеты формировались одинаково. Такое представление не учитывает разницу температур на разных расстояниях от Солнца. Во внутренних областях преобладали каменные материалы, а во внешних сохранялись льды и захватывался газ. Проверка: сравните условия у Солнца и за снеговой линией, где лёд мог существовать.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны закон всемирного тяготения, основы движения небесных тел и идея сохранения момента импульса. Они объясняют сжатие облака, появление орбит и общее направление движения планет. Тема связана со строением Солнечной системы, планетами, астероидами, кометами и метеороидами.

Позже эти знания помогают изучать образование звёзд и экзопланет. Наблюдая молодые звёзды и диски вокруг них, астрономы сравнивают их с возможными ранними стадиями нашей системы. Поэтому происхождение Солнечной системы связано и с космологическими гипотезами.

Что запомнить

• Солнечная система сформировалась из вращающегося протопланетного облака.
• При сжатии облако превратилось в центральное сгущение и плоский протопланетный диск.
• Солнце образовалось в центре облака, а планеты — из вещества окружающего диска.
• Планеты росли за счёт аккреции и столкновений планетезималей.
• Близко к Солнцу сформировались каменные планеты, а далеко от него — планеты-гиганты.
• Почти одинаковое направление движения планет связано с первоначальным вращением облака.
• Формирование Солнечной системы продолжалось миллионы лет и привело к возникновению планет, малых тел и их орбит.