Общие представления о формировании планет, комет и астероидов
AstroNews.ru - 07 Мая 2022 14:55:00
Современные наблюдательные данные о физико-химическом составе планет и кометно-астероидном компоненте позволяют предложить следующий наиболее вероятный сценарий их образования в процессе формирования Солнца и самой солнечной системы.
Около 10 млрд. лет тому назад протозвездное облако, из которого впоследствии родилось Солнце и планеты, представляло собой квазисферическое образование, состоящее на 75% из водорода и 25% - из гелия-4, а на долю всех остальных элементов приходилась лишь незначительная часть массы облака. Тем не менее, несмотря на относительно малый вклад в плотность протозвездной материи, роль этих тяжелых элементов была определяющей в динамике охлаждения вещества. Физикам и химикам хорошо известен тот факт, что чем выше атомный номер химического элемента, тем легче возбуждается его электронная оболочка. Это возбуждение сопровождается высвечиванием квантов электромагнитного излучения, уносящих энергию, затраченную на возбуждение атома. Собственно, этот механизм определяет тепловой режим протосолнечного облака, приводя к уменьшению его температуры.
Наряду с охлаждением, протосолнечное облако сжимается под действием собственной гравитации вещества, сопровождающемся нарастанием плотности в центре облака. Рост плотности приводит к разогреву центральной части облака до сверхвысоких температур, когда возможно " включение" реакций термоядерного синтеза элементов. При этом между гравитацией и давлением вещества в центральной части облака устанавливается баланс, характеризующий первую фазу формирования нашего Солнца.
А что в этот период происходит на перифирии протосолнечного облака? Многочисленные расчеты и компьютерные эксперименты позволяют сделать вывод о том, что на фазе формирования ядра внешние области облака имеют сложную многофазную структуру.
Прежде всего, в области ядра возникает зона аккреции (натекания) окружающего вещества на центральное образование, приводящее к увеличению его массы. Выделяющаяся в результате сжатия ядра энергия формирует область сильной ионизации, расширяющуюся к периферии облака. Под действием излучения вещество " выдувается " к периферии и собирается в плотную оболочку - пылевой кокон, простирающийся вплоть до внешней границы облака. При этом относительно слабое вращение протозвездого облака в начале сжатия, по мере формирования плотной центральной зоны будет уси- ливаться и приводить к сплющиванию всей системы в тороидальное образование.
Компьютерное моделирование позволяет выделить несколько характерных этапов этого процесса. На первой (1) фазе баланс между гравитацией, давлением и вращением вещества приводит к образованию сначала толстого, а затем все более уплощающегося диска. Далее в диске происходит фрагментация вещества на сгустки пыли (2-3). Спустя примерно миллион лет пылевые сгустки слипаются в компактые тела астероидных размеров с близким к пылевому физико-химическим состававом (4). После этого примерно еще 100 млн.лет рой астероидов испытывает интенсивное перемешивание, сопровождающееся дроблением более крупных объектов и объединением (слипанием) мелких. На этой фазе (5), собственно и формируются зародыши планет земной группы - Меркурия, Венеры, Марса и Земли. После этого, примерно еще за 200 млн. лет (6) сформировались планеты группы Юпитера, аккрецировав на себя газ, не вошедший в менее массивные планеты земной группы. И, наконец, еще через 1 млрд. лет образуются самые удаленные от Солнца планеты - Нептун и Плутон, завершающие процесс формирования солнечной системы как целого.
Из этого сценария становится ясно, что астероиды и кометы - это остатки роя протопланетных тел, причем астероиды - это каменистые образования внутренней околосолнечной зоны, породившей планеты земной группы, а кометы - это каменно-ледяные образования, генетически связанные с зоной планет-гигантов. Но наиболее примечательно, что в процессе формирования планет группы Юпитера, планеты-гиганты Юпитер и Сатурн выполнили роль своеобразных"чистильщиков" солнечной системы, своим гравитационным полем выбросив малые протопланетные сгустки на дальнюю периферию солнечной системы. Таким образом, солнечная система оказалась окружена роем каменно-ледяных тел, простирающимся на расстояния от 20000 до 200000 радиусов орбит Земли вокруг Солнца ( как не удивиться "специальной" подготовке Земли для зарождения на ней биологической жизни и как не удивиться преклонению древних не только Солнцу, но и Юпитеру!).
Любопытно, что еще в 1950 году выдающийся голландский астроном Ян Оорт, анализируя орбиты движения 19 долгопериодических комет, задолго до эпохи компьютерного моделирования и беспилотной миссии к комете Галлея, высказал предположение о необходимости существования коментного пояса на периферии Солнечной системы. За прошедшие почти 50 лет список известных комет увеличился практически на порядок, а их траектории прекрасно согласуются с представлениями о существовании кометного пояса. Далее, следуя традиции, этот кометный пояс солнечной системы мы будем называть "облаком Оорта".
Насколько же массивно облако Оорта? По современным данным его масса оказывается весьма невелика - примерно 10% массы Земли приходится на сто миллиардов ядер комет. Отсюда легко определить массу "типичного " кометного ядра - около ста миллиардов тонн, хотя в мире комет существуют как "карлики"(массой до миллиарда тонн), так и "гиганты" (до ста тысяч миллиардов тонн!). Однако и "карлики" и "гиганты" движутся в солнечной системе по эллиптическим орбитам, в полном соответствии с законами механики и теории гравитации. Эти же законы предсказывают, что орбиты комет являются устойчивыми, т.е. подобно планетам, ядра комет совершают свой круговорот на периферии солнечной системы в облаке Оорта. Но тогда почему же мы встречаем их во внутренних областях солнечной системы? Для ответа на этот вопрос нам потребуется сделать следующий шаг в понимании устройства солнечной системы и ее места в нашей Галактике.