планети сонячної системи , Як і планети інших зірок , Являють собою складний конгломерат твердого та рідкого речовини, нейтрального газу і плазми, із захоплюючими з навколишнього простору частинками пилу і зарядженими частинками високих енергій. Для пошуку відповідей на питання, яким чином сформувалася сонячна система , Теорія має сьогодні новими експериментальними даними, значна частина яких отримана після відкриття планет біля інших зірок . Теорія утворення зірок і планетних дисків була розроблена давно, але тепер, завдяки успіхам теоретичної астрофізики і астрономії спостережень, процеси формування планетних систем стають більш зрозумілими. 
Мал. 1. Формування Сонячної системи
згідно з ранніми уявленнями аккреционного
теорії (ХХ ст.).
Основи аккреционного теорії були закладені в XVIII в. роботами Е.Сведенборга, І. Канта і П.-С.Лапласа. Пізніше, вже в ХХ ст., В нашій країні важливий внесок в теорію утворення планетних систем внесли О.Ю.Шмидт і його школа з Інституту фізики Землі РАН. Відповідно до цю концепцію, в якомусь фрагменті гігантського міжзоряного газово-пилової хмари частки починають концентруватися навколо випадкового центру гравітації, утворюючи протосонячній-протопланетное хмара. У міру стиснення хмара починає обертатися і в умовах збереження кутового моменту стає плоским. В такому обертовому диску відбувається фрагментація (рис. 1), з'являються дрібні центри конденсації, потім планетезимали, ті, в свою чергу, стикаючись і об'єднуючись, стають зародками планет, протопланетамі. Потім, в результаті множинних зіткнень, протопланети утворюють планети , Які виникають завдяки акреції речовини з газово-пилового диска, що оточує зірку , На що утворюється ядро планети.
У класичній аккреционного теорії передбачалося, що освіта планет-гігантів відбувається в кілька етапів. У другій половині ХХ ст. загальноприйнятою була двоступенева схема освіти Юпітера і Сатурна . У схематичному викладі - це тривала, до 108 років, зіткнень аккреция субмікронних частинок твердого матеріалу у внутрішній частині протопланетного диска, які перетворювалися спочатку в частинки мікронного розміру, потім в грудочки розмірами в декілька сантиметрів, і їх подальше злиття з утворенням кілометрових планетезималей і більших планетних зародків. Накопичені в протопланетному диску планетезимали об'єднувалися в зіткненнях і створювали ядро майбутньої планети-гіганта з масою від 10 до 25 мас землі (В більш пізніх роботах проведена «уцінка» маси ядра до 5-10 і навіть до 2-3 мас Землі). Потім відбувався більш швидке захоплення ядром речовини газової фази (головним чином водню) з протопланетного диска. Розрахунки незмінно показували, що на весь процес повинен був йти до 108 років.
Однак виконані в кінці ХХ ст. численні спостереження протопланетних дисків в стадії формування зоряно-планетних систем свідчать про досить обмеженому часу зникнення водню і гелію з диска. Вони утримуються там менше 107, а в ряді випадків навіть менше 106 років. Природно, це суперечить відомому водневого (в основному) складу атмосфер Юпітера і Сатурна . На газоподібну складову припадає 98% початкової маси протопланетних дисків. Проводилися нові розрахунки, де враховувалися ефекти самоприскорюється зростання протопланети. Але час все ще залишалося занадто великим, близько 107 років, що суперечить наглядовою даними. Подальші спостереження показали, що на завершення диссипации (втрати) газоподібної складової йде в середньому 3 млн років. Після цього газового матеріалу для формування планети практично не залишається.
Класична схема зустрічається також з великими труднощами при спробах пояснити розподіл кутового моменту в сонячній системі . Парадоксальний факт - низька величина кутового моменту сонця - був відомий давно. Переконливих пояснень йому теорія запропонувати не змогла, що викликало відомий скепсис щодо теорії. Проблема до кінця не вирішена і сьогодні, хоча врахування магнітогідродинамічної взаємодії зірки і плазми втрати кутового моменту якось пояснює.
Коли стали відомі позасонячні планети, з'ясувалося, що класична схема не може пояснити походження їх сильно витягнутих орбіт. Пояснити приливними ефектами кругову орбіту Юпітера також не вдається.
Мал. 2. Газово-пилові диски навколо молодих зірок типу Т-Тельця.
З накопиченням експериментальних даних розробляються теорії все більш ускладнювалися. процеси утворення планет виявилися значно складніше початкових стадій утворення самих зірок . Але в найзагальніших своїх рисах схема аккреционного теорії спостереженнями підтверджується. Виявлено близько 150 протопланетних дисків, що дають уявлення про те, як виглядала протосонячній туманність 5 млрд років тому (рис. 2). Фізика протозвезд і молодих зірок складна і включає ряд не цілком зрозумілих процесів. Часто спостерігаються так звані «джети», полярні викиди, які можна бачити на рис. 2. Важливу роль в утворенні протопланет грає турбулентність середовища в диску. Подальше дослідження протопланетних дисків оголювало все нові протиріччя з аккреционного теорією.
В кінці ХХ ст. А.Босс став розвивати гіпотезу гравітаційної нестабільності, основна ідея якої була вперше запропонована Г.Койпером ще в 1951 р Відповідно до цієї гіпотези, що виникають в протопланетному диску нестабільності можуть викликати гравітаційний колапс, здатний утворити планету всього за 10-50 тис. Років. Концепція активно розробляється, але зустрічається з труднощами і серйозною критикою. Наприклад, передбачається, що до швидкого виникнення масштабної конденсації призводять локальні гравітаційні нестабільності і турбулентність в протопланетному диску. Однак вони в такій же мірі здатні і зруйнувати зароджується конденсацію.
Аккреционного теорія була більш розробленої, але і її радикальна ревізія стала неминучою, перш за все щодо тимчасової шкали явищ. В результаті серйозного перегляду теорії стало зрозуміло, що саме вода, інші летючі речовини і так звана «лінія льодів» (або «лінія снігу») відносяться до найважливіших факторів формування майбутньої планетної системи. планети формуються під одночасною дією протилежно спрямованих факторів, що робить хід їх народження непрогнозованим. Деякі фізичні процеси повторюються послідовно, але з різними результатами. Тому нову теорію іноді називають теорією послідовної акреції. Ймовірно, саме заплутаність процесів призводить до різноманіття знайдених 400 екзопланет.
Нова, значно ускладнена аккреционного теорія звернула більшу увагу на визначальну роль послідовності процесів, що відбуваються, послідовності, яка в якійсь мірі була відома, але недооцінювалися дослідниками. Виявилося, що фактично одні й ті ж процеси відгону, конденсації і фазових переходів летючих, які і складають чергуються етапи формування планетної системи, послідовно повторюючись багато разів, призводять до різних результатів. Феномен надзвичайно складний і критичний до навколишніх умов. Мабуть, саме ця обставина призводить до того, що серед виявлених позасонячних планет важко знайти схожі.
Мал. 3. Отгонка летючих від
зірки (права частина малюнка)
за лінію льодів АВ. випадкові
ущільнення створюють
короткоживучі кільця,
розриви і хвилі в газово
пиловій диску.
Згідно найбільш розвиненим уявленням, послідовна аккреция має такі особливості. Конденсація масивного міжзоряного газово-пилової хмари відбувається досить швидко; за час від 150 тисяч до декількох мільйонів років утворюється група молодих зірок різних мас. У багатьох випадках зберігається взаємний вплив зірок. Навколо формується зірки виникає протопланетное хмара з залишкового матеріалу, завдяки обертанню яка купує форму диска. Пил становить всього 1-2% маси хмари, решта - водень (близько 90%) і гелій. Пилова складова являє собою частинки субмікронних розмірів неправильної форми. Стикаючись, частинки можуть як об'єднуватися, так і руйнуватися. Але з формуванням зірки в цей процес включаються нові чинники. Під дією посилюється радіації молодої зірки починається випаровування летючих (води і включень летючих в силікатних частинках) з внутрішньої частини диска. Значна частина диска екранована пиловий середовищем від нагрівання прямий радіацією. Однак розігріта середу перевипромінює поглинену енергію в інфрачервоному діапазоні, де диск досить прозорий, і доносить таким чином енергію до внутрішніх затінених областей, розігріваючи їх до високої температури. Відбувається швидка отгонка летючих - їх витіснення з ближніх до зірки областей (з правої частини рис. 3). Але на периферії внутрішньої зони температура вже недостатня для випаровування летких. На кордоні конденсації летких, перш за все, води, виникає лінія льодів (на малюнку - АВ), на якій і за зовнішньою стороною якої відбувається концентрація колосальних мас протопланетного матеріалу. Комп'ютерне моделювання показує, що невелика випадкова конденсація може породжувати в диску короткоживучі хвилі і кільця щільності. Судячи із зображень протопланетних дисків, зовнішні межі зони конденсації можуть відстояти на сотні астрономічних одиниць (рис. 4). Летючі в газовій фазі конденсуються на порошинки, розміри яких поступово збільшуються в сотні і тисячі разів. Головні події відбуваються поблизу лінії льодів. Спочатку майже вся маса обертається навколо зірки молодого протопланетної хмари доводиться на газ, лотность якого зменшується з відстанню від зірки . Поблизу лінії льодів одиничний обсяг газу знаходиться під складним впливом гравітації зірки і самого хмари, тиску газового середовища і відцентрових сил. В результаті припливу газу з периферії у лінії льодів орбітальна швидкість газу і захоплених частинок виявляється менше кеплеровской. Досить великі частки, більше 1 мм, зі швидкістю менше кеплеровской випадають до зірки через гальмування в газовому середовищі. Мігруючи у внутрішні області щодо лінії льодів, вони нагріваються, конденсати плавляться і швидко злипаються. Утворюються планетезимали, заготовки матеріалу майбутніх планет , Що досягають кілометрових розмірів. На їх освіту йде приблизно 1 млн років. Спочатку зростання їх маси відбувається при випадкових зіткненнях. Але чим більше стають планетезимали, тим сильнішою гравітацією вони володіють і тим швидше вони поглинають своїх сусідів невеликої маси. Так виникають тіла, які можна назвати зародками планет. Вони володіють порівнянними масами і перехоплюють залишилися планетезимали з вузької смуги вздовж своєї орбіти. Коли більша частина планетозималей поглинена, зростання зародка припиняється.
Мал. 4. Зірка HD 141569, спостерігачі Б.Сміт і
Дж.Шнайдер, 1999 г. На знімку зона радіусом
2-4 а.о., практично вільна від летючих,
охоплює чорний кружок, яким закрита
сама зірка.
Одночасно на самій критичній лінії льодів відбуваються інші важливі події. Тут виникає стрибок тиску випарувалася газової фази, орбітальна швидкість газу зростає, досягає і випереджає кеплерівської, і газ вже не гальмує, а прискорює частинки. В результаті міграція до зірці основної маси частинок зупиняється. Але з далекої периферії диска міграція триває, і у лінії льодів накопичується велика маса матеріалу, що очікує початку наступної стадії освіти планетної системи.
Планетезимали дуже численні, рахунок йде на багато сотень мільйонів або навіть до мільярда; в результаті множинних зіткнень вони утворюють тіла, що досягають розмірів Місяця і більш, які захоплюють залишається матеріал і пригнічують ріст сусідів. Після досягнення декількох відсотків земної маси зростання протопланет обмежується через гравітаційні взаємодії з іншими тілами, а частина тіл в таких взаємодіях взагалі викидається з формується системи в міжзоряний простір. Маса до 0.05-0.10 маси землі на її орбіті може бути накопичена за 100 тисяч років і обмежується цією величиною, так як матеріалу тут мало. Чим далі від зірки, тим повільніше зростання. Одночасно з диссипацией з диска водню і гелію система збіднюється дрібними частинками, які знижуються по пологій спіралі і досягають сонця завдяки ефекту Пойнтінга-Робертсона (часткова втрата орбітального моменту частинки при поглинанні радіації, випромінюваної зіркою).
Щоб досягти чотирьох мас землі , Тілу на відстані, відповідному сучасної орбіті Юпітера , Потрібно кілька мільйонів років. Якщо лінія льодів проходила там же, процес йшов швидше. Протопланетное хмара тоді ще не втратило основні запаси газу, і відбувалося захоплення газу ядром майбутньої планети. Захоплення надзвичайно критичний до масі ядра, до складу газу, наявності важких елементів і ряду інших чинників. Протопланетних тіл - кандидатів на роль ядра майбутньої планети - виявляється багато, але в якості ядра вони рідко виживають. На тих, хто вижив, у міру того як холодну масивне тіло стискається і розігрівається, осідають тверді частинки, збільшуючи масу ядра. Якщо газу ще багато, відбувається інтенсивне виділення тепла, що утрудняє формування планети. Таке ж обмеження відомо при утворенні зірок . Якщо тепловідвід неефективний, газ буде втрачено і планета-гігант не виникне. Близько мільйона років газ накопичується повільно, але потім половина всієї газової маси захоплюється всього за 1 тис. Років. У цей період народився гігант випромінює колосальні потоки радіації. В сонячній системі сліди цих подій можна бачити в наш час на поверхні деяких супутників Юпітера .
Серед головних чинників, що обмежують поява гіганта, - міграція. Міграція першого роду виникає при гравітаційній взаємодії формується планети з розосереджених масою навколишнього середовища. У прилеглих частинах диска рух формується планети викликає поява хвиль, причому в однорідному середовищі їх вплив взаємно компенсується. Але середовище неоднорідне, її розподілена маса за орбітою планети значно перевищує масу всередині орбіти . В результаті виникає гальмування планети , Злегка зміщує її орбіту до зірці . За 1 млн років орбіта протопланети може знизитися на кілька астрономічних одиниць, аж до лінії льодів, де міграція зупиняється під дією прискорює руху газу, так як тут орбітальна швидкість газу перевищує кеплерівської. Картина всіх супутніх процесів ускладнюється тим, що їх тимчасові шкали приблизно збігаються, таким же виявляється і характерний час втрати диском газової складової.
Мал. 5. Механізм обмеження
зростання планети-гіганта.
Ситуація, що формується планета-гігант черпає матеріал із зони своєї орбіти, створюючи розрив в диску (рис. 5). Але починаючи з якогось моменту її зростання зупиняється, як і в разі планетезималей. Ключовим механізмом знову виявляється гравітаційна взаємодія планети з газом навколишнього середовища. Однак на цьому етапі визначальною стає роль планети , Маса якої вже досягла маси Юпітера (0.001 маси зірки сонячного типу). Взаємодія планети з газом у розриву всередині орбіти (Праворуч на рис. 5) уповільнює обіг газових мас, а на зовнішній стороні розриву їх прискорює. Обидва випадки не сприяють зустрічі газу з планетою, і її зростання зупиняється. У деяких випадках виникає більш складне явище, міграція другого роду. У прилеглих областях диска виникають турбулентні зони, з яких турбулізованим газ все ж може потрапити в зону розриву. Його гравітаційна взаємодія з планетою викликає дуже повільну втрату орбітального моменту планети і повільне зниження орбіти планети.
Через гравітаційну взаємодію сформувався гігант очищає зону астероїдів першого покоління і значно прискорює утворення наступних планет-гігантів, якщо втрачено ще не весь газ. Із затримкою на кілька мільйонів років формувався Сатурн . Газа залишалося вже небагато, тому маса Сатурна в 3.3 рази менше маси Юпітера . але без Юпітера процес тривав би довше, а маса Сатурна була б ще менше. Ймовірно, в таких умовах формувалися уран і Нептун , Хоча не зовсім ясно, де це відбувалося, так як ці планети, швидше за все, мігрували з початкових орбіт поблизу Сатурна . Є свідчення, що початкове положення орбіт урану і Нептуна було зворотним сучасному. Освіта їх затягнулося, ядра досягли 10-20 мас землі , А газу залишалося мало і вистачило всього на 1-2 земних маси в кожному випадку. відносити уран і Нептун до групи планет-гігантів не доводиться, їх виділяють в особливу категорію - крижаних гігантів, маса яких менше 0.19 маси Юпітера . Це критична величина, коли маса стає недостатньою для металізації водню і освіти з нього зовнішньої оболонки ядра. Така оболонка визначає багато властивостей Юпітера і Сатурна . В цілому формування згаданих чотирьох планет зайняло значно менше 10 млн років.
Подальші події в зоні гігантів розвивалися повільніше. утворилися уран і Нептун викидали залишаються планетезимали в зону пояса Койпера і частково - до сонцю , а Юпітер відправляв їх в хмара Оорта . Історія виникнення малих тіл сонячної системи - комет, астероїдів і малих супутників - не менше складна.
Теорія послідовної акреції передбачає, що під позасонячних планетних системах планети типу землі повинні бути більш поширені, ніж планети-гіганти . Поки теорія може спиратися лише на дані про сонячній системе . Умови формування планет земної групи, орбіти яких розташовані всередині лінії льодів, і чотирьох зовнішніх планет, що знаходяться за нею, сильно розрізняються. Чотири планети земної групи - Меркурій , Венера , земля и Марс - сформувалися в основному з речовин з високою температурою випаровування, таких як залізо і силікатні породи. Ближче до сонце , Де щільність сонячної радіації дуже висока (рис. 6), частки нагрівалися і лід і інші леткі речовини випаровувалися, утворюючи майже вільну від пилу прозору зону радіусом до 5 а.о., відому по протопланетним дискам.
Мал. 6. Залежність рівноважної температури тіла від відстані до Сонця при формуванні
Сонячної системи. Навколо зірки знаходилася зона радіусом 2-4 а.о., вільна від летючих.
Приблизно на рівні орбіти Юпітера (5 а.о.) перебувала лінія льоду - межа, за якою
вода (лід) і інші летючі конденсуються. Поблизу орбіти Нептуна (30 а.о.) розташовувалася
ще одна особлива зона - межа конденсації метану.
У збідненого зоні всередині лінії льодів протопланети могли вирости лише до 0.1 земної маси, що трохи більша за масу Меркурія . Для того щоб їх маса продовжувала зростати далі, протопланети повинні були перейти на витягнуті пересічні орбіти, що допускають зіткнення. Такими орбіти могли стати під возмущающим дією планети-гіганта . Отже, освіту першої планети-гіганта, в перші 2-3 млн років, мало передувати цим процесам. Якщо орбіти компланарність і не пов'язані резонансними співвідношеннями, об'єднання таких тел при зіткненнях - тільки питання часу. За деякими оцінками теорії, незабаром після виникнення Юпітера утворився оновлений пояс астероїдів (в перші 4 млн років), Марс (10 млн років), потім земля (30-50 млн років). Набагато важче пояснити, як нові орбіти , Що виникли після зіткнень, стали круговими. Положення орбіт планет земного типу змінювалося мало, планети не мігрували. У формуванні орбіт могли зіграти свою роль залишилися планетезимали або залишковий газ.
Після того як протопланети зони Землі сформувалися, залишки речовини протопланетного диска віддалялися з внутрішніх областей Сонячної системи завдяки гравітаційному розсіювання при взаємодії з вже існуючої планетою-гігантом, під тиском сонячного випромінювання, в результаті ефекту Пойнтінга-Робертсона і просто поглиналися протопланетамі в зіткненнях. Гравітаційна взаємодія призводило до викидання тел на периферію системи і частково на сонце .
Може здатися, що викладена схема освіти планетної системи неправдоподібно складна. Насправді вона все ще недостатньо складна, щоб пояснити всі особливості і різноманіття шляхів формування планетних систем.
Зрідка трапляються в наш час зіткнення малих тіл з планетами можна розглядати як загасаюче відлуння інтенсивних зіткнень процесів, що відбувалися в ранній історії формування Сонячної системи . Приклад такої недавньої катастрофи - зіткнення комети Шумейкеров-Леві з Юпітером в 1994 р Близько 20 уламків ядра комети розмірами до 10 км один за іншим врізалися в хмарну поверхню Юпітера зі швидкістю 60 км / с. За виділеної енергії вибухи були еквівалентні мільйонам мегатонни водневих бомб. Широко відома подія приблизно таких же масштабів відбулося на землі 65 млн років тому, коли загинуло 80% всіх мешкали на Землі видів. Таку важку «метеоритну бомбардування» 3.9-3.8 млрд років назад планети переживали постійно. Найбільш імовірною його причиною могло бути проходження системою Юпітер-Сатурн орбітального резонансу 1: 2.
планети - кінцева стадія процесу акреції речовини, що оточував ядро протосонячній диска. У грандіозних масштабах Всесвіту вони займають скромне місце. Разом з тим розвиток уявлень сучасної теорії походження планетних систем і фізики планетних тіл показує, що планети відносяться до найскладніших і найбільш різноманітних об'єктів астрофізики. Тільки на планетах так тісно пов'язані астрономічні явища, хімічні, фізичні, геологічні та біологічні процеси. З природою планет біофізика пов'язує проблему походження амінонуклеіно-кислотної форми життя (єдиної форми життя, відомої сьогодні). Парадоксальним чином, походження планет, як і походження життя, був пов'язаний із фізичними циклами фазових переходів води.
джерела
Ксанфомалити Л.В., Зелений Л.М., Захаров А.В., Корабльов О.І. Планетні системи найближчих зірок; Природа № 9 2010
Див. такоже
