_hellmaus_ (_hellmaus_) wrote,
_hellmaus_
_hellmaus_

Category:

Солнечная система, происхождение и развитие, часть 1

(Большая часть информации в этой главе взята из двух обзоров: Montmerle, Augereau, Chaussidon, Gounelle, Marty, Morbidelli, 2006. «Earth, Moon and Planets» 98, doi: 10.1007/s11038-006-9087-5;  Crida, 2009, http://arxiv.org/abs/0903.3008
Другие источники указаны в тексте.)

Формирование звезд, наблюдаемое и в настоящее время, происходит в газо-пылевых облаках. Такие облака под собственной тяжестью сжимаются и распадаются на фрагменты. По мере сжатия отдельных фрагментов небольшое случайное вращение, которое имело облако до сжатия, усиливается – по закону сохранения момента количества движения, если вращающиеся тела приближаются к центру вращения, то скорость вращения должна возрасти (так фигуристы на льду прижимают руки к телу, чтобы ускорить свое вращение). В случае газового облака взаимодействие вращения и силы тяжести приводит к тому, что облако принимает форму диска. Вдоль оси вращения сжатие происходит беспрепятственно, а в плоскости диска газ и пыль могут падать к центру, только потеряв по какой-либо причине скорость вращения. Центральное сгущение сжимающегося фрагмента облака – протозвезда – образуется еще до того, как фрагмент сожмется в диск. Гравитационная энергия падающего в протозвезду газа разогревает ее, и еще до начала термоядерных реакций светимость протозвезды может в сотни раз превышать ее будущую светимость в качестве обычной звезды. Примерно через миллион лет газ из диска в основном падает в звезду, и светимость ее поддерживается уже только термоядерными реакциями. Известным примером звезды на этой стадии эволюции является T Tauri. Остаток диска, имеющий массу порядка 10 масс Юпитера, постепенно образует планеты.
Протопланетные диски вокруг молодых звезд в туманности Ориона

Древнейший известный твердый материал, попавший в руки ученых – это так называемые досолнечные зерна (presolar grains). Эти частицы микронных размеров, обнаруживаемые внутри метеоритов, состоят из тугоплавких минералов – карбида кремния, алмаза, оксидов алюминия и титана, оливина и пироксена. Досолнечные зерна отличаются по изотопному составу от остальной материи Солнечной системы – например, они часто сильно обогащены тяжелым изотопом кальция 44Са. Этот изотоп образуется из радиоактивного титана 44Ti с периодом полураспада 60 лет, который в свою очередь синтезируется в больших количествах при вспышках сверхновых. Следовательно, досолнечные зерна образовались в конце жизни различных звезд в процессе сброса их оболочек, как тихого (звездный ветер), так и взрывного (новые и сверхновые).
Самые древние твердые тела Солнечной системы, кальций-алюминий-богатые включения, тоже входят в состав метеоритов, но крупнее, до миллиметра в размере, и в их составе есть и менее тугоплавкие материалы. Возраст всех кальций-алюминиевых включений определенный с высокой точностью уран-свинцовым методом, одинаков и составляет 4568 миллионов лет. Момент образования кальций-алюминиевых включений принимается за точку отсчета существования Солнечной системы.
Кальций-алюминиевые включения тоже несут в себе изотопные следы вспышек сверхновых в виде избытка 26Mg и 60Ni – продуктов распада радионуклидов 26Al и 60Fe с периодами полураспада 730 тысяч лет и 2,6 млн. лет соответственно. Следовательно, образование Солнечной системы произошло вскоре после вспышки сверхновой в этом районе космоса. Ударная волна от вспышки сверхновой могла стать толчком, запустившим сжатие облака.
Пока не очень понятно, как соотносится изотопная хронология твердых тел Солнечной системы и возраст Солнца. Наиболее вероятно, что кальций-алюминиевые включения сконденсировались, когда протосолнце высветило большую часть гравитационной энергии и температура диска упала ниже 1500 градусов, что произошло примерно через 200-300 тысяч лет после начала образования Солнца.
Следующим поколением твердых тел Солнечной системы стали хондры. Это силикатные шарики размером до нескольких миллиметров, составляющие основную часть материала самых обычных метеоритов – хондритов. Хондры состоят из таких минералов, как оливин (MgFeSiO4), пироксен ((Mg,Fe,Ca)Si2O6), полевой шпат ((K,Na)AlSi3O8), а так же имеют примеси фосфатов кальция, сульфида железа, самородных железа и никеля. Структура хондров указывает на образование при быстром (не более минуты) нагревании до примерно 1000 градусов и таком же быстром охлаждении. Что могло быть причиной такого кратковременного нагрева – непонятно. Рассматриваются версии коротких вспышек молодого Солнца, столкновений метеоритов и ударных волн в протопланетном диске. Время образования хондров растянуто примерно на 2 млн. лет, самые древние – практически современники кальций-алюминиевых включений.
Метеориты по минеральному составу делятся на три основных класса – железные, каменные хондриты и каменные ахондриты. Хондриты наиболее многочисленны и состоят из хондров, небольшой доли кальций-алюминиевых включений, и мелкозернистого матрикса, соединяющего крупные зерна. В состав матрикса часто входит вода и органические соединения. В некоторых хондритах доля органики достигает 30%.  Железные метеориты и каменные ахондриты более однородны и имеют следы полного расплавления. Скорее всего, железные метеориты и ахондриты являются осколками крупных, более 100 км, астероидов, дифференцировавшихся на железное ядро и силикатную мантию, а хондриты никогда не входили в состав крупных тел и сохраняют древнейшие минералы Солнечной системы в неизменном виде. Железные метеориты и каменные ахондриты в среднем на 1-2 млн. лет моложе хондритов, но самые древние из них – ровесники древнейших хондритов и кальций-алюминиевых включений.


Хронология образования Солнечной системы

Образование планетезималей

Первые твердые частицы Солнечной системы, кальций-алюминиевые включения и хондры, в размере не превышали сантиметра. Чтобы образовались астероиды и планеты, мелкие частицы должны были сталкиваться между собой и слипаться. Для частиц размером до 10 сантиметров основную роль в слипании играют электростатические взаимодействия. Тела километровых размеров (планетезимали) удерживаются вместе своей гравитацией. Долгое время было необъяснимо, как могли образоваться километровые тела, потому что в размерном классе метров-десятков метров столкновения, по всем моделям, приводили к разрушению тел, а не к росту. Точнее, метровые тела могут расти за счет столкновения с мелкой пылью, но моделирование показывает, что распределение размеров получается таким, что рост за счет пыли отстает от разрушения за счет столкновений между телами сравнимых размеров. Другим слабым местом небулярной теории образования Солнечной системы было взаимодействие пыли с газом. Газ в протопланетном диске движется по окружности со скоростью меньше орбитальной, так как его дополнительно поддерживает давление нижележащих слоев газа. Пылинка в таких условиях должна тормозиться в газе и падать на Солнце в течение нескольких тысяч лет.
Обе этих проблемы решаются, если газовая часть протопланетного диска была турбулентна и в ней находилось множество устойчивых вихрей. В этом случае пылинки падают не на Солнце, а к центру местного вихря. В центре вихря скорости столкновения пылинок сильно уменьшаются, а их плотность возрастает, что позволяет метровым частицам слипаться в километровые. Образование планетезимали в вихре занимает не более 10 000 лет, но как долго мог продолжаться период массового рождения планетезималей – не очень ясно. По разным оценкам, это могло быть 100 – 500 тысяч лет.
После того, как значительная часть пыли собралась в планетезимали, начинается рост планетарных зародышей, в котором основную роль играют их гравитационные взаимодействия. Более крупные тела растут быстрее. Когда появляются первые планетарные зародыши размером до 1000 км, их гравитационное воздействие искажает орбиты мелких планетезималей, что повышает скорость их столкновений. В этих условиях мелкие планетезимали уже не могут объединяться друг с другом, а могут только присоединяться к более крупным. Этот период называется «стадией олигархического роста». В течение 1-2 млн. лет олигархический рост приводит к объединению большей части твердого вещества в районе планет земной группы и пояса астероидов в примерно сотню планетарных зародышей размером 3000-7000 км и массой 1-10% массы Земли (примерно от массы Луны до массы Марса).

Образование планет-гигантов

Планеты-гиганты образовались дальше от Солнца, за «линией льда», где конденсация воды в ледяные пылинки резко увеличила массу материала, доступного для построения планет. Масса Юпитера в 314 раз больше массы Земли, Сатурна – в 94, Урана – в 14 и Нептуна – в 17. Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода и гелия, на долю тяжелых элементов приходится, по разным оценкам, 15-30 масс Земли в составе Юпитера и 10-20 – Сатурна. Уран и Нептун сложены в основном водой, метаном и аммиаком, доля водорода и гелия в них составляет порядка одной массы Земли.
Зародыши планет-гигантов образовались так же, как и зародыши планет земной группы, но благодаря доступности льда их масса был намного больше, порядка 10 масс Земли. После этого они начали накапливать газ протопланетного диска, и по достижении примерно 25 масс Земли поглощение газа стало лавинообразно нарастать. Большая часть газа была набрана Юпитером и Сатурном в течение всего 10 тысяч лет. Начальные стадии роста, однако, должны были занять от 3 до 10 миллионов лет, иначе гравитационное влияние Юпитера помешало бы образованию планетарных зародышей во внутренних областях Солнечной системы. Уран и Нептун, скорее всего, росли еще дольше и не успели набрать достаточно большую массу к моменту рассеяния протопланетного диска.

Образование планет земной группы

После того, как во внутренней части Солнечной системы остается около 100 планетарных зародышей, их дальнейший рост замедляется, так как из-за их малого числа вероятность столкновений сильно снижается. Постепенно взаимное притяжение зародышей искажает их орбиты, и столкновения все же происходят. Несмотря на большие скорости столкновения, превышающие 10 км/с, зародыши объединяются благодаря гравитации. Во всех численных моделях этого процесса в течение 100 млн. лет из зародышей образуются 3-5 планет с размерами от Марса до Земли и устойчивыми орбитами.
В районе пояса астероидов исходно находятся планетарные зародыши общей массой до 2 масс Земли, однако формирования планет из них не происходит из-за взаимодействия с Юпитером. Те зародыши, которые оказались с ним в орбитальном резонансе, быстро переходят на все более вытянутые эллиптические орбиты и либо врезаются в формирующиеся внутренние планеты, либо проходят вблизи Юпитера и выбрасываются его тяготением за пределы Солнечной системы. Поскольку орбиты зародышей меняются из-за взаимодействия друг с другом, в резонансе с Юпитером рано или поздно оказывается большинство из них. Кроме того, из-за вытянутой формы орбит столкновения планетарных зародышей в этом районе происходят на очень больших скоростях и образуется много мелких обломков. В итоге за 100 млн. лет в районе пояса астероидов остается около 1% исходной массы в виде небольших тел на эллиптических орбитах, заметно наклоненных к плоскости эклиптики.

Образование Луны и спутников Марса

Как описано выше, образование планет земной группы включало в себя несколько десятков крупных столкновений. Многие из этих столкновений проходили по касательной, что приводило к выбросу в космос заметного количества обломков. Согласно изотопной хронологии, Луна на 60-100 млн. лет моложе Земли, то есть удар, породивший ее, был одним из последних в истории формирования Земли.
Численное моделирование удара, приводящего к образованию Луны (Canup, Asphaug, 2001. «Nature» 412(6848), doi: 10.1038/35089010), показало, что масса столкнувшегося тела (оно получило условное название Тейя) должна быть примерно равна массе Марса (в 10 раз меньше массы Земли), угол удара – от 30 до 50 градусов, в зависимости от предшествующего вращения Земли, выброшенный в космос материал происходит в основном из мантий Земли и Тейи, что соответствует малому содержанию железа в Луне. Энергия удара разогревает Землю настолько, что вся ее поверхность представляет собой океан магмы, окутаный плотной и протяженной атмосферой силикатных паров, CO2 и водяного пара. Благодаря этой атмосфере изотопный состав Земли и Луны выравнивается. Обломки на околоземной орбите собираются в Луну в течение всего нескольких лет, начальная высота ее орбиты составляет 25-30 тысяч км (примерно в 15 раз меньше современной). Через 1-2 млн. лет поверхность Земли охлаждается достаточно для появления первых твердых пород земной коры.
Спутники Марса, Фобос и Деймос, очень малы и ранее считались захваченными астероидами. Однако прямое измерение массы Фобоса по влиянию на орбиты космических зондов показало, что его плотность (1,88 г/см3) необычно мала для астероидов. По данным спектрального анализа, поверхность Фобоса сложена филлосиликатами – рыхлыми слоистыми минералами, обычными на поверхности Марса. Эти данные означают, что Фобос сложен материалами, выброшенными с Марса при ударах метеоритов, и в отличие от Луны его поверхность никогда не была полностью расплавлена. Возраст Фобоса однозначно установить трудно, не исключено, что он накапливал выбрассываемые с Марса обломки на протяжении миллиардов лет.

Нерешенные вопросы в происхождении планет

Хотя многие особенности строения Солнечной системы хорошо описываются моделями происхождения, которые были кратко описаны выше, есть и несколько серьезных нерешенных вопросов. Вот основные из них:
 - при образовании планет земной группы из зародышей орбиты планет в моделях получаются более вытянутые и наклонные, чем в реальности
 - Марс в моделях оказывается крупнее, чем в реальности, часто - самой крупной планетой земной группы
 -  осевое вращение планет земной группы определяется случайными событиями столкновения планетарных зародышей и в моделях оси вращения планет ориентированы случайно. В реальности оси вращения Меркурия и Венеры практически перпендикулярны к плоскости орбиты, а Земли и Марса – отклоняются от перпендикуляра не более чем на 30 градусов. Кроме того, реальное осевое вращение Меркурия и Венеры необъяснимо медленное.
 - при образовании планет-гигантов начало накопления газа (который, как мы помним, вращается со скоростью меньше орбитальной) должно приводить к быстрому (в течение тысяч лет) приближению планеты к Солнцу, которое может остановиться только при достижении свободной от газа ближней окрестности Солнца, то есть внутри орбиты Меркурия.
 - в районе орбиты Нептуна не должно было быть достаточно материала для формирования планеты такой массы

Продолжение
Tags: происхождение жизни
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 11 comments