Saulės sistemos formavimasis ir evoliucija: nuo miglos iki planetų

Atraskite, kaip prieš 4,6 mlrd. metų iš miglos susiformavo Saulės sistema — nuo gravitacijos ir kampinio momento iki planetų, orbitų ir Žemės evoliucijos.

Saulės sistemos formavimasis ir raida - taip vadinamos idėjos apie tai, kaip Saulės sistema atsirado ir kaip ji toliau keisis. Pripažinta idėja, kad prieš 4,6 mlrd. metų mūsų kosmoso rajone buvo labai didelis dujų debesis, vadinamas migla. Visi daiktai, turintys masę, jungiasi arba traukia vienas kitą. Tai traukė visas dujas į centrą. Ilgainiui dėl centre esančio slėgio temperatūra pakilo taip, kad vandenilio atomai susijungė ir susidarė helis. Procesas, kurio metu susidaro Saulės sistemos, vadinamas nebuline teorija.

Planetų sukimąsi aplink Saulę ir kiekvienos aplink savo ašį pirmiausia lėmė tai, kad pradinis dujų debesis skirtingose vietose buvo skirtingo tankio. Sukimasis didėjo dėl gravitacijos sukelto susitraukimo (energijos išsaugojimas). Taip pat kaip ir Saulės sistemos formos plokštumas. Tęsiantis susitraukimui, dėl kampinio momento išsaugojimo sukimasis pagreitėjo. Tai iš esmės neleidžia dujoms tiesiogiai akretuoti (judėti) į centrinį branduolį. Dujos priverstos sklisti į išorę ties ekvatorine plokštuma, suformuodamos diską, kuris savo ruožtu akretuoja į branduolį.

Dėl gravitacijos Saulės atomai labai priartėjo vienas prie kito. Visa ši energija galiausiai sukūrė mūsų žvaigždę - Saulę. Dujų likučiai dažniausiai patekdavo į dujines milžines - dar vadinamas Joviso planetomis. Uolienos ir dulkės iškeliavo į žemiškąsias planetas, jų mėnulius, asteroidus ir visus kitus Saulės sistemos objektus.

Dėl didžiulės Saulės masės (99,86 proc. visos Saulės sistemos masės) jos gravitacija buvo labai stipri. Planetų, skriejančių aplink Saulę, išcentrinė jėga atsveria Saulės gravitacinę trauką. Dėl didžiulio tankio jos branduolyje vyksta termobranduolinės sintezės reakcija, kurios metu vandenilis virsta heliu, skleidžiančiu šilumą, šviesą ir kitų formų elektromagnetinę spinduliuotę.

Kitas klausimas: jei Saulė vandenilį paverčia heliu, iš kur atsiranda visi kiti elementai? Galimas tik vienas atsakymas: šie aukštesnieji elementai atkeliavo iš ankstesnių kartų žvaigždžių. Didžiulės supernovos, sprogusios prieš milijardus metų jaunos Saulės sistemos kaimynystėje, sukūrė aukštesniuosius elementus. Milžiniškos žvaigždės savo gyvavimo ciklą įveikia daug greičiau nei mažesnės žvaigždės. Tai lemia dar didesnis slėgis ir temperatūra jų viduje, palyginti su vidutine pagrindinės sekos žvaigžde, pavyzdžiui, Saule.

Formavimosi etapai — žingsnis po žingsnio

Saulės sistemos formavimasis paprastai skirstomas į keletą aiškių etapų:

• Miglos gravitacinis kolapsas: tankėjantis dujų ir dulkių debesis susitraukia, susidaro besisukantis protoplanetinis diskas ir centrinis protosaulė — karštas susikaupusios medžiagos branduolys.
• Protosaulės ir protoplanetinio disko susidarymas: diske dulkės ir ledas susiklijuoja į didesnius gabalus; disko plokštumas formuoja sąlygas planetų kūrimui.
• Planetesimalų ir akrecija: milimetrinių–metrinių dalelių sankaupos („akmenukai“, pebbles) per trintį ir gravitaciją auga į kilometro dydžio planetesimalus, kurie toliau susidurdami ir jungdamiesi sudaro protoplanetas.
• Diferenciacija ir branduolio formavimasis: didesnės protoplanetos tirpsta arba dalinai lydosi dėl šilumos (radioaktyvumas, sprogimai), sunkiieji elementai nusileidžia į centrą formuodami branduolį, o lengvesni sudaro mantiją ir plutos sluoksnius.
• Dujinių milžinų formavimasis: jei protoplanetos branduolys pasiekė pakankamą masę disko gyvavimo metu (per kelis milijonus metų), jis galėjo apsiimti didelį kiekį dujų ir tapti Jovio tipo planeta; alternatyviai, stabilūs disko sutirštėjimai gali sukelti tiesioginį dujų gravitacinį kolapsą.
• Disko išvalymas ir vėlesnė evoliucija: žvaigždės vėjas, radiacija ir planetų migracija išvalo didžiąją dalį dujų ir dulkių; lieka asteroidų juosta, Kuiperio juosta ir Oorto debesys.

Kaip formavosi žemiškosios planetos ir dujiniai milžinai

Žemiškosios planetos (Merkurijus, Venera, Žemė, Marsas) susidarė iš kietų dalelių, kurios akretavo ir susidurdavo sudarydamos vis didesnius kūnus. Kolizijos ir išlydymai leido formuotis metaliniams branduoliams ir uolieninėms mantijoms. Atmosferos formavosi dviem pagrindiniais būdais: išsiskyrimu (outgassing) iš karštos, differentiavusios planetos bei vėlesniu laiku — meteorų, asteroidu ir kometų tiekimu.

Dujiniai milžinai greičiausiai susiformavo greičiau nei užtruko protoplanetinis diskas (disko trukmė paprastai — keletas milijonų metų). Populiariausias modelis — branduolio akrecijos modelis, kai kelių Žemės masių szrakiai branduoliai sugeba surinkti aplinkinius dujų sluoksnius. Kita, retesnė idėja — disko nestabilumo modelis, kai diskas lokaliose zonose tiesiog susideformuoja ir susispaudžia į dujinį objektą.

Dinaminė raida: migracija ir vėlesni smūgiai

Saulės sistemos raidai didelės įtakos turėjo planetų migracija ir dinaminiai susidėliojimai. Pagal kai kuriuos modelius (pvz., Grand Tack ir Nice model) Jupiteris ir Saturnas galėjo persikelti arba trumpam prisiartinti prie Saulės, o vėliau grįžti atgal, taip išjudindami planetesimalus ir paveikdami Žemės srities planetų mases bei asteroidų pasiskirstymą. Tokie perstumdymai gali paaiškinti ankstyvuosius smūgius į Žemę ir Mėnulį bei Kuiperio juostos struktūrą.

Smulkieji kūnai: asteroidai, kometos, Kuiperio juosta ir Oorto debesys

Ne visi akrecijos produktai tapo planetomis. Dalis medžiagos liko mažais kūnais:

• Asteroidų juosta tarp Marso ir Jupiterio — daug uolieninių ir metalinių liekanų, kurių formavimąsi paveikė Jupiterio gravitacija.
• Kuiperio juosta už Neptūno orbitos — lediniai ir uoliniai objektai, iš kurių kilę kai kurie kometos tipai.
• Oorto debesys — labai nutolęs, sferinis kometinių branduolių rezervuaras, susidaręs dėl planetų perturbacijų ir Saulės sistemos dinamikos.

Geocheminiai ir chronologiniai įrodymai

Mūsų supratimą apie Saulės sistemos amžių ir raidą patvirtina meteoritai (ypač chondritai), Mėnulio uolienos ir radiometrinis datavimas. Dauguma tyrimų rodo, kad Saulės sistemos formavimasis prasidėjo maždaug prieš 4,56 mlrd. metų. Izotopinės proporcijos taip pat atskleidžia, jog sunkieji elementai susidarė ankstesnėse kartose žvaigždžių, kaip minėta — per supernovų ir žvaigždžių vėjo procesus.

Įrodymai už „nebulinės teorijos“ ir alternatyvos

Nebulinė teorija gerai paaiškina daugumą pastebėjimų: plokščią planetų orbitų pasiskirstymą, kompozicinį skirtumą tarp vidinių ir išorinių planetų, radiometrinius amžius ir meteoritų savybes. Vis dėlto egzistuoja papildomos idėjos ir detalės (pvz., diskų magnetohidrodinaminės savybės, „pebble accretion“ mechanizmas, skirtingų migracijos modelių variantai), kurios nagrinėja specifinius procesus ir paaiškina stebimas išimtis.

Ateitis — kaip keisis Saulės sistema toliau?

Saulė šiuo metu yra stabilioje pagrindinėje sekos stadijoje; dar maždaug 5 mlrd. metų ji švytės kaip tokia. Vėliau Saulė išsipūs į raudonąjį milžiną, per kurį vidaus planetos gali būti sunaikintos ar dramatiškai pakeistos. Galutiniame etape Saulė atsiskirs nuo išorinių sluoksnių ir taps balta nykštuke; Saulės sistemos tolimoji dinamika po šių įvykių priklausys nuo ankstesnių perturbacijų ir išlikusių kūnų masės bei orbitų.

Trumpas santraukinis apibendrinimas

• Pagrindinė idėja: Saulės sistema susiformavo iš besisukančios miglos (protoplanetinio disko) per akreciją ir gravitacines sąveikas.
• Laikotarpis: pagrindiniai formavimosi įvykiai įvyko per kelis milijonus metų prieš ~4,56 mlrd. metų; vėlesnė dinamika truko dešimtis–šimtus milijonų metų.
• Įrodymai: meteoritai, planetačių ir mėnulių uolienos, astronominiai stebėjimai jaunų žvaigždžių diskų ir kompozicinių skirtumai tarp planetų.

Apibendrinant — dabartinė mokslinė sutarimas remiasi nebuline teorija ir toliau detalizuojasi per naujus stebėjimus, skaitmeninius modelius ir laboratorinius tyrimus. Tyrimai apie protoplanetinius diskus aplink kitas žvaigždes, planetų migraciją ir meteoritų izotopines savybes nuolat praturtina mūsų supratimą apie tai, kaip gimė ir vystėsi Saulės sistema.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra miglų teorija?

K: Kaip Saulė gauna energijos?

K: Kas lemia, kad planetos sukasi aplink savo ašį?

Klausimas: Iš kur atsiranda visi elementai, iš kurių sudarytos sausumos planetos, mėnuliai, asteroidai ir t. t.?

Klausimas: Kodėl didžiulių žvaigždžių gyvavimo ciklas vyksta daug greičiau nei mažesnių žvaigždžių?

K: Kas lėmė mūsų Saulės sistemos susiformavimą maždaug prieš 4,6 mlrd. metų?

Paieška pagal raidę