Многочисленные наблюдательные свидетельства формирования дисков вокруг молодых звезд убедительно показывают, что мы находимся на правильном пути, рассматривая развитие планетной системы как естественное последствие образования Солнца. Однако следующий шаг в этом процессе — отделение диска и аккумуляция планет — представляет трудность для моделирования. Его легко вообразить себе в общем, но значительно труднее рассчитать, как он происходит, из-за полного отсутствия каких-либо убедительных свидетельств. Мы наблюдаем межзвездные молекулярные облака и сверхновые звезды и околозвездные диски, все вещество, из которого должны формироваться планеты, наблюдаем планеты нашей системы через четыре с половиной миллиарда лет после их возникновения, но нигде и никогда мы не наблюдали планеты в процессе формирования или диски, которые превращались бы во что-то иное.
Разнообразные теоретические модели этого процесса можно разделить на два класса. В моделях одного рост планет происходит вследствие аккумуляции пыли в тела все больших размеров. Согласно моделям другого класса, в результате гравитационных неустойчивостей диск разбивается на гигантские протопланеты, которые затем, теряя, вещество, превращаются в планеты, наблюдаемые ныне. Теоретические модели последнего типа строил в основном Эл Камерон из Гарвардского университета, который, следуя более ранним работам Люста в Германии и ЛинденБелла и Прингла в Англии, рассматривал газопылевой диск, растущий по мере гравитационного оседания вещества в экваториальной плоскости протосолнца. Оказавшееся в этой плоскости вещество, вращаясь, движется наружу под действием центробежной силы. Примерно за 50 000 лет в диске накапливается достаточное количество Вещества (примерно две солнечные массы), и его радиус достигает 500—600 а. е. В этот момент под действием вращения внешняя часть диска теряется, а его внутренние области коллапсируют, падая на Солнце. После этого наружный край уменьшившегося диска располагается где-то в пределах современной орбиты Нептуна, а его полная масса ненамного превосходит полную массу наблюдаемых планет.
Возникает вопрос, может ли подобный диск разбиться на дискретные тела. По предположению Камерона, простая гравитационная неустойчивость, при которой возможна непосредственная аккумуляция вещества в планеты, не действует, но здесь проявляются неустойчивости другого типа, названные им осесимметричными. Они приводят к образованию не дискретных тел, а колец вокруг центра туманности. Возможность образования колец зависит от массы вещества в каждой определенной области. Выделяя эти области по положению современных планет, Камерон находит, что в каждой из них действительно достаточно вещества для образования отдельного кольца. Различные механизмы образования колец были предложены также А. Прентисом из Австралии.
Когда кольца сформировались, вещество внутри них в результате столкновений образует гравитационно-связанные тела, которые вырастают в отдельные газовые шары (напомним, что большая часть вещества диска — это водород и гелий). Эти шары, в свою очередь сталкиваясь, вырастают до гигантских газовых протопланет радиусами примерно от одного до, возможно, тридцати радиусов Юпитера. Все они удалены от Солнца на расстояния, значительно превосходящие 1 а. е. Внутренние кольца образуются первыми, согласно Камерону, и последними, согласно Прентису. Последуем пока за Камероном.
В его модели внутренние кольца образуются настолько быстро, что большая часть вещества протосолнечного облака не успевает упасть в плоскость диска. Уже после образования протоземли вещество продолжает гравитационно притягиваться к ней и протопланета растет. С ростом ее массы соответственно увеличивается притяжение к протосолнцу, и она по спирали перемещается внутрь туманности. В ходе этого процесса тяжелые частицы пыли, которые она увлекает, падают сквозь ее водородногелиевую оболочку к центру протоземли, образуя твердое ядро. Так продолжается до тех пор, пока протоземля не приближается к протосолнцу настолько, что приливные силы, индуцированные гравитационным полем последнего, сметают газы с поверхности протоземли, оставляя на устойчивой орбите маленькое протопланетное ядро. Подобную же эволюцию переживают и все планеты земной группы.
Протопланеты, сформировавшиеся на большом удалении от центра туманности, никогда не приближаются к протосолнцу настолько, чтобы почувствовать разрушительное влияние приливных волн, которые могли бы смести их внешние слои. Они продолжают аккрецировать вещество до тех пор, пока их собственная сила тяжести не возрастает настолько, что они коллапсируют. После коллапса вследствие сохранения углового момента они начинают вращаться быстрее и теряют вещество, образующее диски, подобные протосолнечному диску, из которого сформировались сами протопланеты. Из вещества протопланетных дисков в дальнейшем образуются системы спутников так же, как из вещества протосолнечного диска возникли планеты.
Описанную модель формирования протопланет сформулировали и отстаивали астрофизики, такие, как Камерон и Прентис. Однако космохимики тяготели к совершенно иной картине образования планет, предполагая, что пылинки, последовательно слипаясь, образуют тела, которые постепенно дорастают до планет. Сказанное вовсе не означает, что физики и химики не разговаривают друг с другом. Совсем наоборот, физика и химия постепенно перемешиваются в моделях обеих групп, изменяя и направляя их развитие по мере того, как ставятся новые эксперименты и уточняются результаты старых. Однако движущей силой протопланетных теорий являются астрофизические расчеты на основе законов небесной механики, действующих в протопланетных декорациях, а в теории планетезималей это преимущественно данные химии и петрологии.
В последней модели внимание в большей степени фокусируется на твердых пылинках, чем на газе. Пылинки падают сквозь газовое облако по направлению к экваториальному диску, куда их притягивают силы гравитации. (Диск, возникающий под действием центробежной силы, вначале представляет собой всего лишь утолщение, плотное образование из газа и пыли. Сила притяжения со стороны этого утолщения немного больше, чем от окружающего сферического облака, и поэтому пыль опускается к диску. Центробежные силы не препятствуют опусканию пыли, которое происходит перпендикулярно направлению вращения.) Когда пылинки движутся через газ, в результате трения направление их движения постепенно изменяется, пока все они не оказываются на сходных околосолнечных орбитах с малыми относительными скоростями. Разумеется, пылинки сталкиваются, но из-за низких относительных скоростей эти столкновения не влекут катастрофических последствий. Если они достаточно мягки, частицы скорее слипаются, чем разрушают друг друга.
|
ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Читать
Расстояние от Солнца следующей планеты
Десятилетняя канадская девочка помогла уточнить судьбу Вселенной
читать
Луна холоднее Плутона
НАСА вспоминает погибших астронавтов