700 milionów lat - tak długo trwało tworzenie naszego Układu Słonecznego. Krótki czas w skali Wszechświata. Ale wszystkie kluczowe wydarzenia dla naszej „rodziny słonecznej” zdarzyły się w tym czasie. Czym oni są?
Na początku była chmura
Wszystko zaczęło się około 4 miliardy 600 milionów lat temu. To wtedy ogromna chmura pyłu molekularnego, cicho unosząca się w Drodze Mlecznej, nagle zaczęła się kurczyć. Stało się to dzięki wybuchowi supernowej w pobliżu, fali uderzeniowej, która przeszła przez całą chmurę i spowodowała zapadnięcie się grawitacji. A eksplozja gigantycznej gwiazdy wypełniła chmurę gazem i ciężkimi pierwiastkami - żelazem i uranem, które później stały się cegłami składającymi się na Układ Słoneczny.
Kompresja była bardzo szybka. Ponadto chmura również się obracała. Faktem jest, że wszystko wokół nas, w tym galaktyka, jest w ciągłym ruchu. Rotacja jest częścią fizyki zapadania się gwiazd. Kiedy w chmurze gazowo-pyłowej pojawiła się grawitacja, nie tylko zaczęła się ona szybciej obracać, ale także spłaszczyła się w dysk. W warunkach szybkiego ściskania i chaotycznej rotacji gaz i pył zaczęły się zbierać w wiele grudek. Te grudki były niczym innym jak przyszłymi gwiazdami.
Wkrótce część tej chmury stanie się fragmentarycznym układem słonecznym, w środku którego będzie świecić jasna protogwiazda. Zacznie pochłaniać pył i gaz, które następnie składały się z mgławicy słonecznej. Przede wszystkim te „śmieci” będą znajdować się w głębi Słońca, a planety, satelity, asteroidy, a nawet my, powstają z nielicznych pozostałości.
Układ Słoneczny nie był jedynym „dzieckiem” ogromnego obłoku gazu i pyłu, jednocześnie „rodzą się” z nim „bracia” - inne układy gwiezdne.
To samo możemy obserwować dzisiaj w konstelacji Oriona, przez którą gigantyczny obłok molekularny rozciąga się na setki lat świetlnych. W niektórych miejscach widać młode gwiazdy formujące się z tych grudek, jak gigantyczne kule dyskotekowe, oświetlające otaczający gaz wszystkimi kolorami tęczy.
Film promocyjny:
Mgławica Oriona
Zdjęcie: NASA
Obecnie istnieją dwa podejścia do tworzenia systemów planetarnych. Jednym z nich jest rozwinięcie idei radzieckiego naukowca Wiktora Safronowa, tzw. Modelu akrecji na jądro. Zgodnie z tym modelem, najpierw tworzy się pewien pusty obszar planety, zarodek, skaliste jądro, na którym następnie gromadzi się gaz, i tworzy się gigantyczna planeta, taka jak Jowisz, Saturn lub inne planety olbrzymów. Drugie podejście wiąże się z próbami wyjaśnienia powstawania planet w dysku protoplanetarnym tym samym mechanizmem, który prowadzi do powstawania gwiazd, czyli niestabilności grawitacyjnej. Jeśli dysk jest wystarczająco masywny i jest w nim dużo materii, mogą powstać pewne niejednorodności, które zostaną ściśnięte pod wpływem ich własnej grawitacji. Jeśli są wystarczająco masywne, spadną do wewnątrz,zapadają się i zamieniają w masywne planety. W środowisku naukowym przewagę ma ta pierwsza, teoria powstawania planet Safronowa.
Planethesimals
Układ słoneczny w swym „powijakach” nie miał żadnych planet. Samo Słońce też nie istniało - była tylko mała protogwiazda, której światło było bardzo słabe z powodu nagromadzonego wokół niego gazu i pyłu. Jednak planety uformują się bardzo szybko.
Materiał do ich „wykonania” został podzielony na kilka „warstw” w zależności od temperatury dysku. Bliżej protosłońca, w temperaturach powyżej 2000 stopni, wszystko wyparowało. W odległości 8 milionów km znajdowała się kamienna linia, na której zestalały się metale i minerały. Następna granica jest zwykle nazywana linią śniegu - jest to górna granica wewnętrznego układu słonecznego. Woda, metan i amoniak istnieją tutaj tylko w postaci lodu. Ale dlaczego mówimy o tych substancjach? To proste - większość z nich jest w Układzie Słonecznym, zwłaszcza woda. Są to wszystkie składniki wodoru w takiej czy innej formie, a wodór jest wówczas najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w Układzie Słonecznym.
Te i inne pierwiastki łączy jedno - wciąż są tutaj w postaci mikroskopijnych cząstek. Ale już wkrótce, przez akrecję, zaczną się do siebie przyciągać i zamienią się w kamienie i kawałki lodu, które z kolei będą się również przyciągać. Tworzą mniej lub bardziej duże kawałki kamienia (około 1 km na 1,5 km), zwane planetozymalami. Jest to pierwszy materiał budowlany, z którego za 3 miliony lat powstaną protoplanety, „embriony” planet.
Artystyczna wizja linii śniegu
Zdjęcie: ESA
Giganci gazowi
W międzyczasie protoplanety mają rozmiary zbliżone do Księżyca. Zderzając się ze sobą, tworzą duże planety. Planety wewnętrznego Układu Słonecznego - Merkury, Wenus, Ziemia i Mars - okazały się małe, mniejsze niż zewnętrzne, ponieważ dostały mniej materiału budulcowego (bliżej gwiazdy, gdzie jest wystarczająco gorąco ze względu na swoje promieniowanie, lód nie może kondensować, nie może kondensować wody, amoniaku i innych gazów w materię stałą, dlatego mogą tam powstawać tylko planety skaliste, więc planety te są mniej masywne, ponieważ do ich powstania jest mniej materii).
Dosłownie za 3 miliony lat pojawia się gigant Układu Słonecznego - młody zamarznięty Jowisz. Zanim Jowisz stał się gazowym olbrzymem, był super-ziemią - dużą skalistą planetą o masie kilkakrotnie większej od masy Ziemi. Nadal się rozwijał, przyciągając do siebie nowe protoplanety. Ze względu na swoją masę Jowisz stał się „rabusiem grawitacyjnym”. Podobnie jak odkurzacz kosmiczny, pochłonął wszystkie gazy na swojej drodze iw ciągu 100 tysięcy lat zwiększył się o 90% swojej obecnej masy.
Inne planety w zewnętrznym Układzie Słonecznym - Saturn, Uran i Neptun - poszły za jego „chuligańskim” przykładem. I chociaż większości z nich nie udało się zgromadzić tak przekonującej masy „mięśniowej”, Jowisz i Saturn ostatecznie wchłonęły 92% całej materii nie słonecznej!
Dzięki „obżarstwu” tych dwóch olbrzymów w ciągu 10 milionów lat istnienia młodego Układu Słonecznego prawie cały znajdujący się w nim gaz, w szczególności wodór i hel, dzięki którym Jowisz i Saturn tak szybko rosły, wyczerpały się. Jednak ich niepohamowana „chciwość” trafiła w ręce ich bardziej „skromnych” braci. W końcu, gdyby Jowisz i Saturn nie przyciągały całego gazu i pyłu, moglibyśmy kontemplować nasze Słońce tylko jako raczej słaby, rozmyty dysk. Jednak nie mogli - przy braku normalnego światła słonecznego życie na naszej planecie z trudem mogłoby osiągnąć taką różnorodność, że pojawiły się na niej tak ciekawe stworzenia, jak Homo sapiens. Jednak słońce samo się do tego przyczyniło. W końcu nadal absorbował wodór i hel, w przeciwnym razie nie urósłby do tych rozmiarów i pozostałby protogwiazdą. Nawiasem mówiąc, Jowisz mógł sam zostać gwiazdą,gdyby miał dużo większą masę.
Drugie narodziny Słońca
Nasze Słońce narodziło się dwukrotnie. Gwiazda, o której do tej pory mówiliśmy, była tylko protosłonem. Na początku jej życia spektrum jej światła było inne. Protosun był równie energiczny jak teraz, ale bardziej czerwony. W wieku 50 milionów lat w Układzie Słonecznym ma miejsce znaczące wydarzenie - nasza gwiazda osiąga krytyczną temperaturę i ciśnienie, aw jej jądrze rozpoczyna się reakcja jądrowa. Z energią bomby wodorowej nasz protosłońca eksploduje i rodzi się nowa pełnoprawna gwiazda.
Planety wewnętrzne
Słońce dojrzało, a utworzony Jowisz, Saturn, Uran i Neptun przeleciały nad linią śniegu. W międzyczasie w gorącym regionie wewnętrznym, gdzie było wiele skał i mało gazu, zapanował chaos, gdy maleńkie protoplanety nadal zderzały się i rosły.
Tworzenie się wewnętrznych planet Układu Słonecznego trwało 10 razy dłużej niż formowanie się gazowych gigantów. Po 75 milionach lat ten proces dobiegł końca. Pył z tych „bitew” rozproszył się, a z głębin kosmosu wyłoniły się zarysy czterech planet wewnętrznych - Merkurego, Wenus, Ziemi i Marsa.
Jednak dzieciństwo naszej Ziemi było trudne. W czasie, gdy proto-Ziemia osiągnęła swój obecny rozmiar i zajęła stabilną orbitę, miała kosmicznego ścigacza. Uważa się, że na początkowych etapach rozwoju Ziemi towarzyszyła inna protoplaneta - Thea. Miał prawie taką samą orbitę jak Ziemia. Dosłownie podążała za jej piętami. Nic dziwnego, że taka „kontrola” wcześniej czy później musiała skończyć się zaciekłym „konfliktem” - zderzyły się planety. I znowu wielkie katastrofy zamieniły się w wielkie stworzenie - z gruzów Thei i samej Ziemi, satelity - powstał Księżyc (o tym przeczytacie w ostatnim numerze magazynu w artykule „Historia Ziemi w 30 minut”). Po przetrwaniu kataklizmu i utworzeniu Księżyca Ziemia stała się jedną z najbardziej stabilnych planet w wewnętrznym Układzie Słonecznym. To prawdopodobnie kolejny powóddlaczego to na niej pojawiło się życie (przynajmniej tak różnorodne).
Pierścień asteroid i Pas Kuipera
Wydawałoby się, że formowanie się planet dobiegło końca, ale między Marsem a Jowiszem do dziś znajduje się pierścień, który już dawno powinien zamienić się w inną planetę. Ale jej narodziny są niemożliwe - „nikczemność-los” w postaci gigantycznego Jowisza nie pozwala jej się uformować: siła grawitacji gazowej planety nieustannie popycha asteroidy i zapobiega ich przyciąganiu do siebie.
Bliżej krawędzi Układu Słonecznego, za orbitą Neptuna, znajduje się kolejny pierścień asteroid - pas Kuipera. Zawiera dużo skał i lodu, ale wszystkie one odlatują tak daleko od siebie, że prawie nigdy się nie zderzają, dlatego nie tworzą planet.
Obiekty pasa głównego zaznaczono kolorem zielonym, dysk rozproszony kolorem pomarańczowym. Cztery zewnętrzne planety zaznaczono na niebiesko, asteroidy trojańskie Neptuna na żółto, a Jowisz na różowo. Pojawienie się szczeliny w dolnej części figury jest spowodowane obecnością w tym obszarze paska Drogi Mlecznej, ukrywającego słabe przedmioty
Oprócz pierścienia asteroid i pasa Kuipera istnieje również hipotetyczny obszar kulisty w Układzie Słonecznym zwany chmurą Oorta. To ona, zdaniem wielu badaczy, uważana jest za „ojczyznę” komet długookresowych. I chociaż istnienie chmury Oort nie zostało potwierdzone instrumentalnie, wiele danych pośrednich wskazuje na jej istnienie. Uważa się, że chmura Oorta jest pozostałością po pierwotnym dysku protoplanetarnym, który powstał wokół Słońca około 4,6 miliarda lat temu. Powszechnie przyjęta hipoteza głosi, że obiekty Obłoku Oorta pierwotnie uformowały się znacznie bliżej Słońca w tym samym procesie, w którym powstawały planety i asteroidy, ale oddziaływanie grawitacyjne z młodymi planetami olbrzymami, takimi jak Jowisz, wrzuciło te obiekty na wyjątkowo wydłużone orbity eliptyczne lub paraboliczne. …
Późne ciężkie bombardowanie
Jednak 50 milionów lat po narodzinach Układu Słonecznego w pasie Kuipera i pierścieniu asteroid było 100 razy więcej ciał niż obecnie. Wszystkie one odegrały destrukcyjną, ale bardzo ważną rolę w ewolucji skalistych planet wewnętrznych, w tym naszej Ziemi.
Przyczyną dramatu byli jednak wówczas gazowi giganci, których przemieszczone orbity prawie zniszczyły Układ Słoneczny. Kiedy Jowisz wszedł w rezonans z Saturnem, powstało podniecenie grawitacyjne i nastąpiła katastrofa - planety rozrzucone po całym Układzie Słonecznym. Najbardziej ucierpiały dwie planety, Neptun i Uran. Ich orbity są odwrócone.
Rezonans Jowisz-Saturn dokładnie rozrzedził zarówno pas asteroid, jak i pas Kuipera. 99% ciał w pasach asteroidy i Kuipera było rozproszonych, większość z nich znajdowała się poza Układem Słonecznym. Ale niektórzy weszli do środka. Ziemia, podobnie jak inne planety skaliste, znajdowała się na linii ognia. To wydarzenie jest znane jako późne ciężkie bombardowanie. Ale zasada „bez srebrnej podszewki” znów zadziałała. Wielu naukowców uważa, że to właśnie takie bombardowania mogły przynieść na Ziemię wodę, a jednocześnie organiczne minerały i substancje, z których później powstało życie.
Od tego czasu, o ile wie współczesna nauka, w Układzie Słonecznym nie było żadnych poważnych kataklizmów. Wielu generalnie uważa go za nietypowy w porównaniu z innymi podobnymi systemami właśnie ze względu na jego stabilność. Czy jesteśmy wyjątkowi?
Układ słoneczny powinien istnieć jeszcze przez 5 miliardów lat - do momentu zatrzymania się reakcji termojądrowej we wnętrzu Słońca i jego rozszerzenia. Kiedy to się stanie, zmieni się w czerwonego olbrzyma i połknie Merkurego, Wenus i być może naszą Ziemię. Ale nawet jeśli nasza planeta uniknie tego losu, życie na niej stanie się całkowicie niemożliwe ze względu na bliskość gigantycznego słońca. Strefa nadająca się do zamieszkania przesunie się na same krańce systemu planetarnego. Jednak ze względu na niezwykle zwiększoną powierzchnię Słońce będzie znacznie chłodniejszą gwiazdą niż wcześniej. Potem nasz system czeka jeszcze większa tragedia - Słońce znowu zacznie się kurczyć. Będzie to trwało, dopóki nie zmieni się w białego karła - gwiezdne jądro, niezwykle gęsty obiekt o połowę pierwotnej masy gwiazdy, ale tylko o rozmiarach Ziemi. Proces „umierania” Słońca, jak wszystko inne na tym świecie, rozpoczął się w momencie jego narodzin. Gdy Słońce spala swoje rezerwy paliwa wodorowego, energia uwalniana do podtrzymywania jądra ma tendencję do wyczerpywania się, powodując kurczenie się gwiazdy. Zwiększa to ciśnienie w jej wnętrzu i rozgrzewa rdzeń, przyspieszając tym samym spalanie paliwa. W rezultacie Słońce rozjaśnia się o około 10% co 1,1 miliarda lat i rozjaśnia kolejne 40% w ciągu następnych 3,5 miliarda lat. W rezultacie Słońce rozjaśnia się o około 10% co 1,1 miliarda lat i rozjaśnia kolejne 40% w ciągu następnych 3,5 miliarda lat. W rezultacie Słońce rozjaśnia się o około 10% co 1,1 miliarda lat i rozjaśnia kolejne 40% w ciągu następnych 3,5 miliarda lat.