Формирование Солнечной системы
Солнце образовалось из огромного облака газа 4,5 миллиарда лет назад. Так же, как другие звезды, сгущающиеся из молекулярных облаков, Солнце гравитационно выросло из океана водорода, гелия и вкраплений других элементов. Планеты сформировались из остатков вещества. Наращивание и столкновения определили их размеры и расположение в партии космического бильярда.
Когда в XVIII веке завоевала признание гелиоцентрическая модель, возникли вопросы о зарождении Солнечной системы. Небулярная гипотеза — что Солнце и планеты сформировались из гигантского облака газа — была предложена в 1734 году Эмануэлем Сведенборгом и разработана позднее, в том же столетии, Иммануилом Кантом и Пьером-Симоном Лапласом. Хотя в целом она верна, с тех пор она получила мощное развитие. Как другие звезды формируются из молекулярных облаков — к примеру, туманность Ориона, — так и Солнце, должно быть, сгустилось из облака, богатого водородом, гелием и вкраплениями других элементов.
Облако-предок Солнца, по-видимому, было размером в много световых лет и содержало достаточно газа, чтобы создать тысячи Солнц. Наше светило, возможно, было не единственным в этом облаке: судя по метеоритам, содержащим тяжелый изотоп железа (Fe-60), туманность была загрязнена выбросами от соседней сверхновой. Таким образом, Солнце могло вырасти среди других массивных звезд, жизнь которых была короче, и они взорвались до рождения Солнечной системы. Солнце постепенно росло из особенно плотной зоны облака благодаря действию сил тяготения. За 100 000 лет оно стало протозвездой — горячим плотным газовым шаром, в котором еще не шел ядерный синтез. Оно было окружено диском газа и пыли в сотни раз больше радиуса орбиты сегодняшней Земли. Примерно через 50 миллионов лет включился ядерный двигатель Солнца, и оно стало звездой главной последовательности.
Крушение кометы
16-22 июля 1994 года комета Шумейкеров-Леви 9 врезалась в атмосферу Юпитера. Это было первое наблюдавшееся столкновение двух тел в Солнечной системе, и за ним следили из большинства обсерваторий на Земле и в космосе. К моменту приближения к Юпитеру ядро кометы разорвалось, по меньшей мере, на 21 кусок размерами до двух километров. Астрономы смотрели, как эти куски врезаются в атмосферу один за другим, вызывая вспышки и выбросы вещества.
Растущие планеты
Планеты сформировались из обломков, собравшихся в диске. Крупинки срастались и собирались в объекты размерами в километры, а те, в свою очередь, тоже сталкивались и слипались. Эмбрионы планет росли и росли. В то же время там, где формировались планеты, диск очищался от вещества.
Внутренние области формирующейся Солнечной системы были очень горячи, поэтому летучим компонентам — таким как вода — оседать не удавалось. Каменные, богатые металлами планеты формировались на основе атомов элементов с высокими температурами плавления: железа, никеля, сплавов алюминия, силикатов — ныне это основы вулканических пород, наблюдаемых на Земле. Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс — постепенно росли от слияния меньших объектов. Считается, что внутренние планеты сформировались дальше от Солнца, чем их сегодняшнее расположение, поскольку их орбиты сжимались по мере того, как планеты замедлялись при движении сквозь газ, который все еще оставался в постепенно рассеивающемся диске. Гигантские газовые планеты — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун — формировались дальше, за «снеговой линией», где летучие компоненты остаются замерзшими. Эти планеты были достаточно велики, и потому им удалось всосать атмосферы из водорода и гелия. Эта четверка составляет 99% массы, вращающейся вокруг Солнца. Через 10 миллионов лет молодое Солнце размело весь оставшийся в диске газ, планеты заняли свои места и перестали расти.
Изначально считалось, что планеты в основном формировались там, где мы видим их сегодня. Но в XX веке астрономы поняли, что все было иначе. Они разработали новые теории и предположили, что планеты в действительности активно перемещались из-за столкновений — космического бильярда.
Гигантские удары
Когда внутренние планеты почти сформировались, в их зоне все еще было много эмбрионов планет размером с Луну. Они мощно сталкивались с готовыми планетами. Мы знаем, что это происходило: Земля приобрела Луну в одном из таких столкновений, Меркурий потерял большую часть своей внешней оболочки в другом. Наиболее вероятная причина этих столкновений в том, что орбиты планет тогда были более вытянутыми и потому часто пересекали траектории меньших объектов. С тех пор орбиты поменяли форму и сделались почти круговыми — возможно, путем последовательных столкновений или тяготения обломков.
Каменные осколки в поясе астероидов между Марсом и Юпитером могут быть остатками планеты, разбитой множеством столкновений. Эта зона была особенно подвержена катаклизмам из-за гравитационного влияния Юпитера, самой крупной планеты Солнечной системы. Смещение орбиты Юпитера вызвало обильные разрушения. Гравитационный «резонанс» взбаламутил зону, прилежащую к его орбите. Последовавшие столкновения разнесли находившуюся там планету, от которой осталась лишь россыпь астероидов. Некоторые ледяные астероиды из этого пояса могло занести на орбиту Земли, из-за чего на молодой планете появилась вода. Могли доставить воду и кометы.
Юпитер и другие внешние планеты на поздних стадиях формирования активно перемещались. На радиусах самых внешних планет диск был бы слишком холодным и рассеянным, чтобы получались по-настоящему крупные объекты. И потому Уран, Нептун и объекты пояса Койпера, включая Плутон и кометы, скорее всего, зародились ближе к Солнцу и были отброшены вдаль гравитационными взаимодействиями. Нептун, возможно, получился прямо внутри орбиты Урана, а затем выбрался за ее пределы. Вероятная причина — орбитальный танец, начавшийся между Юпитером и Сатурном через 500 миллионов лет после рождения Солнечной системы. Какое-то время период обращения у Юпитера был вдвое короче, чем у Сатурна, что вызвало резонансные колебания, которые отдавались во всей Солнечной системе. Нептун выпихнуло наружу, а мелкие ледяные тела разбросало в поясе Койпера.
«Понадобилось меньше часа, чтобы создать атомы, несколько сотен миллионов лет, чтобы создать звезды и планеты, но пять миллиардов лет, чтобы создать человека!» Джордж Гамов, «Сотворение Вселенной» (1952)
Поздняя бомбардировка
В период, когда внешние планеты меняли расположение, к внутренним планетам летело множество астероидов. Орбиты планет земной группы к тому времени в основном установились, основные столкновения остались в прошлом. В результате случился период «поздней тяжелой бомбардировки», во время которого на Луне появилось множество кратеров от ударов, повредило поверхности и других планет. Первые признаки жизни на Земле появились после «бомбардировки», 3,7 миллиарда лет назад.
Метеориты
Метеориты — это космические обломки, в том числе вещества, оставшиеся от ранней Солнечной системы, и осколки планет. Есть три основных типа метеоритов: те, что богаты железом и происходят из ядер разбитых астероидов, каменные, в основном — из силикатов, и каменно-железные — смесь первых двух. Минералы в этих темных камнях содержат изотопы, по пропорциям которых, как по космическим часам, можно судить, когда метеорит возник, — отслеживая радиоактивный распад. Сведя воедино полученные данные, можно установить последовательность, в которой возникали и складывались кирпичики Солнечной системы.
