Появление солнечной системы и Земли

Гипотезы возникновения Солнечной системыС древних времён люди пытались понять, как возникли Земля и другие небесные тела. Первые объяснения опирались на мифы и религиозные представления.В 1749 г. француз Жорж Бюффон предложил первую научную (небожественную) гипотезу: по его мнению, к Солнцу приблизилась гигантская комета, ударом выбившая из Солнца большие «капли» расплавленного вещества. Эти фрагменты стали вращаться вокруг Солнца и, остывая, превратились в планеты.В начале XIX века эта идея уступила место так называемой небулярной гипотезе. Иммануил Кант (1755) и, независимо от него, Пьер-Симон Лаплас (1796) предположили, что Солнечная система образовалась из единого вращающегося облака газа и пыли. По Канту, вокруг горячего центра (Солнца) вращалась рассеянная материя, которая постепенно конденсировалась в планеты. Лаплас дополнил эту картину расчётами: при вращении первоначальное облако растекалось в плоский газовый диск, который расщепился на концентрические кольца, из вещества каждого из которых со временем образовались планеты.В начале XX века набрала популярность приливная гипотеза Джеймса Джинса. Он полагал, что нашу систему сформировало близкое прохождение другой звезды рядом с молодым Солнцем: приливные гравитационные силы «оторвали» из Солнца длинную нить вещества, которое затем распалось на фрагменты – будущие планеты. Однако расчёты показали, что близкие столкновения со звёздами в нашей галактике крайне маловероятны.В 1943 году советский астроном Отто Шмидт выдвинул ещё одну идею: он предположил, что Солнце на ранней стадии своей эволюции прошло сквозь плотное межзвёздное облако. После этого Солнце оказалось окружено слоем газа и пыли, из которого позже сформировались планеты.

Небулярная гипотезаСегодня, спустя столетия, небулярная теория Канта и Лапласа получила научное подтверждение. Благодаря наблюдениям за другими звёздными системами, а также точным расчётам и компьютерному моделированию, эта гипотеза стала основой современных представлений о формировании Солнечной системы.Около 4,6 миллиарда лет назад Солнечная система начала своё формирование из гигантского холодного облака, состоявшего из водорода, гелия и пыли. Под действием силы тяжести это облако стало постепенно сжиматься. Возможно, этот процесс был запущен ударной волной от взрыва сверхновой звезды.Когда центральная часть сжимающегося облака стала достаточно плотной и горячей, там началась термоядерная реакция — так родилось Солнце.Оставшееся вещество продолжало вращаться вокруг новорожденного светила, формируя плоский протопланетный диск (место формирования будущих планет).

Формирование планетИз вращающегося протопланетного диска, состоявшего из газа, пыли и льда, со временем сформировались планеты, спутники, астероиды и другие малые тела Солнечной системы.Сначала в диске начали расти пылевые частицы. В течение тысяч лет они сталкивались и слипались, образуя всё более крупные образования — сначала размером с песчинку, затем с гальку и камни. Постепенно возникали тела размером в километры. Когда молодые планеты становились достаточно массивными, они начинали притягивать к себе окружающее вещество за счёт гравитации. Внутренние области протопланетного диска, где было жарче, стали местом формирования каменистых планет — Меркурия, Венеры, Земли и Марса. В более холодных внешних областях образовались гигантские планеты, способные удерживать лёгкие газы, — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.Со временем вещество в диске истощилось, и рост планет прекратился. Однако на этом формирование Солнечной системы не закончилось. Под действием гравитации крупных планет орбиты многих тел начали меняться. Некоторые планеты могли быть вытеснены с прежних орбит или были полностью выброшена за пределы Солнечной системы.Хотя небулярная гипотеза хорошо объясняет, как формируются планеты, остаются нерешённые вопросы. Один из главных — как пылинки в протопланетном диске слипаются в большие тела, не разрушаясь при столкновениях. Ответ на этот вопрос может помочь понять, почему у одних звёзд появляются планеты, а у других — нет.

Почему все планеты вращаются примерно в одной плоскости и в одном направлении?Все планеты вращаются вокруг Солнца в одной плоскости и в одном направлении, поскольку они образовались в плоском диске. Направление вращения диска стало направлением вращения Солнца и орбитами планет.Однако из этого общего правила есть два исключения — Уран и Венера.Уран вращается почти "на боку" — его ось наклона составляет около 98°, что сильно отличается от других планет. Венера же вращается в противоположном направлении.Ученые объясняют эти особенности тем, что в далёком прошлом обе планеты могли испытать мощные столкновения с другими крупными телами. Эти катастрофические события могли нарушить их первоначальное вращение и ось.

Почему внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс) — твёрдые и плотные, а внешние (Юпитер, Сатурн и др.) — газообразные гиганты?Ближе к Солнцу было слишком жарко для замерзания лёгких летучих соединений, таких как вода, метан или аммиак. Поэтому в этих внутренних областях оседали и скапливались только более тяжёлые вещества — металлы и силикатные минералы. Из них и сформировались четыре небольшие каменистые планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс.На границе диска, называемой линией замерзания, температура становилась достаточно низкой, чтобы вода и другие летучие вещества могли переходить в твёрдое состояние. Здесь начали образовываться ледяные планеты, состоящие из смеси льда, камня и металлов. Они быстро набирали массу и становились достаточно крупными, чтобы притягивать окружающий водород и гелий из газовой среды. В результате возникли массивные планеты с плотными ядрами и толстыми газовыми оболочками — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.Как объяснить наличие астероидов и комет?Остатки камней, неприсоединившихся к другим планетам, сохранились в виде астероидов и комет. Пояс астероидов между Марсом и Юпитером – это «незавершённые планеты”, которые так и не превратились в крупные небесные тела. Всё дело в гравитационном влиянии Юпитера, которое мешало веществу собраться в полноценную планету. Кометы пояса Койпера во внешней части системы также являются остатками протопланетного диска.

Сегодняшние астероиды и кометы — это лишь небольшая часть от миллиарда каменистых тел, которые когда-то заполняли молодую Солнечную систему. Большинство из них давно исчезли. Некоторые были выброшены за пределы солнечной системы под действием гравитации крупных планет, другие — столкнулись с формирующимися планетами. На твёрдых планетах такие удары оставили кратеры, которые мы видим, например, на Луне и Меркурии. Большинство столкновений произошло в первые сотни миллионов лет существования Солнечной системы — в эпоху  тяжёлой бомбардировки.Откуда на Земле появились океаны и атмосфера, если в области формирования планеты было слишком жарко для конденсации воды? Наиболее вероятное объяснение — Земля получила воду извне, от ледяных каменистых тел, сформировавшихся дальше от Солнца. Эти тела, богатые водой, в эпоху тяжёлой бомбардировки часто обрушивались на Землю. Интересно, что анализ воды в астероидах выявил её удивительное сходство с Земной водой.