Солнечная система, происхождение и развитие
Схематическое изображение Солнечной системы. Иллюстрация NASA/JPL
_hellmaus_, научный сотрудник лаборатории эволюционной биохимии НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ, популярно рассказал о том, как возникла Солнечная система.
Наша Солнечная система состоит из множества небесных тел. Крупнейшие из них, после Солнца - четыре планеты-гиганта, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, и четыре планеты земного типа - Меркурий, Венера, Земля и Марс. Кроме них, имеются астероиды - мелкие объекты, обращающиеся вокруг Солнца в основном между орбитами Марса и Юпитера, хотя есть группы астероидов как ближе, так и дальше от Солнца. За орбитой Нептуна расположен пояс Койпера - скопление небольших ледяных объектов. Первый объект пояса Койпера, Плутон, был открыт намного раньше остальных и поэтому долго считался девятой планетой.
Все эти объекты обращаются вокруг Солнца по орбитам, близким к круговым. Кроме них, в Солнечной системе есть множество комет. Они движутся по вытянутым эллиптическим орбитам, и нагреваясь вблизи Солнца, начинают испаряться. Испарение приводит к появлению у кометы видимого «хвоста». Размеры орбит комет сильно различаются. У самых короткопериодических комет орбита целиком находится внутри орбиты Юпитера, а непериодические выходят далеко за границы пояса Койпера, образуя так называемое облако Оорта.
Помимо планет, астероидов, Койперовских объектов и комет, еще есть спутники, обращающиеся вокруг всех планет, кроме Меркурия и Венеры. Земля имеет один крупный спутник - Луну, Марс - два маленьких, Фобос и Деймос, а планеты-гиганты имеют десятки спутников. Среди спутников планет-гигантов выделяются регулярные и нерегулярные. Плоскость орбиты регулярных спутников близка к плоскости экватора планеты, а форма орбиты близка к круговой. У нерегулярных спутников орбиты обычно сильно вытянуты и могут находиться под любым углом к экватору планеты, и они обычно обращаются дальше от планеты, чем правильные. Крупнейшие спутники планет-гигантов, Ганимед и Титан, по размеру в полтора раза больше нашей Луны и практически равны Меркурию.
Гравитационная дифференциация и магнитное поле
Важнейшим процессом, определяющим устройство планет, спутников и астероидов, является разделение их вещества на слои разной плотности. Планеты земной группы расслоены на железное ядро со средней плотностью 8 г/см3, силикатную мантию с плотностью около 3 г/см3 и тонкую наружную кору. В процессе расслоения в глубинах планеты выделяется тепло, поддерживающее ядро и мантию в расплавленом состоянии. Другим источником энергии внутри планеты является радиоактивный распад нестабильных элементов. Гравитационная дифференциация поддерживает конвективное течение мантии и в случае Земли - движение плит земной коры относительно друг друга.
При другом химическом составе небесного тела оно разделяется на другие слои. Например, крупные спутники планет-гигантов имеют силикатное ядро, мантию из жидкой воды и ледяную кору. На Европе и Энцеладе есть даже аналоги вулканизма и движения литосферных плит - километровые фонтаны воды и движение ледяных блоков коры. Сами планеты-гиганты разделяются на протяженную атмосферу из водорода и гелия, более тяжелый слой жидких метана, аммиака и воды и силикатно-железное ядро. Большую часть их диаметра составляет исключительно плотная атмосфера.
Приливные явления
Орбиты планет и спутников, расчитаные по законам Кеплера, неизменны и вечны. Однако в реальной Солнечной системе на движение любой планеты влияет не только притяжение Солнца, но и другие планеты. Это одна из причин, по которой орбиты могут изменяться со временем. Другая причина изменения орбит со временем - это приливы. Поскольку небесные тела имеют свои размеры, сила притяжения действует на их ближние к друг другу части сильнее, чем на дальние. За счет этой разницы небесные тела немного деформируются, их форма становится слегка вытянутой, подобно дыне. В случае Земли ее океаны легче поддаются деформации, чем земная кора, и изменения их уровня под действием тяготения Луны вызывают приливы, благодаря чему эти силы получили свое название.
Приливные силы быстрее уменьшаются с расстоянием, чем сила тяжести. При увеличении расстояния в два раза притяжение между телами ослабляется в четыре раза, а приливные влияния - в восемь раз. Поэтому на Земле приливные силы, вызванные Луной, преобладают над приливными силами Солнца, хотя Солнце гораздо массивнее Луны.
Движение масс воды, натыкающихся на континенты, и трение в деформируемой земной коре приводит к выделению тепла. Источником этой тепловой энергии является вращение планеты, и оно постепенно замедляется под действием приливов. Кроме того, похоже, что приливное действие Луны направляет дрейф материковых плит земной коры - их движение заметно несимметрично в направлении Запад-Восток (Riguzzi и др, 2010, «Tectonophysics» 484(1-4), doi: 10.1016/j.tecto.2009.06.012 ).
Благодаря приливным силам возможно взаимодействие между вращением планеты и орбитальным движением ее спутников. В системе Земля-Луна вращение Земли вокруг своей оси гораздо быстрее, чем орбитальное вращение Луны, поэтому приливный «горб» на Земле немного обгоняет Луну. Притяжение Луны к этому горбу приводит к тому, что вращение Земли постепенно замедляется, а кинетическая энергия передается Луне. При этом радиус лунной орбиты растет, также растет и период обращения Луны вокруг Земли.
Более крупный из спутников Марса, Фобос, совершает оборот вокруг планеты всего за 6 часов, тогда как период вращения Марса вокруг своей оси - 24,5 часа, чуть больше, чем у Земли. Поэтому в системе Марс-Фобос происходит передача кинетической энергии в обратную сторону - от спутника к планете, Фобос неуклонно приближается к Марсу и в ближайшие 15-20 миллионов лет достигнет предела Роша, где приливные силы сравняются с тяготением Фобоса, скрепляющим его в единое тело. Достигнув этого предела, Фобос развалится и вокруг Марса появится кольцо из камней и пыли, подобное кольцам Сатурна.
При движении спутника по эллиптической орбите его скорость максимальна в ближайшей к планете части орбиты, и там же максимально приливное взаимодействие. Обычно это приводит к скруглению эллиптических орбит под действием приливов.
Орбитальные резонансы
Притяжение двух планет друг к другу максимально в период противостояния - когда они находятся на одной прямой с Солнцем. Поэтому влияние разных планет на движение друг друга вокруг Солнца зависит от отношения их периодов обращения. Если их периоды обращения не образуют простого соотношения, типа 1:2, 2:3 или 2:5, то противостояния происходят в разных участках орбит без строгой закономерности, а изменения орбит на больших промежутках времени усредняются к нулю. Если периоды обращения планет относятся как небольшие целые числа, то говорят, что их орбиты находятся в резонансе. В этом случае противостояния происходят в одних и тех же местах орбиты, небольшие изменения орбит со временем накапливаются и орбиты могут сильно изменяться со временем. В некоторых условиях, однако, резонансы 2:3 и 2:5 могут стабилизировать орбиты планет несмотря на другие возмущающие воздействия.
Особенно быстрые изменения происходят при резонансе 1:2 - тогда планеты встречаются в одной и той же части орбиты, и их притяжение вытягивает их орбиты в эллипсы. В таком орбитальном резонансе находятся спутники Юпитера, Ио, Европа и Ганимед, их периоды обращения относятся как 1:2:4. Однако, приливные силы противостоят вытягиванию их орбит, поэтому конечным результатом борьбы орбитального резонанса с приливом оказывается рассеяние кинетической энергии вращения спутников в нагрев их недр и постепенное приближение к Юпитеру. Благодаря такому источнику энергии на Ио происходит самый активный вулканизм в Солнечной системе, фонтаны расплавленной серы бьют на сотню километров от ее поверхности.
Другое следствие орбитальных резонансов - пробелы в поясе астероидов в районе орбит, образующих резонансы 2:1, 3:1, 5:2 и 7:3 с Юпитером. Малые тела, которые могли быть на этих орбитах, неизбежно перешли на эллиптические орбиты, близко подходящие к Юпитеру и были выброшены им из пояса астероидов.
Планеты Солнечной системы в настоящее время не образуют орбитальных резонансов между собой, но в прошлом резонансы между планетами, в первую очередь между Юпитером и Сатурном, были важной причиной изменения орбит.
Планеты земной группы
Относительные размеры и внутреннее строение планет земной группы
Четыре внутренних планеты Солнечной системы - Меркурий, Венера, Земля и Марс - объединяются в земную группу. Они состоят из металлического ядра и силикатных мантии и коры, в отличие от планет-гигантов. Луна, хотя и не является планетой, по химическому составу также близка к планетам земной группы. Однако по другим параметрам планеты земной группы сильно различаются между собой. Так, Земля имеет азотно-кислородную атмосферу умеренной плотности и большое количество жидкой воды на поверхности. Венера покрыта сверхплотной атмосферой из углекислого газа, которая создает сильнейший парниковый эффект и повышает температуру на поверхности Венеры до 460 градусов. Воды на Венере нет ни в жидком виде, ни в виде паров в атмосфере. Атмосфера Марса так же состоит в основном из углекислого газа, но ее плотность в 1000 раз меньше, чем атмосферы Венеры. Марс отличается холодным климатом, и небольшое количество воды, сохранившееся на нем, находится в твердом виде в полярных шапках и в толще грунта в средних широтах. Меркурий не имеет атмосферы вовсе, температура его поверхности колеблется от -170 на ночной до 300 градусов на дневной стороне. Земля обладает достаточно сильным магнитным полем, магнитные поля Марса и Меркурия примерно в 100 раз слабее и не защищают эти планеты от солнечного ветра (потока заряженных частиц из солнечной короны), на Венере магнитное поле не обнаружено. Земля и Марс совершают один оборот вокруг своей оси за примерно за 24 часа, тогда как Меркурий и Венера - за 59 и 225 суток. Все планеты вращаются вокруг своей оси против часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса, и только Венера - по часовой стрелке. Земля имеет крупный спутник - Луну, Марс - два небольших спутника, Фобос и Деймос, Венера и Меркурий спутников лишены.
Сравнение планет земной группы
Планеты-гиганты
Юпитер является крупнейшей из планет Солнечной системы. Его масса превышает массу всех других планет, спутников, астероидов и комет, вместе взятых. Средняя плотность Юпитера составляет 1,3 г/см3, что означает преобладание легких элементов - водорода и гелия - в составе планеты. Видимая поверхность Юпитера, судя по неравномерным движениям отдельных частей, является плотным слоем облаков, а не поверхностю жидкости или твердого тела. Мощное магнитное поле Юпитера собирает заряженные частицы солнечного ветра с большого объема, их падение на полюса планеты вызывает мощные полярные сияния в ультрафиолетовом диапазоне.
Система спутников Юпитера была подробно изучена при помощи наземных телескопов, орбитального телескопа «Хаббл» и зондов «Вояджер», «Пионер» и «Галилео».
Тонкая структура облаков Юпитера в окрестностях Большого Красного Пятна.
Рисунок. Полярные сияния Юпитера.
Четыре крупнейших спутника Юпитера. Слева направо - Ио, Европа, Ганимед, Каллисто. Размеры Ио примерно равны размерам Луны. (Из Википедии)
Четыре крупнейших спутника Юпитера, Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, были открыты Галилеем в 1610 году при помощи первого в мире телескопа. Их диаметры от 3100 км (Европа) до 5200 км (Ганимед), что сравнимо с размерами нашей Луны и даже планеты Меркурий. Периоды обращения вокруг планеты составляют от 1,77 суток (Ио) до 16,7 суток (Каллисто). Измерения плотности показывают, что Ио состоит из скальных пород, Европа имеет водную мантию и ледяную кору общей толщиной около 100 км, а Ганимед и Каллисто состоят из льда на 70-80%. Кроме четырех крупных спутников, вокруг Юпитера обращаются еще четыре малых спутника, Метида, Адрастея, Амальтея и Фива. Все они обращаются внутри орбиты Ио, их размеры не превышают 250 км, а периоды обращения - от 7 до 16 часов. Еще Юпитер имеет 58 нерегулярных спутников, размером единицы или десятки километров, с периодами обращения от 130 до 1077 суток.
Вторая по величине планета Солнечной системы - Сатурн. Подобно Юпитеру, он состоит приемущественно из водорода и гелия, причем доля водорода больше, чем в составе Юпитера. Плотность Сатурна минимальна среди всех планет Солнечной системы, всего около 0,69 г/см3, поэтому его масса почти втрое меньше массы Юпитера при сопоставимых размерах.
Система спутников Сатурна столь же многочисленна, как система Юпитера. Крупнейший спутник Сатурна, Титан, своим диаметром (5150км) лишь немного уступает Ганимеду. Еще четыре спутника, Тефия, Диона, Рея и Япет, имеют размеры 1000-1500 км, Мимас и Энцелад - 400 и 500 км, остальные спутники не превышают в размере 260 км. Всего вокруг Сатурна известно 24 регулярных и 38 нерегулярных спутника.
Крупные спутники Сатурна. Верхний ряд, слева направо - Мимас, Энцелад, Тетис, Диона, Рея, Титан. Нижний ряд - Гиперион, Япет, Феба.
Титан уникален среди всех спутников тем, что он имеет свою атмосферу. Кроме того, Титан - единственное кроме Земли тело Солнечной системы с озерами и реками на поверхности. Правда, при температуре -170 градусов эти озера и реки состоят из жидких углеводородов (метана и этана) и текут по скалам из водяного льда. Атмосфера Титана состоит из азота с примесью метана. Под действием ультрафиолета в верхних слоях атмосферы образуются сложные углеводороды, которые образуют желтую дымку, скрывающую поверхность спутника.
Карта северного полушария Титана по данным радарных съемок «Кассини» и фотография поверхности, переданная спускаемым аппаратом «Гюйгенс»
Остальные крупные спутники Сатурна состоят из водно-аммиачного льда с примесями силикатных минералов. Поверхность Япета, Дионы и Реи делится на переднее (по ходу орбитального движения) и заднее полушария, которые отличаются цветом и рельефом, передние полушария обоих спутников значительно светлее задних.
Энцелад находится в орбитальном резонансе 2:1 с более массивной Дионой. Сочетание орбитального резонанса и приливных воздействий Сатурна приводит к разогреву недр спутника и вулканизму, подобно Ио в системе Юпитера. С южного полюса Энцелада бьют фонтаны воды, которые преодолевают его тяготение. Замерзшие кристаллики льда оказываются на орбите вокруг Сатурна и образуют его самое внешнее рассеянное кольцо (кольцо Е). По данным зонда «Кассини», выбрасываемая вода содержит углекислый газ, аммиак, синильную кислоту и сложные углеводороды.
Кольца Сатурна - самая заметная часть его системы. Сейчас кольца известны у всех четырех планет-гигантов, но только у Сатурна они плотны и отражают почти столько же света, сколько сама планета. Кольца состоят из ледяных частиц размером от миллиметров до десятков метров.
Тонкая структура колец Сатурна. Буквами обозначены основные кольца.
Толщина колец не превышает одного километра. Считается, что кольца возникли при распаде одного или нескольких спутников, затормозившихся за счет приливного взаимодействия с Сатурном и пересекших предел Роша. Структура колец поддерживается за счет взаимодействия со спутниками. Так, щель Кассини, разделяющая кольца А и В, поддерживается орбитальным резонансом 2:1 с Мимасом, выбрасывающим частицы из этой щели. Несколько мелких спутников вращаются вблизи внешнего края колец и даже среди колец: это Атлас, Прометей, Пандора, Пан, Янус и Эпиметей. Они называются «спутниками-пастухами», так как их воздействие удерживает частицы колец от перехода на другие орбиты. Например, Атлас поддерживает четкий внешний край кольца А. Янус и Эпиметей движутся по очень близким орбитам, радиус которых различается всего на 50 км, и периодически меняются местами.
Две внешние планеты Солнечной системы, Уран и Нептун, относятся к ледяным гигантам. Их диаметр около 50 000 км (в 4 раза больше Земли и почти в 3 раза меньше Юпитера), а средняя плотность составляет около 1,3 (Уран) и 1,6 (Нептун) г/см3. Они состоят в основном из воды, метана и аммиака в жидком и твердом состояниях, а на долю водорода и гелия приходится менее 10%. Атмосферы Нептуна и особенно Урана значительно спокойнее, чем атмосфера газовых гигантов, устойчивые вихри заметны редко. Ось вращения Урана наклонена на 97 градусов относительно плоскости орбиты, поэтому смена времен года на нем происходит совсем не так, как на других планетах, а полюса получают в среднем за год больше тепла, чем экваториальные районы. Уран и Нептун обладают мощным магнитным полем, однако в отличие от других планет, их магнитные полюса далеки от географических. Магнитная ось Урана наклонена на 59 градусов относительно оси вращения, Нептуна - на 47 градусов. Если магнитное поле газовых гигантов и планет земной группы порождается конвективными потоками в ядре, то для ледяных гигантов предполагаемый источник магнитного поля - жидкая водно-аммиачная прослойка ближе к поверхности.
Уран (слева) и Нептун
Известно 27 спутников Урана и 14 спутников Нептуна. Пять спутников Урана - Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон - достаточно велики, чтобы иметь форму шара. Диаметр Миранды - 470 км, четыре остальных достигают размеров 1000-1500 км, состоят из льда и небольшого каменного ядра. Все они, особенно Миранда и Ариэль, имеют следы тектонической активности и обновления поверхности. 13 внутренних спутников Урана - мелкие, до 130 км, вращающиеся среди колец Урана и испытывающие заметное приливное торможение. Со временем их ждет распад и превращение в новые кольца либо столкновение с планетой.
Крупнейшие спутники Урана. Слева направо: Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон
В системе Нептуна есть один крупный спутник - Тритон, диаметром 2700 км (несколько меньше Луны), 7 мелких внутренних спутников, очень близких к планете, и 5 удаленных от планеты мелких нерегулярных спутников. Тритон обращается вокруг Нептуна в обратном направлении, как нерегулярный спутник, хотя его орбита практически круговая и наклонена лишь на 24 градуса относительно экватора планеты. Его плотность 2,07 г/м3 свидетельствует о большой доле каменных пород по сравнению с другими спутниками Урана и Нептуна. Состав Тритона и характер его орбиты заставляют предположить, что раньше Тритон был самостоятельной карликовой планетой, вроде Плутона, и был захвачен Нептуном при сближении. На поверхности Тритона заметны следы тектонической активности и гейзеры, извергающие азот. Активность этих гейзеров поддерживает разреженную азотную атмосферу, ее давление примерно в 50 000 раз ниже давления атмосферы Земли.
Тритон.
За орбитой Нептуна лежит пояс Койпера. Он состоит из ледяных карликовых планет и мелких объектов, не имеющих шарообразной формы. Первый объект пояса Койпера, Плутон, более 60 лет оставался единственным известным, но на сегодня известны сотни объектов пояса Койпера. Крупнейшими телами с размерами до 2400 км являются Плутон и Эрида. Многие объекты пояса Койпера имеют спутники. Харон, спутник Плутона, по размеру лишь в два раза уступает Плутону. Другие спутники, например, спутник Эриды Дисномия, очень малы и их диаметр измерить не пока не удалось. Многие тела пояса Койпера имеют красноватый цвет из-за наличия на поверхности толинов - сложных органических полимеров, образующихся при ультрафиолетовом облучении метаново-аммиачного льда. Качественных фотографий этих карликовых планет не существует - первый космический зонд "Новые Горизонты" достигнет Плутона лишь в июле 2015 года.
Обсудить в блоге автора
(Большая часть информации в этой главе взята из двух обзоров: Montmerle, Augereau, Chaussidon, Gounelle, Marty, Morbidelli, 2006. «Earth, Moon and Planets» 98, doi: 10.1007/s11038-006-9087-5; Crida, 2009, http://arxiv.org/abs/0903.3008
Другие источники указаны в тексте.)
Формирование звезд, наблюдаемое и в настоящее время, происходит в газо-пылевых облаках. Такие облака под собственной тяжестью сжимаются и распадаются на фрагменты. По мере сжатия отдельных фрагментов небольшое случайное вращение, которое имело облако до сжатия, усиливается - по закону сохранения момента количества движения, если вращающиеся тела приближаются к центру вращения, то скорость вращения должна возрасти (так фигуристы на льду прижимают руки к телу, чтобы ускорить свое вращение). В случае газового облака взаимодействие вращения и силы тяжести приводит к тому, что облако принимает форму диска. Вдоль оси вращения сжатие происходит беспрепятственно, а в плоскости диска газ и пыль могут падать к центру, только потеряв по какой-либо причине скорость вращения. Центральное сгущение сжимающегося фрагмента облака - протозвезда - образуется еще до того, как фрагмент сожмется в диск. Гравитационная энергия падающего в протозвезду газа разогревает ее, и еще до начала термоядерных реакций светимость протозвезды может в сотни раз превышать ее будущую светимость в качестве обычной звезды. Примерно через миллион лет газ из диска в основном падает в звезду, и светимость ее поддерживается уже только термоядерными реакциями. Известным примером звезды на этой стадии эволюции является T Tauri. Остаток диска, имеющий массу порядка 10 масс Юпитера, постепенно образует планеты.
Протопланетные диски вокруг молодых звезд в туманности Ориона
Древнейший известный твердый материал, попавший в руки ученых - это так называемые досолнечные зерна (presolar grains). Эти частицы микронных размеров, обнаруживаемые внутри метеоритов, состоят из тугоплавких минералов - карбида кремния, алмаза, оксидов алюминия и титана, оливина и пироксена. Досолнечные зерна отличаются по изотопному составу от остальной материи Солнечной системы - например, они часто сильно обогащены тяжелым изотопом кальция 44Са. Этот изотоп образуется из радиоактивного титана 44Ti с периодом полураспада 60 лет, который в свою очередь синтезируется в больших количествах при вспышках сверхновых. Следовательно, досолнечные зерна образовались в конце жизни различных звезд в процессе сброса их оболочек, как тихого (звездный ветер), так и взрывного (новые и сверхновые).
Самые древние твердые тела Солнечной системы, кальций-алюминий-богатые включения, тоже входят в состав метеоритов, но крупнее, до миллиметра в размере, и в их составе есть и менее тугоплавкие материалы. Возраст всех кальций-алюминиевых включений определенный с высокой точностью уран-свинцовым методом, одинаков и составляет 4568 миллионов лет. Момент образования кальций-алюминиевых включений принимается за точку отсчета существования Солнечной системы.
Кальций-алюминиевые включения тоже несут в себе изотопные следы вспышек сверхновых в виде избытка 26Mg и 60Ni - продуктов распада радионуклидов 26Al и 60Fe с периодами полураспада 730 тысяч лет и 2,6 млн. лет соответственно. Следовательно, образование Солнечной системы произошло вскоре после вспышки сверхновой в этом районе космоса. Ударная волна от вспышки сверхновой могла стать толчком, запустившим сжатие облака.
Пока не очень понятно, как соотносится изотопная хронология твердых тел Солнечной системы и возраст Солнца. Наиболее вероятно, что кальций-алюминиевые включения сконденсировались, когда протосолнце высветило большую часть гравитационной энергии и температура диска упала ниже 1500 градусов, что произошло примерно через 200-300 тысяч лет после начала образования Солнца.
Следующим поколением твердых тел Солнечной системы стали хондры. Это силикатные шарики размером до нескольких миллиметров, составляющие основную часть материала самых обычных метеоритов - хондритов. Хондры состоят из таких минералов, как оливин (MgFeSiO4), пироксен ((Mg,Fe,Ca)Si2O6), полевой шпат ((K,Na)AlSi3O8), а так же имеют примеси фосфатов кальция, сульфида железа, самородных железа и никеля. Структура хондров указывает на образование при быстром (не более минуты) нагревании до примерно 1000 градусов и таком же быстром охлаждении. Что могло быть причиной такого кратковременного нагрева - непонятно. Рассматриваются версии коротких вспышек молодого Солнца, столкновений метеоритов и ударных волн в протопланетном диске. Время образования хондров растянуто примерно на 2 млн. лет, самые древние - практически современники кальций-алюминиевых включений.
Метеориты по минеральному составу делятся на три основных класса - железные, каменные хондриты и каменные ахондриты. Хондриты наиболее многочисленны и состоят из хондров, небольшой доли кальций-алюминиевых включений, и мелкозернистого матрикса, соединяющего крупные зерна. В состав матрикса часто входит вода и органические соединения. В некоторых хондритах доля органики достигает 30%. Железные метеориты и каменные ахондриты более однородны и имеют следы полного расплавления. Скорее всего, железные метеориты и ахондриты являются осколками крупных, более 100 км, астероидов, дифференцировавшихся на железное ядро и силикатную мантию, а хондриты никогда не входили в состав крупных тел и сохраняют древнейшие минералы Солнечной системы в неизменном виде. Железные метеориты и каменные ахондриты в среднем на 1-2 млн. лет моложе хондритов, но самые древние из них - ровесники древнейших хондритов и кальций-алюминиевых включений.
Хронология образования Солнечной системы
Образование планетезималей
Первые твердые частицы Солнечной системы, кальций-алюминиевые включения и хондры, в размере не превышали сантиметра. Чтобы образовались астероиды и планеты, мелкие частицы должны были сталкиваться между собой и слипаться. Для частиц размером до 10 сантиметров основную роль в слипании играют электростатические взаимодействия. Тела километровых размеров (планетезимали) удерживаются вместе своей гравитацией. Долгое время было необъяснимо, как могли образоваться километровые тела, потому что в размерном классе метров-десятков метров столкновения, по всем моделям, приводили к разрушению тел, а не к росту. Точнее, метровые тела могут расти за счет столкновения с мелкой пылью, но моделирование показывает, что распределение размеров получается таким, что рост за счет пыли отстает от разрушения за счет столкновений между телами сравнимых размеров. Другим слабым местом небулярной теории образования Солнечной системы было взаимодействие пыли с газом. Газ в протопланетном диске движется по окружности со скоростью меньше орбитальной, так как его дополнительно поддерживает давление нижележащих слоев газа. Пылинка в таких условиях должна тормозиться в газе и падать на Солнце в течение нескольких тысяч лет.
Обе этих проблемы решаются, если газовая часть протопланетного диска была турбулентна и в ней находилось множество устойчивых вихрей. В этом случае пылинки падают не на Солнце, а к центру местного вихря. В центре вихря скорости столкновения пылинок сильно уменьшаются, а их плотность возрастает, что позволяет метровым частицам слипаться в километровые. Образование планетезимали в вихре занимает не более 10 000 лет, но как долго мог продолжаться период массового рождения планетезималей - не очень ясно. По разным оценкам, это могло быть 100 - 500 тысяч лет.
После того, как значительная часть пыли собралась в планетезимали, начинается рост планетарных зародышей, в котором основную роль играют их гравитационные взаимодействия. Более крупные тела растут быстрее. Когда появляются первые планетарные зародыши размером до 1000 км, их гравитационное воздействие искажает орбиты мелких планетезималей, что повышает скорость их столкновений. В этих условиях мелкие планетезимали уже не могут объединяться друг с другом, а могут только присоединяться к более крупным. Этот период называется «стадией олигархического роста». В течение 1-2 млн. лет олигархический рост приводит к объединению большей части твердого вещества в районе планет земной группы и пояса астероидов в примерно сотню планетарных зародышей размером 3000-7000 км и массой 1-10% массы Земли (примерно от массы Луны до массы Марса).
Образование планет-гигантов
Планеты-гиганты образовались дальше от Солнца, за «линией льда», где конденсация воды в ледяные пылинки резко увеличила массу материала, доступного для построения планет. Масса Юпитера в 314 раз больше массы Земли, Сатурна - в 94, Урана - в 14 и Нептуна - в 17. Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода и гелия, на долю тяжелых элементов приходится, по разным оценкам, 15-30 масс Земли в составе Юпитера и 10-20 - Сатурна. Уран и Нептун сложены в основном водой, метаном и аммиаком, доля водорода и гелия в них составляет порядка одной массы Земли.
Зародыши планет-гигантов образовались так же, как и зародыши планет земной группы, но благодаря доступности льда их масса был намного больше, порядка 10 масс Земли. После этого они начали накапливать газ протопланетного диска, и по достижении примерно 25 масс Земли поглощение газа стало лавинообразно нарастать. Большая часть газа была набрана Юпитером и Сатурном в течение всего 10 тысяч лет. Начальные стадии роста, однако, должны были занять от 3 до 10 миллионов лет, иначе гравитационное влияние Юпитера помешало бы образованию планетарных зародышей во внутренних областях Солнечной системы. Уран и Нептун, скорее всего, росли еще дольше и не успели набрать достаточно большую массу к моменту рассеяния протопланетного диска.
Образование планет земной группы
После того, как во внутренней части Солнечной системы остается около 100 планетарных зародышей, их дальнейший рост замедляется, так как из-за их малого числа вероятность столкновений сильно снижается. Постепенно взаимное притяжение зародышей искажает их орбиты, и столкновения все же происходят. Несмотря на большие скорости столкновения, превышающие 10 км/с, зародыши объединяются благодаря гравитации. Во всех численных моделях этого процесса в течение 100 млн. лет из зародышей образуются 3-5 планет с размерами от Марса до Земли и устойчивыми орбитами.
В районе пояса астероидов исходно находятся планетарные зародыши общей массой до 2 масс Земли, однако формирования планет из них не происходит из-за взаимодействия с Юпитером. Те зародыши, которые оказались с ним в орбитальном резонансе, быстро переходят на все более вытянутые эллиптические орбиты и либо врезаются в формирующиеся внутренние планеты, либо проходят вблизи Юпитера и выбрасываются его тяготением за пределы Солнечной системы. Поскольку орбиты зародышей меняются из-за взаимодействия друг с другом, в резонансе с Юпитером рано или поздно оказывается большинство из них. Кроме того, из-за вытянутой формы орбит столкновения планетарных зародышей в этом районе происходят на очень больших скоростях и образуется много мелких обломков. В итоге за 100 млн. лет в районе пояса астероидов остается около 1% исходной массы в виде небольших тел на эллиптических орбитах, заметно наклоненных к плоскости эклиптики.
Образование Луны и спутников Марса
Как описано выше, образование планет земной группы включало в себя несколько десятков крупных столкновений. Многие из этих столкновений проходили по касательной, что приводило к выбросу в космос заметного количества обломков. Согласно изотопной хронологии, Луна на 60-100 млн. лет моложе Земли, то есть удар, породивший ее, был одним из последних в истории формирования Земли.
Численное моделирование удара, приводящего к образованию Луны (Canup, Asphaug, 2001. «Nature» 412(6848), doi: 10.1038/35089010), показало, что масса столкнувшегося тела (оно получило условное название Тейя) должна быть примерно равна массе Марса (в 10 раз меньше массы Земли), угол удара - от 30 до 50 градусов, в зависимости от предшествующего вращения Земли, выброшенный в космос материал происходит в основном из мантий Земли и Тейи, что соответствует малому содержанию железа в Луне. Энергия удара разогревает Землю настолько, что вся ее поверхность представляет собой океан магмы, окутаный плотной и протяженной атмосферой силикатных паров, CO2 и водяного пара. Благодаря этой атмосфере изотопный состав Земли и Луны выравнивается. Обломки на околоземной орбите собираются в Луну в течение всего нескольких лет, начальная высота ее орбиты составляет 25-30 тысяч км (примерно в 15 раз меньше современной). Через 1-2 млн. лет поверхность Земли охлаждается достаточно для появления первых твердых пород земной коры.
Спутники Марса, Фобос и Деймос, очень малы и ранее считались захваченными астероидами. Однако прямое измерение массы Фобоса по влиянию на орбиты космических зондов показало, что его плотность (1,88 г/см3) необычно мала для астероидов. По данным спектрального анализа, поверхность Фобоса сложена филлосиликатами - рыхлыми слоистыми минералами, обычными на поверхности Марса. Эти данные означают, что Фобос сложен материалами, выброшенными с Марса при ударах метеоритов, и в отличие от Луны его поверхность никогда не была полностью расплавлена. Возраст Фобоса однозначно установить трудно, не исключено, что он накапливал выбрассываемые с Марса обломки на протяжении миллиардов лет.Обсудить в блоге автора