СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА Вопрос о том, как образовалась Солнечная система, пожалуй, наиболее трудный в планетологии. Для ответа на него у нас пока мало данных, которые помогли бы восстановить протекавшие в ту далекую эпоху сложные физические и химические процессы. Теория формирования Солнечной системы должна объяснить множество фактов, включая ее механическое состояние, химический состав и данные изотопной хронологии. При этом желательно опираться на реальные явления, наблюдаемые вблизи формирующихся и молодых звезд.
Механическое состояние. Планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, по почти круговым орбитам, лежащим почти в одной плоскости. Большинство из них вращается вокруг своей оси в том же направлении, что и Солнце. Все это указывает, что предшественником Солнечной системы был вращающийся диск, который естественно образуется при сжатии самогравитирующей системы с сохранением момента импульса и следующим из этого увеличением угловой скорости. (Момент импульса, или угловой момент планеты, - это произведение ее массы на расстояние от Солнца и на орбитальную скорость. Момент Солнца определяется его осевым вращением и приблизительно равен произведению массы на радиус и на скорость вращения; осевые моменты планет пренебрежимо малы.)
Солнце содержит в себе 99% массы Солнечной системы, но только ок. 1% ее момента импульса. Теория должна объяснить, почему большая часть массы системы сосредоточена в Солнце, а подавляющая часть момента импульса - во внешних планетах. Имеющиеся теоретические модели формирования Солнечной системы указывают, что вначале Солнце вращалось значительно быстрее, чем сейчас. Затем момент импульса от молодого Солнца передался внешним частям Солнечной системы; астрономы полагают, что гравитационные и магнитные силы затормозили вращение Солнца и ускорили движение планет.
Уже два века известно приблизительное правило регулярного распределения планетных расстояний от Солнца (правило Тициуса - Боде), но объяснения ему нет. В системах спутников внешних планет прослеживаются те же закономерности, что и в планетной системе в целом; вероятно, процессы их формирования имели много общего. См. также БОДЕ ЗАКОН.
Химический состав. В Солнечной системе наблюдается сильный градиент (различие) химического состава: близкие к Солнцу планеты и спутники состоят из тугоплавких материалов, а в составе далеких тел много летучих элементов. Это означает, что в эпоху формирования Солнечной системы существовал большой градиент температуры. Современные астрофизические модели химической конденсации предполагают, что исходный состав протопланетного облака был близок к составу межзвездной среды и Солнца: по массе до 75% водорода, до 25% гелия и менее 1% всех прочих элементов. Эти модели успешно объясняют наблюдаемые вариации химического состава в Солнечной системе.
О химическом составе далеких объектов можно судить на основании значения их средней плотности, а также по спектрам их поверхности и атмосферы. Значительно точнее это удалось бы сделать путем анализа образцов планетного вещества, но пока у нас есть только образцы с Луны и метеориты. Исследуя метеориты, мы начинаем понимать химические процессы в первичной туманности. Однако процесс агломерации крупных планет из мелких частиц пока остается неясным.
Изотопные данные. Изотопный состав метеоритов указывает, что формирование Солнечной системы происходило 4,6 ? 0,1 млрд. лет назад и длилось не более 100 млн. лет. Аномалии изотопов неона, кислорода, магния, алюминия и др. элементов свидетельствуют, что в процессе коллапса межзвездного облака, породившего Солнечную систему, в него попали продукты взрыва близкой сверхновой звезды. См. также ИЗОТОПЫ; СВЕРХНОВАЯ ЗВЕЗДА.
Формирование звезд. Звезды рождаются в процессе коллапса (сжатия) межзвездных газо-пылевых облаков. Детально этот процесс пока не исследован. Имеются наблюдательные факты в пользу того, что ударные волны от взрывов сверхновых звезд могут сжимать межзвездное вещество и стимулировать коллапс облаков в звезды. См. также ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС.
Перед тем как молодая звезда достигнет стабильного состояния, она проходит стадию гравитационного сжатия из протозвездной туманности. Основные сведения об этом этапе эволюции звезд получают, изучая молодые звезды типа Т Тельца. По-видимому, эти звезды еще находятся в состоянии сжатия и их возраст не превышает 1 млн. лет. Обычно их массы от 0,2 до 2 масс Солнца. У них видны признаки сильной магнитной активности. В спектрах некоторых звезд типа Т Тельца присутствуют запрещенные линии, которые возникают только в газе низкой плотности; вероятно, это остатки протозвездной туманности, окружающие звезду. Для звезд типа Т Тельца характерны быстрые флуктуации ультрафиолетового и рентгеновского излучения. У многих из них наблюдаются мощное инфракрасное излучение и спектральные линии кремния - это указывает, что звезды окружены пылевыми облаками. Наконец, звезды типа Т Тельца обладают мощным звездным ветром. Считается, что в ранний период своей эволюции Солнце также проходило через стадию Т Тельца, и что именно в этот период летучие элементы были вытеснены из внутренних областей Солнечной системы.
Некоторые формирующиеся звезды умеренной массы демонстрируют сильный рост светимости и сброс оболочки за время менее года. Такие явления называют вспышками типа FU Ориона. По крайней мере однажды такую вспышку испытала звезда типа Т Тельца. Считается, что большинство молодых звезд проходит через стадию вспышек типа FU Ориона. Причину вспышки многие видят в том, что время от времени возрастает темп аккреции на молодую звезду вещества из окружающего ее газо-пылевого диска. Если в ранний период эволюции Солнце также испытало одну или несколько вспышек типа FU Ориона, это должно было сильно повлиять на летучие вещества в центральной части Солнечной системы.
Наблюдения и расчеты показывают, что в окрестности формирующейся звезды всегда есть остатки протозвездного вещества. Из него может сформироваться звезда-компаньон или планетная система. Действительно, многие звезды образуют двойные и кратные системы. Но если масса компаньона не превосходит 1% массы Солнца (10 масс Юпитера), то температура в его ядре никогда не достигнет значения, необходимого для протекания термоядерных реакций. Такое небесное тело называют планетой.
Теории формирования. Научные теории формирования Солнечной системы можно разделить на три категории: приливные, аккреционные и небулярные. Последние привлекают сейчас наибольший интерес.
Приливная теория, по-видимому, впервые предложенная Бюффоном (1707-1788), непосредственно не связывает между собой формирование звезды и планет. Предполагается, что пролетевшая мимо Солнца другая звезда путем приливного взаимодействия вытянула из него (или из себя) струю вещества, из которого сформировались планеты. Эта идея сталкивается с множеством физических проблем; например, выброшенное звездой горячее вещество должно распыляться, а не конденсироваться. Сейчас приливная теория непопулярна, поскольку не может объяснить механические особенности Солнечной системы и представляет ее рождение как случайное и крайне редкое событие.
Аккреционная теория предполагает, что молодое Солнце захватило вещество будущей планетной системы, пролетая сквозь плотное межзвездное облако. Действительно, молодые звезды обычно встречаются вблизи крупных межзвездных облаков. Однако в рамках аккреционной теории трудно объяснить градиент химического состава в планетной системе.
Наиболее разработана и общепринята сейчас небулярная гипотеза, предложенная Кантом в конце 18 в. Ее основная идея состоит в том, что Солнце и планеты формировались одновременно из единого вращающегося облака. Сжимаясь, оно превратилось в диск, в центре которого образовалось Солнце, а на периферии - планеты. Отметим, что эта идея отличается от гипотезы Лапласа, согласно которой сначала из облака сформировалось Солнце, а затем по мере его сжатия центробежная сила отрывала с экватора газовые кольца, сконденсировавшиеся позже в планеты. Гипотеза Лапласа сталкивается с трудностями физического характера, которые не удается преодолеть уже 200 лет.
Наиболее удачный современный вариант небулярной теории создал А.Камерон с коллегами. В их модели протопланетная туманность была примерно вдвое массивнее нынешней планетной системы. В течение первых 100 млн. лет формировавшееся Солнце активно выбрасывало из нее вещество. Такое поведение характерно для молодых звезд, которые по имени прототипа называют звездами типа Т Тельца. Распределение давления и температуры вещества туманности в модели Камерона хорошо согласуется с градиентом химического состава Солнечной системы.
Таким образом, наиболее вероятно, что Солнце и планеты сформировались из единого сжимающегося облака. В центральной его части, где плотность и температура были выше, сохранились только тугоплавкие вещества, а на периферии сохранились и летучие; этим объясняется градиент химического состава. В соответствии с этой моделью формирование планетной системы должно сопровождать раннюю эволюцию всех звезд типа Солнца.
Рост планет. Существует множество сценариев роста планет. Возможно, планеты сформировались в результате случайных столкновений и слипаний небольших тел, названных планетезималями. Но, может быть, мелкие тела объединялись в более крупные сразу большими группами в результате гравитационной неустойчивости. Не ясно, происходила ли аккумуляция планет в газовой или безгазовой среде. В газовой туманности перепады температуры сглаживаются, но когда часть газа конденсируется в пылинки, а остатки газа выметает звездный ветер, прозрачность туманности резко возрастает, и в системе возникает сильный градиент температуры. До сих пор не вполне ясно, каковы характерные времена конденсации газа в пылинки, аккумуляции пылинок в планетезимали и аккреции планетезималей в планеты и их спутники.