Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Важную роль в описании формирования планетной системы играет так называемая снеговая линия . Она соответствует расстоянию, на котором начинают замерзать летучие соединения: CO, H 2O и др. В молодой Солнечной системе она соответствует примерно 3 a.е. (значение различно для разных веществ). Таким образом, за орбитой Нептуна в основном формировались ледяные планетезимали, и они не смогли объединиться в единое крупное тело. Современный вид эта группа тел (классический пояс Койпера, рассеянный диск, плутино и другие объекты в резонансе с Нептуном) приняла в результате планетной миграции в первые сотни миллионов лет существования Солнечной системы. В первую очередь на орбиты этих тел влиял Нептун.

После эпохи поздней тяжелой бомбардировки Солнечная система практически не меняла свой облик.

Основой современного описания ранней эволюции Солнечной системы является так называемая Ниццкая модель (от города Ницца, где работали основные авторы этого сценария). В ней четыре планеты-гиганта формируются на расстояниях 5–17 a.е. от Солнца. Затем из-за взаимодействия с небольшими телами три внешние планеты (Нептун, Уран и Сатурн) медленно мигрируют наружу, а Юпитер – внутрь. В тот момент, когда орбитальные периоды Юпитера и Сатурна оказываются в отношении 1 к 2, система становится неустойчивой и происходит ее быстрая перестройка. Это случилось примерно спустя 600 млн лет после формирования Солнечной системы.

Примерно за 100 млн лет планеты-гиганты занимают свое современное положение. В ходе этой быстрой миграции Нептун вторгается в рой ледяных планетезималей, формируя современный вид этой области. Около 99 % тел оказываются выброшенными со своих орбит. Многие из них попадают во внешние части Солнечной системы, другие направляются во внутренние области. Происходит так называемая поздняя тяжелая бомбардировка. Попадая во внутренние части Солнечной системы, планетезимали могут сталкиваться с уже сформировавшимися планетами и их спутниками. Анализ лунной поверхности, а также многих других тел в Солнечной системе показал, что множество крупных кратеров имеют примерно одинаковый возраст – 3,8–4 млрд лет, что соответствует периоду поздней тяжелой бомбардировки. На этой же стадии Юпитер и Нептун собирают «троянские» астероиды в окрестности точек Лагранжа, а многие планеты (например, Уран и Сатурн) захватывают свои спутники.

После этого Солнечная система становится относительно стабильной на миллиарды лет. Численные расчеты показывают, что без мощного внешнего влияния орбиты планет будут оставаться достаточно стабильными вплоть до ухода Солнца с Главной последовательности.

В Солнечной системе насчитывается восемь больших планет. Половина из них относится к планетам земной группы. Они имеют железно-каменный состав и располагаются на расстояниях от 0,4 (Меркурий) до 1,5 a.е. (Марс) от Солнца. Вторая половина – это планеты-гиганты. Их ядра состоят из более тяжелых элементов, но основная масса находится в плотных оболочках, где главными составляющими являются водород и гелий (у Юпитера и Сатурна) и углерод, кислород и азот (у Урана и Нептуна). Они находятся на расстояниях от 5,2 (Юпитер) до 30 a.е. (Нептун). Иногда Уран и Нептун выделяют в отдельный подкласс ледяных гигантов. У всех планет, кроме Меркурия и Венеры, есть спутники, а у планет-гигантов также присутствуют системы колец.

Астрономическая единица (a.е.) – это расстояние от Земли до Солнца, примерно равное 150 млн км.

Пять планет – Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн – видны невооруженным глазом и известны с древности. Уран был открыт Уильямом Гершелем (William Herschel) в результате обзоров неба в 1781 г. Нептун был обнаружен в 1846 г. Иоганном Галле (Johann Gottfried Galle) на основе расчетов Урбена Леверье (Urbain Jean Joseph Le Verrier) (расчеты положения Нептуна на основании отклонений в движении Урана также проводил Джон Адамс (John Couch Adams)). В 1930 г. Клайдом Томбо (Clyde William Tombaugh) в результате специальных обзорных поисков был открыт Плутон, ставший девятой планетой. Однако в 2006 г. Плутон потерял статус планеты из-за обнаружения крупных транснептуновых объектов, в основном входящих в пояс Койпера.

Все планеты в той или иной степени были исследованы с помощью космических аппаратов. Наиболее хорошо изученными являются Марс, Венера, Юпитер и Сатурн.

Планеты Солнечной системы делятся на гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс).

Планеты формировались из вещества той же протосолнечной туманности, из которой сформировалась наша звезда. Самым распространенным элементом в ней был водород, затем гелий и только потом тяжелые элементы. Это объясняет, почему самые массивные газовые планеты в основном состоят именно из водорода и гелия. Несмотря на хорошее понимание среднего состава планет, многие детали внутреннего строения остаются неясными, поскольку исследования недр затруднены даже для Земли. Кроме того, современный уровень знаний не позволяет с надежностью говорить о поведении вещества в недрах планет из-за сочетания высокой плотности и давления.

Содержание элементов в протосолнечной туманности (отражающее вообще содержание элементов во Вселенной) налагает ограничения на возможный состав планет. Небольшие твердые планеты (или ядра более крупных тел) могут состоять из железа или «камней», которые в основном включают в себя магний, кремний и кислород. Ледяные тела состоят в основном из углерода, кислорода и азота, которые вместе с обильным водородом образуют такие соединения, как H2O, CH4, NH3, CO2 и др.

В целом состав планет определяется распространенностью элементов во Вселенной.

Внутри планет сегрегирующее действие гравитации заставляет тяжелые элементы постепенно опускаться в центральную часть. Поэтому планеты земного типа могут иметь железные ядра, а гиганты, подобные Урану и Нептуну, – богатые водородом и гелием внешние оболочки, покрывающие слои льдов (существующих в виде очень плотного газа или жидкости, а не твердого вещества), под которыми находится ядро из более тяжелых элементов.

Несмотря на многие сходные черты, планеты земной группы существенно отличаются друг от друга. Это касается не только их атмосфер (отсутствие таковой у Меркурия, разреженная атмосфера Марса, достаточно плотная у Земли и очень плотная у Венеры), но и их недр, что в первую очередь отражает различия в их массах, поскольку состав планет примерно одинаков (хотя, например, Меркурий содержит немного больше железа относительно кремния, чем другие три планеты, а Марс может иметь несколько меньше железа). Земля, будучи самой массивной, обладает более сложной внутренней динамикой, что выражается в активном вулканизме (сохранившемся и в наши дни, в отличие от Марса и Венеры) и движении литосферных плит (которое отсутствует у других планет земной группы). Есть предположения, что литосферная динамика является необходимым условием для появления жизни, подобной земной.