Как образуются планеты?
За последние 30 лет ученые обнаружили в Млечном Пути более 4000 планет. Данные свидетельствуют о том, что каждая звезда сопровождается одной или несколькими планетами, а это означает, что образование планет, вероятно, является естественной частью звездообразования. Когда-то считалось, что процесс формирования планет был настолько редким, что планеты есть только у Солнца, но теперь понятно, что планет, вероятно, больше, чем звезд. Как образуются планеты вокруг звезд?
Как получить материалы для планет
Как и во многих других областях науки, наши интуиции, основанные на здравом смысле, могут быть ошибочными. Как бы странно это ни звучало, более крупные звезды на самом деле имеют более короткую продолжительность жизни, чем звезды меньшего размера. Это не разница, скажем, в несколько миллионов лет или около того. Самые маленькие звезды, называемые красными карликами, могут жить от сотен миллиардов до, возможно, даже триллионов лет. Это приблизительные оценки, поскольку продолжительность их жизни настолько велика, что во всей вселенной не существует красных карликов преклонного возраста. Несмотря на то, что они содержат значительно больше водородного топлива, чем звезды меньшего размера, самые крупные звезды будут существовать в среднем менее 100 миллионов лет, что является относительно короткой продолжительностью жизни, учитывая, что красные карлики могут жить триллионы лет. Интересно, что продолжительность жизни звезд определяется не количеством водорода, а скоростью, с которой этот водород превращается в более тяжелые элементы. Более массивные звезды имеют гораздо более высокие температуры ядра, что приводит к тому, что они сжигают свой запас водорода гораздо быстрее, чем звезды малой массы. Хотя кажется печальным, что самые яркие звезды живут быстро и умирают молодыми, ни нашего солнца, ни самих планет не было бы здесь, если бы это было не так.
Более высокие температуры ядра массивных звезд означают, что они могут создавать гораздо большее разнообразие тяжелых элементов в своем ядре по сравнению со звездами малой массы. Многие металлы, такие как магний и железо, поступают из звезд с большой массой. Когда массивная звезда исчерпывает свой запас водорода и превращает большую его часть в более тяжелые элементы, звезда начинает разрушаться под действием собственной гравитации. Обычно это происходит, как только в ядре звезды образуется железо, потому что сплав железа с более тяжелыми элементами потребляет больше энергии, чем выделяет. Железо поглощает энергию звезды, а не является чистым источником питания звезды. Когда звезда коллапсирует, ее внешние слои отскакивают от ядра и взрываются в результате мощного взрыва сверхновой. Во время взрыва сверхновой выделяемая энергия может превышать совокупную энергию любой другой звезды в галактике, что делает их одними из самых ярких событий в космосе. Энергия настолько велика, что железо может за очень короткое время превратиться в еще более тяжелые элементы, такие как золото и серебро.
Если бы не взрывы сверхновых, тяжелые элементы внутри массивных звезд не смогли бы рассеяться в космосе. В конце концов, тот же самый материал, из которого когда-то состояла массивная звезда, будет использован для формирования совершенно новой звезды с собственной солнечной системой. Основываясь на составе Солнца, астрономы полагают, что наша звезда относится ко второму или третьему поколению звезд, что означает, что одна или две звезды превратились в сверхновые до того, как наше солнце сформировало его и его планеты.
От звездной пыли к планете
Как вы попадаете из звездной пыли на планеты? Этот процесс был и остается в некотором роде загадкой. Когда образуется звезда, вокруг нее образуется гигантский диск из звездного материала, называемый протопланетным диском. Внутри этого вращающегося диска звездной пыли начинают формироваться планеты и их спутники. В течение десятилетий астрономы фактически предполагали, что наше солнце уникально тем, что оно считается единственной звездой, сопровождаемой планетами. Это было связано с тем, что каждый процесс, который могли разработать астрономы, был просто слишком маловероятным, чтобы он мог произойти вокруг других звезд. Однако в 1996 году астрономы объявили о подтверждении первой обнаруженной планеты, вращающейся вокруг звезды, отличной от нашего Солнца. За этим открытием последовали два десятилетия интенсивных исследований экзопланет, которые показали, что каждая звезда, которую мы можем видеть, вероятно, сопровождается своими собственными планетами.
Телескопы обнаружили и подтвердили существование планетообразующих дисков вокруг молодых звезд в пределах областей звездообразования. Хотя эти открытия подтвердили, что планеты образуются вокруг звезд в дисках из звездного материала, последующие наблюдения вызвали больше вопросов, чем дали ответов. Примечательно, что оказалось, что протопланетные диски, как правило, существуют не очень долго (по астрономическим меркам). В среднем протопланетный диск просуществует всего 10 миллионов лет, прежде чем рассеется в окружающем пространстве или упадет на формирующуюся звезду. Это означает, что солнечная система должна сформироваться в течение 10 миллионов лет, что является коротким периодом времени, особенно учитывая, что для развития многих геологических процессов на самих планетах может потребоваться больше времени. Теперь проблема заключалась в том, чтобы разгадать, как "звездная пыль" могла создать целую солнечную систему в этом окне.
Текущая модель формирования планет проста и понятна. Все начинается с крошечных частиц пыли на орбите вокруг звезды. Гравитация между такими маленькими частицами недостаточна, чтобы стянуть их вместе и образовать более крупные объекты, поэтому для образования первых крупных камней электростатическая сила должна удерживать их вместе. Частицы пыли будут иметь электрический заряд; таким образом, отрицательно заряженные частицы будут притягиваться к положительно заряженным и наоборот. Однако электростатической силы будет недостаточно, как только объекты станут слишком большими. К счастью, у нас есть гравитация, которая возьмет верх, как только это произойдет. Как только объекты становятся достаточно большими, чтобы гравитация стала актуальной, рост планет становится экспоненциальным, поскольку более массивные объекты сталкиваются и слипаются, увеличивая притяжение их гравитации и притягивая больше материала. Как только образуются планеты, начинается новый процесс, независимо от того, остается ли первоначальный протопланетный диск неповрежденным.
Столкновения планет
Даже в нашей солнечной системе астрономы полагают, что она, возможно, когда-то была домом для сотни или более планет, возникших из протопланетного диска. У нас больше нет почти такого количества планет вокруг Солнца, и это потому, что для того, чтобы сформировались нынешние планеты, планеты должны были сталкиваться друг с другом. Как правило, большие планеты имеют тенденцию поглощать меньшие планеты при столкновении, делая большие планеты еще больше. Считается, что в нашей солнечной системе каждая планета прошла через этот процесс, и газовые гиганты неизбежно сталкиваются и поглощают больше планеты, чем их скалистые аналоги. Даже Земле пришлось пережить крупное столкновение, которое, по мнению астрономов, привело к образованию нашей Луны. Около 4,5 миллиардов лет назад молодая Земля находилась на пути столкновения с планетой размером с Марс, получившей название Тейя. Поскольку обе планеты были относительно большими по сравнению друг с другом, молодая Земля рисковала разлететься на куски. Однако Земле повезло, и Тейя столкнулась как раз под нужным углом, чтобы разрушить только часть нашего мира и отправить материал на орбиту. В течение короткого периода времени Земля, вероятно, имела бы кольцо на своей орбите, а планетарные обломки кольца в конечном итоге сформировали бы нашу Луну.
