Как образовалась Солнечная система? В начале был хаос, который мог повториться и уничтожить Землю.

История Солнечной системы представляет собой довольно загадочную загадку. Одно можно сказать наверняка: вначале был хаос. Прочитайте, как образовалась Солнечная система.

Пылинка, оторвавшаяся от хвоста кометы на расстоянии 350 миллионов километров , наконец попала под электронный микроскоп. Увеличение увеличивается, пятнышко заполняет экран. Дэйв Джосвиак показывает фрагмент, напоминающий зазубренный утес, и увеличивает увеличение до 900 к. раз. Мы видим крошечные угольно-черные зерна. «Некоторые из них имеют размер всего несколько нанометров», — говорит Джосвиак. «Мы думаем, что это образец первичного материала, из которого состояла вся Солнечная система ».

У пылинки даже есть имя Инти, в честь бога солнца инков. Вероятно, он провел последние 4,5 миллиарда лет в замороженном состоянии внутри кометы Wild 2 за пределами Нептуна . Десятилетия назад Wild 2 по неизвестным причинам попал на орбиту, которая приблизила его к Солнцу . И комета начала распадаться в своем тепле.

Его фрагменты были засосаны космическим кораблем NASA Stardust, который пролетел мимо Wild 2 в январе 2004 года . Тысячи пылинок оказались в аэрогеле — пенообразном веществе, похожем на застывший дым. Два года спустя капсула с этим хрупким грузом приземлилась в пустыне Юты. Исследователи Stardust извлекли частицы из геля и разместили их под электронными микроскопами. Увиденное произвело на них большое впечатление.

Удивительные открытия команды миссии Stardust

Ученым давно известно, что тела, вращающиеся вокруг Солнца, образовались 4,5 миллиарда лет назад из пыли и газа, циркулирующих в дискообразной туманности Солнца. Долгое время считалось, что объекты сейчас примерно там, где они сформировались. За Нептуном, где формировались кометы, была доступна смесь льда и богатой углеродом пушистой пыли.

Между тем в зернах Инти содержатся другие вещества: обломки твердых пород, вольфрам, нитрид титана. Они могли образоваться только вблизи новорождённого Солнца, при температуре более 1700 градусов по Цельсию. Значит, в истории Солнечной системы должно было произойти что-то сильное, что оттолкнуло эти вещества ещё дальше от нашей звезды.

«Мы были потрясены, — признается Дональд Браунли, менеджер команды Stardust. «Мы обнаружили частицы, связанные с высокими температурами, в самых холодных объектах Солнечной системы. Такой вывод переворачивает его историю с ног на голову.

Как Ньютон рассчитал движение планет

До недавнего времени Солнечная система считалась предсказуемой . «У него было девять планет с регулярными орбитами, которые вращались как часы», — говорит Рену Малхотра из Аризонского университета. «Всегда и навсегда.»

В планетарии мы можем увидеть механические устройства, которые показывают движение планет согласно Исааку Ньютону . В конце 17 века он понял, что то, как они движутся, можно рассчитать по гравитационному взаимодействию с Солнцем. Вскоре часовщики начали строить подвижные схемы Солнечной системы, на которых латунные планеты двигались по фиксированным траекториям.

Однако Ньютон понял, что реальность сложнее. Что планеты взаимодействуют не только с Солнцем, но и друг с другом. Эта гравитационная сила намного слабее той, что исходит от звезды. но когда небольшие изменения складываются в течение длительного периода времени, они начинают иметь значение.

Эффект? « Ни одна из планет не движется по кругу », — говорит Браунли. Орбиты планет начинают удлиняться, пересекаться, расстраиваться. Ньютон сказал, что Бог должен время от времени вмешиваться и править часы. Он просто не мог понять, когда. Даже он не мог рассчитать, как взаимодействия планет будут формировать их орбиты в далеком будущем. Но никто никогда не видел доказательств того, что орбиты когда-либо менялись.

Как образовалась Солнечная система? Жестокий и хаотичный

Однако в начале этого века стала складываться иная картина нашего ближайшего космического соседства. После отчета Stardust многие ученые начали полагать, что ранняя молодость Солнечной системы действительно могла быть жестокой. Спустя сотни миллионов лет после своего образования планеты перешли на новые орбиты, выбрасывая на своем пути обломки горных пород и кометы.

«Кто бы мог подумать, что огромные планеты могут так двигаться?» Что Солнечная система так сильно изменилась? — спрашивает Алан Стерн из Юго-западного исследовательского института в Боулдере, штат Колорадо. «Были признаки, которые предполагали это. Однако для их подтверждения необходимо было провести новые телескопические наблюдения, разработать цифровую модель планетарной системы. И заставьте компьютеры работать, чтобы считать прошлые и настоящие орбиты.

Первые выводы пришли из изучения Плутона , маленького урода Солнечной системы (который больше не считается планетой) . Его орбита значительно перекошена по отношению к орбитам восьми планет и сильно вытянута. Он измеряет 30–50 расстояний от Земли до Солнца или астрономических единиц . Самыми странными оказались отношения Плутона с Нептуном. Они находятся в так называемом орбитальном резонансе. В то время как Нептун делает три оборота вокруг Солнца, Плутон делает два оборота вокруг него. Планеты исполняют этот танец, чтобы никогда не приближаться друг к другу.

Планетарная миграция, или как Нептун поймал Плутон

В 1993 году Рену Малхотра понял, как может возникнуть эта идеальная синхронность. Когда Солнечная система была молодой, полной астероидов и комет, Нептун был ближе к Солнцу, чем сегодня. Если бы один из этих крошечных объектов приблизился к Нептуну, гравитационная сила планеты могла бы либо притянуть его ближе к Солнцу, либо выбросить за пределы Солнечной системы. Поскольку действие всегда вызывает противодействие, каждое такое событие немного меняло орбиту планеты.

Компьютерная модель, разработанная Малхотрой, показала, что эти взаимодействия на самом деле заставят Нептун удалиться от Солнца. Компьютерные расчеты также показывают, что Нептун перехватил удаляющийся Плутон и втянул его в гравитационный танец.

После 10 лет исследований Малхотра подтвердила свою точку зрения. В поясе Койпера, темной области далеко за пределами Нептуна, телескопы обнаружили множество так называемых Плутоиды — карликовые планеты , находящиеся в резонансе два к трем с Нептуном .

«Это могло произойти только тогда, когда Нептун двигался к поясу Койпера, подобно гравитационному снегоочистителю, вытягивающему карликовые планеты на новые орбиты », — говорит исследователь. «Когда были открыты плутоиды, все стало ясно, и планетарная миграция фактически стала теорией из учебника.

Все больше и больше астрономических загадок

Это совпало с другими открытиями в Солнечной системе. В начале 21 века ученые уже знали, что его формирование происходит стремительно. Планеты не формировались мирным путем из солнечной туманности. Они росли в размерах, поглощая другие планетезимали — скалистые астероиды, ледяные кометы и более крупные объекты, которые разбивались о их поверхность. Это, вероятно, продолжалось в течение первых 100 миллионов лет.

Оставалось загадкой, почему через какое-то время эти бурные события не прекратились раз и навсегда. Спустя сотни миллионов лет Луна получила еще множество ударов , следы которых видны на ее поверхности. Это так называемое Великая бомбардировка Земли должна быть еще более серьезной. Ученые не знают, чем это вызвано. С тех пор планеты движутся по орбитам, почти полностью свободным от мусора.

Аналогичная загадка была обнаружена телескопами в поясе Койпера. Между плутоидами есть множество других объектов . Некоторые собрались в плоский диск, другие — в облако в форме пирога, а третьи имеют еще более вытянутые орбиты, чем Плутон. Плавное смещение Нептуна, которое Малхотра использовал для объяснения присутствия плутоидов, не привело бы к столь широкому разбросу обломков.

Тем временем астрономы начали обнаруживать экзопланеты в космосе — планеты, вращающиеся вокруг других звезд . Эти наблюдения значительно расширили наше понимание того, как может выглядеть планетарная система. Орбиты некоторых узкие, намного меньше, чем в нашей Солнечной системе. Есть и одиночки висящие в межзвездном пространстве.

Модель Ниццы описывает молодость Солнечной системы

Левисон, которого друзья называют Хэлом, — крепкий седеющий мужчина с волосами, собранными в хвост. «То, что я сейчас скажу, будет безумием», — начал он семинар. Вероятно, он сказал то же самое в 2004 году, когда представил т.н. Модель Nice разработана на основе множества компьютерных симуляций.

Эта модель предполагает, что внешние планеты Солнечной системы — Юпитер , Сатурн , Уран и Нептун — изначально были гораздо ближе друг к другу, чем сегодня (последние три также ближе к Солнцу), а их орбиты были почти круговыми. Затем они циркулировали вместе с множеством обломков скал и льда, которые образовали солнечную туманность.

Через некоторое время планеты поглотили или отправили планетезимали в космос. Район расчищен. Планеты притягивались друг к другу, расположение было очень тонким, «почти хаотичным», — говорит Левисон. Планеты, кроме гравитационного взаимодействия с Солнцем, которое можно сравнить с беговой дорожкой, вели себя так, как будто были дополнительно связаны друг с другом пружинами. Самое сильное притяжение было между двумя крупнейшими телами, Юпитером и Сатурном.

Разрыв этой связи может произвести революцию в системе всех планет. Это то, что произошло, предполагают исследователи, когда Солнечной системе было 500-700 миллионов лет. Взаимодействие с планетезималями изменило орбиты планет: Юпитер немного сместился внутрь, Сатурн, Уран и Нептун немного наружу. Все происходило медленно, пока Сатурн не оказался в таком положении, что совершает один полный оборот за каждые два оборота Юпитера вокруг Солнца.

Этот резонанс один к двум не был таким стабильным, как отношения между Нептуном и Плутоном. По мере того как Юпитер и Сатурн регулярно сближались, их почти круговые орбиты начали вытягиваться, образуя эллипсы, которые мы видим сегодня. Вскоре это закончилось резонансом.

Однако до того, как это произошло, Сатурн достаточно приблизился к Урану и Нептуну, чтобы ускорить их. В результате выскочили эти две планеты. Примерно в половине компьютерных симуляций команды Ниццы они даже поменялись местами.

Космическая лавина разрушения

Когда Уран и Нептун вращались вокруг солнечной системы, полной ледяных планетезималей, они вызвали лавину разрушения. Ледяные шары летели во все стороны. Планеты поймали луны на странных орбитах . Многие объекты, включая, возможно, комету Уайлда 2, были запущены в пояс Койпера.

Неизвестное число, возможно, триллион, было отброшено далеко, даже за пределы Облака Оорта. Это огромный коконообразный объект на полпути к следующей звезде. Многие кометы также были брошены в центр системы, где они либо столкнулись с планетами, либо распались под воздействием солнечного тепла.

Миграции великих планет также разрушили пояс астероидов между Юпитером и Марсом. Рассеянные, они присоединились к кометам и способствовали Великой бомбардировке. Миссия НАСА GRAIL показывает, насколько сильно Луна пострадала тогда и раньше. Его раковина сильно бороздчатая. Земля, должно быть, приняла на себя еще удары, но и следа от них не было потеряно — движение тектонических плит стерло огромные кратеры.

Следы древних катаклизмов

Как показывают расчеты модели Ниццы, Великая бомбардировка начала стихать через 100 миллионов лет. Однако исследование Билла Боттке из Юго-Западного научно-исследовательского института показывает, что частые удары могли препятствовать развитию жизни в течение следующих 2 миллиардов лет.

Когда астероид сталкивается с Землей, высоко в его атмосфере образуются капли расплавленной породы, которые затем падают в виде твердых стеклянных сфер, называемых шариками. Теперь ученые всего мира находят шарики, образовавшиеся после падения астероида на полуостров Юкатан 65 миллионов лет назад, уничтожившего динозавров .

К настоящему времени обнаружено не менее дюжины подобных шариков, свидетельствующих о ударах периода 1,8–3,7 миллиарда лет назад. Боттке утверждает, что на нашу планету упало до 70 астероидов, сравнимых с тем, который уничтожил динозавров . «Эволюция Солнечной системы была очень динамичной, — говорит Левисон. «Но это, вероятно, мелочь по сравнению с тем, что происходит в другом месте в космосе». Вероятно, эта частица космической мягкости необходима для того, чтобы на планете зародилась жизнь.

Модель Ниццы — это всего лишь гипотеза. Не все ученые убеждены, что это правильно. Исследователи проверяют это, создавая карты. Системы чертежей далеких космических объектов должны показать, вели ли себя там планеты и как. Стерн возглавляет миссию НАСА «Новые горизонты» , которая исследует Плутон и его спутники. Ученые перенаправили зонд на изучение как минимум одного объекта в поясе Койпера. Новые телескопы должны позволить нам смотреть на гораздо более удаленные объекты в поясе Койпера.

Возможно, они также заглянут в Облако Оорта, которое Стерн называет чердаком Солнечной системы. Пропавшие планеты могут быть среди объектов, выброшенных туда Юпитером. « Я думаю, фотографии из Облака Оорта покажут, что оно полно планет. Я думаю, мы найдем там много Марса и Земли , — говорит Стерн.

Нас ждет планетарный апокалипсис?

Как выглядит будущее известных нам планет? «Здесь многое происходит случайно, — говорит Грег Лафлин из Калифорнийского университета в Санта-Круз. Ученые считают, что четыре великие планеты закончили свое блуждание и через 5 миллиардов лет будут находиться на тех же орбитах, что и сегодня. Тогда стареющее Солнце раздуется и поглотит их . Однако нет никакой уверенности в том, что Меркурий , Венера, Земля и Марс все еще будут уничтожены.

У нас 1 процент. Вероятность того, что внутренняя часть Солнечной системы быстро дестабилизируется в течение следующих 5 миллиардов лет , говорит Лафлин. Проблема в дальней связи между Юпитером и Меркурием. Когда Юпитер в своем максимальном приближении к Солнцу выравнивается с заметно сжатой орбитой Меркурия, он притягивает его с небольшой, но постоянной силой. За миллиарды лет это дает Меркурию один шанс из 100 пересечь орбиту Венеры. Существует также шанс один к 500, что Меркурий полностью сойдет с ума и нарушит орбиту Венеры или Марса.

Он может сделать это достаточно эффективно, чтобы одна из этих планет столкнулась с Землей . Или пройдет его на расстоянии нескольких тысяч километров. И это такая же плохая новость. «Земля тогда растянется и расплавится, как клей», — говорит Лафлин. Риск тотального апокалипсиса невелик, с вероятностью 1 к 50 000. Тогда Земля подвергнется орбитальному хаосу, после чего она будет выжжена солнцем. Это наше наследие юношеских лет Солнечной системы. «Этого и следовало ожидать от гравитации , учитывая достаточное количество времени», — говорит Левисон.

Бурное рождение луны

Планеты образовались 4,5 миллиарда лет назад в результате очень сильных столкновений. Они росли, принимая другие небесные тела. Луна, вероятно, образовалась как осколок от одного из серии мощных ударов. Большой размер Луны, низкая плотность и другие свойства предполагают, что она образовалась, когда Земля столкнулась с протопланетой размером с Марс . В результате удара в космос были выброшены остатки самой протопланеты и часть каменистой оболочки Земли. Согласно одной из последних гипотез, у нашей Луны когда-то могла быть и младшая сестра.

• Осколки камня падают на орбиту и сливаются в одну, а то и в две луны. Он длится менее 100 лет. Большая часть железа протопланеты сливается с ядром Земли, поэтому Луна менее плотна, чем Земля.
• Гравитация Луны вызывает приливы Земли, а ее вращение ускоряет Луну. Он начинает удаляться от планеты . Сестринская луна, почти в три раза меньше, вращается на расстоянии.
• Через десятки миллионов лет Луна «накручивает» вокруг себя луну меньшего размера . Таким образом, на его невидимой стороне образуются горы — структура, контрастирующая с плоскими «морями», которые находятся на видимой стороне.

На чердаке солнечной системы

В ранней, хаотичной истории Солнечной системы Юпитер запустил, возможно, триллионы комет и несколько планет в космос. Вдали от Солнца, но все же немного подверженные его влиянию, они образуют сферический объект, называемый Облаком Оорта . С этой точки зрения Солнце и его планеты выглядят как небольшой яркий вихрь.

Кометы с длинными орбитами происходят из Облака Оорта. Их орбиты указывают на то, что облако представляет собой сферическую оболочку диаметром около светового года. Его форма напоминает половинку пончика. Остальная часть Солнечной системы лежит в своей дыре.