Планеты Солнечной системы, как и планеты других звезд, представляют собой сложный конгломерат твердого и жидкого вещества, нейтрального газа и плазмы, с захватываемыми из окружающего пространства частицами пыли и заряженными частицами высоких энергий. Для поиска ответов на вопрос, каким образом сформировалась Солнечная система, теория располагает сегодня новыми экспериментальными данными, значительная часть которых получена после открытия планет у других звезд. Теория образования звезд и планетных дисков была разработана давно, но теперь, благодаря успехам теоретической астрофизики и наблюдательной астрономии, процессы формирования планетных систем становятся более понятными.

Рис. 1. Формирование Солнечной системы
согласно ранним представлениям аккреционной
теории (ХХ в.).

Основы аккреционной теории были заложены в XVIII в. работами Э.Сведенборга, И.Канта и П.-С.Лапласа. Позднее, уже в ХХ в., в нашей стране важный вклад в теорию образования планетных систем внесли О.Ю.Шмидт и его школа из Института физики Земли РАН. Согласно данной концепции, в каком-то фрагменте гигантского межзвездного газово-пылевого облака частицы начинают концентрироваться вокруг случайного центра гравитации, образуя протосолнечное-протопланетное облако. По мере сжатия облако начинает вращаться и в условиях сохранения углового момента становится плоским. В таком вращающемся диске происходит фрагментация (рис. 1), появляются мелкие центры конденсации, затем планетезимали, те, в свою очередь, сталкиваясь и объединяясь, становятся зародышами планет, протопланетами. Затем, в результате множественных столкновений, протопланеты образуют планеты, которые возникают благодаря аккреции вещества из газово-пылевого диска, окружающего звезду, на образующееся ядро планеты.

В классической аккреционной теории предполагалось, что образование планет-гигантов происходит в несколько этапов. Во второй половине ХХ в. общепринятой была двуступенчатая схема образования Юпитера и Сатурна. В схематичном изложении — это длительная, до 10⁸ лет, столкновительная аккреция субмикронных частиц твердого материала во внутренней части протопланетного диска, которые превращались сначала в частицы микронного размера, затем в комочки размерами в несколько сантиметров, и их последующее слияние с образованием километровых планетезималей и более крупных планетных зародышей. Накопленные в протопланетном диске планетезимали объединялись в столкновениях и создавали ядро будущей планеты-гиганта с массой от 10 до 25 масс Земли (в более поздних работах произведена «уценка» массы ядра до 5—10 и даже до 2—3 масс Земли). Затем происходил более быстрый захват ядром вещества газовой фазы (главным образом водорода) из протопланетного диска. Расчеты неизменно показывали, что на весь процесс должно было уходить до 10⁸ лет.

Однако выполненные в конце ХХ в. многочисленные наблюдения протопланетных дисков в стадии формирования звездно-планетных систем свидетельствуют о весьма ограниченном времени исчезновения водорода и гелия из диска. Они удерживаются там менее 10⁷, а в ряде случаев даже менее 10⁶ лет. Естественно, это противоречит известному водородному (в основном) составу атмосфер Юпитера и Сатурна. На газообразную составляющую приходится 98% исходной массы протопланетных дисков. Проводились новые расчеты, где учитывались эффекты самоускоряющегося роста протопланеты. Но время все еще оставалось слишком большим, около 10⁷ лет, что противоречит наблюдательным данным. Последующие наблюдения показали, что на завершение диссипации (потери) газообразной составляющей уходит в среднем 3 млн лет. После этого газового материала для формирования планеты практически не остается.

Классическая схема встречается также с большими трудностями при попытках объяснить распределение углового момента в Солнечной системе. Парадоксальный факт — низкая величина углового момента Солнца — был известен давно. Убедительных объяснений ему теория предложить не смогла, что вызывало известный скепсис в отношении теории. Проблема до конца не решена и сегодня, хотя учет магнитогидродинамического взаимодействия звезды и плазмы потери углового момента как-то объясняет.

Когда стали известны внесолнечные планеты, выяснилось, что классическая схема не может объяснить происхождение их сильно вытянутых орбит. Объяснить приливными эффектами круговую орбиту Юпитера также не удается.

Рис. 2. Газово-пылевые диски вокруг молодых звезд типа Т-Тельца.

С накоплением экспериментальных данных разрабатываемые теории все более усложнялись. Процессы образования планет оказались значительно сложнее начальных стадий образования самих звезд. Но в самых общих своих чертах схема аккреционной теории наблюдениями подтверждается. Обнаружено около 150 протопланетных дисков, дающих представление о том, как выглядела протосолнечная туманность 5 млрд лет назад (рис. 2). Физика протозвезд и молодых звезд сложна и включает ряд не вполне понятных процессов. Часто наблюдаются так называемые «джеты», полярные выбросы, которые можно видеть на рис. 2. Важную роль в образовании протопланет играет турбулентность среды в диске. Дальнейшее исследование протопланетных дисков обнажало все новые противоречия с аккреционной теорией.

В конце ХХ в. А.Босс стал развивать гипотезу гравитационной нестабильности, основная идея которой была впервые предложена Г.Койпером еще в 1951 г. Согласно этой гипотезе, возникающие в протопланетном диске нестабильности могут вызвать гравитационный коллапс, способный образовать планету всего за 10—50 тыс. лет. Концепция активно разрабатывается, но встречается с трудностями и серьезной критикой. Например, предполагается, что к быстрому возникновению масштабной конденсации приводят локальные гравитационные нестабильности и турбулентность в протопланетном диске. Однако они в такой же мере способны и разрушить зарождающуюся конденсацию.

Аккреционная теория была более разработанной, но и ее радикальная ревизия стала неизбежной, прежде всего в отношении временной шкалы явлений. В результате серьезного пересмотра теории стало понятно, что именно вода, другие летучие вещества и так называемая «линия льдов» (или «линия снега») относятся к важнейшим факторам формирования будущей планетной системы. Планеты формируются под одновременным действием противоположно направленных факторов, что делает ход их рождения непрогнозируемым. Некоторые физические процессы повторяются последовательно, но с разными результатами. Поэтому новую теорию иногда называют теорией последовательной аккреции. Вероятно, именно запутанность процессов приводит к многообразию найденных 400 экзопланет.

Новая, значительно усложненная аккреционная теория обратила более пристальное внимание на определяющую роль последовательности происходящих процессов, последовательности, которая в какой-то мере была известна, но недооценивались исследователями. Оказалось, что фактически одни и те же процессы отгонки, конденсации и фазовых переходов летучих, которые и составляют чередующиеся этапы формирования планетной системы, последовательно повторяясь много раз, приводят к различным результатам. Феномен чрезвычайно сложен и критичен к окружающим условиям. По-видимому, именно это обстоятельство приводит к тому, что среди обнаруженных внесолнечных планет трудно найти похожие.

Рис. 3. Отгонка летучих от
звезды (правая часть рисунка)
за линию льдов АВ. Случайные
уплотнения создают
короткоживущие кольца,
разрывы и волны в газово-
пылевом диске.

Согласно наиболее развитым представлениям, последовательная аккреция имеет следующие особенности. Конденсация массивного межзвездного газово-пылевого облака происходит достаточно быстро; за время от 150 тысяч до нескольких миллионов лет образуется группа молодых звезд разных масс. Во многих случаях сохраняется взаимное влияние звезд. Вокруг формирующейся звезды возникает протопланетное облако из остаточного материала, благодаря вращению приобретающее форму диска. Пыль составляет всего 1—2 % массы облака, остальное — водород (около 90%) и гелий. Пылевая составляющая представляет собой частички субмикронных размеров неправильной формы. Сталкиваясь, частицы могут как объединяться, так и разрушаться. Но с формированием звезды в этот процесс включаются новые факторы. Под действием усиливающейся радиации молодой звезды начинается испарение летучих (воды и включений летучих в силикатных частицах) из внутренней части диска. Значительная часть диска экранирована пылевой средой от нагрева прямой радиацией. Однако разогретая среда переизлучает поглощенную энергию в инфракрасном диапазоне, где диск достаточно прозрачен, и доносит таким образом энергию до внутренних затененных областей, разогревая их до высокой температуры. Происходит быстрая отгонка летучих — их вытеснение из ближних к звезде областей (из правой части рис. 3). Но на периферии внутренней зоны температура уже недостаточна для испарения летучих. На границе конденсации летучих, прежде всего, воды, возникает линия льдов (на рисунке — АВ), на которой и за внешней стороной которой происходит концентрация колоссальных масс протопланетного материала. Компьютерное моделирование показывает, что небольшая случайная конденсация может порождать в диске короткоживущие волны и кольца плотности. Судя по изображениям протопланетных дисков, внешние пределы зоны конденсации могут отстоять на сотни астрономических единиц (рис. 4). Летучие в газовой фазе конденсируются на пылинках, размеры которых постепенно увеличиваются в сотни и тысячи раз. Главные события происходят вблизи линии льдов. Вначале почти вся масса обращающегося вокруг звезды молодого протопланетного облака приходится на газ, лотность которого убывает с расстоянием от звезды. Вблизи линии льдов единичный объем газа находится под сложным влиянием гравитации звезды и самого облака, давления газовой среды и центробежных сил. В результате притока газа с периферии у линии льдов орбитальная скорость газа и захваченных частиц оказывается меньше кеплеровской. Достаточно крупные частицы, более 1 мм, со скоростью меньше кеплеровской выпадают к звезде из-за торможения в газовой среде. Мигрируя во внутренние области относительно линии льдов, они нагреваются, конденсаты плавятся и быстро слипаются. Образуются планетезимали, заготовки материала будущих планет, достигающие километровых размеров. На их образование уходит примерно 1 млн лет. Вначале рост их массы происходит при случайных столкновениях. Но чем больше становятся планетезимали, тем более сильной гравитацией они обладают и тем быстрее они поглощают своих соседей небольшой массы. Так возникают тела, которые можно назвать зародышами планет. Они обладают сравнимыми массами и перехватывают оставшиеся планетезимали из узкой полосы вдоль своей орбиты. Когда большая часть планетозималей поглощена, рост зародыша прекращается.

Рис. 4. Звезда HD 141569, наблюдатели Б.Смит и
Дж.Шнайдер, 1999 г. На снимке зона радиусом
2-4 а.е., практически свободная от летучих,
охватывает черный кружок, которым закрыта
сама звезда.

Одновременно на самой критической линии льдов происходят другие важные события. Здесь возникает скачок давления испарившейся газовой фазы, орбитальная скорость газа возрастает, достигает и опережает кеплеровскую, и газ уже не тормозит, а ускоряет частицы. В результате миграция к звезде основной массы частиц останавливается. Но из дальней периферии диска миграция продолжается, и у линии льдов скапливается большая масса материала, ожидающего начала следующей стадии образования планетной системы.

Планетезимали очень многочисленны, счет идет на многие сотни миллионов или даже до миллиарда; в результате множественных столкновений они образуют тела, достигающие размеров Луны и более, которые захватывают остающийся материал и подавляют рост соседей. После достижения нескольких процентов земной массы рост протопланет ограничивается из-за гравитационных взаимодействий с другими телами, а часть тел в таких взаимодействиях вообще выбрасывается из формирующейся системы в межзвездное пространство. Масса до 0.05—0.10 массы Земли на ее орбите может быть накоплена за 100 тысяч лет и ограничивается этой величиной, так как материала здесь мало. Чем дальше от звезды, тем медленнее рост. Одновременно с диссипацией из диска водорода и гелия система обедняется мелкими частицами, которые снижаются по пологой спирали и достигают Солнца благодаря эффекту Пойнтинга—Робертсона (частичная потеря орбитального момента частицы при поглощении радиации, излучаемой звездой).

Чтобы достичь четырех масс Земли, телу на расстоянии, соответствующем современной орбите Юпитера, требовалось несколько миллионов лет. Если линия льдов проходила там же, процесс шел быстрее. Протопланетное облако тогда еще не потеряло основные запасы газа, и происходил захват газа ядром будущей планеты. Захват чрезвычайно критичен к массе ядра, к составу газа, наличию тяжелых элементов и ряду других факторов. Протопланетных тел — кандидатов на роль ядра будущей планеты — оказывается много, но в качестве ядра они редко выживают. На выживших, по мере того как холодное массивное тело сжимается и разогревается, оседают твердые частицы, увеличивая массу ядра. Если газа еще много, происходит интенсивное выделение тепла, затрудняющее формирование планеты. Такое же ограничение известно при образовании звезд. Если теплоотвод неэффективен, газ будет потерян и планета-гигант не возникнет. Около миллиона лет газ накапливается медленно, но затем половина всей газовой массы захватывается всего за 1 тыс. лет. В этот период родившийся гигант излучает колоссальные потоки радиации. В Солнечной системе следы этих событий можно видеть в наше время на поверхности некоторых спутников Юпитера.

Среди главных факторов, ограничивающих появление гиганта, — миграция. Миграция первого рода возникает при гравитационном взаимодействии формирующейся планеты с рассредоточенной массой окружающей среды. В прилегающих частях диска движение формирующейся планеты вызывает появление волн, причем в однородной среде их влияние взаимно компенсируется. Но среда неоднородна, ее распределенная масса за орбитой планеты значительно превышает массу внутри орбиты. В результате возникает торможение планеты, слегка смещающее ее орбиту к звезде. За 1 млн лет орбита протопланеты может снизиться на несколько астрономических единиц, вплоть до линии льдов, где миграция останавливается под действием ускоряющего движения газа, так как здесь орбитальная скорость газа превышает кеплеровскую. Картина всех сопутствующих процессов усложняется тем, что их временные шкалы примерно совпадают, таким же оказывается и характерное время потери диском газовой составляющей.

Рис. 5. Механизм ограничения
роста планеты-гиганта.

Формирующаяся планета-гигант черпает материал из зоны своей орбиты, создавая разрыв в диске (рис. 5). Но начиная с какого-то момента ее рост останавливается, как и в случае планетезималей. Ключевым механизмом снова оказывается гравитационное взаимодействие планеты с газом окружающей среды. Однако на этом этапе определяющей становится роль планеты, масса которой уже достигла массы Юпитера (0.001 массы звезды солнечного типа). Взаимодействие планеты с газом у разрыва внутри орбиты (справа на рис. 5) замедляет обращение газовых масс, а на внешней стороне разрыва их ускоряет. Оба случая не способствуют встрече газа с планетой, и ее рост останавливается. В некоторых случаях возникает более сложное явление, миграция второго рода. В прилегающих областях диска возникают турбулентные зоны, из которых турбулизированный газ все же может попасть в зону разрыва. Его гравитационное взаимодействие с планетой вызывает очень медленную потерю орбитального момента планеты и медленное снижение орбиты планеты.

Через гравитационное взаимодействие сформировавшийся гигант очищает зону астероидов первого поколения и значительно ускоряет образование последующих планет-гигантов, если потерян еще не весь газ. С задержкой на несколько миллионов лет формировался Сатурн. Газа оставалось уже немного, поэтому масса Сатурна в 3.3 раза меньше массы Юпитера. Но без Юпитера процесс длился бы дольше, а масса Сатурна была бы еще меньше. Вероятно, в таких условиях формировались Уран и Нептун, хотя не совсем ясно, где это происходило, так как эти планеты, скорее всего, мигрировали с начальных орбит вблизи Сатурна. Имеются свидетельства, что начальное положение орбит Урана и Нептуна было обратным современному. Образование их затянулось, ядра достигли 10—20 масс Земли, а газа оставалось мало и хватило всего на 1—2 земных массы в каждом случае. Относить Уран и Нептун к группе планет-гигантов не приходится, их выделяют в особую категорию — ледяных гигантов, масса которых менее 0.19 массы Юпитера. Это критическая величина, когда масса становится недостаточной для металлизации водорода и образования из него внешней оболочки ядра. Такая оболочка определяет многие свойства Юпитера и Сатурна. В целом формирование упомянутых четырех планет заняло значительно меньше 10 млн лет.

Дальнейшие события в зоне гигантов развивались медленнее. Образовавшиеся Уран и Нептун выбрасывали остающиеся планетезимали в зону пояса Койпера и отчасти — к Солнцу, а Юпитер отправлял их в Облако Оорта. История возникновения малых тел Солнечной системы — комет, астероидов и малых спутников — не менее сложна.

Теория последовательной аккреции предполагает, что во внесолнечных планетных системах планеты типа Земли должны быть более распространены, чем планеты-гиганты. Пока теория может опираться лишь на данные о Солнечной системе. Условия формирования планет земной группы, орбиты которых расположены внутри линии льдов, и четырех внешних планет, находящихся за ней, сильно различаются. Четыре планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс — сформировались в основном из веществ с высокой температурой испарения, таких как железо и силикатные породы. Ближе к Солнцу, где плотность солнечной радиации очень высока (рис. 6), частицы нагревались и лед и другие летучие вещества испарялись, образуя почти свободную от пыли прозрачную зону радиусом до 5 а.е., известную по протопланетным дискам.

Рис. 6. Зависимость равновесной температуры тела от расстояния до Солнца при формировании
Солнечной системы. Вокруг звезды находилась зона радиусом 2-4 а.е., свободная от летучих.
Приблизительно на уровне орбиты Юпитера (5 а.е.) находилась линия льда - граница, за которой
вода (лед) и другие летучие конденсируются. Вблизи орбиты Нептуна (30 а.е.) располагалась
еще одна особая зона - граница конденсации метана.

В обедненной зоне внутри линии льдов протопланеты могли вырасти лишь до 0.1 земной массы, что немногим больше массы Меркурия. Для того чтобы их масса продолжала расти дальше, протопланеты должны были перейти на вытянутые пересекающиеся орбиты, допускающие столкновения. Такими орбиты могли стать под возмущающим действием планеты-гиганта. Следовательно, образование первой планеты-гиганта, в первые 2—3 млн лет, должно было предшествовать этим процессам. Если орбиты компланарны и не связаны резонансными соотношениями, объединение таких тел при столкновениях — только вопрос времени. По некоторым оценкам теории, вскоре после возникновения Юпитера образовался обновленный пояс астероидов (в первые 4 млн лет), Марс (10 млн лет), затем Земля (30—50 млн лет). Гораздо труднее объяснить, как новые орбиты, возникшие после столкновений, стали круговыми. Положение орбит планет земного типа менялось мало, планеты не мигрировали. В формировании орбит могли сыграть свою роль оставшиеся планетезимали или остаточный газ.

После того как протопланеты зоны Земли сформировались, остатки вещества протопланетного диска удалялись из внутренних областей Солнечной системы благодаря гравитационному рассеянию при взаимодействия с уже существовавшей планетой-гигантом, под давлением солнечного излучения, в результате эффекта Пойнтинга—Робертсона и просто поглощались протопланетами в столкновениях. Гравитационное взаимодействие приводило к выбрасыванию тел на периферию системы и отчасти на Солнце.

Может показаться, что изложенная схема образования планетной системы неправдоподобно сложна. На самом деле она все еще недостаточно сложна, чтобы объяснить все особенности и многообразие путей формирования планетных систем.

Изредка случающиеся в наше время столкновения малых тел с планетами можно рассматривать как затухающее эхо интенсивных столкновительных процессов, происходивших в ранней истории формирования Солнечной системы. Пример такой недавней катастрофы — столкновение кометы Шумейкеров—Леви с Юпитером в 1994 г. Около 20 обломков ядра кометы размерами до 10 км один за другим врезались в облачную поверхность Юпитера со скоростью 60 км/с. По выделяемой энергии взрывы были эквивалентны миллионам мегатонных водородных бомб. Широко известное событие примерно таких же масштабов произошло на Земле 65 млн лет назад, когда погибло 80% всех обитавших на Земле видов. Такую тяжелую «метеоритную бомбардировку» 3.9—3.8 млрд лет назад планеты переживали постоянно. Наиболее вероятной его причиной могло быть прохождение системой Юпитер—Сатурн орбитального резонанса 1:2.

Планеты — конечная стадия процесса аккреции вещества, окружавшего ядро протосолнечного диска. В грандиозных масштабах Вселенной они занимают скромное место. Вместе с тем развитие представлений современной теории происхождения планетных систем и физики планетных тел показывает, что планеты относятся к самым сложным и наиболее разнообразным объектам астрофизики. Только на планетах так тесно связаны астрономические явления, химические, физические, геологические и биологические процессы. С природой планет биофизика связывает проблему происхождения аминонуклеино-кислотной формы жизни (единственной формы жизни, известной сегодня). Парадоксальным образом, происхождение планет, как и происхождение жизни, оказалось связанным с физическими циклами фазовых переходов воды.

Источники

См. также