გრავიტაციის როლი პლანეტების ფორმირებაში
გრავიტაცია არის მთავარი „არქიტექტორი“, რომელიც აყალიბებს მზის სისტემას და მის პლანეტებს. ეს ძალა ჩუმად, მაგრამ თანმიმდევრულად მოქმედებს, მატერიას მტვრის მარცვლების მასშტაბიდან გიგანტურ ლოდებამდე აზიდავს და ვარსკვლავების გარშემო მოძრავ სტაბილურ პლანეტებად აქცევს. გრავიტაციის გარეშე, კოსმოსური გაზი და მტვერი ვერასდროს გაერთიანდებოდა უფრო დიდ ობიექტებად; ისინი შემთხვევით მიმოფანტული დარჩებოდნენ მთელ კოსმოსში. იმის გასაგებად, თუ როგორ ყალიბდება პლანეტები, უნდა შევისწავლოთ, თუ როგორ მუშაობს გრავიტაცია პლანეტარული სისტემის დაბადების ადრეული ეტაპებიდან მის სიმწიფემდე.
1. მოლეკულური ღრუბლები და მატერიის კოლაფსის დასაწყისი
პლანეტების ფორმირება პლანეტების გაჩენამდე დიდი ხნით ადრე იწყება - ვარსკვლავების გაჩენამდეც კი. ვარსკვლავთშორისი სივრცე შეიცავს მოლეკულურ ღრუბლებს, გაზის (ძირითადად წყალბადის და ჰელიუმის) და მიკროსკოპული მტვრის გროვებს. ეს ღრუბლები უკიდურესად ცივი და მყიფეა, თუმცა შეიძლება წარმოუდგენლად მასიური იყოს. გარკვეულ მომენტში მოლეკულური ღრუბელი შეიძლება არასტაბილური გახდეს. არასტაბილურობის გამომწვევი მიზეზები შეიძლება იყოს სხვადასხვა: ახლომდებარე სუპერნოვას დარტყმითი ტალღები, ღრუბლებს შორის შეჯახებები ან სხვა ვარსკვლავის გავლის შედეგად გამოწვეული გრავიტაციული დარღვევები.
როდესაც ღრუბლის ნაწილი საკმარისად მკვრივი ხდება, გრავიტაცია იწყებს თერმულ წნევაზე „გამარჯვებას“ და ცდილობს მასალის გაფანტვას. ხდება გრავიტაციული კოლაფსი: მატერია ცენტრისკენ იზიდება და სულ უფრო მკვრივ ბირთვს ქმნის. ეს არის პროტოვარსკვლავის - მომავალი ვარსკვლავის - ფორმირების საწყისი ეტაპი, რომელიც საბოლოოდ პლანეტარული სისტემის ცენტრი გახდება.
2. გრავიტაცია და პროტოპლანეტარული დისკების ფორმირება
კოლაფსი არ ხდება პირდაპირ ცენტრისკენ, როგორც ეს მარტივი თავისუფალი ვარდნის დროს ხდება. მოლეკულურ ღრუბლებს, როგორც წესი, მცირე ბრუნვა აქვთ. მატერიის კოლაფსისას, ეს ბრუნვა აჩქარებს კუთხური იმპულსის შენარჩუნების გამო (ისევე, როგორც ფიგურული მოციგურავე ხელებს იჭერს ბრუნვის დასაჩქარებლად). შედეგად, ვარდნილი მატერია მაშინვე არ ხვდება ცენტრს, არამედ იშლება და ქმნის ბრტყელ, მბრუნავ სტრუქტურას: პროტოპლანეტარულ დისკს.
სწორედ აქ ასრულებს გრავიტაცია ორ როლს. პირველი, პროტოვარსკვლავის გრავიტაცია დისკოში არსებულ მასალას ერთად აკავებს და ხელს უშლის მის ვარსკვლავთშორის სივრცეში გაქცევას. მეორე, დისკოში არსებულ ნაწილაკებს შორის გრავიტაცია ხელს უწყობს მასალის შეკუმშვას. პროტოპლანეტარული დისკო პლანეტარული „ქარხანაა“, სადაც გაზი და მტვერი მილიონობით წლის განმავლობაში ურთიერთქმედებენ.
3. მტვრიდან პლანეტოშენადედებამდე: გრავიტაცია, როგორც წებო
დისკოს ადრეულ სტადიაზე მტვრის ნაწილაკები ერთმანეთს ეჯახებიან და მიკროსკოპულ ზედაპირებზე ელექტროსტატიკური ძალებისა და „წებოვნების“ გამო ეკვრიან. თუმცა, მტვრის მარცვლებიდან უფრო დიდ ობიექტებად გადასასვლელად, საბოლოოდ გრავიტაცია იმარჯვებს. როდესაც გროვები საკმარისად დიდია (მეტრიდან კილომეტრებამდე), მათი მასა მათ მნიშვნელოვან გრავიტაციულ მიზიდულობას აძლევს. ამ ობიექტებს პლანეტეზიმალები ეწოდება.
პლანეტოსიმალური გრავიტაცია კოსმოსური წებოს მსგავსად მოქმედებს: ის ზრდის შეჯახების „აკრეციული“ (მასის დამატების) შანსებს, ვიდრე ერთმანეთთან აფეთქებას ან განადგურებას. გარდა ამისა, არსებობს გადამწყვეტი ეფექტი, რომელსაც გრავიტაციული ფოკუსირება ეწოდება: გრავიტაციის ძალა აფართოებს ობიექტის „ეფექტურ განივი კვეთას“, რაც ზრდის მის მიერ ახლომახლო გამვლელი სხვა მატერიის დაჭერის ალბათობას.
4. აკრეციის გაშვება: პლანეტარული ემბრიონის დაბადება
პლანეტეზიმალების ფორმირების შემდეგ, ზრდის პროცესი შეიძლება გადავიდეს უკონტროლო ზრდის ფაზაში. ოდნავ უფრო დიდ ობიექტს აქვს უფრო ძლიერი გრავიტაცია, რაც საშუალებას აძლევს მას მეტი მასალა შეიწოვოს და კიდევ უფრო გაიზარდოს. მასაში მცირე სხვაობები შეიძლება სწრაფად გახდეს დომინანტური. ეს იწვევს პლანეტარული ემბრიონების, ანუ პროტოპლანეტების, წარმოქმნას, მთვარის ან მარსის ზომის ობიექტებს, რომლებიც აგრძელებენ მატერიის შთანთქმას თავიანთ გზაზე.
თუმცა, ზრდა დაჩქარებული ტემპით არ გრძელდება. როდესაც პროტოპლანეტები თავიანთ ორბიტალურ რეგიონებში დომინირებას იწყებენ, შეჯახებების ფარდობითი სიჩქარე იზრდება და ხელმისაწვდომი მასალა მცირდება. ეს ფაზა ოლიგარქიულ ზრდაში გადადის: რამდენიმე დიდი პროტოპლანეტა („ოლიგარქები“) ერთად იზრდება, გრავიტაციულად ზემოქმედებენ ერთმანეთზე და აკონტროლებენ თავიანთ შესაბამის ზონებს.
5. გრავიტაცია ორბიტის არქიტექტურას აყალიბებს
პლანეტები არა მხოლოდ მასით, არამედ ორბიტითაც ხასიათდება. ვარსკვლავის გრავიტაცია პლანეტებს მის გარშემო ბრუნავს, ხოლო პროტოპლანეტებსა და სხვა პლანეტებს შორის გრავიტაციული ურთიერთქმედება განსაზღვრავს, სტაბილურია თუ ქაოტური ორბიტები.
ფორმირების დროს პროტოპლანეტები ხშირად განიცდიან დისკიდან გამომავალ გაზის წინააღმდეგობას და ბრუნვის მომენტს. ამან შეიძლება გამოიწვიოს მიგრაცია, მათი ორბიტების შიგნით ან გარეთ გადაადგილება. მიგრაცია ხდება პლანეტასა და გაზის დისკოს შორის კუთხური იმპულსის გაცვლის გამო, რაც არსებითად გრავიტაციული ეფექტია. ბევრი აღმოჩენილი ეგზოპლანეტური სისტემა აჩვენებს გიგანტურ პლანეტებს, რომლებიც ძალიან ახლოს არიან თავიანთ ვარსკვლავებთან (ცხელი იუპიტერები), რომლებიც, სავარაუდოდ, უფრო შორს ჩამოყალიბდნენ და შემდეგ შიგნით მიგრირდნენ.
მიგრაციის გარდა, გრავიტაციას ასევე შეუძლია პლანეტების ორბიტალურ რეზონანსებში გამომწყვდევა, რომლებიც პერიოდული ნიმუშებია, როგორიცაა 2:1 ან 3:2, სადაც ორი პლანეტა „ბლოკავს“ ერთმანეთის გრავიტაციულ გავლენას, რითაც სტაბილიზაციას უკეთებს მათ ორბიტებს გარკვეული თანაფარდობით. ეს რეზონანსები შეინიშნება იუპიტერის რამდენიმე თანამგზავრულ სისტემაში და სხვადასხვა ეგზოპლანეტურ სისტემაში.
6. გრავიტაცია და განსხვავებები კლდოვან პლანეტებსა და გაზის გიგანტებს შორის
რატომ არსებობენ პატარა, კლდოვანი პლანეტები (როგორიცაა დედამიწა და მარსი) და გაზის გიგანტები (როგორიცაა იუპიტერი და სატურნი)? გრავიტაციას, ტემპერატურასთან და დისკოში მატერიის განაწილებასთან ერთად, გარკვეული როლი აქვს.
შიდა დისკოში, ვარსკვლავთან ახლოს, მაღალი ტემპერატურა ართულებს აქროლადი ნაერთების (მაგ., წყლის, მეთანის, ამიაკის) გაყინვას. პლანეტების ასაშენებლად შედარებით შეზღუდული რაოდენობით რჩება კლდოვანი და მეტალის მასალა. შესაბამისად, ამ რეგიონში პროტოპლანეტები, როგორც წესი, საკმარისად მასიური არ არის ძალიან სქელი აირისებრი ატმოსფეროს მოსაზიდად და შესანარჩუნებლად.
ამ საზღვრის მიღმა მდებარეობს „თოვლის ხაზი“, საზღვარი, რომლის დროსაც ტემპერატურა საკმარისად დაბალია ყინულის წარმოსაქმნელად. ყინული მნიშვნელოვან რაოდენობას უმატებს ხელმისაწვდომ მყარ მასას. პლანეტის ბირთვს შეუძლია სწრაფად გაიზარდოს და მიაღწიოს კრიტიკულ მასას, სადაც მის გრავიტაციას შეუძლია დისკიდან წყალბადის და ჰელიუმის დიდი რაოდენობით აირის გამოზიდვა. ეს არის გაზის გიგანტის დაბადების გასაღები: ბირთვის ძლიერი გრავიტაცია საშუალებას იძლევა გაზის სწრაფი აკრეცია მოხდეს დისკის გაზის ამოწურვამდე.
7. გიგანტური შეჯახებები და პლანეტის ფორმირების დასრულება
საბოლოო ეტაპებზე, როდესაც დისკის გაზი თხელდება და მყარი მასის უმეტესი ნაწილი პროტოპლანეტებად იქცევა, სისტემა ჯერ კიდევ არ „დამშვიდებულა“. პროტოპლანეტებს შორის გრავიტაციამ შეიძლება გამოიწვიოს მათი ორბიტების გადაკვეთა, რაც მასიურ შეჯახებებს იწვევს. ითვლება, რომ ამ შეჯახებებმა მრავალი მნიშვნელოვანი მახასიათებელი ჩამოაყალიბა: მაგალითად, გიგანტური შეჯახების ჰიპოთეზა ხსნის მთვარის წარმოშობას, როდესაც მარსის ზომის ობიექტი (რომელსაც ხშირად თეიას უწოდებენ) შეეჯახა ახალგაზრდა დედამიწას, მისი ნამსხვრევები დისკოს წარმოქმნის და საბოლოოდ მთვარეში გაერთიანდება.
მასიურ შეჯახებებს შეუძლიათ წარმოქმნან პლანეტები განსხვავებული ბირთვებით, სწრაფი ბრუნვით, უკიდურესი ღერძული დახრით ან თუნდაც პლანეტის მანტიის მოცილებით. ისევ და ისევ, ყველაფერი გრავიტაციაზეა დამოკიდებული: ძალაზე, რომელიც განსაზღვრავს ტრაექტორიას, შეჯახების სიჩქარეს და ნარჩენების რეკომბინაციის უნარს.
8. გრავიტაცია პლანეტის ფორმირების შემდეგ: გაწმენდა და სტაბილურობა
„ჩამოყალიბებული“ პლანეტა არა მხოლოდ ზრდას წყვეტს, არამედ ორბიტასაც ასუფთავებს. საკმარისი მასის მქონე პლანეტა დარჩენილ პლანეტოშენადედებს სამი გზით მოიშორებს: მათთან შეჯახებით, სისტემიდან გამოდევნით ან ორბიტის შეცვლით, რათა ის აღარ გაიაროს. სწორედ ეს არის ერთ-ერთი მიზეზი, რის გამოც პლანეტის თანამედროვე განმარტება ხაზს უსვამს „ორბიტალური სამეზობლოს გაწმენდის“ უნარს.
გრძელვადიან პერსპექტივაში, პლანეტარული სისტემის სტაბილურობას გრავიტაცია განსაზღვრავს. მცირე ურთიერთქმედებები შეიძლება დაგროვდეს მილიონობით ან მილიარდი წლის განმავლობაში, ზოგჯერ ცვლის ორბიტალურ ექსცენტრისიტებსა და დახრილობას, ან იწვევს არასტაბილურობას, რაც იწვევს პლანეტების გამოტყორცნას. ბევრ სისტემაში, განსაკუთრებით მათში, სადაც პლანეტები ერთმანეთთან ახლოსაა განლაგებული, გრავიტაციის დელიკატური ბალანსი განსაზღვრავს, გადარჩება თუ დაიშლება სისტემა.
დასკვნა
გრავიტაცია არის ძირითადი ძალა, რომელიც გაფანტულ კოსმოსურ მატერიას სტრუქტურირებულ პლანეტებად გარდაქმნის. ის იწვევს მოლეკულური ღრუბლების კოლაფსს, პროტოპლანეტარული დისკების ფორმირებას, მტვრისა და ქანების შერწყმას პლანეტოშენადედებად, აჩქარებს პროტოპლანეტებად აკრეციას, არეგულირებს ორბიტალურ მიგრაციასა და რეზონანსს და განსაზღვრავს, შეუძლია თუ არა პლანეტას გაზის გიგანტად ჩამოყალიბება ან კლდოვანი დარჩენა. პლანეტების ფორმირების შემდეგაც კი, გრავიტაცია აგრძელებს სისტემის ევოლუციის ფორმირებას შეჯახებების, ორბიტალური გაწმენდისა და გრძელვადიანი დინამიკის მეშვეობით.
სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ყველა პლანეტა გრავიტაციის პროდუქტია — მარტივი ძალისა, რომელმაც დროთა განმავლობაში და რთული ურთიერთქმედებების შედეგად სამყაროში სამყაროების უზარმაზარი მრავალფეროვნება შექმნა.
