მზის სისტემაში პლანეტების ფორმირების თეორია
მზის სისტემაში პლანეტების ფორმირება თანამედროვე ასტრონომიის ერთ-ერთი ყველაზე მომხიბვლელი თემაა. კოსმოსში არსებული, ერთი შეხედვით, „ჩვეულებრივი“ გაზისა და მტვრის ღრუბლიდან დაიბადა მზე, რვა პლანეტა, მათი თანამგზავრები, ასტეროიდები, კომეტები და სხვადასხვა პატარა სხეულები. მიუხედავად იმისა, რომ პროცესის ზოგადი სურათი კარგად არის შესწავლილი, მეცნიერები ჯერ კიდევ აზუსტებენ დეტალებს: როგორ შეიძლება გიგანტური პლანეტების ასე სწრაფად ფორმირება, რატომ არის ასეთი დიდი განსხვავება შიდა და გარე პლანეტებს შორის და რატომ არის პლანეტების ორბიტები შედარებით რეგულარული. ეს სტატია განიხილავს მზის სისტემაში პლანეტების ფორმირების ძირითად თეორიებს, მათ ეტაპებსა და მტკიცებულებებთან ერთად.
1. მზის ნისლეული: ფორმირების საწყისი წერტილი
ყველაზე ფართოდ მიღებული თეორია მზის ნისლეულის თეორიაა. ამ თეორიის თანახმად, დაახლოებით 4,6 მილიარდი წლის წინ, მზის სისტემა წარმოიშვა, როგორც გიგანტური მოლეკულური ღრუბელი, რომლის ნაწილმაც განიცადა გრავიტაციული კოლაფსი. ამ კოლაფსის მიზეზები შეიძლება ყოფილიყო სხვადასხვა, როგორიცაა ახლომდებარე სუპერნოვებიდან წამოსული დარტყმითი ტალღები, ღრუბლებს შორის შეჯახებები ან თავად ღრუბლებში არსებული შინაგანი არასტაბილურობა.
როდესაც ღრუბელი კოლაფსირდა, კუთხური იმპულსის შენარჩუნების გამო, მან უფრო სწრაფად დაიწყო ბრუნვა, ისევე როგორც ყინულის მოციგურავე, რომელიც უფრო სწრაფად ბრუნავს ხელების შეწევისას. შედეგად, მასალამ პროტოპლანეტარული დისკის სტრუქტურა წარმოიქმნა: ცენტრი კონდენსირდა პროტოვარსკვლავად (მზის წინამორბედი), ხოლო დარჩენილი გაზი და მტვერი მის გარშემო დისკს წარმოადგენდა.
ეს ეტაპი გადამწყვეტია, რადგან პროტოპლანეტარული დისკები „პლანეტების ქარხნებია“. თანამედროვე ტელესკოპური დაკვირვებები, როგორიცაა ALMA, სხვა ახალგაზრდა ვარსკვლავების გარშემოც კი აჩვენებს ასეთ დისკებს, რომლებსაც ხშირად პლანეტების ფორმირების კვალად აღიქვამენ.
2. კონდენსაცია და ყინულის ხაზები: რატომ განსხვავდებიან პლანეტები ერთმანეთისგან?
პროტოპლანეტურ დისკოში ტემპერატურა ცენტრიდან დაშორებასთან ერთად მცირდება. ეს იწვევს მასალების სხვადასხვა შემადგენლობას, რომლებსაც შეუძლიათ „კონდენსაცია“ მყარ სხეულად:
– მზესთან უფრო ახლოს (უფრო ცხელ ადგილას), მხოლოდ სითბოს მდგრადი მასალები, როგორიცაა სილიკატები და ლითონები, შეუძლიათ მყარი სახით გადარჩენა. სწორედ ამიტომ გაჩნდა კლდოვანი პლანეტები: მერკური, ვენერა, დედამიწა და მარსი.
– დისკოს ცენტრიდან უფრო შორს არის რეგიონი, რომელსაც ყინულის ხაზი ეწოდება, სადაც ტემპერატურა საკმარისად დაბალია წყლის, ამიაკის და მეთანის გაყინვისთვის. ყინული მკვეთრად ზრდის მყარი მასალის „მარაგს“, რაც პლანეტის ბირთვს საშუალებას აძლევს უფრო სწრაფად გაიზარდოს და გადიდდეს. ეს დაკავშირებულია იუპიტერის, სატურნის, ურანისა და ნეპტუნის ფორმირებასთან.
ყინვის ხაზის კონცეფცია ხსნის, თუ რატომ არიან გიგანტური პლანეტები გარე რეგიონებში: მათ აქვთ წვდომა მყარი მასალის გაცილებით დიდ რაოდენობაზე, ამიტომ შეუძლიათ დიდი ბირთვების აშენება და შემდეგ გაზის უზარმაზარი რაოდენობით შთანთქმა.
3. მტვრიდან პლანეტოშენადედებამდე: ფორმირების დასაწყისი
პლანეტის ფორმირების პროცესი იწყება მიკროსკოპული მტვრის ნაწილაკებით, რომლებიც ელექტროსტატიკური ძალებისა და ნაზი შეჯახებების გამო ერთმანეთს ეკვრიან. ეს პაწაწინა ნაწილაკები უფრო დიდ გროვებს ქმნიან და საბოლოოდ კოსმოსურ „კენჭებად“ იქცევიან.
თუმცა, არსებობს კლასიკური გამოწვევა, რომელსაც „მეტრის ზომის ბარიერი“ ეწოდება: დაახლოებით ერთი მეტრის ზომის ობიექტები, როგორც წესი, გაზის წინააღმდეგობას აწყდებიან და მზეზე ვარდებიან მანამ, სანამ უფრო დიდი ზომის გახდომის შანსს მიეცემათ. ამის დასაძლევად თანამედროვე მოდელები გვთავაზობენ ისეთ მექანიზმებს, როგორიცაა:
– ნაკადის არასტაბილურობა, რაც ნაკადის არასტაბილურობას იწვევს, რაც ხრეშის მკვრივ გროვებად დაგროვებას იწვევს.
– გრავიტაციული შეწოვა, როდესაც მასალის კონცენტრაცია საკმარისად მაღალია, რომ ის საკუთარი გრავიტაციის ზემოქმედებით კოლაფსირდება.
საბოლოო შედეგია პლანეტეზიმალების, კილომეტრებიდან ასობით კილომეტრამდე სიგრძის მყარი ობიექტების ფორმირება. პლანეტეზიმალები პლანეტების ძირითადი საშენი ბლოკებია.
4. აკრეცია და შეჯახება: ხმელეთის პლანეტების აგება
პლანეტოშენადედების ჩამოყალიბების შემდეგ, შემდეგ პროცესს აკრეცია ეწოდა: პლანეტოშენადედები ერთმანეთს შეეჯახნენ და შეერწყნენ, რითაც პლანეტარული ემბრიონები (პროტოპლანეტები) ჩამოყალიბდა. შიდა პლანეტებში ეს პროცესი ათობით მილიონი წლის განმავლობაში გიგანტური შეჯახებების სერიის მეშვეობით მიმდინარეობდა.
დედამიწის ფორმირებას, სავარაუდოდ, რამდენიმე დიდი შეჯახება მოიცავდა. ერთ-ერთი ყველაზე ცნობილი ჰიპოთეზაა გიგანტური შეჯახების ჰიპოთეზა, რომლის მიხედვითაც მთვარე ჩამოყალიბდა მაშინ, როდესაც მარსის ზომის ობიექტი (ხშირად თეიას უწოდებენ) შეეჯახა ახალგაზრდა დედამიწას. შეჯახების შედეგად მიღებულმა მასალამ ნამსხვრევების რგოლი წარმოშვა, რომელიც საბოლოოდ მთვარედ გაერთიანდა. ამ ჰიპოთეზას ადასტურებს დედამიწისა და მთვარის ქანების იზოტოპური შემადგენლობის გარკვეული მსგავსება, თუმცა დეტალები ჯერ კიდევ შესწავლის პროცესშია.
ხმელეთის პლანეტებმა საბოლოოდ დიფერენციაცია განიცადეს: მძიმე მეტალები ჩაიძირა ბირთვის წარმოსაქმნელად, ხოლო სილიკატები - მანტიისა და ქერქის. ამ პროცესმა გამოიწვია კლდოვანი პლანეტების შიდა სტრუქტურა, როგორც მათ დღეს ვხედავთ.
5. გიგანტური პლანეტის ფორმირება: ბირთვის აკრეციის მოდელი
გაზის გიგანტი პლანეტების (იუპიტერისა და სატურნის) შემთხვევაში ყველაზე პოპულარული თეორია ბირთვის აკრეციის მოდელია. ეტაპებია:
1. ყინვის ხაზის მიღმა წარმოიქმნება ყინულისა და ქანების მყარი ბირთვი (დაახლოებით 5–10 დედამიწის მასა).
2. ეს ბირთვი იწყებს დისკიდან წყალბადისა და ჰელიუმის აირის მიზიდვას.
3. როდესაც აირის მასა იზრდება, აირის შეკავების პროცესი უფრო სწრაფი ხდება (გაქცეული აკრეცია).
4. ჩამოყალიბდა გიგანტური პლანეტა ძალიან სქელი ატმოსფეროთი.
ამ თეორიის გასაღები დროა. ახალგაზრდა ვარსკვლავების გარშემო არსებული გაზის დისკები დიდხანს არ ძლებს — როგორც წესი, მხოლოდ რამდენიმე მილიონი წელი. ამიტომ, გიგანტური პლანეტების ბირთვები საკმაოდ სწრაფად უნდა ჩამოყალიბდეს, სანამ გაზი გაიფანტება. სწორედ აქ ხდება მნიშვნელოვანი „კენჭების აკრეციის“ კონცეფცია: კენჭების აკრეციას შეუძლია დააჩქაროს ბირთვის ფორმირება.
6. ალტერნატივა: დისკის არასტაბილურობა
ასევე არსებობს გაზის გიგანტების ფორმირების კიდევ ერთი თეორია, რომელსაც დისკის არასტაბილურობა ეწოდება. ამ მოდელში, განსაკუთრებით მასიური დისკი შეიძლება გახდეს არასტაბილური და პირდაპირ დაიშალოს დიდ აირისებრ გროვად, რომელიც შემდეგ გიგანტურ პლანეტად იქცევა თავიდანვე დიდი მყარი ბირთვის საჭიროების გარეშე.
ეს მოდელი შესაძლოა უფრო შესაფერისი იყოს გიგანტური პლანეტებისთვის, რომლებიც წარმოიქმნა თავიანთი ვარსკვლავებიდან შორს ან ძალიან დიდი დისკების მქონე სისტემებში. მზის სისტემისთვის, ბირთვის აკრეცია ზოგადად უფრო მიზანშეწონილად ითვლება, მაგრამ დისკის არასტაბილურობა კვლავ კვლევის პროცესშია, განსაკუთრებით გალაქტიკაში პლანეტარული სისტემების მრავალფეროვნების ასახსნელად.
7. პლანეტების მიგრაცია: პლანეტები ყოველთვის არ „იბადებიან“ იქ, სადაც არიან
ეგზოპლანეტური სისტემებიდან მიღებული მტკიცებულებები მიუთითებს, რომ პლანეტებს შეუძლიათ მიგრაცია მათი ფორმირების ადგილიდან. პლანეტების ურთიერთქმედებამ გაზის დისკებთან ან სხვა პლანეტებთან შეიძლება შეცვალოს მათი ორბიტები.
მზის სისტემის კონტექსტში, მიგრაცია რამდენიმე მახასიათებლის ახსნაში გვეხმარება, როგორიცაა მცირე ობიექტების განაწილება და კოიპერის სარტყლის სტრუქტურა. ერთ-ერთი ცნობილი მოდელია ნიცის მოდელი, რომელიც აცხადებს, რომ გიგანტურმა პლანეტებმა მზის სისტემის ადრეულ ეტაპზე განიცადეს ორბიტალური ცვლილებები და პოზიციები შეიცვალეს, რამაც ასტეროიდებისა და კომეტების პოპულაციების „შერევა“ გამოიწვია და შესაძლოა, ეს ინტენსიური დაბომბვის საწყის პერიოდს უკავშირდებოდეს.
ასევე არსებობს გრანდ-ტაკის მოდელი, რომელიც ვარაუდობს, რომ იუპიტერი სატურნთან ურთიერთქმედების გამო მზისკენ მიგრირდა და შემდეგ უკან დაიხია. ამ მიგრაციამ შესაძლოა გავლენა მოახდინა მარსის (რომელსაც შედარებით მცირე მასა აქვს) ფორმირებისთვის ხელმისაწვდომ მასალასა და ასტეროიდების სარტყლის შემადგენლობაზე.
8. წარმონაქმნების ნარჩენები: ასტეროიდები, კომეტები და წარსულის კვალი
დისკის მთელი მასალა პლანეტად არ გადაიქცა. ზოგიერთი მათგანი შემდეგნაირად დარჩა:
– ასტეროიდები, განსაკუთრებით მარსსა და იუპიტერს შორის სარტყელში. ისინი წარმოადგენენ პლანეტოშენადედების ნარჩენებს, რომლებიც არასდროს გაერთიანდნენ პლანეტებად, შესაძლოა იუპიტერის გრავიტაციული ჩარევის გამო.
– კომეტები, რომლებიც წარმოიშვნენ უფრო შორეული რეგიონებიდან, როგორიცაა კოიპერის სარტყელი და ოორტის ღრუბელი. ითვლება, რომ კომეტები შეიცავენ ადრეული მზის სისტემის ყველაზე პრიმიტიულ მასალას მათი უკიდურესად დაბალი ტემპერატურისა და მინიმალური დამუშავების გამო.
მეტეორიტების — რომლებიც ასტეროიდების ფრაგმენტებია — შესწავლა მნიშვნელოვან მინიშნებებს იძლევა ადრეული მზის სისტემის ასაკისა და შემადგენლობის შესახებ. რადიომეტრიული დათარიღება მიუთითებს, რომ ზოგიერთი მეტეორიტი ძალიან ადრე, მზის დაბადებიდან სულ რაღაც რამდენიმე მილიონი წლის შემდეგ ჩამოყალიბდა.
დასკვნა
მზის სისტემაში პლანეტების ფორმირების ამჟამინდელი თეორიები ეფუძნება იმ აზრს, რომ მზე და პლანეტები წარმოიშვნენ პროტოპლანეტარული დისკიდან, რომელიც ნისლეულის კოლაფსის დროს ჩამოყალიბდა. დისკოს შიგნით მტვერი კონდენსირდა, გაერთიანდა პლანეტოშენადედებად და შემდეგ აკრეციისა და შეჯახების გზით პლანეტებად გადაიქცა. ტემპერატურული სხვაობა და ყინულის ხაზის არსებობა ხსნის, თუ რატომ არის შიდა პლანეტები კლდოვანი, ხოლო გარე პლანეტები - გიგანტური. ბირთვ-აკრეციის მოდელი იუპიტერისა და სატურნის წამყვანი ახსნაა, ხოლო დისკის არასტაბილურობა ალტერნატიული ვარიანტია, რომელიც კვლევის პროცესშია. პლანეტების მიგრაცია და ადრეული მზის სისტემის დინამიკა კომპლექსურობის ფენებს მატებს, რაც ასტეროიდებისა და კომეტების ორბიტალური ნიმუშებისა და განაწილების ახსნაში გვეხმარება.
მიუხედავად იმისა, რომ ბევრი დეტალური კითხვა ღიად რჩება, ახალგაზრდა ვარსკვლავების გარშემო პროტოპლანეტარული დისკების დაკვირვების, მეტეორიტების კვლევებისა და კომპიუტერული სიმულაციების მიღწევები აგრძელებს ჩვენი ცოდნის გაძლიერებას. ეს პლანეტების ფორმირების თეორიას არა მხოლოდ მზის სისტემის წარმოშობის შესახებ ისტორიად, არამედ გალაქტიკაში სხვა პლანეტარული სისტემების ფორმირების გასაგებადაც კი აქცევს.
