Планеталардың пайда болуындағы гравитацияның рөлі
Гравитация – күн жүйесі мен оның планеталарын қалыптастыратын негізгі «сәулетші». Бұл күш үнсіз, бірақ тұрақты түрде жұмыс істейді, материяны шаң түйіршіктерінің масштабынан алып тастарға дейін бірге жұлдыздарды айналып жүретін тұрақты планеталарға тартады. Гравитация болмаса, ғарыштық газ бен шаң ешқашан үлкен нысандарға бірікпес еді; олар ғарышқа кездейсоқ шашыраңқы болып қала берер еді. Планеталардың қалай пайда болатынын түсіну үшін біз гравитацияның планеталық жүйенің пайда болуының алғашқы кезеңдерінен бастап жетілуіне дейін қалай жұмыс істейтінін зерттеуіміз керек.
1. Молекулалық бұлттар және материяның ыдырауының басталуы
Планеталардың пайда болуы планеталар пайда болғанға дейін, тіпті жұлдыздар пайда болғанға дейін де басталады. Жұлдызаралық кеңістікте молекулалық бұлттар, газ жинақтары (негізінен сутегі мен гелий) және микроскопиялық шаң бар. Бұл бұлттар өте суық және әлсіз, бірақ олар өте үлкен болуы мүмкін. Белгілі бір сәтте молекулалық бұлт тұрақсыз болып қалуы мүмкін. Тұрақсыздықтың себептері әртүрлі болуы мүмкін: жақын маңдағы суперновадан шыққан соққы толқындары, бұлттар арасындағы соқтығысулар немесе басқа жұлдыздың өтуінен туындаған гравитациялық бұзылулар.
Бұлттың бір бөлігі жеткілікті тығыз болған кезде, гравитация жылу қысымын «жеңе» бастайды және материалды бір-бірінен бөлуге тырысады. Гравитациялық коллапс орын алады: материя орталыққа қарай тартылып, тығыздығы артып келе жатқан өзекті құрайды. Бұл ақырында планеталық жүйенің орталығына айналатын протожұлдыздың – болашақ жұлдыздың – пайда болуының бастапқы кезеңі.
2. Гравитация және протопланетарлық дискілердің пайда болуы
Қарапайым еркін құлау сияқты құлау орталыққа қарай тікелей жүрмейді. Молекулалық бұлттар әдетте аздап айналады. Зат құлаған кезде, бұл айналу бұрыштық импульстің сақталуына байланысты үдейді (мәнерлеп сырғанаушының айналуын тездету үшін қолын тартқанына ұқсайды). Нәтижесінде, құлаған зат бірден орталыққа түспейді, бірақ жалпақ, айналмалы құрылымды: протопланетарлық дискіні қалыптастыру үшін таралады.
Бұл жерде гравитация екі рөл атқарады. Біріншіден, протожұлдыздың гравитациясы дискідегі материалды бірге ұстап, оның жұлдызаралық кеңістікке шығуына жол бермейді. Екіншіден, дискідегі бөлшектер арасындағы гравитация материалдың бір-біріне жиналуына көмектеседі. Протопланетарлық диск - бұл миллиондаған жылдар бойы газ бен шаң өзара әрекеттесетін планеталық «фабрика».
3. Шаңнан планеталық денелерге дейін: гравитация желім ретінде
Дискінің алғашқы кезеңдерінде шаң бөлшектері электростатикалық күштер мен микроскопиялық беттердегі «жабысқақтық» әсерінен соқтығысып, бір-біріне жабысады. Дегенмен, шаң түйіршіктерінен үлкенірек нысандарға өту үшін, сайып келгенде, гравитация басым болады. Шоғырлар жеткілікті үлкен болғанда (метрден километрге дейін), олардың массасы оларға айтарлықтай гравитациялық тартылыс күшін береді. Бұл нысандар планеталық денелер деп аталады.
Планетаның тартылыс күші ғарыштық желім сияқты әрекет етеді: ол соқтығысулардың бір-біріне тиіп немесе жойылып кетуінің орнына «аккретивті» (масса қосу) болу мүмкіндігін арттырады. Сонымен қатар, гравитациялық фокустау деп аталатын маңызды әсер бар: тартылыс күші объектінің «тиімді көлденең қимасын» кеңейтеді, бұл оның жақын маңнан өтіп бара жатқан басқа заттарды ұстап алу ықтималдығын арттырады.
4. Аккреция ағымы: планеталық эмбрионның туылуы
Планета тәрізді денелер пайда болғаннан кейін, өсу процесі қашып кету фазасына өтуі мүмкін. Сәл үлкенірек нысанның тартылыс күші күштірек болады, бұл оған көбірек материалды ұстап, одан да үлкенірек болуға мүмкіндік береді. Массадағы шағын айырмашылықтар тез басым бола алады. Бұл Ай немесе Марс өлшеміндегі планеталық эмбриондардың немесе протопланеттердің пайда болуына әкеледі, олар өз жолдарындағы материалды сыпырып жүре береді.
Дегенмен, өсу жеделдетілген қарқынмен жалғаспайды. Протопланеталар өздерінің орбита аймақтарын басқара бастағанда, соқтығысулардың салыстырмалы жылдамдығы артады және қолжетімді материал азаяды. Бұл фаза олигархиялық өсуге ауысады: бірнеше ірі протопланеталар («олигархтар») бірге өсіп, бір-біріне гравитациялық әсер етіп, тиісті аймақтарын басқарады.
5. Гравитация орбита архитектурасын қалыптастырады
Планеталар тек массамен ғана емес, сонымен қатар орбитамен де байланысты. Жұлдыздың тартылыс күші планеталарды оның айналасында ұстап тұрады, ал протопланеталар мен басқа планеталар арасындағы тартылыс күшінің өзара әрекеттесуі орбиталардың тұрақты немесе хаосты екенін анықтайды.
Қалыптасу кезінде протопланеталар көбінесе дискіден газдың кедергісі мен айналу моментін сезінеді. Бұл миграцияны, яғни орбиталарының ішке немесе сыртқа қарай ығысуын тудыруы мүмкін. Миграция планета мен газ дискісі арасындағы бұрыштық импульстің алмасуына байланысты жүреді, бұл негізінен гравитациялық әсер болып табылады. Көптеген ашылған экзопланетарлық жүйелер жұлдыздарына өте жақын орналасқан алып планеталарды (ыстық Юпитерлерді) көрсетеді, олардың одан әрі сыртқа пайда болып, содан кейін ішке қарай жылжығанына күмән бар.
Миграциядан басқа, гравитация планеталарды орбиталық резонанстарда ұстай алады, бұл периодты заңдылықтар, мысалы, 2:1 немесе 3:2, мұнда екі планета бір-бірінің гравитациялық әсерін «құлыптайды», бұл олардың орбиталарын белгілі бір қатынаста тұрақтандырады. Бұл резонанстар Юпитердің бірнеше ай жүйелерінде және әртүрлі экзопланетарлық жүйелерде байқалады.
6. Тартылыс күші және тасты планеталар мен газ алыптарының айырмашылығы
Неліктен кішкентай, тасты планеталар (Жер мен Марс сияқты) және газ алыптары (Юпитер мен Сатурн сияқты) бар? Гравитация, температура және дискідегі заттың таралуымен қатар, рөл атқарады.
Жұлдыздың жанында, ішкі дискіде, жоғары температура ұшпа қосылыстардың (мысалы, су, метан, аммиак) қатуын қиындатады. Планеталарды құру үшін салыстырмалы түрде шектеулі мөлшерде тасты және металл материалдар қалады. Демек, бұл аймақтағы протопланеталар, әдетте, өте қалың газ тәрізді атмосфераны тартып, ұстап тұру үшін жеткілікті массивті емес.
Бұл шекараның арғы жағында «қар сызығы», яғни мұздың пайда болуы үшін температураның төмен болатын шекарасы жатыр. Мұз айтарлықтай мөлшерде қолжетімді қатты массаны қосады. Планетаның ядросы тез өсіп, оның ауырлық күші дискіден сутегі мен гелий газының көп мөлшерін тарта алатын маңызды массаға жетеді. Бұл газ алыпының пайда болуының кілті: ядроның күшті ауырлық күші дискідегі газ таусылғанға дейін газдың тез жиналуына мүмкіндік береді.
7. Алып соқтығысулар және планеталардың пайда болуының аяқталуы
Соңғы кезеңдерде, дискілік газ жұқарып, қатты массаның көп бөлігі протопланеталарға айналғанда, жүйе әлі де «орналасқан жоқ». Протопланеталар арасындағы гравитация олардың орбиталарының қиылысуына себеп болып, үлкен соқтығысуларды тудыруы мүмкін. Бұл соқтығысулар көптеген маңызды ерекшеліктерді қалыптастырды деп есептеледі: мысалы, алып соқтығысу гипотезасы Айдың пайда болуын түсіндіреді, онда Марс өлшеміндегі нысан (көбінесе Тея деп аталады) жас Жермен соқтығысып, оның қалдықтары диск түзіп, ақырында Айға бірігеді.
Үлкен соқтығысулар ядролары әртүрлі планеталарды, жылдам айналуларды, осьтік еңістерді немесе тіпті планетаның мантиясын алып тастауды тудыруы мүмкін. Тағы да, бәрі гравитацияға байланысты: траекторияны, соқтығысу жылдамдығын және қоқыстардың қайта бірігу қабілетін басқарады.
8. Планета пайда болғаннан кейінгі гравитация: тазарту және тұрақтылық
«Қалыптасқан» планета өсуін тоқтатып қана қоймайды, сонымен қатар орбитасынан да шығады. Массасы жеткілікті болған кезде, планета қалған планеталық сандардан үш жолмен құтылады: олармен соқтығысу, жүйеден шығару немесе орбитасының өтіп кетпеуі үшін оны өзгерту. Міне, сондықтан планетаның қазіргі анықтамасы «орбиталық маңайдан тазарту» мүмкіндігіне баса назар аударады.
Ұзақ мерзімді перспективада планетарлық жүйенің тұрақтылығы гравитациямен анықталады. Кішігірім өзара әрекеттесулер миллиондаған немесе миллиардтаған жылдар бойы жиналуы мүмкін, кейде орбиталық эксцентриситеттер мен көлбеулерді өзгертеді немесе планеталардың лақтырылуына әкелетін тұрақсыздықтарды тудырады. Көптеген жүйелерде, әсіресе жақын орналасқан планеталары бар жүйелерде, гравитацияның нәзік тепе-теңдігі жүйенің аман қалуын немесе күйреуін анықтайды.
Қорытынды
Тартылыс күші – шашыраңқы ғарыштық материяны құрылымдалған планеталарға айналдыратын негізгі күш. Ол молекулалық бұлттардың ыдырауын тудырады, протопланетарлық дискілерді қалыптастырады, шаң мен тастардың планеталық пішіндерге бірігуіне мүмкіндік береді, протопланеталарға аккрецияны жеделдетеді, орбиталық миграция мен резонансты басқарады және планетаның газ алыпына айналуы немесе тасты болып қалуы мүмкін бе, жоқ па, соны анықтайды. Планеталар пайда болғаннан кейін де, тартылыс күші соқтығысулар, орбиталық тазарту және ұзақ мерзімді динамика арқылы жүйенің эволюциясын қалыптастыра береді.
Басқаша айтқанда, әрбір планета тартылыс күшінің жемісі — уақыт пен күрделі өзара әрекеттесулер арқылы ғаламдағы әлемдердің алуан түрлілігін тудырған қарапайым күш.
