Saules sistēmas veidošanās: miglāju teorija un evolūcija

Saules sistēmas veidošanās un evolūcija ir nosaukums idejām par to, kā sākās Saules sistēma un kā tā mainīsies turpmāk. Pieņemtais priekšstats ir tāds, ka pirms 4,6 miljardiem gadu mūsu kosmosa apgabalā bija ļoti liels gāzes mākonis, ko sauc par miglāju. Visas lietas, kurām ir masa, saplūst kopā jeb gravitē viena pret otru. Tas visu gāzi vilka uz centru. Galu galā spiediens centrā paaugstināja temperatūru tā, ka ūdeņraža atomi saplūda kopā, veidojot hēliju. Saules sistēmu rašanās procesu sauc par miglāju teoriju.

Planētu griešanos ap Sauli un katras ap savu asi vispirms izraisīja tas, ka sākotnējais gāzes mākonis dažādās vietās bija dažāda blīvuma. Griešanās palielinājās gravitācijas (enerģijas saglabāšanas) dēļ. Līdz ar to Saules sistēmas forma kļuva plakana. Turpinoties sabrukšanai, leņķiskā momenta saglabāšanās nozīmē, ka rotācija paātrinājās. Tas lielā mērā neļauj gāzei tieši akrēt (pārvietoties) uz centrālo kodolu. Gāze ir spiesta izplatīties uz āru pie ekvatoriālās plaknes, veidojot disku, kas, savukārt, akumulējas uz kodolu.

Gravitācijas dēļ atomi Saules atomos kļuva ļoti tuvi viens otram. Visa šī enerģija galu galā radīja mūsu zvaigzni - Sauli. Atlikušās gāzes lielākoties nonāca gāzes milžos - arī sauktos par Jovijas planētām. Akmeņi un putekļi aizgāja, lai izveidotu sauszemes planētas, to mēness, asteroīdus un visus pārējos Saules sistēmas objektus.

Saules milzīgās masas dēļ (99,86% no visas Saules sistēmas masas) tai bija ļoti spēcīga gravitācija. Planētu centrbēdzes spēks, kas rodas, planētām riņķojot ap Sauli, līdzsvaro Saules gravitācijas spēku. Milzīgais blīvums tās kodolā izraisa kodolsintēzes reakciju, kuras rezultātā ūdeņradis pārvēršas par hēliju, izstarojot siltumu, gaismu un citus elektromagnētiskā starojuma veidus.

Nākamais jautājums ir šāds: ja Saule pārvērš ūdeņradi par hēliju, no kurienes rodas visi pārējie elementi? Iespējamā atbilde ir tikai viena: šie augstākie elementi nāk no iepriekšējām zvaigžņu paaudzēm. Milzīgas supernovas, kas eksplodēja pirms miljardiem gadu jaunās Saules sistēmas tuvumā, radīja augstākos elementus. Milzīgas zvaigznes savu dzīves ciklu izdzīvo daudz ātrāk nekā mazākas zvaigznes. To izraisa vēl augstāks spiediens un temperatūra to iekšienē salīdzinājumā ar vidējo galvenās sekvences zvaigzni, piemēram, Sauli.

Protoplanetārā diska un planētu veidošanās process

Pēc zvaigznes dzimšanas apkārt tam palika plāns, rotējošs gāzes un putekļu slānis — protoplanetārais disks. Šajā diskā notika daudzas svarīgas darbības:

• Nelielas putekļu daļiņas saduras un savieno — tā rodas gružu un vēlāk planetezimāli (kilometru lieluma ķermeņi).
• Planetezimāli, savukārt, gravitācijas un triecienu ceļā akrēcijas rezultātā veido lielākas ķermeņu kopas — priekštečus planētām.
• Gāzes milžu (Jupitera, Saturna) kodolu veidošanās notika ātri; ja kodols sasniedza noteiktu masu pirms gāzes diska izklīšanas (parasti daži miljoni gadu), tas varēja piesaistīt lielu gāzes apvalku.
• Saules tuvumā, kur bija karstāk, vieglāk iztvaikojošie elementi nepastiprinājās — tādēļ iekšējās planētas ir galvenokārt akmeņainas, bet ārējās, aukstākās zonas — gāzes un ledus bagātas.

Pierādījumi un datēšana

Mūsu izpratni par Saules sistēmas vecumu un veidošanos balsta meteorītu pētījumi, Mēness paraugi un radiometriskā datēšana. Vecākie Saules sistēmas materiāli (piemēram, CAI — chondrite kondensācijas iekļaujum) liecina par vecumu ~4,567 miljardiem gadu. Meteoriītu ķīmiskā uzbūve, izotopu attiecības un minerālu struktūras palīdz izsekot akrēcijas un diferenciācijas procesiem agrīnajās stadijās.

Planētu iekšējā evolūcija un atmosfēru izveide

Lielie triecieni un akrēcija radīja jaunu planētu iekšējo karstumu, izraisot diferenciāciju — smagie elementi noslīdēja uz iekšpusi, veidojot kodolu, bet vieglāki materiāli palika ārpusē. Volatīlie elementi (ūdens, oglekļa savienojumi) varēja tikt piegādāti arī vēlāk, ar komētām un asteroīdiem (t.s. late veneer). Atmosfēras daudzas reizes transformējās: sākotnēji tās veidoja izgarojumi no akrēcijas un vulkāniskās aktivitātes, vēlāk tās mainīja triecieni un bioloģiskie procesi (Zemes gadījumā fotosintēze deva lielu skābekļa daudzumu).

Modeļi un alternatīvas hipotēzes

Detalizētākai Saules sistēmas dinamiskajai evolūcijai zinātnieki izstrādājuši vairākus modeļus:

• Nice model skaidro, kā lielo planētu mijiedarbība un migrācija var izraisīt asteroīdu joslas un Kuipera jomas strukturēšanos, kā arī varētu būt saistīta ar Vēlā smagā bombardēšana.
• Grand Tack hipotēze piedāvā, ka Jupiters varētu nosoļot iekšup un pēc tam atpakaļ, būtiski ietekmējot iekšējo planētu masu sadalījumu un Marsa veidošanos.
• Par gāzes milžu veidošanos joprojām tiek diskutē starp koda akrēcijas un diska neitralitātes (disk instability) modeļiem.

Vēlā smagā bombardēšana un agrīnā vēsture

Ir liecības par periodu, kad Zeme un Mēness tika pakļauti intensīvai triecienu aktivitātei aptuveni pirms 3,8–4,1 miljardiem gadu (dažos modeļos — apmēram pirms 3,9 miljardiem gadu). Šie triecieni ietekmēja virsmas apstākļus, varbūt kavēja vai mainīja agrīgo dzīves attīstību, kā arī piegādāja papildu materiālu no ārējām Saules sistēmas daļām.

Saules sistēmas tālāko evolūcija (nākošie miljardi gadu)

Saules nākotne noteiks lielu daļu no tālākās Saules sistēmas likteņa. Šobrīd Saule atrodas galvenās secības stadijā, kas ilgst aptuveni 10 miljardus gadu; pašlaik tā ir apmēram 4,6 miljardus gadu veca. Aptuveni pēc 5 miljardiem gadu Saulei izsīks ūdeņraža kodolsintēzes kurināmais un tā paplašināsies par sarkano milzi, kas var iznīcināt vai satricināt iekšējās planētas (ieskaitot Zemi). Pēc tam Saule izmetīs ārējās šķiedras un paliks par bāli zemu luminiscējošu baltu punduri, kas lēnām atdziest. Tālā laika mērogā — triljonos gadu — planētu orbītas var mainīties zvaigžņu mijiedarbību, galaktiskas dinamiskas ietekmes un hipotezētas izmaiņas rezultātā.

Kopsavilkums

Saules sistēmas veidošanās miglāju teorijas ietvaros ir labi pamatota ar daudzām novērojumu rindām: protoplanetārie diski ap jauniem zvaigznēm, meteorītu datējumi, planetārie modeļi un datorsimulācijas. Tomēr procesa detaļas — piemēram, tieši kā ātri izveidojās gāzes milži, cik liela nozīme bija migrācijai un cik nozīmīgi bija vēlākie triecieni — joprojām tiek aktīvi pētītas un precizētas. Zinātne par Saules sistēmas rašanos pastāvīgi attīstās, apvienojot novērojumus, laboratorijas analīzes un skaitliskus modeļus, lai izprastu mūsu vietu kosmosā un sistēmas nākotni.