Походження планет та супутників
Є. Л. Рускол, доктор фізико-математичних наук, Об'єднаний інститут фізики Землі ім. О.Ю. Шмідта РАН
Понад півстоліття тому академік О.Ю. Шмідт назвав центральним завданням планетної космогонії дослідження походження планет та супутників. З того часу вивчення Сонячної системи незмірно розширилося та збагатилося фактичними даними. Було відкрито газово-пилові диски в багатьох молодих зірок сонячної маси, а в деяких зірок і планетоподібні супутники. І все ж таки основні положення теорії Шмідта, розвинені його учнями та послідовниками, зберігають силу як динамічно обґрунтований сценарій утворення Землі та планет, а також супутників та інших малих тіл Сонячної системи.
Згідно з сучасними уявленнями, планети та інші тіла утворилися в газово-пиловій протопланетній хмарі, що оберталася навколо Сонця. Ця хмара мала мати форму диска. В останнє десятиліття газово-пилові диски відкриті у багатьох молодих зірок типу Т Тельця і в деяких зірок головної послідовності (Земля та Всесвіт, 1995 № 6). Маси дисків варіюють від однієї тисячної до однієї-двох десятих маси зірки, а розміри – від кількох десятків до сотень астрономічних одиниць. Раніше, 50 років тому, образ допланетного диска міг бути відтворений лише на основі даних про нашу власну планетну систему, великі планети якої прийнято ділити на дві групи: земного типу, що складаються з твердих кам'янистих порід, і газо-рідкі планети-гіганти. Вже тоді було ясно, що диск не міг бути лише пиловим і в його складі мали переважати водень та гелій, оскільки саме вони домінують на Юпітері та Сатурні. Всі інші елементи та з'єднання могли перебувати у конденсованій (твердій) фазі та входити до складу твердихчастинок і тіл, залежно від температури, яка, головним чином, визначалася відстанню від Сонця. Мінімальна маса диска була оцінена в 0.01 М¤ (якщо додати до фактичної маси планет 0.0013 його маси легкі гази, що бракують), але, з урахуванням викиду значної частини твердих тіл з периферії, маса диска могла досягати 0.05 - 0.1 М¤.
Дослідження еволюції допланетного диска, організовані О.Ю. Шмідтом в Об'єднаному інституті фізики Землі, що носить сьогодні його ім'я, на 10 - 15 років випередили подібні дослідження на Заході та Японії. Крок за кроком простежено основні етапи перетворення диска на систему планет. Було показано, що в диску не могли довго підтримуватись великомасштабні турбулентні рухи, в ньому внаслідок осідання пилу до центральної площини мав утворитися пиловий субдиск. Знайдено критерій гравітаційної нестійкості дисків кінцевої товщини з кеплерівським обертанням, що дозволив оцінити первинні згущення, куди субдиск міг розпастися. Потім досліджено взаємодію цих згущень, їх ущільнення та перетворення на рій твердих тіл, який, згідно з початковим задумом О.Ю. Шмідта і став вихідним матеріалом для планет. Час утворення рою – відносно короткий, близько 10 тис. років.
Дуже важливо було визначити хаотичні швидкості твердих тіл (планетезималей), які накладалися з їхньої впорядковане кеплерівське рух навколо Сонця, тобто. дисперсію швидкостей. З'ясувалося, що швидкості визначалися гравітаційними збуреннями від найбільших планетезималей, які грали найважливішу роль побудові планет. Закономірності розподілу мас (чи розмірів) планетезималей виведені з відомих рівнянь коагуляції Смолуховського з урахуванням гравітації тіл та його дроблень при зіткненнях. Виявилося, що зі збільшеннямрозмірів кількість тіл зменшується за статечним законом (наприклад, десятикілометрових тіл у 1000 разів більше, ніж стокілометрових, а число кілометрових тіл - у 1000 разів більше ніж десятикілометрових), і при цьому основна маса речовини зосереджується в кількох найбільших тілах. Подібні закономірності простежуються для кратерів на поверхні Місяця та інших тіл, а також астероїдів головного поясу. Найбільші тіла – потенційні зародки планет. Вони поступово вичерпували інші планетезимали, а найбільші могли захоплювати також газ, якщо він ще був у диску. Як вважав О.Ю. Шмідт, відбувалося опосередкування нахилів та ексцентриситетів орбіт окремих тіл і вироблялися майже кругові орбіти планет, що у одній площині. Процес зростання планет - тривалий, для планет земної групи - близько 108 років, а найвіддаленіших планет - Урана і Нептуна - 109 років. Час зростання пропорційно періоду обігу планети навколо Сонця і обернено пропорційно поверхневій щільності тіл живлення і гравітаційному перерізу зростаючої планети. Поверхнева щільність диску дорівнює масі речовини вертикального стовпа над одиницею поверхні диска. Гравітаційний переріз означає здатність планети фокусувати орбіти тіл, що зближуються з нею. При великій масі планети та невеликих швидкостях тіл гравітаційний переріз може багаторазово перевищувати геометричний переріз.
Схематичне зображення освіти планет з газопилового диска було дано Б. Ю. Левіним ще в 1964 р. (на підставі робіт О. Ю. Шмідта, Л. Е. Гуревича та А. І. Лебединського, Б. Ю. Левіна, В. С. .Сафронова, Є. Л. Рускол) і стало як би візитною карткою групи О.Ю. Шмідт. Ці малюнки вміщено на обкладинку збірника перекладів статей О.Ю. Шмідта та його співробітників, виданого 1995 р.Американський Інститут фізики в Нью-Йорку. Природно, що з минулі роки багато етапів еволюції, які представлялися спочатку лише у якісному вигляді, вивчені кількісно завдяки створенню комп'ютерних моделей (з 70-х рр. у країнах, а пізніше - й у нашій країні). Загалом сценарій підтвердився.
Цікавою особливістю сценарію виявилася можливість зростання основного зародка планети, на яку ще в 1969р. вказував В.С. Сафронов. Цей тип акумуляції, "runaway growth" (слово введене Дж. Везеріллом за аналогією з "runaway inflation", тобто галопуюча інфляція) здатний скоротити час зростання планети. Деякі вчені намагалися з його допомогою отримати менше значення для зростання Землі, оцінене В.С. Сафроновим у 108 років за уточненою ним формулою О.Ю. Шмідта ще 1954 р. Проте аналіз сценарію обганяючого зростання ( " runaway " ), зроблений Дж. Везеріллом і В.С. Сафроновим, з'ясував межі його застосування: лише початковий етап, поки маса зародка менше загальної маси інших живильних тіл. У цілому ж час зростання визначається завершальною стадією впорядкованого зростання, коли всі тіла збільшуються за своїми гравітаційними перерізами. Оцінка тривалості зростання (98% маси Землі за 108 років) збереглася, вона підтверджується і динамічними розрахунками та даними ізотопної геохімії. Зростання Землі та інших планет земної групи відбувалося переважно вже за відсутності газової частини допланетного хмари, потім вказує склад цих планет. Атмосфери і гідросфери мали виділитися ними при дегазації і дефлюїдизації спочатку твердих планетезималей, зокрема і крижаних, закиданих з периферії Сонячної системи обуреннями планет-гігантів.
За величиною кутів нахилів осей обертання планет до осі екліптики оцінені розміри найбільшихтіл, що падали на планети в процесі зростання. Для Землі достатньо падіння тіл в одну тисячну частку її маси, для Урана - тіла з рівною масою Землі. Пізніше співробітниками ОІФЗ О.В. Витязєвим та Г.В. Печерникова межа маси для найбільших тіл, що падали на Землю, була збільшена до однієї сотої маси Землі, тобто. приблизно до маси Місяця.
Найважливішим завданням планетної космогонії О.Ю. Шмідт вважав вивчення початкового стану Землі та планет на основі даних про спосіб їх утворення. Відомо, що не лише О.Ю. Шмідт, а й В.І. Вернадський, Г.К. Юрі, І.С. Шкловський, В.В. Бєлоусов, А.С. Монін та інші видатні вчені повністю відкидали уявлення про утворення Землі із розпеченого газового згустку. Земля не могла бути також розплавленою рідкою "краплею". За ідеєю О. Ю. Шмідта, Земля формувалася з твердих холодних тіл і спочатку була холодною. Зараз, після виконаних розрахунків початкової температури Землі, можна сказати, що наша планета ніколи не була повністю розплавленою, а її надра стали гарячими вже в процесі зростання. Найбільший внесок у початкове нагрівання Землі давали удари найбільших допланетних тіл, енергія яких не повністю випромінювалася поверхнею, а частково накопичувалася на глибині гігантських ударних кратерів сотні і навіть тисячі кілометрів. Ці удари, крім того, створювали первинні неоднорідності у будові верхньої мантії Землі. Додатковими джерелами розігріву Землі служили тепло радіоактивних джерел та стиснення надр під тиском шарів, що лежать вище. До кінця акумуляції у верхній мантії Землі вже мали знаходитися розігріті вогнища з температурою близько 1500 К, у яких відбувалося плавлення силікатних порід і йшов процес сегрегації заліза в земне ядро. У цьому поверхню Землі будь-коли розігрівалася вище 350 До.
Вирішальним тестом для теорії освіти планет служить пояснення походження планет-гігантів Юпітера і Сатурна, що містять у собі 92% маси всієї планетної системи і що складаються переважно з водню та гелію. Планети мали поглинути гази з допланетного диска доти, як ультрафіолетове і корпускулярне випромінювання Сонця розсіяло їх у просторі, тобто. за час 107 років. Найбільш швидкий спосіб - це розпад газового диска на згустки внаслідок гравітаційної нестійкості та подальше стиснення цих згустків у планети. Але тоді маса диска мала б досягати принаймні 30% маси Сонця і водночас мали б з'явитися десятки " юпітерів " , мають первинний космічний склад, ідентичний зі складом Сонця. Не виключено, що в системах інших зірок із більш масивними дисками планети-гіганти могли виникнути в один етап шляхом гравітаційної нестійкості в газовому середовищі зі своїми сценаріями подальшого розвитку. Так, кілька умовних "юпітерів" повинні чинити взаємні гравітаційні обурення, що призводять до утворення планет із великими ексцентриситетами орбіт. Орбіти можуть перетинатися і сприяти злиттю "юпітерів" у ще більші тіла. Можливо, що деякі зірки мають такі планети-гіганти на досить близьких до зірок і витягнутих орбітах. Майбутні дослідження покажуть, якою є природа цих тіл, які отримали назву "екзопланети".