تكوين وتطور النظام الشمسي. تكوين النظام الشمسي. ظهور فرضية سديم الأرض لتكوين النظام الشمسي

لقد كانت إعادة سرد قصة ولادة نظامنا الشمسي رتيبة للغاية لسنوات عديدة. بدأ كل شيء منذ مليارات السنين بسحابة مظلمة وتدور ببطء من الغاز والغبار. انكمشت السحابة وتشكلت الشمس في مركزها. مع مرور الوقت، ثمانية كواكب والعديد من الأجسام الصغيرة مثل. ومنذ ذلك الحين، تدور الكواكب حول الشمس، وأصبحت حركاتها دقيقة ويمكن التنبؤ بها مثل الساعة.

وفي الآونة الأخيرة، اكتشف علماء الفلك حقائق تدحض هذه الحكاية القديمة. بالمقارنة مع تصميم الآلاف من أنظمة الكواكب الخارجية المكتشفة مؤخرًا، فإن السمات الأكثر تميزًا لنظامنا الشمسي - كواكبه الصخرية الداخلية، والعمالقة الغازية الخارجية وغياب الكواكب داخل مدار عطارد - تبدو غريبة إلى حد ما. ومن خلال محاكاة الماضي على أجهزة الكمبيوتر، نرى أن هذه المراوغات كانت نتاج شباب جامح. يحتاج تاريخ النظام الشمسي إلى إعادة كتابته ليشمل المزيد من الدراما والفوضى أكثر مما توقع معظمنا.

تحكي النسخة الجديدة من القصة عن كواكب تائهة طردت من منازلها، وعن عوالم ضائعة هلكت منذ زمن طويل في جحيم الشمس الناري، وعن عمالقة وحيدين مهجورين في الأعماق الباردة على حافة الفضاء بين النجوم. ومن خلال دراسة هذه الأحداث القديمة و"الندوب" التي خلفتها وراءها، مثل الكوكب التاسع المقترح الذي قد يكون مختبئا وراء مدار بلوتو، يبني علماء الفلك صورة متماسكة لأهم العصور التكوينية للنظام الشمسي على خلفية فهم جديد للعمليات الكونية.

النظام الشمسي الكلاسيكي

الكواكب هي نتيجة ثانوية لتشكل النجوم، والذي يحدث في أعماق السحب الجزيئية العملاقة التي تتجاوز كتلة شمسنا 10 آلاف مرة. يتم ضغط الكثافات الفردية في السحابة تحت تأثير الجاذبية، مما يشكل نجمًا أوليًا مضيءًا في مركزها، محاطًا بحلقة واسعة غير شفافة من الغاز والغبار - قرص كوكبي أولي.

لعقود عديدة، قام المنظرون بتصميم قرص كوكبي أولي لشمسنا، في محاولة لشرح إحدى أهم سمات النظام الشمسي: تقسيمه إلى مجموعات من الكواكب الصخرية والغازية. وتقع الفترات المدارية للكواكب الأربعة الشبيهة بالأرض بين كوكب عطارد الذي يبلغ طوله 88 يومًا والمريخ الذي يبلغ طوله 687 يومًا. في المقابل، فإن الكواكب الغازية العملاقة المعروفة تدور في مدارات أبعد بكثير بفترات تتراوح من 12 إلى 165 عامًا، وتبلغ كتلتها مجتمعة أكثر من 150 مرة كتلة الكواكب الأرضية.

يُعتقد أن كلا النوعين من الكواكب قد ولدا في عملية تكوين واحدة، حيث تصطدم حبيبات الغبار الصلبة، التي تتسابق في دوامة مضطربة من قرص الغاز، وتلتصق ببعضها البعض، لتشكل أجسامًا بحجم كيلومتر تسمى الكواكب المصغرة (تشبه إلى حد كبير كوكبنا). أرضية مطبخك غير المكشوفة، وتيارات الهواء والقوى الكهروستاتيكية تعمل على رفع ذرات الغبار.) البالونات). كانت أكبر الكواكب المصغرة تتمتع بأكبر قدر من الجاذبية، ونمت بشكل أسرع من غيرها، جاذبة الجزيئات الصغيرة إلى مدارها. ربما على مدار مليون عام، أثناء عملية ضغطه من السحابة، كان القرص الكوكبي الأولي لنظامنا الشمسي، مثل أي قرص آخر في الكون، يعج بأجنة كوكبية بحجم القمر.

كان أكبر جنين يقع خلف حزام الكويكبات الحديث، بعيدًا بما فيه الكفاية عن ضوء وحرارة الشمس الوليدة، حيث تم الحفاظ على الجليد في قرص الكواكب الأولية. وبعيدًا عن هذه "الحدود الجليدية"، يمكن للأجنة أن تتغذى على رواسب وفيرة من الجليد الذي يبني الكوكب، وتنمو إلى أحجام هائلة. كالعادة، "الأغنياء يزدادون ثراءً": ينمو الجنين الأكبر بشكل أسرع من الآخرين، ويستخرج معظم الجليد والغاز والغبار المتاح من القرص المحيط بمجال جاذبيته. وفي غضون مليون سنة تقريبًا، نما هذا الجنين الجشع بشكل كبير لدرجة أنه أصبح كوكب المشتري. اعتقد المنظرون أن هذه كانت اللحظة الحاسمة عندما انقسمت بنية النظام الشمسي إلى قسمين. بعد ترك كوكب المشتري، تبين أن الكواكب العملاقة الأخرى في النظام الشمسي أصغر حجمًا لأنها نمت بشكل أبطأ، ولم تلتقط بجاذبيتها سوى الغاز الذي لم يكن لدى كوكب المشتري الوقت الكافي لالتقاطه. وتبين أن الكواكب الداخلية أصغر بكثير، لأنها ولدت داخل الحدود الجليدية، حيث كان القرص خاليًا تقريبًا من الغاز والجليد.

ثورة الكواكب الخارجية

عندما بدأ علماء الفلك في اكتشاف الكواكب الخارجية قبل عقدين من الزمن، بدأوا في اختبار نظريات تكوين النظام الشمسي على نطاق المجرة. وتبين أن العديد من الكواكب الخارجية الأولى المكتشفة هي "كواكب المشتري الساخنة"، أي عمالقة غازية تدور حول نجومها بسرعة خلال فترات لا تتجاوز بضعة أيام. إن وجود كواكب عملاقة قريبة جدًا من السطح المتوهج للنجم، حيث يكون الجليد غائبًا تمامًا، يتعارض تمامًا مع الصورة الكلاسيكية لتكوين الكواكب. لتفسير هذه المفارقة، اقترح المنظرون أن كواكب المشتري الساخنة تتشكل بعيدًا ثم تهاجر بطريقة ما نحو الداخل.

علاوة على ذلك، واستنادًا إلى بيانات من آلاف الكواكب الخارجية المكتشفة في المسوحات مثل تلك التي أجراها تلسكوب كيبلر الفضائي التابع لناسا، توصل علماء الفلك إلى استنتاج مثير للقلق مفاده أن التوائم في النظام الشمسي نادرة جدًا. يحتوي النظام الكوكبي المتوسط ​​على واحد أو أكثر من الأرض الفائقة (كواكب أكبر بعدة مرات من الأرض) مع فترات مدارية أقصر من حوالي 100 يوم. وتوجد الكواكب العملاقة مثل المشتري وزحل في 10% فقط من النجوم، بل إنها في كثير من الأحيان تتحرك في مدارات شبه دائرية.

أدرك المنظرون بخيبة أمل في توقعاتهم أن "العديد من التفاصيل المهمة" للنظرية الكلاسيكية حول تكوين نظامنا الكوكبي تتطلب تفسيرًا أفضل. لماذا يعتبر النظام الشمسي الداخلي منخفض الكتلة مقارنة بنظرائه من الكواكب الخارجية؟ وبدلاً من الكواكب الأرضية الفائقة، فهو يحتوي على كواكب صخرية صغيرة، ولا يوجد أي منها ضمن مدار عطارد الذي يبلغ 88 يومًا. ولماذا تكون مدارات الكواكب العملاقة القريبة من الشمس مستديرة وواسعة جدًا؟

من الواضح أن الإجابات على هذه الأسئلة تكمن في عيوب النظرية الكلاسيكية لتكوين الكواكب، والتي لا تأخذ في الاعتبار تقلب أقراص الكواكب الأولية. اتضح أن الكوكب حديث الولادة، مثل طوف النجاة في المحيط، يمكن أن ينجرف بعيدًا عن مكان ولادته. وبعد أن يكبر الكوكب، تبدأ جاذبيته في التأثير على القرص المحيط به، مما يثير موجات حلزونية فيه، تؤثر جاذبيتها بالفعل على حركة الكوكب نفسه، مما يخلق ردود فعل إيجابية وسلبية قوية بين الكوكب والقرص. ونتيجة لذلك، يمكن أن يحدث تبادل لا رجعة فيه للزخم والطاقة، مما يسمح للكواكب الشابة بالبدء في رحلة ملحمية عبر قرصها الأم.

إذا أخذنا في الاعتبار عملية هجرة الكواكب، فإن حدود الجليد داخل الأقراص لم تعد تلعب دورًا خاصًا في تكوين بنية الأنظمة الكوكبية. على سبيل المثال، يمكن للكواكب العملاقة التي تولد خارج الحدود الجليدية أن تصبح مشتريات ساخنة عن طريق الانجراف نحو مركز القرص، أي السفر مع الغاز والغبار في دوامة نحو النجم. المشكلة هي أن هذه العملية تعمل بشكل جيد للغاية ويبدو أنها تحدث في جميع أقراص الكواكب الأولية. إذن كيف نفسر المدارات البعيدة لكوكب المشتري وزحل حول الشمس؟

تغيير المسار

أول تلميح لتفسير مقنع جاء في عام 2001 من نموذج كمبيوتر صممه فريدريك ماسيت ومارك سنيلجروف من جامعة كوين ماري في لندن. لقد قاموا بمحاكاة التطور المتزامن لمدارات زحل والمشتري في القرص الكوكبي الأولي للشمس. بسبب كتلة زحل الأصغر، فإن هجرته نحو المركز أسرع من هجرة المشتري، مما يتسبب في اقتراب مداري الكوكبين من بعضهما البعض. في نهاية المطاف، تصل المدارات إلى تكوين معين يُعرف باسم رنين الحركة المتوسط، حيث يدور المشتري حول الشمس ثلاث مرات لكل فترتين مداريتين من زحل.

يمكن لكوكبين متصلين بواسطة رنين الحركة المتوسطة أن يتبادلا الزخم والطاقة ذهابًا وإيابًا مع بعضهما البعض، تمامًا مثل لعبة رمي البطاطس الساخنة بين الكواكب. نظرًا للطبيعة المنسقة لاضطرابات الرنين، يمارس كلا الكوكبين تأثيرًا ثقاليًا معززًا على بعضهما البعض وعلى محيطهما. في حالة كوكب المشتري وزحل، سمح لهم هذا "التأرجح" بالتأثير بشكل جماعي على قرص الكواكب الأولية بكتلتهم، مما أدى إلى خلق فجوة كبيرة فيه مع كوكب المشتري من الداخل وزحل من الخارج. علاوة على ذلك، بسبب كتلته الأكبر، جذب المشتري القرص الداخلي بقوة أكبر من زحل، القرص الخارجي. ومن المفارقات أن هذا تسبب في تغيير كلا الكوكبين لحركتهما والبدء في الابتعاد عن الشمس. غالبًا ما يُطلق على مثل هذا التغيير الحاد في اتجاه الهجرة اسم تغيير المسار (المسار الكبير) نظرًا لتشابهه مع حركة مركب شراعي يسير عكس الريح.

في عام 2011، بعد مرور عشر سنوات على ظهور مفهوم تغيير المسار، أظهر نموذج حاسوبي وضعه كيفن جيه. والش وزملاؤه في مرصد كوت دازور في نيس بفرنسا، أن الفكرة تقوم بعمل جيد في شرح ما هو أكثر من مجرد التاريخ الديناميكي للمشتري وزحل، ولكن أيضًا توزيع الكويكبات الصخرية والجليدية، بالإضافة إلى كتلة المريخ المنخفضة. ومع هجرة المشتري نحو الداخل، أسر تأثير جاذبيته الكواكب الصغيرة وحركها في طريقها عبر القرص، رافعا إياها ودفعها للأمام مثل الجرافة. وإذا افترضنا أن المشتري، قبل أن يعود إلى الوراء، هاجر نحو الشمس إلى مسافة المدار الحالي للمريخ، فيمكنه سحب كتل جليدية كتلتها الإجمالية أكثر من عشرة أضعاف كتلة الأرض إلى منطقة الكواكب الشبيهة بالأرض. النظام الشمسي، وإثرائه بالماء والمواد المتطايرة الأخرى. وكان من الممكن أن تكون العملية نفسها قد خلقت حدودًا خارجية واضحة في الجزء الداخلي من قرص الكواكب الأولية، مما أدى إلى إيقاف نمو جنين الكوكب القريب، والذي أصبح في النهاية ما نسميه المريخ اليوم.

هجوم كوكب المشتري

في حين أن سيناريو عام 2011 كان مقنعًا، إلا أن علاقته بالألغاز الأخرى التي لم يتم حلها في نظامنا الشمسي، مثل الغياب التام للكواكب داخل مدار عطارد، ظلت غير واضحة. بالمقارنة مع أنظمة الكواكب الأخرى حيث تكون الكواكب الأرضية الفائقة مكتظة بكثافة، يبدو نظامنا فارغًا تقريبًا. هل فات نظامنا الشمسي بالفعل المرحلة الحرجة من تكوين الكوكب التي نراها في جميع أنحاء الكون؟ في عام 2015، نظر اثنان منا (كونستانتين باتيجين وجريجوري لافلين) في كيفية تأثير تغيير المسار على مجموعة افتراضية من كواكب الأرض الفائقة القريبة من الشمس. كان استنتاجنا مذهلاً: لم تكن كواكب الأرض الفائقة قادرة على النجاة من هذا التغيير. ومن اللافت للنظر أن هجرات المشتري داخل وخارجه يمكن أن تفسر الكثير من خصائص الكواكب التي نعرفها، وكذلك تلك غير المعروفة.

عندما ينغمس المشتري في النظام الشمسي الداخلي، فإن تأثيره المدمر على الكواكب المصغرة من شأنه أن يعطل مداراتها الدائرية الأنيقة، ويحولها إلى تشابك فوضوي من المسارات المتقاطعة. لا بد أن بعض الكواكب المصغرة قد اصطدمت بقوة كبيرة، مما أدى إلى تحطمها إلى شظايا تسببت حتمًا في مزيد من الاصطدامات والدمار. وبالتالي، من المحتمل أن تكون هجرة المشتري نحو الداخل قد أدت إلى سلسلة من التأثيرات التي دمرت الكواكب المصغرة، وطحنتها إلى حجم الصخور والحصى والرمال.

تحت تأثير الاحتكاك الاصطدامي والسحب الديناميكي الهوائي في المنطقة الداخلية المليئة بالغاز من قرص الكواكب الأولية، فقدت الكواكب المصغرة المدمرة طاقتها بسرعة وتحركت بشكل حلزوني بالقرب من الشمس. خلال هذا الخريف، يمكن بسهولة التقاطهم في أصداء جديدة مرتبطة بأي من الكواكب الأرضية الفائقة القريبة منهم.

وهكذا، فإن تغيير مسار كوكب المشتري وزحل ربما يكون قد تسبب في هجوم قوي على سكان الكواكب الداخلية البدائية للنظام الشمسي. عندما سقطت الكواكب الأرضية الفائقة السابقة على الشمس، كانت ستترك وراءها منطقة مقفرة في السديم الكوكبي الأولي، تمتد إلى فترات مدارية تبلغ حوالي 100 يوم. ونتيجة لذلك، أدت المناورة السريعة لكوكب المشتري عبر النظام الشمسي الشاب إلى ظهور حلقة ضيقة إلى حد ما من الحطام الصخري، والتي تشكلت منها الكواكب الأرضية بعد مئات الملايين من السنين. يشير التقاء أحداث الصدفة التي أدت إلى هذا التصميم الدقيق إلى أن الكواكب الصخرية الصغيرة مثل الأرض - وربما حتى الحياة عليها - يجب أن تكون نادرة في الكون.

نموذج جميل

بحلول الوقت الذي عاد فيه كوكب المشتري وزحل من رحلتهما إلى النظام الشمسي الداخلي، كان القرص الكوكبي الأولي المكون من الغاز والغبار قد استنفد بشدة بالفعل. في نهاية المطاف، اقترب الزوج الرنان من كوكب المشتري وزحل من أورانوس ونبتون المتشكلين حديثًا، وربما من جسم آخر بنفس الحجم. باستخدام تأثيرات الكبح الجاذبية في الغاز، قام الثنائي الديناميكي أيضًا بتصوير هذه العمالقة الأصغر في رنين. وهكذا، عندما غادر معظم الغاز القرص، من المرجح أن البنية الداخلية للنظام الشمسي كانت تتكون من حلقة من الحطام الصخري بالقرب من مدار الأرض الحالي.

في المنطقة الخارجية من النظام كانت هناك مجموعة مدمجة ورنانة مكونة من أربعة كواكب عملاقة على الأقل تتحرك في مدارات شبه دائرية بين المدار الحالي لكوكب المشتري وحوالي نصف المسافة إلى المدار الحالي لنبتون. في الجزء الخارجي من القرص، خلف مدار الكوكب العملاق الخارجي، عند الحافة الباردة البعيدة للنظام الشمسي، تحركت الكواكب المصغرة الجليدية. على مدى مئات الملايين من السنين، تشكلت الكواكب الأرضية، واستقرت الكواكب الخارجية المضطربة في حالة يمكن تسميتها مستقرة. ومع ذلك، لم تكن هذه بعد المرحلة النهائية في تطور النظام الشمسي.

تسبب تغيير المسار وهجوم كوكب المشتري في حدوث آخر موجة من العنف بين الكواكب في تاريخ النظام الشمسي، وقد طبق اللمسة النهائية التي أوصلت الحاشية الكوكبية لشمسنا إلى الشكل الذي نراه اليوم تقريبًا. هذه الحلقة الأخيرة، والتي تسمى القصف الثقيل المتأخر، حدثت قبل 4.1 إلى 3.8 مليار سنة، عندما تحول النظام الشمسي مؤقتًا إلى معرض للرماية. مليئة بالعديد من الكواكب المصغرة المتصادمة. واليوم، تظهر الندوب الناتجة عن اصطدامها على شكل حفر على سطح القمر.

من خلال العمل مع العديد من الزملاء في مرصد كوت دازور في نيس في عام 2005، قام أحدنا (ألساندرو موربيديلي) بإنشاء ما يسمى بنموذج نيس لشرح كيف يمكن أن تكون التفاعلات بين الكواكب العملاقة قد تسببت في القصف العنيف المتأخر. حيث ينتهي المسار، يبدأ النمط الجميل.

كانت الكواكب العملاقة الواقعة بالقرب من بعضها البعض لا تزال تتحرك في رنين متبادل وما زالت تشعر بتأثير الجاذبية الضعيف للكواكب الجليدية النائية. في الواقع، كانوا يتأرجحون على حافة عدم الاستقرار. تراكمت على مدى ملايين الثورات المدارية على مدى مئات الملايين من السنين، كل تأثير فردي غير مهم للكواكب الخارجية أدى شيئًا فشيئًا إلى تغيير حركة الكواكب العملاقة، مما أدى إلى إزالتها ببطء من التوازن الدقيق للأصداء التي كانت تربطها ببعضها البعض. جاءت نقطة التحول عندما خرج أحد العملاقين عن الرنين مع الآخر، مما أدى إلى إخلال بالتوازن وإثارة سلسلة من الاضطرابات الفوضوية المتبادلة للكواكب، مما أدى إلى إزاحة كوكب المشتري قليلاً إلى داخل النظام، والعمالقة المتبقين إلى الخارج. على مدى فترة قصيرة كونيًا تبلغ عدة ملايين من السنين، شهدت المنطقة الخارجية للنظام الشمسي تحولًا حادًا من مدار مكتظ بكثافة، شبه دائري، إلى تكوين منتشر وغير منظم حيث تتحرك الكواكب في مدارات واسعة وممدودة. كان التفاعل بين الكواكب العملاقة قويًا جدًا لدرجة أنه ربما تم إلقاء واحد أو حتى عدة منها إلى ما هو أبعد من النظام الشمسي في الفضاء بين النجوم.

إذا توقف التطور الديناميكي عند هذا الحد، فإن بنية المناطق الخارجية للنظام الشمسي ستتوافق مع الصورة التي نراها في العديد من أنظمة الكواكب الخارجية، حيث يتحرك العمالقة حول نجومهم في مدارات غريب الأطوار. ولحسن الحظ، فإن قرص الكواكب المصغرة الجليدية الذي تسبب سابقًا في اضطراب في حركة الكواكب العملاقة ساعد لاحقًا في القضاء عليه من خلال التفاعل مع مداراتها الطويلة. عند مرورها بالقرب من المشتري والكواكب العملاقة الأخرى، أخذت الكواكب المصغرة تدريجيًا طاقة حركتها المدارية وبالتالي دارت مداراتها. في هذه الحالة، تم طرد معظم الكواكب المصغرة من تأثير جاذبية الشمس، لكن بعضها بقي في مدارات مرتبطة، لتشكل قرصًا من "القمامة" الجليدية، والذي نسميه الآن حزام كويبر.

الكوكب التاسع: النظرية النهائية

تكشف لنا الملاحظات المستمرة باستخدام أكبر التلسكوبات تدريجيًا اتساع حزام كويبر، مما يوضح بنيته غير المتوقعة. وعلى وجه الخصوص، لاحظ علماء الفلك توزيعًا غريبًا لأبعد الأجسام التي تتحرك عند الحدود الخارجية لمنطقة المشاهدة. وعلى الرغم من الاختلاف الكبير في المسافات عن الشمس، إلا أن مدارات هذه الأجسام متجمعة بإحكام، كما لو كانت جميعها تعاني من اضطراب مشترك وقوي للغاية. أظهرت عمليات المحاكاة الحاسوبية التي أجراها باتيجين ومايكل براون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أن مثل هذه الصورة يمكن أن يتم إنشاؤها بواسطة جسم لم يتم اكتشافه حتى الآن بكتلة أكبر بعشر مرات من كتلة الأرض، ويتحرك في مدار شديد الانحراف حول الشمس. من حوالي 20 ألف سنة. من غير المحتمل أن يكون مثل هذا الكوكب قد تشكل بعيدًا، ولكن يمكن فهم مظهره هناك بسهولة تامة إذا تم إلقاؤه هناك أثناء شباب النظام الشمسي.

إذا تم تأكيد وجود الكوكب التاسع، فإن ذلك سيعزز بشكل كبير القيود المفروضة على صورة تطور نظامنا الغريب - مع وجود "ثقب" في مركز - النظام الشمسي، وسيضع مطالب جديدة على نظرية يمكن أن تفسر كل ما فيه. سمات. ويستخدم علماء الفلك الآن أكبر التلسكوبات الأرضية لمحاولة العثور على هذا الكوكب الغامض. إن اكتشافه من شأنه أن يكمل الفصل قبل الأخير في القصة الطويلة والمعقدة لكيفية محاولتنا فهم مكاننا في الكون. ولن تنتهي هذه القصة إلا عندما نجد أخيرًا كواكب بها حياة تدور حول نجوم أخرى.

وكما يكشف تسلسل الحمض النووي عن تاريخ الهجرات البشرية القديمة عبر سطح كوكبنا الصغير، فإن عمليات المحاكاة الحاسوبية تسمح لعلماء الفلك بإعادة بناء التاريخ الرائع للسفر عبر الكواكب على مدى مليارات السنين من النظام الشمسي. منذ ولادته في سحابة جزيئية مظلمة إلى تكوين الكواكب الأولى، إلى الأحداث المدمرة للتغيرات في المسار، وهجوم كوكب المشتري والنموذج الجميل، إلى ظهور الحياة والوعي بالقرب من نجم واحد على الأقل في الفضاء الشاسع. درب التبانة، فإن السيرة الذاتية الكاملة لنظامنا الشمسي ستكون واحدة من أهم التطورات في العلوم الحديثة - ولا شك أنها واحدة من أعظم القصص التي تم سردها على الإطلاق.

المواد من ويكيبيديا والفيديو (فيلم من إنتاج رحلة الولايات المتحدة 33 للإنتاج و Workaholic Productions).

وفقا للأفكار الحديثة. تشكيل النظام الشمسيبدأت منذ حوالي 4.6 مليار سنة مع انهيار الجاذبية لجزء صغير من سحابة جزيئية عملاقة بين النجوم. وانتهى الأمر بمعظم المادة في مركز الجاذبية للانهيار مع التكوين اللاحق للنجم الشمسي. وتشكل المادة التي لم تسقط في المركز قرصًا كوكبيًا أوليًا يدور حوله، وتشكلت منه فيما بعد الكواكب وأقمارها الصناعية والكويكبات وغيرها من الأجسام الصغيرة في النظام الشمسي.

تم اقتراح فرضية تكوين النظام الشمسي من سحابة من الغاز والغبار - الفرضية السديمية - في الأصل في القرن الثامن عشر من قبل إيمانويل سويدنبورج وإيمانويل كانط وبيير سيمون لابلاس. وقد تم تطويرها بمشاركة العديد من التخصصات العلمية، بما في ذلك علم الفلك والفيزياء والجيولوجيا وعلوم الكواكب. ومع قدوم عصر الفضاء في الخمسينيات، ومع اكتشاف كواكب خارج المجموعة الشمسية (الكواكب الخارجية) في التسعينيات، خضع هذا النموذج للعديد من الاختبارات والتحسينات لتفسير البيانات والملاحظات الجديدة.

بشكل عام، يمكن وصف عملية تشكيل نظامنا على النحو التالي:
كان السبب وراء الانهيار الجاذبي هو الضغط الصغير (العفوي) لمادة سحابة الغاز والغبار (الأسباب المحتملة لذلك يمكن أن تكون الديناميكيات الطبيعية للسحابة ومرور موجة الصدمة من انفجار المستعر الأعظم عبر المادة) السحابة، وما إلى ذلك)، والتي أصبحت مركز جذب الجاذبية للمادة المحيطة بها - مركز انهيار الجاذبية. لم تكن السحابة تحتوي بالفعل على الهيدروجين والهيليوم البدائيين فحسب، بل تحتوي أيضًا على العديد من العناصر الثقيلة (المعدنية) التي خلفتها نجوم الأجيال السابقة. بالإضافة إلى ذلك، كان للسحابة المنهارة بعض الزخم الزاوي الأولي.
أثناء عملية ضغط الجاذبية، انخفض حجم سحابة الغاز والغبار، وبسبب قانون حفظ الزخم الزاوي، زادت سرعة دوران السحابة. وبسبب الدوران اختلفت معدلات ضغط السحب الموازية والمتعامدة مع محور الدوران، مما أدى إلى تسطيح السحابة وتكوين قرص مميز.
ونتيجة للضغط زادت كثافة وشدة تصادم جزيئات المادة مع بعضها البعض، ونتيجة لذلك ارتفعت درجة حرارة المادة بشكل مستمر عند ضغطها. يتم تسخين المناطق الوسطى من القرص بقوة أكبر.
عندما وصلت درجة الحرارة إلى عدة آلاف كلفن، بدأت المنطقة الوسطى من القرص في التوهج - وتشكل نجم أولي. استمرت المادة من السحابة في السقوط على النجم الأولي، مما أدى إلى زيادة الضغط ودرجة الحرارة في المركز. ظلت المناطق الخارجية للقرص باردة نسبيًا. بسبب عدم الاستقرار الهيدروديناميكي، بدأت الضغطات الفردية في التطور فيها، والتي أصبحت مراكز جاذبية محلية لتشكيل الكواكب من مادة قرص الكواكب الأولية.

الكواكب الأرضية

اصطدام عملاق بين جسمين سماويين، مما قد يؤدي إلى ولادة القمر التابع للأرض.
في نهاية عصر تكوين الكواكب، كان النظام الشمسي الداخلي مأهولًا بما يتراوح بين 50 إلى 100 كوكب أولي بأحجام تتراوح من القمرية إلى المريخية. كان النمو الإضافي في حجم الأجرام السماوية بسبب اصطدامات واندماجات هذه الكواكب الأولية مع بعضها البعض. على سبيل المثال، نتيجة لأحد الاصطدامات، فقد عطارد معظم عباءته، ونتيجة لاصطدام آخر، ولد القمر الصناعي للأرض. استمرت هذه المرحلة من الاصطدامات لنحو 100 مليون سنة حتى لم يكن هناك سوى 4 أجرام سماوية ضخمة معروفة الآن في المدار.

إحدى المشاكل التي لم يتم حلها في هذا النموذج هي حقيقة أنه لا يستطيع تفسير كيف أن المدارات الأولية للأجسام الكوكبية الأولية، والتي كان يجب أن تكون شديدة الانحراف حتى تصطدم ببعضها البعض، يمكن أن تؤدي في النهاية إلى ظهور مدارات مستقرة وشبه دائرية للأربعة المتبقية الكواكب. ووفقا لإحدى الفرضيات، فإن هذه الكواكب تشكلت في وقت كان الفضاء بين الكواكب لا يزال يحتوي على كمية كبيرة من الغاز والمواد الغبارية، والتي، بسبب الاحتكاك، خفضت طاقة الكواكب وجعلت مداراتها أكثر سلاسة. ومع ذلك، كان من المفترض أن يمنع هذا الغاز حدوث استطالات كبيرة في المدارات الأولية للكواكب الأولية. وتشير فرضية أخرى إلى أن تصحيح مدارات الكواكب الداخلية لم يحدث بسبب التفاعل مع الغاز، ولكن بسبب التفاعل مع الأجسام الأصغر المتبقية في النظام. فعندما مرت الأجسام الكبيرة عبر سحابة من الأجسام الصغيرة، انجذبت هذه الأخيرة، بسبب تأثير الجاذبية، إلى مناطق ذات كثافة أعلى، وبالتالي خلقت "حواف جاذبية" على طول مسار الكواكب الكبيرة. أدى تأثير الجاذبية المتزايد لهذه "التلال"، وفقًا لهذه الفرضية، إلى تباطؤ الكواكب ودخولها في مدار أكثر تقريبًا.

قصف عنيف متأخر


من المحتمل أن يكون الانهيار الجاذبي لحزام الكويكبات القديم قد بدأ فترة من القصف العنيف الذي حدث قبل حوالي 4 مليارات سنة، أي بعد 500-600 مليون سنة من تكوين النظام الشمسي. استمرت هذه الفترة عدة مئات الملايين من السنين ولا تزال عواقبها مرئية على سطح الأجسام غير النشطة جيولوجيًا في النظام الشمسي، مثل القمر أو عطارد، في شكل العديد من الحفر الصدمية. ويعود أقدم دليل على الحياة على الأرض إلى ما قبل 3.8 مليار سنة، مباشرة بعد نهاية فترة القصف العنيف المتأخر.

تعتبر الاصطدامات العملاقة جزءًا طبيعيًا (وإن كان نادرًا مؤخرًا) من تطور النظام الشمسي. والدليل على ذلك هو اصطدام المذنب شوميكر-ليفي بكوكب المشتري عام 1994، وسقوط جرم سماوي على كوكب المشتري عام 2009، وحفرة النيزك في أريزونا. ويشير هذا إلى أن عملية التراكم في النظام الشمسي لم تكتمل بعد، وبالتالي تشكل خطرا على الحياة على الأرض.

تشكيل الأقمار الصناعية
تشكلت الأقمار الصناعية الطبيعية على معظم الكواكب في النظام الشمسي، وكذلك على العديد من الأجسام الأخرى. هناك ثلاث آليات رئيسية لتشكيلها:

التكوين من قرص كوكبي محيطي (في حالة العمالقة الغازية)
تكوين شظايا الاصطدام (في حالة الاصطدام الكبير بدرجة كافية بزاوية منخفضة)
التقاط جسم طائر
يمتلك كوكب المشتري وزحل العديد من الأقمار، مثل آيو وأوروبا وجانيميد وتيتان، والتي ربما تشكلت من الأقراص المحيطة بهذه الكواكب العملاقة بنفس الطريقة التي تشكلت بها هذه الكواكب نفسها من القرص حول الشمس الفتية. ويدل على ذلك حجمها الكبير وقربها من الكوكب. هذه الخصائص مستحيلة بالنسبة للأقمار الصناعية المكتسبة عن طريق الالتقاط، والبنية الغازية للكواكب تجعل فرضية تكوين الأقمار من خلال اصطدام كوكب بجسم آخر مستحيلة.

محاضرة 6.3 | تطور أنظمة الكواكب. أصل الكواكب وأقمارها | فلاديمير سوردين ليكتوريوم تاريخ النشر: 31 مايو 2016

سوردين - فلاديمير جورجيفيتش سوردين (من مواليد 1 أبريل 1953، مياس) - عالم فلك سوفيتي وروسي ومروج للعلوم. مرشح العلوم الفيزيائية والرياضية، أستاذ مشارك. باحث كبير في المعهد الفلكي الحكومي الذي يحمل اسم P. K. Sternberg، أستاذ مشارك في كلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية. الحائز على جائزة بيلييف وجائزة التنوير لعام 2012. فلاديمير سوردين هو مؤلف ومحرر عشرات الكتب العلمية الشعبية حول علم الفلك والفيزياء الفلكية، بالإضافة إلى العديد من المقالات والمقالات والمقابلات العلمية الشعبية. حصل على جائزة بيلييف لسلسلة من المقالات العلمية الشعبية. يلقي محاضرات شعبية في متحف البوليتكنيك. ، عضو في هيئة تحرير أجهزتها المطبوعة - نشرة RAS "في الدفاع عن العلوم".

صفحة سوردين تحتوي على جميع الكتب والمحاضرات المنشورة التي تشارك في العديد من أكبر المشاريع التعليمية في عموم روسيا. http://lnfm1.sai.msu.ru/~surdin/

هناك أيضًا أفلام وثائقية في السلسلة كون (2007 – 2012) 7 مواسم.
تم إنشاء البرنامج من قبل الشركات الأمريكية Flight 33 Productions و Workaholic Productions.
الموسم السادس الحلقة الثالثة 2011. كيف تم إنشاء النظام الشمسيتوقفت جميع النسخ والروابط السابقة لقوائم الحلقات عن العمل، وتم حظر مواد الفيديو من قبل أصحاب حقوق الطبع والنشر. حسنًا، لقد عفا عليها الزمن بشكل ملحوظ، على الرغم من أنه كان فيلمًا جميلًا، معظمه من أفلام الرسوم المتحركة للأطفال (الرسوم المتحركة تحاكي حركة أجسام النظام الشمسي حوالي 80٪). يمكن لأي شخص يريد البحث حسب العنوان، لقد سئمت من تصفح الكتاب ومسح مقطع فيديو مفقود آخر. يبدو من هذا الفيلم أن الآلية المفترضة لتكوين العملاق الأحمر والقزم الأبيض في التطور المستقبلي لشمسنا، تمت مشاهدتها في وقت عام 2010 تقريبًا، ومنذ ذلك الحين يبدو أنهم لم يتغيروا كثيرًا بشأن هذه القضايا

تم اقتراح فرضية تكوين النظام الشمسي من سحابة من الغاز والغبار - الفرضية السديمية - في الأصل في القرن الثامن عشر من قبل إيمانويل سويدنبورج وإيمانويل كانط وبيير سيمون لابلاس. وقد تم تطويرها بمشاركة العديد من التخصصات العلمية، بما في ذلك علم الفلك والفيزياء والجيولوجيا وعلوم الكواكب. ومع قدوم عصر الفضاء في الخمسينيات، وكذلك اكتشاف كواكب خارج المجموعة الشمسية في التسعينيات، خضع هذا النموذج لاختبارات وتحسينات متعددة لشرح البيانات والملاحظات الجديدة.

وفقًا للفرضية المقبولة عمومًا حاليًا، فإن تكوين النظام الشمسي بدأ منذ حوالي 4.6 مليار سنة مع انهيار الجاذبية لجزء صغير من سحابة عملاقة من الغاز والغبار بين النجوم. وبشكل عام يمكن وصف هذه العملية على النحو التالي:

• كان سبب الانهيار الجاذبي هو الضغط الصغير (العفوي) لمادة سحابة الغاز والغبار (الأسباب المحتملة لذلك يمكن أن تكون الديناميكيات الطبيعية للسحابة ومرور موجة الصدمة من الانفجار عبر مادة السحابة). السحابة، وما إلى ذلك)، والتي أصبحت مركز جذب الجاذبية للمادة المحيطة بها - مركز انهيار الجاذبية. لم تكن السحابة تحتوي بالفعل على الهيدروجين والهيليوم البدائيين فحسب، بل تحتوي أيضًا على العديد من العناصر الثقيلة (المعدنية) التي خلفتها نجوم الأجيال السابقة. بالإضافة إلى ذلك، كان للسحابة المنهارة بعض الزخم الزاوي الأولي.
• أثناء عملية ضغط الجاذبية، انخفض حجم سحابة الغاز والغبار، وبسبب قانون حفظ الزخم الزاوي، زادت سرعة دوران السحابة. وبسبب الدوران اختلفت معدلات ضغط السحب الموازية والمتعامدة مع محور الدوران، مما أدى إلى تسطيح السحابة وتكوين قرص مميز.
• ونتيجة للضغط زادت كثافة وشدة تصادم جزيئات المادة مع بعضها البعض، ونتيجة لذلك ارتفعت درجة حرارة المادة بشكل مستمر عند ضغطها. يتم تسخين المناطق الوسطى من القرص بقوة أكبر.
• عندما وصلت درجة الحرارة إلى عدة آلاف كلفن، بدأت المنطقة الوسطى من القرص في التوهج - وتشكل نجم أولي. استمرت المادة من السحابة في السقوط على النجم الأولي، مما أدى إلى زيادة الضغط ودرجة الحرارة في المركز. ظلت المناطق الخارجية للقرص باردة نسبيًا. بسبب عدم الاستقرار الهيدروديناميكي، بدأت الضغطات الفردية في التطور فيها، والتي أصبحت مراكز جاذبية محلية لتشكيل الكواكب من مادة قرص الكواكب الأولية.
• عندما وصلت درجة الحرارة في مركز النجم الأولي إلى ملايين كلفن، بدأ تفاعل الاندماج النووي الحراري للهيليوم من الهيدروجين في المنطقة الوسطى. تحول النجم الأولي إلى نجم تسلسل رئيسي عادي. وفي المنطقة الخارجية للقرص، شكلت تكاثفات كبيرة كواكب تدور حول النجم المركزي في نفس المستوى تقريبًا وفي نفس الاتجاه.

التطور اللاحق

في السابق، كان يعتقد أن جميع الكواكب تشكلت تقريبًا في المدارات التي هي فيها الآن، ولكن في نهاية القرن العشرين وبداية القرن الحادي والعشرين تغيرت وجهة النظر هذه بشكل جذري. ويعتقد الآن أنه في فجر وجوده بدا النظام الشمسي مختلفا تماما عما يبدو عليه الآن. وفقا للأفكار الحديثة، كان النظام الشمسي الخارجي أكثر إحكاما في الحجم مما هو عليه الآن، وكان أقرب بكثير إلى الشمس، وفي النظام الشمسي الداخلي، بالإضافة إلى الأجرام السماوية التي نجت حتى يومنا هذا، كان هناك كائنات أخرى لا يقل حجمها عن.

الكواكب الأرضية

اصطدام عملاق بين جسمين سماويين، مما قد يؤدي إلى ولادة القمر التابع للأرض.

في نهاية عصر تكوين الكواكب، كان النظام الشمسي الداخلي مأهولًا بما يتراوح بين 50 إلى 100 كوكب أولي بأحجام تتراوح من القمرية إلى المريخية. كان النمو الإضافي في حجم الأجرام السماوية بسبب اصطدامات واندماجات هذه الكواكب الأولية مع بعضها البعض. على سبيل المثال، نتيجة لأحد الاصطدامات، فقد عطارد معظم عباءته، ونتيجة لاصطدام آخر، ما يسمى. أدى الاصطدام العملاق (ربما مع الكوكب الافتراضي ثيا) إلى ولادة قمر صناعي. استمرت هذه المرحلة من الاصطدامات حوالي 100 مليون سنة حتى بقيت الأجرام السماوية الأربعة الضخمة المعروفة اليوم في مدارها.

إحدى المشاكل التي لم يتم حلها في هذا النموذج هي حقيقة أنه لا يستطيع تفسير كيف أن المدارات الأولية للأجسام الكوكبية الأولية، والتي كان يجب أن تكون شديدة الانحراف حتى تصطدم ببعضها البعض، يمكن أن تؤدي في النهاية إلى ظهور مدارات مستقرة وشبه دائرية للأربعة المتبقية الكواكب. ووفقا لإحدى الفرضيات، فإن هذه الكواكب تشكلت في وقت كان الفضاء بين الكواكب لا يزال يحتوي على كمية كبيرة من الغاز والمواد الغبارية، والتي، بسبب الاحتكاك، خفضت طاقة الكواكب وجعلت مداراتها أكثر سلاسة. ومع ذلك، كان من المفترض أن يمنع هذا الغاز حدوث استطالات كبيرة في المدارات الأولية للكواكب الأولية. وتشير فرضية أخرى إلى أن تصحيح مدارات الكواكب الداخلية لم يحدث بسبب التفاعل مع الغاز، ولكن بسبب التفاعل مع الأجسام الأصغر المتبقية في النظام. فعندما مرت الأجسام الكبيرة عبر سحابة من الأجسام الصغيرة، انجذبت هذه الأخيرة، بسبب تأثير الجاذبية، إلى مناطق ذات كثافة أعلى، وبالتالي خلقت "حواف جاذبية" على طول مسار الكواكب الكبيرة. أدى تأثير الجاذبية المتزايد لهذه "التلال"، وفقًا لهذه الفرضية، إلى تباطؤ الكواكب ودخولها في مدار أكثر تقريبًا.

حزام الكويكبات

تقع الحدود الخارجية للنظام الشمسي الداخلي بين 2 و 4 وحدات فلكية. من الشمس ويمثل . تم طرح فرضيات، ولكن لم يتم تأكيدها في النهاية، حول وجود كوكب بين و (على سبيل المثال، الكوكب الافتراضي فايثون)، والذي انهار في المراحل الأولى من تكوين النظام الشمسي لتتحول شظاياه إلى كويكبات تشكلت. حزام الكويكبات. وفقًا للآراء الحديثة، لم يكن هناك مصدر واحد للكويكبات من الكواكب الأولية. في البداية، كان حزام الكويكبات يحتوي على ما يكفي من المادة لتكوين 2-3 كواكب بحجم الأرض. تحتوي هذه المنطقة على عدد كبير من الكواكب المصغرة الملتصقة ببعضها البعض، لتشكل أجسامًا أكبر حجمًا بشكل متزايد. ونتيجة لهذه الاندماجات، تم تشكيل حوالي 20-30 كوكبًا أوليًا بأحجام تتراوح من القمر إلى المريخ في حزام الكويكبات. ومع ذلك، منذ أن تشكل كوكب المشتري على مقربة نسبية من الحزام، اتخذ تطور هذه المنطقة مسارًا مختلفًا. أدى الرنين المداري القوي مع كوكب المشتري، بالإضافة إلى تفاعلات الجاذبية مع الكواكب الأولية الأكثر ضخامة في هذه المنطقة، إلى تدمير الكواكب المصغرة التي تكونت بالفعل. عند الدخول إلى منطقة الرنين عندما مر كوكب عملاق في مكان قريب، تلقت الكواكب المصغرة تسارعًا إضافيًا، واصطدمت بالأجرام السماوية المجاورة وتفتتت بدلاً من الاندماج بسلاسة.

ومع انتقال المشتري إلى مركز النظام، أصبحت الاضطرابات الناتجة أكثر وضوحًا. ونتيجة لهذه الأصداء، غيرت الكواكب المصغرة انحراف مداراتها وميلها، بل وتم طردها من حزام الكويكبات. تم أيضًا طرد بعض الكواكب الأولية الضخمة من حزام الكويكبات بواسطة كوكب المشتري، بينما من المحتمل أن تكون الكواكب الأولية الأخرى قد هاجرت إلى النظام الشمسي الداخلي، حيث لعبت دورًا أخيرًا في زيادة كتلة الكواكب القليلة المتبقية الشبيهة بالأرض. خلال هذه الفترة من النضوب، تسبب تأثير الكواكب العملاقة والكواكب الأولية الضخمة في "ترقق" حزام الكويكبات إلى 1٪ فقط من كتلة الأرض، والتي كانت تتكون في الغالب من كوكبيات صغيرة. ومع ذلك، فإن هذه القيمة تزيد بمقدار 10 إلى 20 مرة عن القيمة الحالية لكتلة حزام الكويكبات، والتي تبلغ الآن 1/2000 من كتلة الأرض. ويعتقد أن الفترة الثانية من النضوب، التي أوصلت كتلة حزام الكويكبات إلى قيمها الحالية، حدثت عندما دخل كوكب المشتري وزحل في رنين مداري بنسبة 2:1.

من المحتمل أن فترة الاصطدامات العملاقة في تاريخ النظام الشمسي الداخلي لعبت دورًا مهمًا في حصول الأرض على احتياطياتها المائية (~6·1021 كجم). والحقيقة هي أن الماء مادة متطايرة للغاية بحيث لا يمكن أن تنشأ بشكل طبيعي أثناء تكوين الأرض. على الأرجح، تم إحضاره إلى الأرض من المناطق الخارجية الباردة للنظام الشمسي. ربما كانت الكواكب الأولية والكواكب المصغرة التي طردها المشتري خارج حزام الكويكبات هي التي جلبت الماء إلى الأرض. ومن المرشحين الآخرين لدور المزودين الرئيسيين للمياه أيضًا حزام الكويكبات الرئيسي، الذي تم اكتشافه عام 2006، في حين من المفترض أن المذنبات من حزام كويبر ومن مناطق بعيدة أخرى لم تجلب أكثر من 6٪ من الماء إلى الأرض.

الهجرة الكوكبية

وبحسب الفرضية السديمية، فإن الكوكبين الخارجيين للنظام الشمسي موجودان في المكان "الخاطئ". و"العمالقة الجليدية" في النظام الشمسي، تقع في منطقة حيث الكثافة المنخفضة للمادة السديمية والفترات المدارية الطويلة تجعل تكوين مثل هذه الكواكب حدثًا غير مرجح للغاية. ويعتقد أن هذين الكوكبين تشكلا في الأصل في مدارات قريبة من كوكب المشتري وزحل، حيث كان هناك الكثير من مواد البناء، ولم يهاجرا إلى مواقعهما الحديثة إلا بعد مئات الملايين من السنين.

محاكاة توضح موقع الكواكب الخارجية وحزام كويبر: أ) قبل الرنين المداري 2:1 للمشتري وزحل ب) تشتت أجسام حزام كويبر القديمة في جميع أنحاء النظام الشمسي بعد التحول المداري لنبتون ج) بعد أن يقذف المشتري حزام كويبر كائنات خارج النظام

هجرة الكواكب قادرة على شرح وجود وخصائص المناطق الخارجية للنظام الشمسي. بعد نبتون، يحتوي النظام الشمسي على حزام كويبر، وهو عبارة عن مجموعات مفتوحة من الأجسام الجليدية الصغيرة وتؤدي إلى ظهور معظم المذنبات المرصودة في النظام الشمسي. يقع حزام كويبر حاليًا على مسافة 30-55 وحدة فلكية. من الشمس، يبدأ القرص المبعثر عند 100 وحدة فلكية. من الشمس، وتقع سحابة أورت على مسافة 50 ألف وحدة فلكية. من النجم المركزي. ومع ذلك، في الماضي كان حزام كويبر أكثر كثافة وأقرب إلى الشمس. كانت حافته الخارجية حوالي 30 وحدة فلكية. من الشمس، في حين كانت حافتها الداخلية تقع مباشرة خلف مداري أورانوس ونبتون، والتي كانت بدورها أقرب إلى الشمس (حوالي 15-20 وحدة فلكية)، وبالإضافة إلى ذلك، كانت موجودة بالترتيب المعاكس: كان أورانوس أبعد من الشمس من نبتون.

بعد تكوين النظام الشمسي، استمرت مدارات جميع الكواكب العملاقة في التغير ببطء تحت تأثير التفاعلات مع عدد كبير من الكواكب المصغرة المتبقية. بعد 500-600 مليون سنة (منذ 4 مليار سنة)، دخل المشتري وزحل في رنين مداري بنسبة 2:1؛ قام زحل بدورة واحدة حول الشمس في نفس الوقت الذي استغرقه المشتري للقيام بدورتين. أدى هذا الرنين إلى خلق ضغط الجاذبية على الكواكب الخارجية، مما تسبب في هروب نبتون من مدار أورانوس والاصطدام بحزام كويبر القديم. وللسبب نفسه، بدأت الكواكب في رمي الكواكب المصغرة الجليدية المحيطة بها إلى داخل النظام الشمسي، بينما بدأت هي نفسها في التحرك بعيدًا إلى الخارج. استمرت هذه العملية بطريقة مماثلة: تحت تأثير الرنين، تم إلقاء الكواكب المصغرة في النظام من قبل كل كوكب لاحق التقوا به في طريقهم، وتحركت مدارات الكواكب نفسها بعيدًا أكثر فأكثر. واستمرت هذه العملية حتى دخلت الكواكب المصغرة منطقة التأثير المباشر لكوكب المشتري، وبعد ذلك أرسلتها الجاذبية الهائلة لهذا الكوكب إلى مدارات إهليلجية شديدة أو حتى طردتها خارج النظام الشمسي. أدى هذا العمل بدوره إلى تحويل مدار كوكب المشتري إلى الداخل قليلاً. شكلت الأجسام التي طردها المشتري إلى مدارات إهليلجية عالية سحابة أورت، وشكلت الأجسام المقذوفة عن طريق هجرة نبتون حزام كويبر الحديث والقرص المتناثر. يشرح هذا السيناريو سبب انخفاض كتلة القرص المبعثر وحزام كويبر. دخلت بعض الأجسام المقذوفة، بما في ذلك، في نهاية المطاف في رنين الجاذبية مع مدار نبتون. وتدريجيًا، أدى الاحتكاك بالقرص المبعثر إلى جعل مدارات نبتون وأورانوس سلسة مرة أخرى.

هناك أيضًا فرضية حول وجود عملاق غازي خامس تعرض لهجرة جذرية وتم دفعه أثناء تكوين المظهر الحديث للنظام الشمسي إلى أطرافه البعيدة (ليصبح كوكب تايكي الافتراضي أو “الكوكب X” الآخر) أو حتى إلى ما هو أبعد من كوكبه. الحدود (تصبح كوكبًا يتيمًا).

تم العثور على تأكيد لنظرية وجود كوكب ضخم خارج مدار نبتون من قبل كونستانين باتيجين ومايكل براون في 20 يناير 2016، بناءً على مدارات ستة أجسام عابرة لنبتون. وكانت كتلته المستخدمة في الحسابات حوالي 10 أضعاف كتلة الأرض، ويفترض أن دورته حول الشمس استغرقت من 10000 إلى 20000 سنة أرضية.

ويعتقد أنه، على عكس الكواكب الخارجية، لم تخضع الأجسام الداخلية للنظام لهجرات كبيرة، حيث ظلت مداراتها مستقرة بعد فترة من الاصطدامات العملاقة.

قصف عنيف متأخر

من المحتمل أن يكون الانهيار الجاذبي لحزام الكويكبات القديم قد بدأ فترة من القصف العنيف الذي حدث قبل حوالي 4 مليارات سنة، أي بعد 500-600 مليون سنة من تكوين النظام الشمسي. استمرت هذه الفترة عدة مئات الملايين من السنين ولا تزال عواقبها مرئية على سطح الأجسام غير النشطة جيولوجيًا في النظام الشمسي، مثل القمر أو عطارد، في شكل العديد من الحفر الصدمية. ويعود أقدم دليل على الحياة على الأرض إلى ما قبل 3.8 مليار سنة، مباشرة بعد نهاية فترة القصف العنيف المتأخر.

تعتبر الاصطدامات العملاقة جزءًا طبيعيًا (وإن كان نادرًا مؤخرًا) من تطور النظام الشمسي. والدليل على ذلك هو اصطدام المذنب شوميكر-ليفي بكوكب المشتري عام 1994، وسقوط جرم سماوي على كوكب المشتري عام 2009، وحفرة النيزك في أريزونا. ويشير هذا إلى أن عملية التراكم في النظام الشمسي لم تكتمل بعد، وبالتالي تشكل خطرا على الحياة على الأرض.

تشكيل الأقمار الصناعية

تشكلت الأقمار الصناعية الطبيعية على معظم الكواكب في النظام الشمسي، وكذلك على العديد من الأجسام الأخرى. هناك ثلاث آليات رئيسية لتشكيلها:

• التكوين من قرص كوكبي محيطي (في حالة العمالقة الغازية)
• تكوين شظايا الاصطدام (في حالة الاصطدام الكبير بدرجة كافية بزاوية منخفضة)
• التقاط جسم طائر

لدى كوكب المشتري وزحل العديد من الأقمار، مثل , و , والتي ربما تكونت من الأقراص المحيطة بهذه الكواكب العملاقة بنفس الطريقة التي تشكلت بها هذه الكواكب نفسها من القرص حول الشمس الفتية. ويدل على ذلك حجمها الكبير وقربها من الكوكب. هذه الخصائص مستحيلة بالنسبة للأقمار الصناعية المكتسبة عن طريق الالتقاط، والبنية الغازية للكواكب تجعل فرضية تكوين الأقمار من خلال اصطدام كوكب بجسم آخر مستحيلة.

مستقبل

ويقدر علماء الفلك أن النظام الشمسي لن يخضع لتغيرات شديدة حتى نفاد وقود الهيدروجين من الشمس. سيمثل هذا الإنجاز بداية انتقال الشمس من التسلسل الرئيسي لمخطط هيرتزسبرونج-راسل إلى المرحلة. ومع ذلك، حتى في مرحلة التسلسل الرئيسي للنجم، يستمر النظام الشمسي في التطور.

استقرار على المدى الطويل

النظام الشمسي هو نظام فوضوي حيث لا يمكن التنبؤ بمدارات الكواكب على مدى فترات طويلة جدا من الزمن. أحد الأمثلة على عدم القدرة على التنبؤ هو نظام نبتون-بلوتو، الذي لديه رنين مداري بنسبة 3:2. على الرغم من حقيقة أن الرنين نفسه سيبقى مستقرا، فمن المستحيل التنبؤ بأي تقريبي بموقف بلوتو في المدار لأكثر من 10-20 مليون سنة (زمن ليابونوف). مثال آخر هو ميل محور دوران الأرض، والذي، بسبب الاحتكاك داخل عباءة الأرض الناجم عن تفاعلات المد والجزر مع القمر، لا يمكن حسابه من نقطة ما بين 1.5 و 4.5 مليار سنة في المستقبل.

تكون مدارات الكواكب الخارجية فوضوية على نطاقات زمنية كبيرة: زمن ليابونوف الخاص بها هو 2-230 مليون سنة. وهذا لا يعني فقط أن موقع الكوكب في المدار من هذه النقطة في المستقبل لا يمكن تحديده بأي شكل تقريبي، ولكن المدارات نفسها قد تتغير بشكل كبير. يمكن أن تتجلى فوضى النظام بقوة أكبر في تغيير انحراف المدار، حيث تصبح مدارات الكواكب بيضاوية الشكل إلى حد ما.

النظام الشمسي مستقر، بمعنى أنه لا يمكن لأي كوكب أن يصطدم بآخر أو يتم طرده من النظام خلال مليارات السنين القليلة القادمة. ومع ذلك، بعد هذا الإطار الزمني، على سبيل المثال، في غضون 5 مليارات سنة، يمكن أن يزيد الانحراف المركزي لمدار المريخ إلى قيمة 0.2، الأمر الذي سيؤدي إلى تقاطع مداري المريخ والأرض، وبالتالي إلى تهديد حقيقي الاصطدام. خلال نفس الفترة الزمنية، قد يزداد انحراف مدار عطارد أكثر، وبالتالي قد يؤدي مرور قريب إلى طرد عطارد من النظام الشمسي، أو وضعه في مسار تصادمي مع كوكب الزهرة نفسه أو مع الأرض.

أقمار وحلقات الكواكب

يتم تحديد تطور الأنظمة القمرية للكواكب من خلال تفاعلات المد والجزر بين أجسام النظام. نظرًا للاختلاف في قوة الجاذبية المؤثرة على الكوكب عن القمر الصناعي في مناطقه المختلفة (تنجذب المناطق البعيدة بشكل أضعف، بينما تكون المناطق الأقرب أقوى)، يتغير شكل الكوكب - يبدو أنه ممتد قليلاً في الاتجاه من القمر الصناعي. إذا كان اتجاه دوران القمر الصناعي حول الكوكب يتزامن مع اتجاه دوران الكوكب، وفي نفس الوقت يدور الكوكب بشكل أسرع من القمر الصناعي، فإن "حدبة المد" للكوكب سوف "يهرب" باستمرار إلى الأمام فيما يتعلق بالقمر الصناعي. في هذه الحالة، سيتم نقل الزخم الزاوي لدوران الكوكب إلى القمر الصناعي. سيؤدي ذلك إلى اكتساب القمر الصناعي الطاقة والابتعاد تدريجيًا عن الكوكب، بينما سيفقد الكوكب الطاقة ويدور ببطء أكثر فأكثر.

الأرض والقمر مثال على هذا التكوين. دوران القمر ثابت مديًا بالنسبة للأرض: ففترة دوران القمر حول الأرض (حاليًا 29 يومًا تقريبًا) تتزامن مع فترة دوران القمر حول محوره، وبالتالي يواجه القمر دائمًا نفس الجانب تجاه الشمس. أرض. ويبتعد القمر تدريجياً عن الأرض، بينما يتباطأ دوران الأرض تدريجياً. وفي غضون 50 مليار سنة، إذا نجت الأرض والقمر من توسع الشمس، فسوف يصبحان مقفلين مديًا لبعضهما البعض. سيدخلون فيما يسمى بالرنين المداري، والذي سيدور فيه القمر حول الأرض خلال 47 يومًا، وستكون فترة دوران كلا الجسمين حول محوره هي نفسها، وسيكون كل من الأجرام السماوية مرئيًا دائمًا فقط من جانب واحد لشريكه.

ومن الأمثلة الأخرى على هذا التكوين أنظمة أقمار المشتري الجليلية، بالإضافة إلى معظم أقمار زحل الكبيرة.

نبتون وقمره تريتون، تم تصويرهما أثناء تحليق مهمة فوييجر 2. وفي المستقبل، من المحتمل أن يتمزق هذا القمر الصناعي بسبب قوى المد والجزر، مما يخلق حلقة جديدة حول الكوكب.

وينتظر سيناريو مختلف الأنظمة التي يتحرك فيها القمر الصناعي حول الكوكب بشكل أسرع من دورانه حول نفسه، أو يتحرك فيها القمر الصناعي في الاتجاه المعاكس لاتجاه دوران الكوكب. في مثل هذه الحالات، يتخلف تشوه المد والجزر للكوكب باستمرار عن موضع القمر الصناعي. وهذا يغير اتجاه انتقال الزخم الزاوي بين الأجسام إلى الاتجاه المعاكس. والذي سيؤدي بدوره إلى تسارع دوران الكوكب وانخفاض مدار القمر الصناعي. بمرور الوقت، سوف يقترب القمر الصناعي من الكوكب حتى في مرحلة ما إما أن يسقط على السطح أو الغلاف الجوي للكوكب، أو يتمزق بسبب قوى المد والجزر، مما يؤدي إلى ظهور حلقة كوكبية. مثل هذا المصير ينتظر قمر المريخ (بعد 30-50 مليون سنة)، وقمر نبتون (بعد 3.6 مليار سنة)، والمشتري، وما لا يقل عن 16 قمرًا صغيرًا لأورانوس ونبتون. وفي هذه الحالة، قد يصطدم القمر الصناعي لأورانوس بالقمر المجاور له.

وأخيرًا، في النوع الثالث من التكوين، يكون الكوكب والقمر الصناعي ثابتين مديًا بالنسبة لبعضهما البعض. في هذه الحالة، يقع "حدبة المد والجزر" دائمًا أسفل القمر الصناعي تمامًا، ولا يوجد نقل للزخم الزاوي، ونتيجة لذلك، لا تتغير الفترة المدارية. مثال على هذا التكوين هو بلوتو و.



لقد أثارت الأسئلة المتعلقة بتكوين النظام الشمسي وتكوينه قلق علماء الفلك في الماضي. لكن الفرضية الأولى المدعومة بما فيه الكفاية حول تكوين الشمس والكواكب المحيطة بها تم اقتراحها لأول مرة من قبل الباحث O.Yu. شميدت. وافترض الفلكي أن الجسم المركزي الذي كان يدور في مدار عملاق حول مركز المجرة، تمكن من التقاط سحابة من الغبار بين النجوم. ومن تشكيل الغبار المبرد هذا، تشكلت أجسام كثيفة، والتي أصبحت فيما بعد كواكب.

تظهر الحسابات الحاسوبية التي أجراها الباحثون المعاصرون أن كتلة تكوين سحابة الغاز والغبار الأولية كانت كبيرة بشكل لا يصدق. حجم السحابة التي نشأت في الفضاء الخارجي تجاوز في البداية حجم النظام الشمسي الحالي بكثير. ومن الواضح أن تركيبة المادة التي تشكلت منها الكواكب كانت قريبة في بنيتها من تلك الخاصة بالسدم البينجمية. وكان الجزء الأكبر من هذه المادة عبارة عن غاز بين النجوم.

تشير البيانات المدققة إلى أن تكوين النظام من الشمس والكواكب حدث على عدة مراحل. تم إنشاء نظام الكواكب في نفس وقت تكوين النجم نفسه. في البداية، انكمش الجزء المركزي من السحابة، الذي لم يكن لديه استقرار، وتحول إلى ما يسمى بالنجم الأولي. وفي الوقت نفسه، استمرت كتلة السحابة الرئيسية في الدوران حول المركز. وتدريجيًا يتكثف الغاز، ويتحول إلى مادة صلبة.

تطور الشمس والكواكب

حدثت عملية تكوين النظام الشمسي وتطوره اللاحق بشكل تدريجي ومستمر. سقطت جزيئات صلبة كبيرة على الجزء المركزي من سحابة الغاز والغبار. أما "" المتبقية، والتي تتميز بعزم الدوران الزائد، فقد شكلت قرصًا رقيقًا نسبيًا من الغاز والغبار، والذي أصبح أكثر كثافة بشكل متزايد، وأصبح مسطحًا.

اصطدمت جلطات المادة الباردة ببعضها البعض، واتحدت لتشكل أجسامًا أكبر. وقد تم تسهيل هذه العملية عن طريق الجاذبية. قد يصل عدد الأجسام الجديدة في النظام الشمسي المستقبلي إلى المليارات. ومن هذه الأجسام المادية الكثيفة تشكلت الكواكب الحالية فيما بعد. استغرق هذا عدة ملايين من السنين.

الكواكب الأقل كتلة تكونت بالقرب من الشمس. لكن جزيئات المادة الأثقل اندفعت إلى مركز النظام. تأثر دوران الكواكب الأقرب إلى النجم - عطارد والزهرة - بشدة بالمد والجزر الشمسية. في المرحلة الحالية من تطورها، تعد الشمس نجمًا نموذجيًا من التسلسل الرئيسي، ينبعث منها تدفق ثابت من الطاقة، والتي تتشكل بسبب التفاعلات النووية التي تحدث في مركز النجم. تدور ثمانية كواكب حول الشمس في مدارات مستقلة، ثالثها الأرض.

أصل النظام الشمسي يرجع مباشرة إلى قوى الجاذبية. وبفضلهم يوجد الكون والمجرات والنجوم والكواكب. لقد افترض الأشخاص الذين عاشوا منذ قرون عديدة أنه لا بد من وجود بعض القوى الغامضة التي تسيطر على العالم تدريجيًا. لكن أول من أنشأ نموذجًا رياضيًا للجاذبية العالمية كان عالم الفيزياء والرياضيات والفلكي الإنجليزي إسحاق نيوتن(1642-1727). لقد وضع أسس الميكانيكا السماوية.

وعلى أساس عمل نيوتن ظهرت قوانين كبلر التجريبية. تم إنشاء نظرية لحركة المذنبات والقمر. لقد فسر نيوتن علمياً حركة متقدّمة محور الأرض. كل هذا لا يزال يعتبر مساهمة كبيرة في العلوم. لكن الفيلسوف الألماني إيمانويل كانط (1724-1804) كان أول من عبر عن أفكاره حول تكوين الشمس والكواكب.

في عام 1755، تم نشر عمله "التاريخ الطبيعي العام ونظرية السماء". وفيه، اقترح الفيلسوف أن جميع الأجرام السماوية والنجم نفسه نشأ من سديم كان في الأصل سحابة ضخمة من الغاز والغبار. وكان كانط أول من تحدث عنه علم نشأة الكون- أصل العالم.

وهذا يتطلب المواد الأولية وقوى الجاذبية. لكن التدخل الإلهي غير مطلوب في هذا الأمر. أي أن العالم نشأ نتيجة لقوانين فيزيائية، ولم يشارك الله في ذلك. لقد كان هذا تصريحًا جريئًا جدًا في ذلك الوقت.

ثلاث مراحل لتكوين النظام الشمسي

تتطابق وجهات النظر الحديثة حول أصل النظام الشمسي إلى حد كبير مع استنتاجات كانط. لا عجب، إذا كنت تعتقد أن بولجاكوف، كان يتناول الإفطار باستمرار مع الشيطان نفسه. ولذلك كان الفيلسوف يعرف ما يقول، وتتفق معه العقول العلمية اليوم إلى حد كبير.

تشير النظرية الرئيسية إلى أنه في موقع النظام الشمسي الحالي قبل 5 مليارات سنة كانت هناك سحابة عملاقة من الغازات والغبار. كانت هائلة الحجم وتمتد لمسافة تزيد عن 6 مليارات كيلومتر في الفضاء. توجد سحب غبار مماثلة في العديد من أركان الكون الشاسع. الجزء الأكبر منها يتكون من الهيدروجين. هذا هو الغاز الذي تتشكل منه النجوم في الأصل. بعد ذلك، نتيجة للتفاعل النووي الحراري، يبدأ إطلاق غاز الهيليوم الخامل. حصة المواد الأخرى تمثل 2٪ فقط.

في مرحلة ما، تلقت سحابة الغبار دفعة خارجية قوية، تمثل إطلاقًا هائلاً للطاقة. من الممكن أن تكون موجة صدمة ناتجة عن انفجار سوبر نوفا. أو ربما لم يكن هناك أي تأثير خارجي. ببساطة، بسبب قانون الجذب، بدأت السحابة في التناقص في الحجم وتصبح أكثر كثافة.

أعطت هذه العملية قوة دافعة لانهيار الجاذبية. وهذا يعني أنه حدث ضغط سريع للكتلة الكونية. ونتيجة لذلك، ظهرت نواة ساخنة ذات كثافة عالية جدًا في المركز. تم تفريق بقية الكتلة على طول حواف القلب. وبما أن كل شيء في الفضاء يدور حول محوره، فقد اكتسبت هذه الكتلة شكل القرص.

انخفض حجم النواة، مما أدى إلى زيادة درجة حرارتها وكثافتها. ونتيجة لذلك تحولت إلى نجم أولي. هذا هو اسم النجم الذي توجد فيه المتطلبات الأساسية لبدء التفاعل النووي الحراري. وأصبحت سحابة الغاز حول القلب أكثر كثافة بشكل متزايد.

وأخيرا، وصلت درجة الحرارة والضغط في القلب إلى قيمة حرجة. أدى هذا إلى بداية تفاعل نووي حراري، وبدأ الهيدروجين بالتحول إلى الهيليوم. اختفى النجم الأولي من الوجود، ونشأ مكانه نجم يسمى الشمس. استمرت هذه العملية برمتها حوالي مليون سنة. بالمعايير الكونية، قليلا جدا.

ولكن بعد ذلك بدأت عملية أخرى. بدأت سحب الغاز والغبار التي تدور حول الشمس بالتجمع في حلقات كثيفة. في كل واحد منهم تشكلت جلطة ذات كثافة أعلى. علاوة على ذلك، فإن المواد الأثقل تنتهي في مركز الجلطة، والمواد الخفيفة تشكل القشرة الخارجية. وهكذا تكونت نوى الكواكب وهي محاطة بالغازات.

بكل بساطة، يمكننا القول أن النجم "فجر" قذائف الغاز من أقرب النوى. وهكذا تكونت الكواكب الصغيرة التي تدور بالقرب من الشمس. هذا عطارد والزهرة والأرض والمريخ. وكانت الكواكب الأخرى على مسافة كبيرة من النجم. لهذا السبب احتفظوا بـ "معاطف الغاز" الخاصة بهم. وتعرف حاليًا بالكواكب الغازية العملاقة: المشتري، وزحل، وأورانوس، ونبتون. استغرقت كل هذه التحولات 4 ملايين سنة أخرى.

وبعد ذلك ظهرت الأقمار الصناعية حول الكواكب. هكذا ظهر القمر بالقرب من الأرض. كما حصلت بقية الكواكب على أقمار صناعية. وفي النهاية، تم تشكيل مجتمع فضائي واحد، وهو موجود حتى يومنا هذا.

هكذا يشرح العلم أصل النظام الشمسي. بالمناسبة، هذه النظرية متأصلة أيضا في التكوينات النجمية الأخرى، والتي يوجد عدد لا حصر له في الفضاء. من يدري، ربما يوجد في مكان ما في الهاوية السوداء نظام نجمي مشابه لنظامنا. هناك حياة ذكية هناك، وبالتالي، هناك نوع من الحضارة. من الممكن أن يلتقي الناس يومًا ما بإخوة في ذهنهم. وسيكون هذا الحدث الأكثر تميزا في تاريخنا.