Od niepamiętnych czasów ludzie szukali odpowiedzi na pytanie, jak powstał wszechświat. Jednak dopiero w ciągu ostatnich kilku stuleci, wraz z rewolucją naukową, dominujące teorie miały charakter empiryczny. W tym czasie, od XVI do XVIII wieku, astronomowie i fizycy zaczęli formułować oparte na dowodach wyjaśnienia, jak powstało nasze Słońce, planety i Wszechświat.
Jeśli chodzi o formowanie się Układu Słonecznego, najszerzej akceptowanym poglądem jest hipoteza mgławicowa. Zasadniczo ta teoria mówi, że Słońce, planety i wszystkie inne obiekty w Układzie Słonecznym powstały z mglistych materiałów miliardy lat temu. Ta teoria, pierwotnie zaproponowana w celu wyjaśnienia pochodzenia Układu Słonecznego, stała się powszechnie akceptowanym poglądem na to, jak powstały wszystkie układy gwiezdne.
Hipoteza mgławicowa:
Zgodnie z tą teorią Słońce i wszystkie planety Układu Słonecznego powstały jako gigantyczna chmura molekularnego gazu i pyłu. Potem, około 4,57 miliarda lat temu, wydarzyło się coś, co spowodowało zapadnięcie się chmury. Mogło to być wynikiem przechodzącej gwiazdy lub fal uderzeniowych z supernowej, ale efektem końcowym było zapadanie grawitacyjne w centrum chmury.
Od tego zawalenia kieszenie pyłu i gazu zaczęły gromadzić się w gęstszych regionach. W miarę jak gęstsze regiony wciągały coraz więcej materii, zachowanie pędu spowodowało, że zaczął on się obracać, a wzrost ciśnienia spowodował, że się rozgrzał. Większość materiału skończyła się kulką pośrodku, podczas gdy reszta materii spłaszczyła się wokół krążącego wokół niej dysku. Podczas gdy kula w centrum uformowała Słońce, reszta materiału uformowałaby się w dysk protoplanetarny.
Planety powstały w wyniku akrecji z tego dysku, w którym pył i gaz grawitowały razem i zrastały się, tworząc coraz większe ciała. Z powodu ich wyższych temperatur wrzenia tylko metale i krzemiany mogły istnieć w stałej postaci bliżej Słońca, a one ostatecznie utworzyłyby planety lądowe Merkurego, Wenus, Ziemi i Marsa. Ponieważ elementy metaliczne stanowiły tylko bardzo małą część mgławicy słonecznej, planety lądowe nie mogły urosnąć bardzo duże.
W przeciwieństwie do tego, gigantyczne planety (Jowisz, Saturn, Uran i Neptun) uformowały się poza punktem między orbitami Marsa i Jowisza, gdzie materiał jest wystarczająco chłodny, aby lotne związki lodowe pozostały stałe (tj. Linia Mrozu). Lody, które uformowały te planety, były bardziej obfite niż metale i krzemiany, które uformowały wewnętrzne planety lądowe, umożliwiając im wzrost na tyle masywny, aby wychwycić duże atmosfery wodoru i helu. Resztki śmieci, które nigdy nie stały się planetami zgromadzonymi w regionach takich jak Pas Asteroid, Pas Kuipera i Chmura Oorta.
W ciągu 50 milionów lat ciśnienie i gęstość wodoru w centrum protostaru stały się na tyle duże, że mógł rozpocząć fuzję termojądrową. Temperatura, szybkość reakcji, ciśnienie i gęstość rosły aż do osiągnięcia równowagi hydrostatycznej. W tym momencie Słońce stało się gwiazdą głównej sekwencji. Wiatr słoneczny z Słońca stworzył heliosferę i zmiotł pozostały gaz i pył z dysku protoplanetarnego w przestrzeń międzygwiezdną, kończąc proces formowania się planet.
Historia hipotezy mgławicowej:
Pomysł, że Układ Słoneczny pochodzi z mgławicy, został po raz pierwszy zaproponowany w 1734 r. Przez szwedzkiego naukowca i teologa Emanuala Swedenborga. Immanuel Kant, który był zaznajomiony z twórczością Swedenborga, rozwinął teorię i opublikował ją w swoim Uniwersalna historia naturalna i teoria niebios(1755). W tym traktacie argumentował, że chmury gazowe (mgławice) powoli obracają się, stopniowo zapadając się i spłaszczając pod wpływem grawitacji oraz tworząc gwiazdy i planety.
Podobny, ale mniejszy i bardziej szczegółowy model zaproponował Pierre-Simon Laplace w swoim traktacie Exposition du system du Monde (Ekspozycja systemu świata), którą opublikował w 1796 r. Laplace wysunął teorię, że Słońce pierwotnie miało rozszerzoną gorącą atmosferę w całym Układzie Słonecznym i że ta „chmura protostar” ochłodziła się i kurczyła. Gdy chmura wirowała szybciej, odrzuciła materiał, który ostatecznie skroplił się, tworząc planety.
Laplacki model mgławicowy był szeroko akceptowany w XIX wieku, ale miał pewne dość wyraźne trudności. Głównym problemem był rozkład pędu kątowego między Słońcem a planetami, czego nie mógł wyjaśnić model mgławicowy. Ponadto szkocki naukowiec James Clerk Maxwell (1831–1879) stwierdził, że różne prędkości obrotowe między wewnętrzną i zewnętrzną częścią pierścienia nie pozwalają na kondensację materiału.
Został również odrzucony przez astronoma Sir Davida Brewstera (1781 - 1868), który stwierdził, że:
„Ci, którzy wierzą w teorię mgławicową, uważają za pewne, że nasza Ziemia wyprowadziła swoją materię stałą i atmosferę z pierścienia wyrzuconego z atmosfery słonecznej, który następnie skurczył się w stałą sferę wodną, z której to samo Księżyc został zrzucony proces… [W takim widoku] Księżyc musiał koniecznie odprowadzić wodę i powietrze z wodnych i powietrznych części Ziemi i musi mieć atmosferę. ”
Na początku XX wieku model Laplaciana popadł w niełaskę, co skłoniło naukowców do poszukiwania nowych teorii. Jednak dopiero w latach siedemdziesiątych pojawiła się nowoczesna i najszerzej akceptowana odmiana hipotezy mgławicy - model słonecznego dysku mgławicowego (SNDM). To zasługa radzieckiego astronoma Victora Safronowa i jego książki Ewolucja obłoku protoplanetarnego i formowanie się Ziemi i planet (1972). W tej książce sformułowano prawie wszystkie główne problemy procesu formacji planetarnej i wiele z nich rozwiązano.
Na przykład model SNDM z powodzeniem wyjaśnił wygląd dysków akrecyjnych wokół młodych obiektów gwiezdnych. Różne symulacje wykazały również, że narastanie materiału w tych dyskach prowadzi do powstania kilku ciał wielkości Ziemi. Dlatego pochodzenie planet ziemnych jest obecnie uważane za prawie rozwiązany problem.
Choć pierwotnie zastosowany tylko do Układu Słonecznego, teoretyści uważali SNDM za działający w całym Wszechświecie i został użyty do wyjaśnienia powstawania wielu egzoplanet odkrytych w naszej galaktyce.
Problemy:
Chociaż teoria mgławicowa jest powszechnie akceptowana, nadal istnieją z nią problemy, których astronomowie nie byli w stanie rozwiązać. Na przykład występuje problem z nachylonymi osiami. Zgodnie z teorią mgławicy wszystkie planety wokół gwiazdy powinny być przechylone w ten sam sposób w stosunku do ekliptyki. Ale jak się dowiedzieliśmy, planety wewnętrzne i planety zewnętrzne mają radykalnie różne nachylenia osiowe.
Podczas gdy planety wewnętrzne wahają się od prawie 0 stopni nachylenia, inne (jak Ziemia i Mars) są znacznie pochylone (odpowiednio 23,4 ° i 25 °), planety zewnętrzne mają nachylenia w zakresie od niewielkiego nachylenia Jowisza 3,13 °, do Saturna i Neptuna więcej wyraźne pochylenie (26,73 ° i 28,32 °), do skrajnego przechylenia Urana wynoszącego 97,77 °, w którym jego bieguny są stale skierowane w stronę Słońca.
Ponadto badanie planet pozasłonecznych pozwoliło naukowcom zauważyć nieprawidłowości, które podają w wątpliwość hipotezę mgławicy. Niektóre z tych nieregularności mają związek z istnieniem „gorących Jowisza”, które krążą blisko swoich gwiazd w okresach zaledwie kilku dni. Astronomowie dostosowali hipotezę mgławicową, aby uwzględnić niektóre z tych problemów, ale wciąż muszą odpowiedzieć na wszystkie pytania z zewnątrz.
Niestety, wydaje się, że pytania dotyczą pochodzenia, na które najtrudniej jest odpowiedzieć. Kiedy wydaje nam się, że mamy zadowalające wyjaśnienie, pozostają te kłopotliwe problemy, których po prostu nie można wyjaśnić. Jednak między naszymi obecnymi modelami formowania się gwiazd i planet a narodzinami Wszechświata przeszliśmy długą drogę. Gdy dowiadujemy się więcej o sąsiednich układach gwiezdnych i odkrywamy więcej kosmosu, nasze modele prawdopodobnie dojrzeją.
Napisaliśmy wiele artykułów na temat Układu Słonecznego tutaj w Space Magazine. Oto Układ Słoneczny, czy nasz Układ Słoneczny zaczął z małym hukiem? I co było tutaj przed Układem Słonecznym?
Aby uzyskać więcej informacji, koniecznie sprawdź pochodzenie Układu Słonecznego i sposób powstawania Słońca i planet.
Astronomy Obsada ma także odcinek na ten temat - Odcinek 12: Skąd pochodzą gwiazdy dziecka?
