Как образовалась наша Солнечная система и каков ее возраст...
Давным-давно в рукаве галактики, находящемся примерно в трех килопарсеках от нас, начала формироваться наша Солнечная система.


Скоро наступит лето и перед нами предстанут темные и ясные ночи, когда можно будет посмотреть вверх и увидеть Млечный Путь, простирающийся дугой по небосводу. Это наша Галактика в состав которой входят миллиарды других звезд, видимых невооруженным глазом. Считается, что у многих, если не у большинства звезд, есть планеты - одни похожие на нашу, другие удивительные и странные, а некоторые находятся в таких экстремальных условиях, что никогда не смогут поддерживать жизнь, которую мы знаем. Задумывались ли вы когда-нибудь, как все эти удивительные планетарные системы могли сформироваться из пыли и холодного газа в бесконечной космической пустоте? Как возникла наша Солнечная система? И что ее ждет в будущем?

Телескопы, микроскопы, спектрометры и детекторы гравитационных волн очень помогли собрать воедино историю нашей Солнечной системы, уходящую глубоко в прошлое. Благодаря изучению очень старых метеоритов, ученые пришли к выводу, что возраст Солнечной системы на сегодняшний день составляет 4,5684 миллиарда лет с погрешностью в 240 000 лет - "ничтожные доли процента". Если мы выяснили возраст нашего "космического дома", то нам будет легче узнать его историю.

Как образовалась Солнечная система?

История нашего Солнца начинается с гибели другой звезды: предшественницы, чья огненная смерть привела к рождению нашей Солнечной системы. Согласно популярной небулярной гипотезе, наша планетарная система образовалась в результате гравитационного коллапса части гигантского молекулярного облака, скорее всего, на краю пузыря Вольфа-Райе. (Подробнее об этом чуть позже.) Доказательствами истории нашей Солнечной системы служат ее химический состав и физическая организация, а также многочисленные наблюдения за источниками света в ночном небе.

Как и большинство звезд, Солнце, вероятно, образовалось в составе молодого звездного скопления. Помимо Солнца в нем сформировались также близлежащие звезды, такие как Альфа Центавра. За последние полмиллиарда лет после своего рождения наша звезда значительно удалилась от своих звездных яслей, пройдя около трех килопарсеков до нынешнего местоположения в Орионовом рукаве нашей перемычкообразной спиральной Галактики. (Парсек равен примерно 3,26 светового года, поэтому 3 килопарсека или кпк - это примерно 9800 световых лет.)

Пузыри Вольфа-Райе.

Звезды испускают постоянный поток ионов и плазмы, более известный как звездный ветер. В результате образуется область низкой плотности под влиянием звезды, очищенная от обломков и окруженная более плотной оболочкой материала, подобной поверхности мыльного пузыря. Невидимая невооруженным глазом, она тем не менее указывает на положение звезды в космосе.


Пузырь Вольфа-Райе: туманность Полумесяц, представляющая собой пузырь звездного ветра, выдуваемый звездой Вольфа-Райе в созвездии Лебедя примерно в 5000 световых годах от Земли.

Задолго до того, как квантовая физика объяснила радиолинию нейтрального водорода или 21 см линию*, астрономы заметили в небе цветные точки света, достаточно большие, чтобы быть планетами, но не двигающиеся как звезды, и назвали их планетарными туманностями. При наблюдении современными телескопами эти точки света часто оказываются цветными пузырями, окружающими яркую центральную звезду - или место, где должна находиться звезда. Зонды «Вояджер I» и «Вояджер II» установили, что у нашей звезды есть именно такой пузырь. То, что находится внутри этого пузыря, называется гелиосферой - областью материального влияния Солнца.

* Линия 21 см — спектральное свидетельство инфракрасного света с длиной волны w ≈ 21 см, излучаемого холодным молекулярным водородом. Его существование подтверждает аспекты квантовой физики, а его присутствие или отсутствие в данном регионе помогает астрономам понять трехмерную структуру видимого космоса.

Иногда, когда пузырь лишен центральной звезды, это означает, что звезда взорвалась в сверхновую. Однако иногда это происходит потому, что звезда просто излучает невидимый нам свет. Звезды Вольфа-Райе - это огромные, удивительно тусклые звезды, горящие настолько интенсивно, что в основном излучают в ультрафиолетовом диапазоне, невидимом невооруженным глазом. Их мощный звездный ветер раздувает вокруг себя более крупный пузырь. Эти звезды потеряли весь водород в своем внешнем слое и начали синтезировать более тяжелые элементы, такие как гелий, азот и углерод. Звезды Вольфа-Райе отличаются обилием тяжелых элементов, включая редкий изотоп алюминия-26 (²⁶Al), который в основном встречается там, где есть или была недавно звезда Вольфа-Райе. А когда они умирают, они также взрываются сверхновыми.
Звезды Вольфа-Райе, вероятно, сыграли ключевую роль в качестве источника взрывной ударной волны, которая образовала области повышенной плотности из диффузного межзвездного вещества: сверхновой, оставившей после себя звездный прах, из которого зародилась наша Солнечная система. Эта ударная волна отбросила материал, который звезда уже выбросила в виде звездного ветра. Доказательством этой гипотезы являются редкие фрагменты очень старых метеоритов. Следы изотопа алюминия-26 (²⁶Al), обнаруженные в образцах древних метеоритов, которые считаются одними из первых твердых веществ, конденсирующихся в Солнечной системе, могут служить конкретным свидетельством существования звезды Вольфа-Райе.


Если небулярная гипотеза верна, то звезда, которая взорвалась как сверхновая и вызвала начало коллапса нашей туманности, вероятно, находилась примерно на 3 килопарсека ближе к центру Галактики.

Коалесценция или слияние.

Судя по распределению массы внутри и вокруг нашего местного межзвездного облака, первоначальное гигантское молекулярное облако было в тысячи раз больше массы нашего Солнца и имело диаметр около 20 парсеков (65 световых лет), с многочисленными "фрагментами"-спутниками размером примерно по одному парсеку (чуть больше трех световых лет) в диаметре. Гравитационное притяжение внутри этих фрагментов привело к их коллапсу на более плотные «ядра» шириной всего 0,01–0,1 парсека (2 000–20 000 астрономических единиц). Протосолнечная или предсолнечная туманность, которая однажды станет Солнечной системой, конденсировалась из одного такого фрагмента в течение примерно 100 000 лет.

Как же выглядит протосолнечная туманность? Примерно так, как эти области звездообразования в туманности Орел, запечатленные космическим телескопом "Хаббл" - Столпы Творения. Слева - инфракрасное изображение: газовые облака, освещенные изнутри собственным свечением. Справа - истинные цвета в видимом спектре. Источник: НАСА.

Приливные силы, вызванные невероятной массой нашей галактики, стремятся притянуть вещество внутрь, к сверхмассивной черной дыре Стрелец А* в центре Млечного Пути. В то же время все вещество внутри галактики подвержено ее вращательным силам. Разницы в направлении этих сил достаточно, чтобы создать ось вращения: вихря, временного по космологическим временным шкалам, с вихрем в его центре. Более тяжелые элементы сконцентрировались ближе к центру масс, в то время как более легкие, такие как водородный газ, скопились на периферии. В соответствии с законом сохранения момента импульса сжимающееся облако начало вращаться все быстрее и нагреваться по мере сжатия.

В течение 500 тысяч - 1 миллиона лет протосолнечная туманность дифференцировалась на горячее, плотное, сфероидальное ядро протозвезды массой около трех солнечных масс и аккреционный диск, возможно, составляющий двадцать процентов массы протозвезды.

Блуждающие планеты

Всего через несколько сотен тысяч лет после того, как протозвезда отделилась от своего диска, задолго до того, как она вытолкнула или поглотила достаточно вещества, чтобы очистить окружающую среду, внутренняя часть Солнечной системы была населена примерно сотней протопланет размером от Луны до Марса, каждая из которых имела около 5% массы Земли. Затем началась фаза столкновения и слияния, продолжавшаяся, возможно, сто миллионов лет и закончившаяся четырьмя уцелевшими скалистыми внутренними планетами.

Крупнейшие небесные тела в нашей Солнечной системе, сохранившиеся до наших дней, - массивные астероиды и малые планеты - считаются последними остатками этой эры формирования планет. Именно в этот период, как полагают многие ученые, молодая Земля столкнулась с другой зарождающейся планетой под названием Тея, образовав Луну. Ближе к Солнцу произошло другое гигантское столкновение, в результате которого у молодого Меркурия были оторваны внешние слои, оставив небольшую планету, в которой преобладало железное ядро.


Излучение Солнца нагревает все вокруг, и этот эффект имеет ключевое значение для формирования планет. Планеты земной группы образовались ближе всего к Солнцу, лишенные летучих газов и льда, поскольку только каменистый материал мог выдержать высокие температуры. Однако в туманности содержалось очень мало такого материала, что сказалось на размеры скалистых планет. Между орбитами Марса и Юпитера существует полоса, в которой, вероятно, сохранилась жидкая вода. У большинства, если не у всех звезд есть такая полоса, которую иногда называют «зоной Златовласки». Внешняя граница этой полосы известна как снеговая линия.


Земля, расположенная между знойной Венерой и замерзшим Марсом, сформировалась и вращается внутри полосы, где вода могла сохраняться в твердом, жидком и газообразном состояниях. На Марсе когда-то присутствовала поверхностная вода, но не в таком изобилии, как на Земле, и ненадолго. В результате Марс стал настолько холодным, что его полюса покрыты сугробами сухого льда: замороженного углекислого газа, который выпадает из атмосферы в виде снега.

Лед из углекислого газа (синий) на затененном внутреннем крае кратера на Марсе. Фото: НАСА.

Тем временем летучие вещества (газы, жидкости и лед), выброшенные с внутренних планет, конденсировались в кольцо или диск за снеговой линией во внешних областях молодой Солнечной системы. Сила тяжести или гравитация стянула эти материалы воедино, и там мы сейчас видим газовых гигантов Юпитер и Сатурн, а также ледяных гигантов Уран и Нептун.