La formazione del sistema solare iniziò approssimativamente. Formazione ed evoluzione del sistema solare. Origine del sistema solare

Materiale da Wikipedia e video (film di USA Flight 33 Productions e Workaholic Productions).

Secondo le idee moderne, formazione del sistema solare iniziò circa 4,6 miliardi di anni fa con il collasso gravitazionale di una piccola parte di una gigantesca nuvola molecolare interstellare. La maggior parte della materia è finita nel centro gravitazionale del collasso, seguito dalla formazione della stella del Sole. La sostanza che non cadeva al centro formava un disco protoplanetario rotante attorno ad esso, dal quale si formarono successivamente i pianeti, i loro satelliti, gli asteroidi e altri piccoli corpi del sistema solare.

L'ipotesi della formazione del sistema solare da una nuvola di gas e polvere - l'ipotesi nebulare - fu originariamente proposta nel XVIII secolo da Emmanuel Swedenborg, Immanuel Kant e Pierre-Simon Laplace. In futuro, il suo sviluppo è avvenuto con la partecipazione di molti discipline scientifiche, tra cui astronomia, fisica, geologia e scienze planetarie. Dall'inizio era spaziale negli anni '50 e con la scoperta di pianeti al di fuori del sistema solare (esopianeti) negli anni '90, questo modello è stato sottoposto a molteplici test e miglioramenti per spiegare nuovi dati e osservazioni.

In termini generali, il processo di formazione del nostro sistema può essere descritto come segue:
Il meccanismo di innesco del collasso gravitazionale era una piccola (spontanea) compattazione della materia della nube di gas e polvere (possibili ragioni per cui potrebbero essere sia la dinamica naturale della nube, sia il passaggio di un'onda d'urto da un'esplosione di supernova attraverso la materia della nuvola, ecc.), che divenne il centro di attrazione gravitazionale per la materia circostante - centro di collasso gravitazionale. La nuvola conteneva già non solo idrogeno ed elio primordiali, ma anche numerosi elementi pesanti (metallicità) lasciati dalle stelle delle generazioni precedenti. Inoltre, la nuvola in collasso ha avuto un momento angolare iniziale.
Nel processo di compressione gravitazionale, la dimensione della nuvola di gas e polvere è diminuita e, a causa della legge di conservazione del momento angolare, la velocità di rotazione della nuvola è aumentata. A causa della rotazione, le velocità di compressione delle nuvole parallele e perpendicolari all'asse di rotazione differivano, il che ha portato all'appiattimento della nuvola e alla formazione di un caratteristico disco.
Come conseguenza della compressione, la densità e l'intensità delle collisioni delle particelle di materia tra loro aumentavano, per cui la temperatura della materia aumentava continuamente mentre veniva compressa. Le regioni centrali del disco sono state riscaldate più fortemente.
Dopo aver raggiunto una temperatura di diverse migliaia di kelvin, la regione centrale del disco iniziò a brillare: si formò una protostella. La materia nuvolosa ha continuato a cadere sulla protostella, aumentando la pressione e la temperatura al centro. Le regioni esterne del disco sono rimaste relativamente fredde. A causa delle instabilità idrodinamiche, iniziarono a svilupparsi sigilli separati, che divennero centri gravitazionali locali per la formazione di pianeti dalla sostanza del disco protoplanetario.

pianeti terrestri

Collisione gigante di due corpi celestiali, forse dando origine al satellite terrestre Luna
Alla fine dell'epoca della formazione planetaria, l'interno sistema solare era abitato da 50-100 protopianeti di dimensioni variabili da lunari a marziane. Un'ulteriore crescita delle dimensioni dei corpi celesti era dovuta alle collisioni e alle fusioni di questi protopianeti tra loro. Così, ad esempio, a seguito di una delle collisioni, Mercurio perse la maggior parte del suo mantello, mentre a seguito di un'altra nacque il satellite terrestre, la Luna. Questa fase di collisioni è continuata per circa 100 milioni di anni fino a quando i 4 massicci corpi celesti oggi conosciuti sono rimasti in orbita.

Uno dei problemi irrisolti di questo modello è il fatto che non può spiegare come le orbite iniziali di oggetti protoplanetari, che dovevano avere un'elevata eccentricità per entrare in collisione tra loro, potessero di conseguenza dar luogo a stabili e quasi circolari orbite dei restanti quattro pianeti. Secondo un'ipotesi, questi pianeti si sono formati in un momento in cui lo spazio interplanetario conteneva ancora una quantità significativa di materiale gassoso e pulviscolo, che, a causa dell'attrito, riduceva l'energia dei pianeti e rendeva le loro orbite più lisce. Tuttavia, questo stesso gas avrebbe dovuto prevenire il verificarsi di un grande allungamento nelle orbite originali dei protopianeti. Un'altra ipotesi suggerisce che la correzione dell'orbita pianeti interni si è verificato non a causa dell'interazione con il gas, ma per l'interazione con i restanti corpi più piccoli del sistema. Quando grandi corpi passavano attraverso una nuvola di piccoli oggetti, questi ultimi, a causa dell'influenza gravitazionale, venivano trascinati in regioni con più alta densità, e così ha creato "creste gravitazionali" sul percorso di passaggio pianeti maggiori. La crescente influenza gravitazionale di queste "creste", secondo questa ipotesi, ha fatto rallentare i pianeti ed entrare in un'orbita più arrotondata.

Bombardamento pesante tardivo


La rottura gravitazionale dell'antica cintura di asteroidi iniziò probabilmente il pesante periodo di bombardamento circa 4 miliardi di anni fa, 500-600 milioni di anni dopo la formazione del sistema solare. Questo periodo è durato diverse centinaia di milioni di anni e le sue conseguenze sono ancora visibili sulla superficie dei corpi geologicamente inattivi del sistema solare, come la Luna o Mercurio, sotto forma di numerosi crateri da impatto. E la prova più antica della vita sulla Terra risale a 3,8 miliardi di anni fa, quasi immediatamente dopo la fine del tardo periodo di pesante bombardamento.

Le collisioni giganti sono normali (sebbene rare in tempi recenti) parte dell'evoluzione del sistema solare. La prova di ciò è la collisione della cometa Shoemaker-Levy con Giove nel 1994, la caduta di un corpo celeste su Giove nel 2009 e cratere meteoritico in Arizona. Ciò suggerisce che il processo di accrescimento nel sistema solare non è ancora completo e quindi rappresenta un pericolo per la vita sulla Terra.

Formazione di satelliti
satelliti naturali formato intorno alla maggior parte dei pianeti del sistema solare, così come molti altri corpi. Ci sono tre meccanismi principali per la loro formazione:

Formazione da un disco circumplanetario (nel caso di giganti gassosi)
formazione da frammenti della collisione (nel caso di una collisione sufficientemente grande con un piccolo angolo)
cattura di un oggetto volante
Giove e Saturno hanno molti satelliti, come Io, Europa, Ganimede e Titano, che probabilmente si sono formati da dischi attorno a questi pianeti giganti nello stesso modo in cui questi pianeti stessi si sono formati da un disco attorno al giovane Sole. Ciò è indicato dalle loro grandi dimensioni e dalla vicinanza al pianeta. Queste proprietà sono impossibili per i satelliti acquisiti per cattura, e la struttura gassosa dei pianeti rende impossibile l'ipotesi della formazione di lune dalla collisione di un pianeta con un altro corpo.

Lezione 6.3 | L'evoluzione dei sistemi planetari. Origine dei pianeti e dei loro satelliti | Vladimir Surdin Lectorium Pubblicato: 31 maggio 2016

Surdin - Vladimir Georgievich Surdin (nato il 1 aprile 1953, Miass) - Astronomo e divulgatore della scienza sovietico e russo. Candidato di Scienze Fisiche e Matematiche, Professore Associato. Ricercatore senior presso l'Istituto Astronomico Statale intitolato a P. K. Sternberg, Professore Associato della Facoltà di Fisica dell'Università Statale di Mosca. Vincitore del Premio Belyaev e del Premio Enlightener per il 2012. Vladimir Surdin è autore ed editore di diverse dozzine di libri di divulgazione scientifica di astronomia e astrofisica, nonché di numerosi articoli, saggi e interviste di divulgazione scientifica. Per una serie di articoli di divulgazione scientifica gli è stato conferito il Premio Belyaev. Legge conferenze popolari al Museo del Politecnico. , è membro del comitato editoriale del suo organo a stampa - il Bollettino dell'Accademia delle scienze russa "In difesa della scienza".

La pagina di Surdin con tutti i libri pubblicati e le conferenze che partecipano a diversi importanti all-russi progetti educativi. http://lnfm1.sai.msu.ru/~surdin/

Ce n'è ancora? documentari serie Universo (2007-2012) 7 stagioni.
Il programma è stato creato dalle società statunitensi Flight 33 Productions e Workaholic Productions.
Stagione 6 Episodio 3 2011 Come è stato creato il sistema solare Tutte le copie precedenti e i collegamenti agli elenchi delle serie hanno smesso di funzionare e i materiali video sono stati bloccati dai detentori del copyright. Bene, sono significativamente obsoleti, anche se era per lo più un bellissimo film di cartoni animati per bambini (c'è circa l'80% di animazione che simula il movimento degli oggetti nel sistema solare). Chiunque lo desideri può cercare per nome, sono solo stanco di scorrere il libro e cancellare un altro video mancante. Sembra da questo film il presunto meccanismo per la formazione di una gigante rossa e di una nana bianca nella futura evoluzione del nostro Sole, viste all'epoca del 2010 circa da allora sembrano essere cambiate poco su questi temi

Nessuno del gran numero di diversi modelli dell'origine e dello sviluppo del sistema solare ha ricevuto il rango di teoria generalmente accettata.

Secondo Ipotesi di Kant-Laplace il sistema di pianeti attorno al Sole si è formato come risultato dell'azione di forze di attrazione e repulsione tra particelle di materia sparse in rotazione attorno al Sole.

Primo fisico e astrofisico inglese JH Jeans(1877-1946) suggerì che una volta il Sole si fosse scontrato con un'altra stella, a seguito della quale ne sarebbe stato strappato un getto di gas, che, ispessindosi, si sarebbe trasformato in pianeti. Data l'enorme distanza tra le stelle, una tale collisione sembra incredibile.

Delle moderne ipotesi sull'origine del sistema solare, la più famosa è l'ipotesi elettromagnetica dell'astrofisico svedese H. Alfvena (1908-1995)e l'inglese F. Hoyle (1915-2001). Secondo questa teoria, la nube di gas originaria da cui si sono formati sia il Sole che i pianeti era costituita da gas ionizzato soggetto all'influenza di forze elettromagnetiche. Dopo che il Sole si è formato da un'enorme nuvola di gas attraverso la concentrazione, piccole parti di questa nuvola sono rimaste a una distanza molto grande da essa. La forza gravitazionale iniziò ad attirare il gas rimanente sulla stella formata - il Sole, ma il suo campo magnetico fermò il gas in movimento a varie distanze - proprio dove si trovano i pianeti. Le forze gravitazionali e magnetiche hanno influenzato la concentrazione e l'ispessimento di questo gas. Di conseguenza, si sono formati i pianeti. Quando sorsero i pianeti più grandi, lo stesso processo si ripeté su scala più piccola, creando così sistemi di satelliti.

È anche nota l'ipotesi della formazione del sistema solare da una nuvola di gas e polvere fredda che circonda il Sole, proposta da uno scienziato sovietico. O.Yu. Schmidt (1891-1956).

Secondo l'ipotesi attualmente accettata, la formazione del sistema solare è iniziata circa 4,6 miliardi di anni fa con il collasso gravitazionale di una piccola parte di una gigantesca nuvola di gas e polvere interstellare. Questa nuvola iniziale era probabilmente larga anni luce ed era la madre di diverse stelle.

Nel processo di compressione gravitazionale, la dimensione della nuvola di gas e polvere è diminuita e, a causa della legge di conservazione del momento angolare, la velocità di rotazione della nuvola è aumentata. Il centro, dove si era raccolta la maggior parte della massa, divenne sempre più caldo del disco circostante. A causa della rotazione, i tassi di compressione delle nuvole differivano parallelamente e perpendicolarmente all'asse di rotazione, il che ha portato all'appiattimento della nuvola e alla formazione di un caratteristico disco protoplanetario con un diametro di circa 200 UA. e una protostella calda e densa al centro. Si pensa che il Sole sia stato una stella T Tauri a questo punto della sua evoluzione. Lo studio di tali stelle mostra che sono spesso accompagnate da dischi protoplanetari con masse di 0,001-0,1 masse solari, con la stragrande maggioranza della massa della nebulosa concentrata direttamente nella stella. I pianeti sono stati formati per accrescimento da questo disco (Fig. 26).

Riso. 26. Evoluzione del Sole

Entro 50 milioni di anni, la pressione e la densità dell'idrogeno al centro della protostella sono diventate abbastanza grandi da avviare reazioni termonucleari. La temperatura, la velocità di reazione, la pressione e la densità aumentarono fino al raggiungimento dell'equilibrio idrostatico, con l'energia termica che resisteva alla forza di contrazione gravitazionale. In questa fase, il Sole è diventato una vera e propria stella della sequenza principale.

Il sistema solare durerà fino a quando il Sole comincerà ad evolversi al di fuori della sequenza principale del diagramma Hertzsprung-Russell, che mostra la relazione tra la luminosità delle stelle e la loro temperatura superficiale. Le stelle più calde sono più luminose.

Il sole brucia il suo combustibile idrogeno e l'energia rilasciata tende a esaurirsi, causando il restringimento del sole. Ciò aumenta la pressione nelle sue viscere e riscalda il nucleo, accelerando così la combustione del carburante. Di conseguenza, il Sole diventa più luminoso di circa il 10% ogni 1,1 miliardi di anni.

In circa 5-6 miliardi di anni, l'idrogeno nel nucleo del Sole sarà completamente convertito in elio, che completerà la fase della sequenza principale. In questo momento, gli strati esterni del Sole si espanderanno di circa 260 volte: il Sole diventerà una gigante rossa. A causa dell'enorme aumento della superficie, sarà molto più fresco rispetto a quando si trova nella sequenza principale (2600 K).

Alla fine, gli strati esterni del Sole verranno espulsi da una potente esplosione nello spazio circostante, formando una nebulosa planetaria, al centro della quale ci sarà solo un piccolo nucleo stellare: una nana bianca, un oggetto insolitamente denso la metà dell'iniziale massa del Sole, ma la dimensione della Terra. Questa nebulosa restituirà parte del materiale che ha formato il Sole nel mezzo interstellare.

Le teorie sull'origine del sistema solare sono di natura ipotetica ed è impossibile risolvere inequivocabilmente la questione della loro affidabilità allo stadio attuale dello sviluppo della scienza. In tutte le teorie esistenti ci sono contraddizioni e luoghi poco chiari.

La mancanza di una versione generalmente accettata dell'origine del sistema planetario ha una sua spiegazione. In primo luogo, l'unicità dell'oggetto di osservazione esclude il ricorso all'analisi comparativa e ci obbliga a risolvere il difficile compito di ricostruire la storia solo sulla base della conoscenza dello stato attuale del sistema solare. Ad esempio, le idee sull'evoluzione delle stelle dalla nascita alla morte sono state ottenute attraverso l'accumulo e l'elaborazione statistica dei dati osservati all'avanguardia molte stelle di classi diverse in diversi stadi di sviluppo. Non sorprende che l'astronomia sappia molto di più sullo sviluppo di stelle lontane da noi che sull'origine e lo sviluppo del nostro habitat: il sistema solare.

Pertanto, il sistema solare è una formazione naturale molto complessa, che combina la diversità dei suoi elementi costitutivi con la massima stabilità del sistema nel suo insieme. Con l'enorme numero e varietà di elementi che compongono il sistema, con le complesse relazioni che si instaurano tra di loro, il compito di determinare il meccanismo della sua formazione si rivela molto difficile.

Il sistema solare comprende:

• 4 pianeti terrestri: Mercurio, Venere, Terra, Marte e i loro satelliti;

  la cintura degli asteroidi minori, che comprende il pianeta nano Cerere;

  innumerevoli corpi di meteoriti che si muovono sia a sciami che singolarmente.

  4 pianeti giganti: Giove, Saturno, Urano, Nettuno e i loro satelliti;

  centinaia di comete;

  centauri;

  oggetti transnettuniani: la fascia di Kuiper, che comprende 4 pianeti nani: Plutone, Haumea, Makemake, Eris e un disco sparso;

  le regioni periferiche, che comprendono le nubi di Oort e di Sedna;

  zone di confine.

L'origine del sistema solare è direttamente dovuta alle forze di gravità. È grazie a loro che esistono l'Universo, le galassie, le stelle ei pianeti. Le persone vissute molti secoli fa presumevano che dovessero esserci delle forze misteriose che gradualmente controllano il mondo. Ma il primo a creare modello matematico gravità, era Isaac Newton, fisico, matematico e astronomo inglese(1642-1727). Ha gettato le basi della meccanica celeste.

Fu sulla base del lavoro di Newton che apparvero le leggi empiriche di Keplero. Fu creata la teoria del moto delle comete e della luna. Newton ha spiegato scientificamente la precessione asse terrestre. Tutto questo è ancora considerato un enorme contributo alla scienza. Ma il filosofo tedesco Immanuel Kant (1724-1804) fu il primo ad esprimere le sue idee sulla formazione del Sole e dei pianeti.

Nel 1755 fu pubblicata la sua opera "La storia naturale generale e la teoria del cielo". In esso, il filosofo suggerì che tutti i corpi celesti e lo stesso luminare provenissero da una nebulosa, che in origine era un'enorme nuvola di gas e polvere. Kant fu il primo a parlarne cosmogonia- l'origine del mondo.

Ciò richiede materiale primario e forze gravitazionali. Ma non è richiesto l'intervento divino in questa materia. Cioè, il mondo è sorto come risultato di leggi fisiche e Dio non ha preso parte a questo. All'epoca, era un'affermazione piuttosto audace.

Tre fasi nella formazione del sistema solare

Le opinioni moderne sull'origine del sistema solare coincidono in gran parte con le conclusioni di Kant. Non c'è da stupirsi che, secondo Bulgakov, facesse costantemente colazione con il diavolo in persona. Pertanto, il filosofo sapeva cosa stava dicendo e le menti dotte di oggi sono ampiamente d'accordo con lui.

La teoria principale suggerisce che una gigantesca nuvola di gas e polvere esistesse nel sito dell'attuale sistema solare 5 miliardi di anni fa. Aveva dimensioni enormi e si estendeva nello spazio per 6 miliardi di km. Nubi di polvere simili esistono in molti angoli del vasto universo. La maggior parte di loro sono costituiti da idrogeno. Questo è il gas da cui si sono formate originariamente le stelle. Quindi, a seguito di una reazione termonucleare, inizia a essere rilasciato il gas inerte elio. La quota di altre sostanze rappresenta solo il 2%.

Ad un certo punto, la nuvola di polvere ha ricevuto un potente impulso esterno, che è un enorme rilascio di energia. Potrebbe essere un'onda d'urto generata dall'esplosione di una supernova. Ed è possibile che non ci sia stata alcuna influenza esterna. Proprio a causa della legge di attrazione, la nuvola iniziò a diminuire di volume e a condensarsi.

Questo processo ha dato origine al collasso gravitazionale. Cioè, c'è stata una rapida compressione della massa cosmica. Di conseguenza, al centro è apparso un nucleo rovente con una densità molto alta. Il resto della massa si disperdeva lungo i bordi del nucleo. E poiché ogni cosa nello spazio ruota attorno al proprio asse, questa massa ha acquisito la forma di un disco.

Il nucleo è diminuito di dimensioni, aumentando la sua temperatura e densità. Di conseguenza, è stato trasformato in protostella. Questo è il nome di una stella in cui ci sono i prerequisiti per l'inizio di una reazione termonucleare. E la nuvola di gas attorno al nucleo divenne sempre più densa.

Infine, nel cuore, la temperatura e la pressione hanno raggiunto un valore critico. Ciò ha innescato l'inizio di una reazione termonucleare e l'idrogeno ha iniziato a trasformarsi in elio. La protostella cessò di esistere e invece sorse una stella chiamata Sole. L'intero processo è durato circa un milione di anni. Non molto per gli standard spaziali.

E poi è seguito un altro processo. Le nubi di gas e polvere che ruotavano attorno al Sole iniziarono a convergere in densi anelli. Ognuno di loro formava un coagulo con una densità maggiore. E il massimo sostanze pesanti erano al centro del coagulo e i polmoni creavano un guscio esterno. È così che si sono formati i nuclei dei pianeti circondati dai gas.

Per dirla semplicemente, possiamo dire che la stella ha "spazzato via" i gusci gassosi dai nuclei più vicini. È così che si sono formati i piccoli pianeti, in orbita vicino al Sole. esso Mercurio, Venere, Terra e Marte. E altri pianeti erano a grande distanza dalla stella. Pertanto, hanno mantenuto i loro "cappotti di gas". Attualmente sono conosciuti come i pianeti giganti gassosi: Giove, Saturno, Urano e Nettuno.. Tutte queste trasformazioni hanno richiesto altri 4 milioni di anni.

Successivamente, i satelliti sono apparsi attorno ai pianeti. Così la Luna è apparsa vicino alla Terra. Anche il resto dei pianeti ha acquisito satelliti. E, alla fine, si è formata un'unica comunità spaziale, che esiste ancora oggi.

È così che la scienza spiega l'origine del sistema solare. A proposito, questa teoria è inerente anche ad altre formazioni stellari, di cui esiste un numero infinito nello spazio. Chissà, forse da qualche parte nell'abisso nero ce n'è uno simile sistema stellare. C'è vita intelligente lì e, di conseguenza, c'è una specie di civiltà. È del tutto possibile che un giorno le persone incontreranno la mente dei fratelli. Sarà l'evento più straordinario della nostra storia..

La rivisitazione della storia della nascita del nostro sistema solare è stata molto monotona per molti anni. Tutto è iniziato miliardi di anni fa con una nuvola di gas e polvere oscura e in lenta rotazione. La nuvola si contrasse, formando il Sole al centro. Nel tempo, otto pianeti e molti corpi più piccoli, come . Da allora, i pianeti girano intorno al Sole e i loro movimenti sono precisi e prevedibili, come un orologio.

Di recente, gli astronomi hanno scoperto fatti che smentiscono questa vecchia storia. Rispetto alla costruzione di migliaia di sistemi esoplanetari scoperti di recente, il massimo tratti caratteriali il nostro sistema solare - i suoi pianeti rocciosi interni, i giganti gassosi esterni e la mancanza di pianeti nell'orbita di Mercurio - sembrano piuttosto strani. Modellando il passato sui computer, vediamo che queste mode sono diventate il prodotto di una giovinezza turbolenta. La storia del sistema solare deve essere riscritta per includere molto più dramma e caos di quanto la maggior parte di noi si aspettasse.

Una nuova versione della storia racconta di pianeti erranti, espulsi dalle loro case, circa mondi perduti, morto molto tempo fa nell'inferno di fuoco del Sole, e di giganti solitari abbandonati nelle fredde profondità ai margini dello spazio interstellare. Studiando questi antichi eventi e le "cicatrici" rimaste dopo di loro - come il presunto nono pianeta, che potrebbe essere nascosto dietro l'orbita di Plutone - gli astronomi stanno costruendo un quadro coerente delle più importanti epoche di formazione del sistema solare sullo sfondo di una nuova comprensione dei processi cosmici.

sistema solare classico

I pianeti sono un sottoprodotto della formazione stellare che ha luogo nelle profondità di nubi molecolari giganti che sono 10.000 volte più massicce del nostro Sole. I sigilli separati nella nuvola vengono compressi sotto l'influenza della gravità, formando una protostella luminosa al centro, circondata da un ampio anello opaco di gas e polvere: un disco protoplanetario.

Per molti decenni, i teorici hanno modellato il disco protoplanetario del nostro Sole, cercando di spiegare una delle caratteristiche più importanti del sistema solare: la sua divisione in gruppi di pianeti rocciosi e gassosi. I periodi orbitali dei quattro pianeti simili alla Terra sono compresi tra Mercurio di 88 giorni e Marte di 687 giorni. Al contrario, i giganti gassosi conosciuti si trovano su orbite molto più lontane con periodi che vanno da 12 a 165 anni e collettivamente sono più di 150 volte la massa dei pianeti terrestri.

Si ritiene che entrambi i tipi di pianeti siano nati in un unico processo di formazione in cui granelli di polvere solida, precipitando in un vortice turbolento di un disco gassoso, si sono scontrati e bloccati insieme, formando corpi su scala chilometrica - planetesimi (simili a come le correnti d'aria e le forze elettrostatiche fanno rotolare le particelle di polvere sul pavimento della cucina non spazzato). I planetesimi più grandi avevano la maggiore attrazione gravitazionale e crescevano più velocemente di altri, attirando piccole particelle nella loro orbita. Probabilmente per un milione di anni nel processo di compressione dalla nuvola, il disco protoplanetario del nostro sistema solare, come qualsiasi altro nell'universo, brulicava di embrioni planetari delle dimensioni della luna.

L'embrione più grande si trovava appena oltre la moderna cintura di asteroidi, abbastanza lontano dalla luce e dal calore del Sole appena nato, dove il ghiaccio era conservato nel disco protoplanetario. Al di là di questo "confine di ghiaccio", gli embrioni potrebbero banchettare con abbondanti depositi di ghiaccio per la creazione di pianeti e crescere fino a dimensioni enormi. Come al solito, “i ricchi diventano più ricchi”: l'embrione più grande è cresciuto più velocemente di altri, raccogliendo la maggior parte degli embrioni ghiaccio disponibile, gas e polvere dal disco circostante. In appena un milione di anni, questo avido embrione crebbe fino a diventare il pianeta Giove. I teorici pensavano che fosse il momento decisivo in cui l'architettura del sistema solare si è divisa in due. In ritardo rispetto a Giove, gli altri pianeti giganti del sistema solare si sono rivelati più piccoli, poiché sono cresciuti più lentamente, catturando con la loro gravità solo il gas che Giove non ha avuto il tempo di catturare. E i pianeti interni si sono rivelati anche molto più piccoli, poiché sono nati all'interno del confine del ghiaccio, dove il disco era quasi privo di gas e ghiaccio.

rivoluzione degli esopianeti

Quando gli astronomi hanno iniziato a scoprire esopianeti due decenni fa, hanno iniziato a testare la teoria della formazione del sistema solare su scala galattica. Molti dei primi esopianeti scoperti si sono rivelati dei "gioviani caldi", cioè giganti gassosi che orbitano rapidamente attorno alle loro stelle con periodi di pochi giorni. L'esistenza di pianeti giganti così vicini alla superficie fiammeggiante di una stella, dove il ghiaccio è completamente assente, contraddice completamente l'immagine classica della formazione dei pianeti. Per spiegare questo paradosso, i teorici hanno proposto che i gioviani caldi si formino molto lontano e poi in qualche modo migrino verso l'interno.

Inoltre, sulla base di migliaia di esopianeti trovati in sondaggi come il telescopio spaziale Kepler della NASA, gli astronomi sono giunti alla conclusione allarmante che i gemelli del sistema solare sono rari. Il sistema planetario medio contiene una o più super-Terre (pianeti diverse volte più grandi della Terra) con periodi orbitali inferiori a circa 100 giorni. E pianeti giganti come Giove e Saturno si trovano solo nel 10% delle stelle, e ancor più raramente si muovono su orbite quasi circolari.

Ingannati nelle loro aspettative, i teorici si sono resi conto che "molti dettagli importanti" della teoria classica della formazione del nostro sistema planetario richiedono una migliore spiegazione. Perché la regione interna del sistema solare ha una massa così ridotta rispetto alle sue controparti esoplanetarie? Invece di super-Terre, ha piccoli pianeti rocciosi e non ce n'è uno all'interno dell'orbita di 88 giorni di Mercurio. E perché le orbite dei pianeti giganti attorno al Sole sono così rotonde e larghe?

Ovviamente, le risposte a queste domande risiedono nelle carenze della teoria classica della formazione dei pianeti, che non tiene conto della variabilità dei dischi protoplanetari. Si scopre che un pianeta appena nato, come una zattera di salvataggio nell'oceano, può spostarsi lontano dal suo luogo di nascita. Dopo che il pianeta è cresciuto, la sua gravità inizia a influenzare il disco circostante, eccitando onde a spirale al suo interno, la cui gravità influisce già sul movimento del pianeta stesso, creando potenti feedback positivi e negativi tra il pianeta e il disco. Di conseguenza, può verificarsi uno scambio irreversibile di quantità di moto ed energia, consentendo ai giovani pianeti di intraprendere un viaggio epico attraverso il disco genitore.

Se prendiamo in considerazione il processo di migrazione planetaria, i confini del ghiaccio all'interno dei dischi non svolgono più un ruolo speciale nella formazione della struttura dei sistemi planetari. Ad esempio, pianeti giganti nati al di fuori del ghiaccio possono diventare gioviani caldi, andando alla deriva verso il centro del disco, cioè viaggiando insieme a gas e polvere in una spirale verso la stella. Il problema è che questo processo funziona troppo bene e sembra verificarsi in tutti i dischi protoplanetari. Allora come spiegare le orbite lontane di Giove e Saturno attorno al Sole?

Cambia virata

Il primo accenno di una spiegazione convincente è venuto nel 2001 da un modello al computer di Frederic Masset e Mark Snellgrove della Queen Mary University di Londra. Hanno modellato l'evoluzione simultanea delle orbite di Saturno e Giove nel disco protoplanetario del Sole. A causa della massa minore di Saturno, la sua migrazione al centro è più veloce di quella di Giove, per cui le orbite di questi due pianeti convergono. Le orbite alla fine raggiungono una certa configurazione, nota come risonanza del moto medio, in cui Giove compie tre rivoluzioni attorno al Sole ogni due periodi orbitali di Saturno.

Due pianeti collegati dalla risonanza di moti medi possono scambiarsi quantità di moto ed energia l'uno con l'altro avanti e indietro, come un gioco interplanetario di lancio di una patata bollente. A causa della natura coordinata delle perturbazioni risonanti, entrambi i pianeti esercitano una maggiore influenza gravitazionale l'uno sull'altro e sull'ambiente circostante. Nel caso di Giove e Saturno, questo "accumulo" ha permesso loro di agire collettivamente con la loro massa sul disco protoplanetario, creando un grande divario in esso con Giove all'interno e Saturno all'esterno. Inoltre, a causa della sua maggiore massa, Giove ha attratto il disco interno più fortemente di Saturno quello esterno. Paradossalmente, questo ha fatto sì che entrambi i pianeti cambiassero il loro movimento e iniziassero ad allontanarsi dal Sole. Un cambiamento così improvviso nella direzione di migrazione viene spesso chiamato cambio di virata (la grande virata) a causa della somiglianza con il movimento di una barca a vela che vira controvento.

Nel 2011, dieci anni dopo la nascita del concetto di virata, un modello al computer di Kevin J. Walsh e colleghi dell'Osservatorio della Costa Azzurra a Nizza (Francia) ha mostrato che questa idea spiega bene non solo la storia dinamica di Giove e Saturno , ma anche la distribuzione degli asteroidi rocciosi e ghiacciati, nonché la piccola massa di Marte. Mentre Giove migrò verso l'interno, la sua influenza gravitazionale catturò e spostò i planetesimi nel suo percorso attraverso il disco, rastrellandoli e spingendoli davanti a sé come un bulldozer. Se assumiamo che Giove, prima di tornare indietro, sia migrato verso il Sole alla distanza dell'attuale orbita di Marte, allora potrebbe trascinare blocchi di ghiaccio con una massa totale di più di dieci masse terrestri nell'area di appoggio -come i pianeti del sistema solare, arricchendolo con acqua e altre sostanze volatili. Questo stesso processo potrebbe aver creato un chiaro confine esterno nella parte interna del disco protoplanetario, arrestando la crescita dell'embrione planetario più vicino, che di conseguenza divenne quello che oggi chiamiamo Marte.

Attacco di Giove

Mentre lo scenario del cambio di rotta nel 2011 sembrava molto convincente, il suo rapporto con gli altri misteri irrisolti il nostro sistema solare, come la completa assenza di pianeti nell'orbita di Mercurio, è rimasto poco chiaro. Rispetto ad altri sistemi planetari in cui le super-Terre sono densamente stipate, la nostra sembra quasi vuota. Il nostro sistema solare ha superato la fase più importante della formazione dei pianeti, che vediamo ovunque nell'universo? Nel 2015, due di noi (Konstantin Batygin e Gregory Laughlin) hanno esaminato come il cambiamento di rotta potrebbe influenzare un ipotetico gruppo di super-Terre vicino al Sole. La nostra conclusione è stata sorprendente: le Super-Terre non sarebbero sopravvissute al cambio di rotta. È notevole che le migrazioni verso l'interno e verso l'esterno di Giove possano spiegare molte delle proprietà dei pianeti a noi noti, oltre a quelli sconosciuti.

Quando Giove si tuffò nel sistema solare interno, la sua influenza "bulldozer" sui planetesimi avrebbe dovuto interrompere le loro ordinate orbite circolari, trasformandole in un caotico groviglio di traiettorie intersecantisi. Alcuni planetesimi devono essersi scontrati grande forza, rompendosi in frammenti che inevitabilmente hanno dato luogo a ulteriori collisioni e distruzioni. Pertanto, la migrazione verso l'interno di Giove probabilmente ha innescato una cascata di impatti che ha mandato in frantumi i planetesimi, riducendoli alle dimensioni di massi, ciottoli e sabbia.

Sotto l'influenza dell'attrito collisionale e della resistenza aerodinamica nella regione interna gassata del disco protoplanetario, i planetesimi distrutti persero rapidamente la loro energia e si avvicinarono a spirale al Sole. Durante questo autunno, potrebbero essere facilmente catturati in nuove risonanze associate a una qualsiasi delle super-Terre a loro vicine.

Pertanto, la riconversione di Giove e Saturno potrebbe aver innescato un potente attacco alle popolazioni dei pianeti interni primordiali del sistema solare. Quando le ex super-Terre caddero nel Sole, devono aver lasciato una regione desolata nella nebulosa protoplanetaria che si estendeva per periodi orbitali di circa 100 giorni. Di conseguenza, la rapida manovra di Giove attraverso il giovane sistema solare ha portato alla comparsa di un anello piuttosto stretto di detriti rocciosi, da cui si sono formati i pianeti terrestri centinaia di milioni di anni dopo. La confluenza di eventi casuali che hanno portato a questa delicata coreografia indica che piccoli pianeti rocciosi come la Terra - e forse la vita stessa su di essi - dovrebbero essere rari nell'universo.

Modello di Nizza

Quando Giove e Saturno tornarono dalla loro incursione nel sistema solare interno, il disco protoplanetario di gas e polvere era già gravemente esaurito. Alla fine la coppia risonante - Giove e Saturno - si avvicinò ai neoformati Urano e Nettuno, e forse un altro corpo di dimensioni simili. Con l'aiuto degli effetti di trascinamento gravitazionale nel gas, il duo dinamico ha anche catturato questi giganti più piccoli in risonanze. Pertanto, quando la maggior parte del gas ha lasciato il disco, l'architettura interna del sistema solare consisteva probabilmente in un anello di detriti rocciosi in prossimità dell'attuale orbita terrestre.

Nella regione esterna del sistema, c'era un gruppo risonante compatto di almeno quattro pianeti giganti che si muovevano in orbite quasi circolari tra l'orbita attuale di Giove e circa la metà della distanza dall'orbita attuale di Nettuno. Nella parte esterna del disco, oltre l'orbita del pianeta gigante più esterno, all'estremo confine freddo del sistema solare, si muovevano gelidi planetesimi. Nel corso di centinaia di milioni di anni, i pianeti terrestri si sono formati e i pianeti esterni un tempo turbolenti sono giunti a uno stato che potrebbe essere definito stabile. Tuttavia, questo non è ancora stato fase finale evoluzione del sistema solare.

Il cambio di rotta e l'attacco di Giove hanno causato l'ultima esplosione di furia interplanetaria nella storia del sistema solare, dando il tocco finale che ha portato il seguito planetario del nostro Sole in gran parte della configurazione che vediamo oggi. Quest'ultimo episodio, chiamato il tardo pesante bombardamento, si verificò tra 4,1 e 3,8 miliardi di anni fa, quando il sistema solare divenne temporaneamente un poligono di tiro. pieno di molti planetesimi in collisione. Oggi, le cicatrici degli impatti sono visibili come crateri sulla superficie della luna.

Lavorando con diversi colleghi dell'Osservatorio Côte d'Azur a Nizza nel 2005, uno di noi (Alessandro Morbidelli) ha creato il cosiddetto modello di Nizza per spiegare come l'interazione tra pianeti giganti possa aver causato il pesante bombardamento tardivo. Dove finisce il cambio di rotta, inizia il modello Nice.

I pianeti giganti vicini l'uno all'altro si muovevano ancora in risonanza reciproca e risentivano ancora della debole influenza gravitazionale dei gelidi planetesimi marginali. In effetti, erano sull'orlo dell'instabilità. Accumulandosi in milioni di rivoluzioni orbitali nel corso di centinaia di milioni di anni, ogni influenza individualmente insignificante dei planetesimi esterni ha gradualmente modificato il movimento dei giganti, rimuovendoli lentamente dal delicato equilibrio di risonanze che li collegavano tra loro. La svolta avvenne quando uno dei giganti cadde fuori risonanza con l'altro, sconvolgendo così gli equilibri e dando inizio ad una serie di reciproche perturbazioni caotiche dei pianeti, che spostarono leggermente Giove verso l'interno e il resto dei giganti verso l'esterno. Per un breve scala cosmica in un periodo di diversi milioni di anni, il sistema solare esterno ha subito una brusca transizione da un'orbita densamente imballata, quasi circolare, a una configurazione sparsa e disordinata, con i pianeti che si muovevano in orbite larghe e allungate. L'interazione tra i pianeti giganti era così forte che uno o anche molti di essi potrebbero essere stati espulsi ben oltre il sistema solare, nello spazio interstellare.

Se l'evoluzione dinamica si fermasse qui, la struttura delle regioni esterne del sistema solare corrisponderebbe all'immagine che vediamo in molti sistemi esoplanetari, dove i giganti si muovono attorno alle loro stelle in orbite eccentriche. Fortunatamente, il disco di gelidi planetesimi, che in precedenza aveva causato scompiglio nel movimento dei pianeti giganti, ha poi contribuito ad eliminarlo interagendo con le loro orbite allungate. Passando vicino a Giove e ad altri pianeti giganti, i planetesimi hanno gradualmente portato via l'energia del loro movimento orbitale e quindi hanno arrotondato le loro orbite. Nel processo, la maggior parte dei planetesimi furono espulsi dall'influenza gravitazionale del Sole, ma alcuni rimasero in orbite vincolate, formando un disco di "spazzatura" ghiacciata che ora chiamiamo Cintura di Kuiper.

Pianeta nove: l'ultima teoria

Osservazioni persistenti sui più grandi telescopi ci stanno gradualmente rivelando le distese della fascia di Kuiper, dimostrandone la struttura inaspettata. In particolare, gli astronomi hanno notato una peculiare distribuzione del movimento più distante ai bordi esterni del campo visivo. Nonostante la grande differenza di distanza dal Sole, le orbite di questi oggetti sono densamente raggruppate, come se tutti stessero vivendo una perturbazione comune e molto forte. Simulazione al computer di Batygin e Michael E. Brawn della California Istituto di Tecnologia, ha mostrato che un'immagine del genere potrebbe essere creata da un ancora sconosciuto con una massa dieci volte maggiore di quella della Terra, che si muove in un'orbita molto eccentrica attorno al Sole con un periodo di circa 20mila anni. Difficilmente un pianeta del genere avrebbe potuto formarsi così lontano, ma il suo aspetto è abbastanza facile da capire se fosse stato lanciato lì nell'era della giovinezza del sistema solare.

Se l'esistenza del nono pianeta sarà confermata, ciò aumenterà notevolmente le restrizioni sul quadro dell'evoluzione del nostro strano - con un "buco" al centro - il sistema solare e presenterà nuovi requisiti per una teoria che potrebbe spiegare tutto le sue caratteristiche. Gli astronomi stanno ora utilizzando i più grandi telescopi della Terra per cercare di trovarlo pianeta misterioso. La sua scoperta completerebbe il penultimo capitolo di una lunga e complessa storia di come abbiamo cercato di capire il nostro posto nell'universo. E questa storia finirà solo quando finalmente troveremo pianeti con la vita che ruota attorno ad altre stelle.

Proprio come il sequenziamento del DNA rivela la storia delle antiche migrazioni umane attraverso la superficie del nostro piccolo pianeta, così modellazione al computer permette agli astronomi di ricostruire la maestosa storia dei viaggi planetari nei miliardi di anni di vita del sistema solare. Dal momento in cui sei nato in una oscura nuvola molecolare, alla formazione dei primi pianeti, agli eventi devastanti della virata, all'attacco di Giove e al modello di Nizza, all'emergere della vita e della coscienza vicino ad almeno una delle stelle in il vasto via Lattea una biografia completa del nostro sistema solare sarà uno dei risultati più significativi scienza moderna- e senza dubbio una delle più grandi storie mai raccontate.

L'ipotesi della formazione del sistema solare da una nuvola di gas e polvere - l'ipotesi nebulare - fu originariamente proposta nel XVIII secolo da Emmanuel Swedenborg, Immanuel Kant e Pierre-Simon Laplace. In futuro, il suo sviluppo è avvenuto con la partecipazione di molte discipline scientifiche, tra cui astronomia, fisica, geologia e scienze planetarie. Con l'avvento dell'era spaziale negli anni '50, così come la scoperta di pianeti al di fuori del sistema solare negli anni '90 (), questo modello è stato sottoposto a numerosi test e miglioramenti per spiegare nuovi dati e osservazioni.

Secondo l'ipotesi attualmente accettata, la formazione del sistema solare è iniziata circa 4,6 miliardi di anni fa con il collasso gravitazionale di una piccola parte di una gigantesca nuvola di gas e polvere interstellare. In termini generali, questo processo può essere descritto come segue:

• Il meccanismo di innesco del collasso gravitazionale era una piccola (spontanea) compattazione della materia della nube di gas e polvere (possibili ragioni potrebbero essere sia la dinamica naturale della nube, sia il passaggio di un'onda d'urto da un'esplosione attraverso il materia della nuvola, ecc.), che divenne il centro di attrazione gravitazionale per la materia circostante: il collasso gravitazionale centrale. La nuvola conteneva già non solo idrogeno ed elio primordiali, ma anche numerosi elementi pesanti (metallicità) lasciati dalle stelle delle generazioni precedenti. Inoltre, la nuvola in collasso ha avuto un momento angolare iniziale.
• Nel processo di compressione gravitazionale, la dimensione della nuvola di gas e polvere è diminuita e, a causa della legge di conservazione del momento angolare, la velocità di rotazione della nuvola è aumentata. A causa della rotazione, le velocità di compressione delle nuvole parallele e perpendicolari all'asse di rotazione differivano, il che ha portato all'appiattimento della nuvola e alla formazione di un caratteristico disco.
• Come conseguenza della compressione, la densità e l'intensità delle collisioni delle particelle di materia tra loro aumentavano, per cui la temperatura della materia aumentava continuamente mentre veniva compressa. Le regioni centrali del disco sono state riscaldate più fortemente.
• Dopo aver raggiunto una temperatura di diverse migliaia di kelvin, la regione centrale del disco iniziò a brillare: si formò una protostella. La materia nuvolosa ha continuato a cadere sulla protostella, aumentando la pressione e la temperatura al centro. Le regioni esterne del disco sono rimaste relativamente fredde. A causa delle instabilità idrodinamiche, iniziarono a svilupparsi sigilli separati, che divennero centri gravitazionali locali per la formazione di pianeti dalla sostanza del disco protoplanetario.
• Quando la temperatura al centro della protostella ha raggiunto milioni di kelvin, è iniziata una reazione nella regione centrale fusione termonucleare elio da idrogeno. La protostella si è evoluta in una normale stella della sequenza principale. Nella regione esterna del disco, grandi ammassi formavano pianeti che ruotavano attorno alla stella centrale approssimativamente sullo stesso piano e nella stessa direzione.

Evoluzione successiva

Si credeva che tutti i pianeti si fossero formati approssimativamente nelle orbite in cui si trovano ora, ma alla fine del 20° - inizio 21° secolo, questo punto di vista è cambiato radicalmente. Ora si ritiene che all'alba della sua esistenza, il sistema solare apparisse completamente diverso da come appare ora. Secondo i concetti moderni, il Sistema Solare esterno era di dimensioni molto più compatte di quanto non lo sia ora, era molto più vicino al Sole e nel Sistema Solare interno, oltre ai corpi celesti sopravvissuti fino ad oggi, c'erano altri oggetti non più piccoli di .

pianeti terrestri

Collisione gigante di due corpi celesti, che potrebbe dare origine al satellite terrestre Luna

Alla fine dell'epoca planetaria, il sistema solare interno era abitato da 50-100 protopianeti di dimensioni variabili da quelle lunari a quelle marziane. Un'ulteriore crescita delle dimensioni dei corpi celesti era dovuta alle collisioni e alle fusioni di questi protopianeti tra loro. Così, ad esempio, a seguito di una delle collisioni, Mercurio perse gran parte del suo mantello, mentre a causa di un altro, il cosiddetto. collisione gigante (forse con l'ipotetico pianeta Theia), nacque un satellite. Questa fase di collisioni è continuata per circa 100 milioni di anni fino a quando i 4 massicci corpi celesti oggi conosciuti sono rimasti in orbita.

Uno dei problemi irrisolti di questo modello è il fatto che non può spiegare come le orbite iniziali di oggetti protoplanetari, che dovevano avere un'elevata eccentricità per entrare in collisione tra loro, potessero di conseguenza dar luogo a stabili e quasi circolari orbite dei restanti quattro pianeti. Secondo un'ipotesi, questi pianeti si sono formati in un momento in cui lo spazio interplanetario conteneva ancora una quantità significativa di materiale gassoso e pulviscolo, che, a causa dell'attrito, riduceva l'energia dei pianeti e rendeva le loro orbite più lisce. Tuttavia, questo stesso gas avrebbe dovuto prevenire il verificarsi di un grande allungamento nelle orbite originali dei protopianeti. Un'altra ipotesi suggerisce che la correzione delle orbite dei pianeti interni non sia avvenuta a causa dell'interazione con il gas, ma per l'interazione con i restanti corpi più piccoli del sistema. Quando i corpi di grandi dimensioni passavano attraverso una nuvola di piccoli oggetti, questi ultimi, a causa dell'influenza gravitazionale, venivano trascinati in regioni con una densità maggiore, creando così "creste gravitazionali" sul percorso dei grandi pianeti. La crescente influenza gravitazionale di queste "creste", secondo questa ipotesi, ha fatto rallentare i pianeti ed entrare in un'orbita più arrotondata.

fascia di asteroidi

Il confine esterno del sistema solare interno si trova tra 2 e 4 UA. dal Sole e rappresenta . Sono state avanzate ipotesi sull'esistenza di un pianeta tra e (ad esempio, l'ipotetico pianeta Fetonte), ma alla fine non sono state confermate, che nelle prime fasi della formazione del sistema solare è crollato in modo tale che gli asteroidi che formavano l'asteroide cintura divenne i suoi frammenti. Secondo le opinioni moderne, non esisteva un unico protopianeta fonte di asteroidi. La cintura degli asteroidi originariamente conteneva abbastanza materia per formare 2-3 pianeti delle dimensioni della Terra. Quest'area conteneva un gran numero di planetosimali, che si unirono, formando oggetti sempre più grandi. Come risultato di queste fusioni, nella fascia degli asteroidi si sono formati circa 20-30 protopianeti con dimensioni da lunare a marziana. Tuttavia, dal momento in cui il pianeta Giove si è formato in relativa prossimità della cintura, l'evoluzione di questa regione ha preso un percorso diverso. Potenti risonanze orbitali con Giove e , così come le interazioni gravitazionali con protopianeti più massicci in quest'area, hanno distrutto i planetozimali già formati. Entrando nell'area di risonanza quando passavano vicino a un pianeta gigante, i planetosimali hanno ricevuto un'accelerazione aggiuntiva, si sono schiantati contro i corpi celesti vicini e sono stati schiacciati invece di fondersi dolcemente.

Quando Giove migrò al centro del sistema, le perturbazioni risultanti divennero sempre più pronunciate. Come risultato di queste risonanze, i planetozimali cambiarono l'eccentricità e l'inclinazione delle loro orbite e furono persino espulsi dalla cintura degli asteroidi. Alcuni dei massicci protopianeti furono anche lanciati fuori dalla cintura degli asteroidi da Giove, mentre altri protopianeti probabilmente migrarono nel sistema solare interno, dove giocarono il ruolo finale nell'aumentare la massa dei pochi pianeti terrestri rimasti. Durante questo periodo di esaurimento, l'influenza dei pianeti giganti e dei massicci protopianeti fece "assottigliare" la cintura degli asteroidi fino a solo l'1% della massa terrestre, che era principalmente piccoli planetozimali. Questo valore, tuttavia, è 10-20 volte maggiore del valore attuale della massa della fascia degli asteroidi, che ora è 1/2000 della massa della Terra. Si ritiene che il secondo periodo di esaurimento, che ha portato la massa della fascia degli asteroidi ai valori attuali, sia iniziato quando Giove e Saturno sono entrati in una risonanza orbitale 2:1.

È probabile che il periodo delle collisioni giganti nella storia del sistema solare interno abbia giocato un ruolo importante nell'ottenimento delle riserve d'acqua della Terra (~6·10 21 kg). Il fatto è che l'acqua è una sostanza troppo volatile per essere presente naturalmente durante la formazione della Terra. Molto probabilmente, è stato portato sulla Terra dalle regioni esterne e più fredde del sistema solare. Forse sono stati i protopianeti e i planetozimali lanciati da Giove fuori dalla cintura degli asteroidi a portare l'acqua sulla Terra. Altri candidati per il ruolo di principali trasportatori di acqua sono anche la fascia principale degli asteroidi, scoperta nel 2006, mentre le comete della fascia di Kuiper e di altre regioni remote presumibilmente non hanno portato più del 6% di acqua sulla Terra.

migrazione planetaria

Secondo l'ipotesi nebulare, i due pianeti esterni del sistema solare si trovano nel posto "sbagliato". e , i "giganti di ghiaccio" del sistema solare, si trovano in una regione in cui la ridotta densità del materiale della nebulosa ei lunghi periodi orbitali hanno reso la formazione di tali pianeti un evento molto improbabile. Si ritiene che questi due pianeti si siano originariamente formati in orbite vicino a Giove e Saturno, dove c'era molto più materiale da costruzione, e solo dopo centinaia di milioni di anni siano migrati nelle loro posizioni moderne.

Simulazione che mostra le posizioni dei pianeti esterni e della fascia di Kuiper: a) Prima della risonanza orbitale 2:1 di Giove e Saturno b) Dispersione degli oggetti dell'antica fascia di Kuiper intorno al Sistema Solare dopo lo spostamento orbitale di Nettuno c) Dopo che Giove ha espulso gli oggetti della fascia di Kuiper fuori dal sistema

La migrazione planetaria è in grado di spiegare l'esistenza e le proprietà delle regioni esterne del sistema solare. Oltre Nettuno, il sistema solare contiene la fascia di Kuiper e , che sono ammassi aperti di piccoli corpi ghiacciati e danno origine alla maggior parte delle comete osservate nel sistema solare. Ora la cintura di Kuiper si trova a una distanza di 30-55 AU. dal Sole, il disco sparso inizia a 100 UA. dal Sole e la nuvola di Oort è di 50.000 UA. dalla luce centrale. Tuttavia, in passato, la fascia di Kuiper era molto più densa e più vicina al Sole. Il suo bordo esterno era a circa 30 UA. dal Sole, mentre il suo bordo interno si trovava direttamente dietro le orbite di Urano e Nettuno, che a loro volta erano anche più vicine al Sole (circa 15-20 UA) e, inoltre, si trovavano nell'ordine opposto: Urano era più lontano dal Sole Sole che Nettuno.

Dopo la formazione del sistema solare, le orbite di tutti i pianeti giganti hanno continuato a cambiare lentamente sotto l'influenza delle interazioni con un gran numero di planetosimali rimanenti. Dopo 500-600 milioni di anni (4 miliardi di anni fa), Giove e Saturno entrarono in una risonanza orbitale 2:1; Saturno fece un giro intorno al Sole esattamente nel tempo per il quale Giove fece 2 rivoluzioni. Questa risonanza ha creato una pressione gravitazionale sui pianeti esterni, facendo sì che Nettuno sfuggisse all'orbita di Urano e si schiantasse contro l'antica Cintura di Kuiper. Per lo stesso motivo, i pianeti iniziarono a lanciare i ghiacciati planetozimali che li circondavano all'interno del sistema solare, mentre loro stessi iniziavano ad allontanarsi verso l'esterno. Questo processo è continuato in modo simile: sotto l'influenza della risonanza, i planetozimali sono stati lanciati all'interno del sistema da ogni pianeta successivo che hanno incontrato sulla loro strada e le orbite dei pianeti stessi si sono spostate sempre più lontano. Questo processo è continuato fino a quando i planetosimali sono entrati nella zona di influenza diretta di Giove, dopodiché l'enorme gravità di questo pianeta li ha mandati in orbite altamente ellittiche o addirittura li ha espulsi dal sistema solare. Questo lavoro, a sua volta, spostò leggermente l'orbita di Giove verso l'interno. Gli oggetti espulsi da Giove in orbite altamente ellittiche formavano la nuvola di Oort, mentre i corpi espulsi dalla migrazione di Nettuno formavano la moderna fascia di Kuiper e il disco sparso. Questo scenario spiega perché il disco sparso e la cintura di Kuiper hanno una massa ridotta. Alcuni degli oggetti espulsi, incluso , alla fine entrarono in risonanza gravitazionale con l'orbita di Nettuno. A poco a poco l'attrito con il disco sparso rese di nuovo lisce le orbite di Nettuno e Urano.

C'è anche un'ipotesi sul quinto gigante gassoso, che ha subito una migrazione radicale ed è stato spinto durante la formazione dell'immagine moderna del sistema solare nella sua lontana periferia (che divenne l'ipotetico pianeta Tyukhe o un altro "Pianeta X") o addirittura al di là di esso (diventando un pianeta orfano).

Conferma della teoria su pianeta enorme oltre l'orbita di Nettuno è stato trovato da Konstanin Batygin e Michael Brown il 20 gennaio 2016, sulla base delle orbite di sei oggetti transnettuniani. La sua massa utilizzata nei calcoli era di circa 10 masse terrestri e la rivoluzione attorno al Sole ha presumibilmente richiesto da 10.000 a 20.000 anni terrestri.

Si ritiene che, a differenza dei pianeti esterni, i corpi interni del sistema non abbiano subito migrazioni significative, poiché dopo un periodo di collisioni giganti le loro orbite sono rimaste stabili.

Bombardamento pesante tardivo

La rottura gravitazionale dell'antica cintura di asteroidi iniziò probabilmente il pesante periodo di bombardamento circa 4 miliardi di anni fa, 500-600 milioni di anni dopo la formazione del sistema solare. Questo periodo è durato diverse centinaia di milioni di anni e le sue conseguenze sono ancora visibili sulla superficie dei corpi geologicamente inattivi del sistema solare, come la Luna o Mercurio, sotto forma di numerosi crateri da impatto. E la prova più antica della vita sulla Terra risale a 3,8 miliardi di anni fa, quasi immediatamente dopo la fine del tardo periodo di pesante bombardamento.

Le collisioni giganti sono una parte normale (anche se rara ultimamente) dell'evoluzione del sistema solare. La prova di ciò è la collisione della cometa Shoemaker-Levy con Giove nel 1994, la caduta di un corpo celeste su Giove nel 2009 e un cratere meteoritico in Arizona. Ciò suggerisce che il processo di accrescimento nel sistema solare non è ancora completo e quindi rappresenta un pericolo per la vita sulla Terra.

Formazione di satelliti

I satelliti naturali si sono formati intorno alla maggior parte dei pianeti del sistema solare, così come a molti altri corpi. Ci sono tre meccanismi principali per la loro formazione:

• formazione da un disco circumplanetario (nel caso di giganti gassosi)
• formazione da frammenti della collisione (nel caso di una collisione sufficientemente grande con un piccolo angolo)
• cattura di un oggetto volante

Giove e Saturno hanno molti satelliti, come , e , che probabilmente si sono formati da dischi attorno a questi pianeti giganti nello stesso modo in cui questi pianeti stessi si sono formati da un disco attorno al giovane Sole. Ciò è indicato dalle loro grandi dimensioni e dalla vicinanza al pianeta. Queste proprietà sono impossibili per i satelliti acquisiti per cattura, e la struttura gassosa dei pianeti rende impossibile l'ipotesi della formazione di lune dalla collisione di un pianeta con un altro corpo.

Futuro

Gli astronomi stimano che il sistema solare non subirà cambiamenti estremi fino a quando il Sole non avrà esaurito l'idrogeno. Questa pietra miliare avvierà la transizione del Sole dalla sequenza principale del diagramma Hertzsprung-Russell alla fase. Tuttavia, anche nella fase della sequenza principale di una stella, il sistema solare continua ad evolversi.

Sostenibilità a lungo termine

Il sistema solare è un sistema caotico in cui le orbite dei pianeti sono imprevedibili per un periodo di tempo molto lungo. Un esempio di questa imprevedibilità è il sistema Nettuno-Plutone, che è in una risonanza orbitale 3:2. Nonostante il fatto che la risonanza stessa rimarrà stabile, è impossibile prevedere con approssimazione la posizione di Plutone nella sua orbita per più di 10-20 milioni di anni (tempo di Lyapunov). Un altro esempio è l'inclinazione dell'asse di rotazione terrestre, che, a causa dell'attrito all'interno del mantello terrestre causato dalle interazioni delle maree con la Luna, non può essere calcolata da un punto tra 1,5 e 4,5 miliardi di anni nel futuro.

Le orbite dei pianeti esterni sono caotiche su grandi scale temporali: il loro tempo di Lyapunov è di 2-230 milioni di anni. Non solo questo significa che la posizione del pianeta in orbita da questo punto in futuro non può essere determinata con alcuna approssimazione, ma le orbite stesse possono cambiare in modi estremi. Il caos del sistema può manifestarsi più fortemente in un cambiamento nell'eccentricità dell'orbita, in cui le orbite dei pianeti diventano più o meno ellittiche.

Il sistema solare è stabile, nel senso che nessun pianeta può entrare in collisione con un altro o essere espulso dal sistema nei prossimi miliardi di anni. Tuttavia, oltre questo lasso di tempo, ad esempio, entro 5 miliardi di anni, l'eccentricità dell'orbita di Marte può crescere fino a un valore di 0,2, che porterà all'intersezione delle orbite di Marte e della Terra, e quindi a un valore reale minaccia di collisione. Nello stesso lasso di tempo, l'eccentricità dell'orbita di Mercurio può aumentare ancora di più, e successivamente un passaggio ravvicinato può espellere Mercurio dal sistema solare, o metterlo in rotta di collisione con Venere stessa o con la Terra.

Satelliti e anelli di pianeti

L'evoluzione dei sistemi lunari dei pianeti è determinata dalle interazioni di marea tra i corpi del sistema. A causa della differenza della forza gravitazionale che agisce sul pianeta dal lato del satellite, nelle sue diverse regioni (le regioni più lontane sono attratte più deboli, mentre quelle più vicine sono più forti), la forma del pianeta cambia - sembra essere leggermente allungato in direzione del satellite. Se la direzione della rivoluzione del satellite attorno al pianeta coincide con la direzione della rotazione del pianeta, e allo stesso tempo il pianeta ruota più velocemente del satellite, allora questa "collina di marea" del pianeta "scapperà" costantemente in avanti in relazione al satellite. In questa situazione, il momento angolare della rotazione del pianeta sarà trasferito al satellite. Ciò porterà al fatto che il satellite riceverà energia e si allontanerà gradualmente dal pianeta, mentre il pianeta perderà energia e ruoterà sempre più lentamente.

La Terra e la Luna sono un esempio di tale configurazione. La rotazione della Luna è marea fissa rispetto alla Terra: il periodo di rivoluzione della Luna attorno alla Terra (attualmente circa 29 giorni) coincide con il periodo di rotazione della Luna attorno al proprio asse, e quindi la Luna è sempre rivolta verso il Terra dalla stessa parte. La luna si sta gradualmente allontanando dalla terra, mentre la rotazione della terra sta gradualmente rallentando. In 50 miliardi di anni, se sopravvivono all'espansione del Sole, la Terra e la Luna si bloccheranno l'una con l'altra. Entreranno nella cosiddetta risonanza spin-orbita, in cui la Luna ruoterà attorno alla Terra in 47 giorni, il periodo di rotazione di entrambi i corpi attorno al suo asse sarà lo stesso e ciascuno dei corpi celesti sarà sempre visibile solo da un lato per il suo partner.

Altri esempi di questa configurazione sono i sistemi dei satelliti galileiani di Giove, così come la maggior parte lune maggiori Saturno.

Nettuno e la sua luna Tritone, fotografati durante il sorvolo della missione Voyager 2. In futuro, è probabile che questo satellite venga fatto a pezzi dalle forze di marea, dando origine a un nuovo anello attorno al pianeta.

Uno scenario diverso attende i sistemi in cui il satellite si sta muovendo attorno al pianeta più velocemente di quanto ruoti su se stesso, o in cui il satellite si sta muovendo nella direzione direzione opposta rotazione del pianeta. In questi casi, la deformazione della marea del pianeta è costantemente in ritardo rispetto alla posizione del satellite. Questo inverte la direzione di trasferimento del momento angolare tra i corpi. che a sua volta comporterà un'accelerazione della rotazione del pianeta e una riduzione dell'orbita del satellite. Nel corso del tempo, il satellite si muoverà a spirale verso il pianeta fino a quando a un certo punto non cadrà sulla superficie o sull'atmosfera del pianeta, o verrà lacerato dalle forze di marea, dando così origine a un anello planetario. Un tale destino attende il satellite di Marte (tra 30-50 milioni di anni), il satellite di Nettuno (tra 3,6 miliardi di anni) e Giove, e almeno 16 piccole lune di Urano e Nettuno. Il satellite di Urano potrebbe anche scontrarsi con la luna vicina.

E infine, nel terzo tipo di configurazione, il pianeta e il satellite sono fissati in modo mareale l'uno rispetto all'altro. In questo caso, la "collina di marea" si trova sempre esattamente sotto il satellite, non c'è trasferimento di momento angolare e, di conseguenza, il periodo orbitale non cambia. Un esempio di tale configurazione è Plutone e.