Номер 1, страница 264 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 72. Эволюция планет-гигантов. Глава 9. Эволюция Вселенной - номер 1, страница 264.

В О П Р О С Ы

1. В чём особенности образования планет-гигантов?

В чём особенности образования планет-гигантов?

Образование планет-гигантов — это сложный процесс, который кардинально отличается от формирования планет земной группы, таких как Земля или Марс. Главные особенности обусловлены их местоположением в протопланетном диске и составом доступного для строительства материала.

В настоящее время доминирующей является модель аккреции на ядро (core accretion model). Согласно этой модели, процесс можно разделить на несколько ключевых этапов:

1. Формирование за «снеговой линией». Планеты-гиганты образуются во внешней, холодной части газопылевого диска, вращающегося вокруг молодой звезды. Они формируются за так называемой «снеговой линией» (frost line). Это условная граница, за которой температура падает настолько ($T < 150-170$ K), что летучие соединения — вода ($H_2O$), аммиак ($NH_3$), метан ($CH_4$) — конденсируются в твёрдые частицы (льды). Во внутренней, более горячей части диска эти вещества остаются в газообразном состоянии, и для строительства планет доступны только тугоплавкие материалы (металлы, силикаты).

2. Формирование массивного твёрдого ядра. Благодаря огромному количеству дополнительного твёрдого материала в виде льдов, протопланетные зародыши за снеговой линией могли расти гораздо быстрее и достигать значительно большей массы. Путём столкновений и слияния планетезималей (небольших ледяных и каменных тел) формировалось ядро массой примерно в 10–15 раз больше массы Земли ($M_{ядра} \approx 10-15 M_{\oplus}$).

3. Стремительная аккреция газа. Как только ядро достигало этой критической массы, его гравитационное поле становилось достаточно мощным, чтобы начать очень быстро захватывать и удерживать огромные объёмы лёгких газов (в основном водорода и гелия) из окружающего протопланетного диска. Этот этап называется «убегающей аккрецией» (runaway accretion). Планета начинает лавинообразно наращивать свою газовую оболочку, которая в итоге составляет основную часть её массы. Например, у Юпитера на ядро приходится лишь несколько процентов от общей массы.

Стоит упомянуть и альтернативную гипотезу — модель гравитационной неустойчивости (disk instability model). Она предполагает, что в массивном и холодном протопланетном диске могут возникать локальные гравитационные нестабильности. Эти уплотнения могут быстро сжиматься под действием собственной гравитации, формируя планеты-гиганты напрямую из газа и пыли, минуя стадию образования твёрдого ядра. Однако большинство данных, в том числе наличие у планет-гигантов Солнечной системы предположительно твёрдых ядер, лучше объясняются моделью аккреции на ядро.

Таким образом, ключевыми особенностями образования планет-гигантов являются:

• Формирование на большом расстоянии от центральной звезды, за «снеговой линией».
• Использование льдов в качестве основного строительного материала для ядра, что позволяет ему быстро набрать критическую массу.
• Двухэтапный процесс: сначала относительно медленное формирование массивного твёрдого ядра, а затем очень быстрая аккреция огромной газовой оболочки.
• Необходимость быстрого формирования (за несколько миллионов лет), пока в протопланетном диске ещё есть достаточно газа, который не был унесён излучением молодой звезды.

Ответ:

Особенности образования планет-гигантов определяются их формированием за «снеговой линией» протопланетного диска, где низкие температуры позволяют летучим соединениям (воде, аммиаку) существовать в твёрдом виде. Это приводит к следующим ключевым отличиям от формирования планет земной группы:

1. Обилие твёрдого материала: За снеговой линией кроме металлов и силикатов доступно огромное количество льдов, что позволило протопланетным ядрам расти намного быстрее и стать гораздо массивнее.
2. Двухэтапный процесс (модель аккреции на ядро):
   • Формирование массивного ядра: Сначала путём аккреции твёрдых ледяных и каменных частиц образуется твёрдое ядро массой около 10–15 земных масс.
   • Быстрая газовая аккреция: После достижения ядром критической массы его мощная гравитация начинает стремительно захватывать огромные объёмы газа (в основном водорода и гелия) из окружающего диска, формируя протяжённую и массивную атмосферу, которая составляет большую часть массы планеты-гиганта.
3. Сжатые сроки формирования: Весь процесс должен завершиться за несколько миллионов лет, до того как звёздный ветер и излучение молодой звезды рассеют газ из протопланетного диска.