Страница 264 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

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.

2. Какова структура планет-гигантов?

Планеты-гиганты, к которым в Солнечной системе относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, не имеют твёрдой поверхности и обладают слоистой внутренней структурой. Их принято делить на два типа: газовые гиганты (Юпитер и Сатурн) и ледяные гиганты (Уран и Нептун), строение которых имеет существенные различия.

Структура газовых гигантов (Юпитер и Сатурн)

В центре планеты находится ядро, предположительно состоящее из тяжелых элементов — камня, металлов и льдов. Оно находится под огромным давлением и имеет очень высокую температуру. Ядро окружено огромной мантией из жидкого металлического водорода. Экстремальное давление сжимает водород настолько, что он начинает вести себя как металл, хорошо проводя электрический ток. Движение вещества в этом слое генерирует мощнейшие магнитные поля этих планет. Ближе к поверхности расположен слой молекулярного водорода ($H_2$), который с глубиной переходит из газообразного состояния в жидкое. Наконец, внешний слой — это видимая нами атмосфера, плавно переходящая во внутренние слои. Она состоит в основном из водорода и гелия ($He$) с примесями метана ($CH_4$), аммиака ($NH_3$) и воды ($H_2O$), которые формируют многоярусные облака.

Структура ледяных гигантов (Уран и Нептун)

В центре этих планет также находится небольшое каменное ядро. Однако их основную массу составляет не металлический водород, а обширная мантия, состоящая из горячей, плотной жидкости — смеси "льдов": воды ($H_2O$), аммиака ($NH_3$) и метана ($CH_4$). Этот слой, называемый также сверхионным океаном, обладает высокой электропроводностью и отвечает за генерацию их специфических магнитных полей. Внешняя оболочка — атмосфера — состоит из водорода и гелия, но содержит значительно больше метана, чем у газовых гигантов. Именно метан, поглощая красные лучи солнечного света, придает Урану и Нептуну их характерные голубовато-синие оттенки.

Ответ: Планеты-гиганты имеют слоистую структуру, состоящую из центрального ядра, мантии и протяженной атмосферы. Их делят на два типа. Газовые гиганты (Юпитер, Сатурн) состоят из ядра (камень, лед), мантии из металлического водорода и атмосферы (водород, гелий). Ледяные гиганты (Уран, Нептун) состоят из каменного ядра, мантии из смеси "льдов" (вода, аммиак, метан) и атмосферы (водород, гелий, метан). Ключевое различие между ними — состав мантии.

3. Как образовалось облако Оорта?

Облако Оорта — это гипотетическая сферическая область, окружающая Солнечную систему на огромном расстоянии и состоящая из миллиардов или даже триллионов ледяных объектов (планетезималей). Считается, что именно оно является источником долгопериодических комет. Его формирование — это результат динамических процессов на ранних стадиях эволюции Солнечной системы.

Основная теория образования облака Оорта включает в себя несколько ключевых этапов:

1. Формирование планетезималей.

Около 4,6 миллиарда лет назад, когда Солнечная система только формировалась из газопылевого протопланетного диска, вместе с планетами образовывалось и множество более мелких тел — планетезималей. Тела, которые должны были стать ядром облака Оорта, сформировались в той же области, где сейчас находятся планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Они состояли преимущественно из водяного, метанового и аммиачного льда.

2. Гравитационное рассеяние планетами-гигантами.

На ранних этапах Солнечной системы орбиты планет-гигантов были нестабильны. В процессе их миграции и роста они оказывали мощнейшее гравитационное воздействие на окружающие их планетезимали. В результате близких прохождений рядом с такими массивными телами, как Юпитер и Сатурн, ледяные планетезимали подвергались эффекту "гравитационной пращи". Этот эффект придавал им огромное ускорение и выбрасывал их из внутренней части Солнечной системы.

3. Выход на далекие орбиты.

Большинство выброшенных тел покинули Солнечную систему навсегда, став межзвездными объектами. Однако часть из них не набрала достаточной скорости для полного ухода и была переведена на очень вытянутые (высокоэллиптические) и сильно наклоненные к плоскости эклиптики орбиты. Эти орбиты уносили их на колоссальные расстояния от Солнца — от 2 000 до 200 000 астрономических единиц (для сравнения, Нептун находится на расстоянии около 30 а.е.).

4. Влияние внешних сил и формирование сферы.

На таких огромных расстояниях гравитационное влияние Солнца ослабевает настолько, что на орбиты объектов начинают заметно влиять внешние силы:

• Галактические приливы — гравитационное поле нашей галактики Млечный Путь.
• Прохождения близких звезд — гравитационное воздействие от звезд, проходящих в нескольких световых годах от Солнца.
• Гигантские молекулярные облака — массивные скопления газа и пыли, которые Солнечная система периодически пересекает, двигаясь по галактике.

За миллиарды лет эти внешние возмущения "перемешали" орбиты объектов. Они сделали их более сферическими и, что важно, подняли их перигелии (ближайшие к Солнцу точки орбит). Это не позволило им вернуться в область планет-гигантов, где они были бы снова выброшены. В результате хаотичные, но стабильные орбиты этих тел и сформировали гигантскую сферическую оболочку, которую мы называем облаком Оорта.

Ответ: Облако Оорта образовалось из ледяных планетезималей, которые изначально сформировались вблизи планет-гигантов. Мощные гравитационные возмущения со стороны Юпитера и Сатурна выбросили эти тела на очень далекие и вытянутые орбиты. Впоследствии под влиянием гравитации Галактики и проходящих мимо звезд их орбиты были "перемешаны" и стабилизированы, образовав гигантскую сферическую оболочку вокруг Солнечной системы.

4. Почему отсутствуют планеты между орбитами Марса и Юпитера?

Основной причиной отсутствия полноценной планеты между орбитами Марса и Юпитера является мощное гравитационное влияние Юпитера, самой массивной планеты Солнечной системы. В период формирования планет, около 4,5 миллиардов лет назад, протопланетный диск содержал достаточно материала для образования еще одного каменистого мира в этой области.

Процесс формирования планет, известный как аккреция, заключается в постепенном слипании и укрупнении мелких частиц (пыли, льда) в более крупные тела — планетезимали, а затем и в протопланеты. Однако гравитация Юпитера, который сформировался раньше и оказался очень массивным, оказала дестабилизирующее воздействие на орбиты планетезималей в соседней области.

Вместо того чтобы плавно сближаться и объединяться, планетезимали под действием гравитационных возмущений от Юпитера стали двигаться по более вытянутым и хаотичным орбитам. Это привело к трем основным последствиям. Во-первых, их столкновения стали происходить на слишком высоких скоростях, что приводило не к слиянию, а к взаимному разрушению и дроблению. Во-вторых, значительная часть материала (более 99%) была выброшена гравитационными "пинками" Юпитера за пределы этой зоны, либо на Солнце, либо вовсе из Солнечной системы. В-третьих, некоторые из крупных объектов были захвачены гравитацией Юпитера и стали его спутниками.

В результате этих процессов из всего "строительного материала" в этой области осталась лишь небольшая часть, которая и образует сегодня Главный пояс астероидов. Суммарная масса всех астероидов этого пояса оценивается всего в 4% от массы Луны, чего совершенно недостаточно для формирования даже карликовой планеты. Крупнейший объект пояса, Церера, классифицируется как карликовая планета, но её масса составляет лишь около трети от общей массы пояса.

Убедительным доказательством доминирующего влияния Юпитера служат так называемые щели Кирквуда — пустые зоны в поясе астероидов. Они находятся на орбитах, которые находятся в орбитальном резонансе с Юпитером (например, где период обращения астероида относится к периоду обращения Юпитера как 1:3, 2:5 и т.д.). Астероиды, попадающие на такие резонансные орбиты, испытывают регулярные и усиливающиеся гравитационные толчки от Юпитера, что быстро делает их орбиты нестабильными и приводит к их выбросу из этих зон.

Ответ: Планета между орбитами Марса и Юпитера не сформировалась из-за мощного гравитационного воздействия со стороны Юпитера. Это воздействие нарушило процесс аккреции, не позволив мелким телам (планетезималям) объединиться в крупный объект. Вместо этого они сталкивались, дробились и были в основном выброшены из этой области, оставив после себя лишь пояс астероидов.

5. Какова примерная хронология образования Солнечной системы?

Современная научная теория, объясняющая происхождение Солнечной системы, — небулярная гипотеза. Согласно ей, формирование нашей системы было длительным процессом, который можно разделить на несколько ключевых хронологических этапов.

1. Коллапс молекулярного облака и образование Солнечной небулы

Все началось примерно $4,6$ миллиарда лет назад. Часть огромного межзвездного молекулярного облака, состоявшего из газа (преимущественно водорода и гелия) и пыли, под действием гравитации начала сжиматься. Вероятной причиной коллапса послужила ударная волна от взрыва сверхновой неподалеку. В процессе сжатия из-за сохранения углового момента облако стало вращаться быстрее и сплющиваться, превращаясь в гигантский газопылевой диск, известный как Солнечная небула или протопланетный диск.

Ответ: Начальный этап, датируемый примерно $4,6$ млрд лет назад, заключался в гравитационном коллапсе части молекулярного облака и формировании вращающегося протопланетного диска (Солнечной небулы).

2. Формирование Протосолнца

В течение первых $100\ 000$ лет более $99\%$ всего вещества небулы сконцентрировалось в ее центре. Гравитационное сжатие привело к колоссальному росту плотности и температуры в этом центральном сгустке, который превратился в Протосолнце. На этом этапе оно еще не было звездой в полном смысле, так как термоядерные реакции в его ядре не начались. Оно светилось исключительно за счет выделения тепла от гравитационного сжатия.

Ответ: В центре диска в первые $100$ тысяч лет сформировалось горячее и плотное Протосолнце, аккумулировавшее подавляющую часть массы небулы.

3. Образование планетезималей

В то время как в центре диска формировалось Протосолнце, на его периферии твердые частицы (пылинки, кристаллы льда) начали слипаться. Первоначально их соединяли электростатические силы, а по мере увеличения размеров главным фактором стало гравитационное притяжение. За несколько миллионов лет из этих микроскопических частиц выросли объекты размером до нескольких километров — планетезимали. Их состав зависел от расстояния до центра: вблизи Протосолнца могли существовать только тугоплавкие силикатные и металлические частицы, а за так называемой "линией льда" — также и замерзшие газы (вода, метан, аммиак).

Ответ: В течение первых нескольких миллионов лет в диске путем слипания пылинок и ледяных частиц образовались километровые тела — планетезимали.

4. Формирование протопланет и планет-гигантов

Планетезимали продолжали сталкиваться и объединяться в более крупные тела в процессе, называемом аккрецией. Крупнейшие объекты, обладавшие самой сильной гравитацией, росли быстрее всего, притягивая к себе более мелкие. Этот процесс привел к появлению десятков протопланет, сопоставимых по размерам с Луной или Марсом. Во внешней части Солнечной системы, за "линией льда", протопланеты достигли массы около $10$ земных масс, что позволило им захватить своей гравитацией огромные объемы водорода и гелия из окружающего диска. Так в течение первых $10$ миллионов лет сформировались газовые гиганты Юпитер и Сатурн, а позже и ледяные гиганты Уран и Нептун.

Ответ: В период до $10$ млн лет после начала коллапса путем аккреции планетезималей сформировались протопланеты, а во внешней части системы — планеты-гиганты, захватившие газ из диска.

5. Запуск Солнца и формирование планет земной группы

Примерно через $50$ миллионов лет после начала коллапса температура и давление в ядре Протосолнца достигли критических значений, и в нем запустились термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Протосолнце стало полноценной звездой — Солнцем. Мощный звездный ветер, исходящий от молодого светила, очистил систему от остатков газа и мелкой пыли. В то же время во внутренней части системы продолжался хаотичный процесс столкновений и слияний протопланет. В течение периода до $100$ миллионов лет это привело к образованию четырех планет земной группы: Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Формирование Луны, как считается, стало результатом гигантского столкновения прото-Земли с телом размером с Марс (гипотетической планетой Тейя) примерно $4,51$ миллиарда лет назад.

Ответ: Около $4,55$ млрд лет назад Солнце зажглось как звезда, а планеты земной группы сформировались в течение последующих десятков миллионов лет в результате гигантских столкновений протопланет.

6. Поздняя тяжелая бомбардировка и окончательное формирование системы

После формирования планет Солнечная система все еще была наполнена множеством "строительного мусора" — оставшихся планетезималей и их обломков. Примерно с $4,1$ до $3,8$ миллиарда лет назад, вероятно, из-за гравитационных возмущений от мигрирующих планет-гигантов, орбиты этих малых тел были дестабилизированы. Это вызвало период интенсивных ударов астероидов и комет по планетам внутренней системы, известный как "поздняя тяжелая бомбардировка". Со временем оставшиеся обломки были либо выброшены за пределы системы, либо поглощены планетами, либо заняли стабильные орбиты, сформировав современные Пояс астероидов, Пояс Койпера и гипотетическое Облако Оорта.

Ответ: Около $3,8-4,1$ млрд лет назад система пережила период интенсивной бомбардировки, после чего постепенно пришла в то относительно стабильное состояние, которое мы наблюдаем сегодня.