شکل‌گیری منظومه شمسی تقریباً 4.5 میلیارد سال پیش آغاز شد، زمانی که گرانش ابری از غبار و گاز را گرد هم آورد تا منظومه شمسی ما را تشکیل دهد.
دانشمندان نمی‌توانند مستقیماً چگونگی شکل‌گیری منظومه شمسی خودمان را مطالعه کنند، اما ترکیب مشاهدات منظومه‌های ستاره‌ای جوان در محدوده طول موج با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری به مدل‌هایی از آنچه می‌توانست سال‌ها پیش رخ داده باشد، منجر شده است.
خورشید چگونه شکل گرفت؟
منظومه شمسی توسط خورشید ما لنگر انداخته است.
قبل از وجود منظومه شمسی، غلظت عظیمی از گاز و غبار بین ستاره ای یک ابر مولکولی ایجاد کرد که زادگاه خورشید را تشکیل می داد. دمای سرد باعث شد که گاز انباشته شده و غلیظ تر شود. متراکم ترین بخش های ابر تحت گرانش خود شروع به فروپاشی کردند، شاید با افزایش انفجار ستاره ای نزدیک، تعداد زیادی از اجرام ستاره ای جوان به نام پیش ستاره ها را تشکیل دادند.
گرانش به فروپاشی مواد در منظومه شمسی جوان ادامه داد و یک ستاره و یک قرص از مواد ایجاد کرد که سیارات از آن تشکیل می شدند. از این گذشته، طبق گفته ناسا، خورشید نوزاد بیش از 99 درصد از جرم منظومه شمسی را پوشش می دهد. هنگامی که فشار درون ستاره به حدی افزایش یافت که همجوشی شروع شد و هیدروژن را به هلیوم تبدیل کرد، ستاره شروع به وزش باد ستاره‌ای کرد که به پاک کردن زباله‌ها و جلوگیری از سقوط آنها در داخل ستاره کمک کرد.
اگرچه گاز و غبار ستاره‌های جوان را در طول موج‌های مرئی احاطه کرده‌اند، تلسکوپ‌های فروسرخ ابرهای زیادی را در کهکشان راه شیری مطالعه کرده‌اند تا محیط سایر ستاره‌های تازه متولد شده را مطالعه کنند. دانشمندان آنچه را که در منظومه های دیگر دیده اند در مورد ستاره خودمان به کار برده اند.
سیارات چگونه شکل گرفتند؟
سیارات، قمرها، سیارک ها و هر چیز دیگری در منظومه شمسی توسط مقدار کمی از مواد موجود در منطقه تشکیل شده اند که در خورشید جوان گنجانده نشده است. این ماده یک قرص عظیم را در اطراف ستاره بچه تشکیل می دهد که حدود 100 میلیون سال است که در اطراف آن وجود داشته است - در شرایط نجومی چشمک می زند.
در این مدت سیارات و قمرها توسط قرص تشکیل می شوند. دانشمندان می گویند مشتری ممکن است اولین بار در میان سیارات شکل گرفته باشد، شاید تنها یک میلیون سال پس از حیات منظومه شمسی.
دانشمندان سه مدل مختلف برای توضیح چگونگی شکل گیری سیارات در داخل و خارج منظومه شمسی ایجاد کرده اند. اولین و رایج ترین مدل، انباشته شدن یک هسته، با تشکیل سیارات زمینی سنگی به خوبی کار می کند، اما در مورد سیارات غول پیکر مشکلاتی وجود دارد. دوم، تجمع سنگریزه ها، می تواند به سیارات اجازه دهد تا به سرعت از کوچکترین مواد تشکیل شوند. سومین روش، روش ناپایداری دیسک، ممکن است ایجاد سیارات غول پیکر را توضیح دهد.
مدل اولیه انباشت
تقریباً 4.6 میلیارد سال پیش، منظومه شمسی ابری از غبار و گاز بود که به سحابی خورشیدی معروف بود. گرانش مواد درون خود را با شروع به چرخش کوچک می کند و خورشید را در مرکز سحابی تشکیل می دهد.
با طلوع خورشید، بقیه مواد شروع به جمع شدن کردند. ذرات کوچک، مربوط به نیروی گرانش، بر اساس الگوی انباشته شدن هسته، به ذرات بزرگتر تبدیل می شوند. باد خورشیدی عناصر سبک تری مانند هیدروژن و هلیوم را از مناطق مجاور حمل می کرد و تنها مواد سنگی سنگین را برای ایجاد جهان های زمینی باقی می گذاشت. اما دورتر، بادهای خورشیدی تأثیر کمتری بر عناصر سبک‌تر دارند و به آنها اجازه می‌دهند در غول‌های گازی ادغام شوند. به این ترتیب سیارک ها، دنباله دارها، سیارات و قمرها ایجاد شدند.
به نظر می رسد برخی از مشاهدات سیارات فراخورشیدی تجمع هسته را به عنوان فرآیند غالب شکل گیری تأیید می کند. ستارگان با "فلزات" بیشتر - اصطلاحی که ستاره شناسان برای عناصری غیر از هیدروژن و هلیوم استفاده می کنند - سیاره های غول پیکر بیشتری در هسته خود دارند تا پسرعموهای فقیرشان از فلز. به گفته ناسا، انباشته شدن یک هسته نشان می دهد که جهان های سنگی کوچک باید از غول های گازی بزرگ گسترده تر باشند.
کشف در سال 2005 از یک سیاره غول پیکر با یک هسته عظیم که به دور ستاره خورشیدی HD 149026 می چرخد، نمونه ای از یک سیاره فراخورشیدی است که به تقویت استدلال برای انباشت هسته ای کمک کرد. دانشمندان دریافته اند که هسته این سیاره حدود 70 برابر بزرگتر از زمین است. بر اساس بیانیه ناسا در مورد این مطالعه، آنها معتقدند که این ابر بزرگتر از آن است که توسط یک ابر در حال فروپاشی تشکیل شود.
تجمع سنگ
بزرگترین چالش برای انباشته شدن هسته زمان است - ساخت غول های گازی عظیم به اندازه کافی سریع برای گرفتن اجزای سبک تر جو آنها. تحقیقات منتشر شده در سال 2015 بررسی می کند که چگونه اجرام کوچکتر به اندازه سنگ با هم ادغام می شوند تا سیاره های غول پیکر را تا 1000 برابر سریعتر از تحقیقات قبلی بسازند.
هارولد لویسون، اخترشناس SwRI برای فضا، می گوید: "این اولین مدلی است که ما از آن می دانیم که شما با یک ساختار نسبتاً ساده برای سحابی خورشیدی که سیارات را تشکیل می دهد شروع می کنید و به منظومه سیارات غول پیکری که می بینیم خاتمه می دهید." .com
در سال 2012، محققان میشل لامبرشتس و آندرس یوهانسن از دانشگاه لوند در سوئد پیشنهاد کردند که خرابه‌های کوچک که زمانی از بین رفتند، کلید ساختن سریع سیارات غول‌پیکر را در اختیار داشتند. لویسون گفت: «آنها نشان داده‌اند که بقایای این فرآیند شکل‌گیری، که قبلاً ناچیز تلقی می‌شد، در واقع می‌تواند راه‌حل بزرگی برای مشکل تشکیل سیاره باشد.
در شبیه سازی های توسعه یافته توسط لویسون و تیمش، اجسام بزرگتر به عنوان قلدر عمل می کردند و سنگ ها را از توده های متوسط می گرفتند تا با سرعت بسیار بیشتری رشد کنند. کاترین کرتکه، یکی از نویسندگان این مطالعه، همچنین از SwRI، به Space.com گفت: "فرد مسن اساساً کوچکتر را آزار می دهد تا بتواند همه سنگ ها را خودش بخورد و به رشد خود ادامه دهد تا هسته های سیارات غول پیکر را تشکیل دهد." .
مدل بی ثباتی دیسک
مدل های دیگر در تلاش برای توضیح شکل گیری غول های گازی هستند. طبق مدل‌های انباشت هسته‌ای، این فرآیند چندین میلیون سال طول می‌کشد، یعنی بیشتر از گازهای سبک در منظومه شمسی اولیه موجود بود.
کوین والش، محقق موسسه تحقیقاتی جنوب غربی (SwRI) در بولدر، کلرادو، به Space.com گفت: سیارات غول پیکر واقعاً سریع در چند میلیون سال شکل می گیرند. این یک محدودیت زمانی ایجاد می کند، زیرا قرص گاز در اطراف خورشید تنها 4 تا 5 میلیون سال دوام می آورد.
یک نظریه نسبتا جدید، به نام ناپایداری دیسک، در حال مقابله با این چالش است. در مدل ناپایداری دیسک تشکیل سیاره، توده های غبار و گاز در ابتدای حیات منظومه شمسی به هم متصل می شوند. با گذشت زمان، این توده ها به آرامی به یک سیاره غول پیکر تبدیل می شوند.
این مدل‌ها پیشنهاد می‌کنند که سیارات تنها در ۱۰۰۰ سال به این شکل شکل می‌گیرند و به آنها اجازه می‌دهد گازهای سبک‌تری را که به سرعت ناپدید می‌شوند، جذب کنند. آنها همچنین به سرعت به جرمی می رسند که مدار را تثبیت می کند، که آنها را از یک راهپیمایی مرگبار به سمت خورشید محافظت می کند.
همانطور که دانشمندان به مطالعه سیارات داخل منظومه شمسی و همچنین در اطراف سایر ستارگان ادامه می دهند، آنها بهتر متوجه نحوه تشکیل غول های گازی خواهند شد.
سیارات در حرکت
در ابتدا، دانشمندان بر این باور بودند که سیارات در مکان فعلی خود در منظومه شمسی تشکیل شده اند. اما کشف سیارات فراخورشیدی همه چیز را تکان داد و نشان داد که حداقل برخی از عظیم ترین جهان های جهان می توانند از طریق همسایگی خود مهاجرت کنند.
در سال 2005، سه مقاله منتشر شده در ژورنال نیچر ایده ای را بیان کردند که محققان آن را مدل Nice به نام شهر در فرانسه، جایی که برای اولین بار در آن مورد بحث قرار گرفت، نامیدند. این مدل نشان می دهد که در روزهای اولیه منظومه شمسی، سیارات غول پیکر در مدارهای تقریباً دایره ای به هم متصل بودند، بسیار فشرده تر از امروز. قرص بزرگی از سنگ و یخ آنها را احاطه کرده بود که حدود 35 برابر فاصله زمین و خورشید، درست فراتر از مدار کنونی نپتون، امتداد داشت.
از آنجایی که سیارات با اجرام کوچکتر تعامل داشتند، بیشتر این اجرام را به سمت خورشید پراکنده کردند. این فرآیند باعث شد تا سیارات عظیم انرژی را با اجرام کوچکتر مبادله کنند و زحل، نپتون و اورانوس را به دورتر به منظومه شمسی فرستاد. در نهایت، اجرام کوچک به مشتری رسیدند و آنها را به لبه منظومه شمسی یا به طور کامل از آن خارج کردند.
حرکت بین مشتری و زحل اورانوس و نپتون را به مدارهای غیرعادی تری سوق داد و این جفت را از طریق بقیه صفحه یخی فرستاد. مقداری از مواد به داخل پرتاب شد، جایی که در اواخر بمباران سنگین به سیارات زمین برخورد کرد. ماده دیگری به بیرون پرتاب شد و یک کمربند کویپر ایجاد شد.
همانطور که به آرامی به سمت بیرون حرکت کردند، نپتون و اورانوس جای خود را عوض کردند. در نهایت، فعل و انفعالات با دیگر زباله ها باعث شد که این زوج در مسیرهای دایره ای تری قرار بگیرند که به فاصله فعلی خود از خورشید رسیدند.
در طول راه، منظومه شمسی ما ممکن است اعضای خود را از دست داده باشد: ممکن است یک یا حتی دو سیاره غول پیکر دیگر توسط این همه حرکت از همسایگی بیرون رانده شده باشند. دیوید نسورنی، ستاره شناس SwRI، منظومه شمسی اولیه را در جستجوی سرنخ هایی که می تواند به درک تاریخ اولیه آن منجر شود، مدل سازی کرد.
نسورنی به Space.com گفت: «در روزهای اولیه، منظومه شمسی بسیار متفاوت بود، سیارات بسیار بیشتری، شاید به جرم نپتون، در مکان‌های مختلف تشکیل و پراکنده شدند.
آب کجاست
حتی پس از تشکیل سیارات، خود منظومه شمسی به طور کامل قابل تشخیص نبود. زمین به دلیل محتوای بالای آب آن از سیارات متمایز است که بسیاری از دانشمندان بر این باورند که در تکامل حیات نقش داشته است.
اما مکان کنونی این سیاره برای جمع‌آوری آب در اوایل منظومه شمسی برای جمع‌آوری آب بسیار گرم بود، که نشان می‌دهد ممکن است مایع حیات‌بخش پس از شکل‌گیری زمین تحویل داده شده باشد.
فقط یک مشکل: دانشمندان هنوز نمی دانند این آب ممکن است از کجا آمده باشد. محققان ابتدا گمان می‌کردند که دنباله‌دارها آن را به زمین منتقل می‌کنند، اما چندین مأموریت، از جمله شش مأموریت که از کنار دنباله‌دار هالی در دهه 1980 عبور کردند و فضاپیمای جدیدتر روزتا متعلق به آژانس فضایی اروپا، دریافتند که مواد یخی از حاشیه‌های منظومه شمسی دقیقاً منطبق نیستند. با زمین
کمربند سیارکی یکی دیگر از منابع بالقوه آب است. چندین شهاب سنگ شواهدی از تغییر نشان داده اند، تغییراتی که در ابتدای زندگی آنها ایجاد شده است، که نشان می دهد آب به شکلی با سطح آنها تعامل داشته است. برخورد شهاب سنگ ها می تواند منبع آب دیگری برای این سیاره باشد.
اخیراً، برخی از دانشمندان حتی این تصور را به چالش کشیده اند که زمین اولیه برای جمع آوری آب بسیار داغ بوده است. آنها استدلال می کنند که اگر سیاره به اندازه کافی سریع تشکیل شود، می تواند آب لازم را از دانه های یخ قبل از تبخیر جمع کند.
هر فرآیندی که آب را به زمین آورد، احتمالاً همین کار را برای زهره و مریخ انجام داد. اما افزایش دمای زهره و رقیق شدن جو مریخ به این دنیاها اجازه نمی دهد آب خود را حفظ کنند و به سیارات خشکی که امروزه می شناسیم منجر می شود.
منابع اضافی
- توضیحات ناسا در مورد چگونگی شکل گیری منظومه شمسی را بخوانید یا یک انیمیشن در این زمینه تماشا کنید.
- توضیحاتی در مورد چگونگی تشکیل ستارگان و سیارات توسط ALMA، که در رصد قرص هایی که سیارات از آنها متولد می شوند، تخصص دارد، بخوانید.
- دانشمندان با مقایسه دنیاهای منظومه شمسی با سیارات فراخورشیدی درباره شکل‌گیری سیارات اطلاعاتی کسب کرده‌اند.
ما را دنبال کنید در توییتر @Spacedotcom و غیره فیس بوک.