Небулярная гипотеза — наиболее широко принимаемая научной общественностью космогоническая теория, объясняющая формирование и эволюцию Солнечной системы. Теория предполагает, что Солнечная система сформировалась из туманности. Автором гипотезы выступил Иммануил Кант, опубликовав её в своей работе «» (1755). Изначально применимая лишь к Солнечной системе, эта гипотеза формирования планетарных систем считается в общих чертах применимой ко всей остальной Вселенной. Широкое признание получил современный вариант Небулярной гипотезы — Небулярно-дисковая Солнечная модель, или проще: Солнечная небулярная модель. Небулярная гипотеза даёт объяснение целому ряду свойств Солнечной системы, включая близкие к круговым и расположенные в одной плоскости орбиты, и вращение планет в направлении вращения Солнца вокруг своей оси. Множество элементов Небулярной гипотезы нашли отражение в современных теориях формирования планет, но большая их часть претерпела изменения.

Согласно Небулярной гипотезе, звезды формируются в массивных и плотных облаках молекулярного водорода — молекулярных облаках. Эти облака гравитационно неустойчивы, и материя в них собирается в сгустки, вращается, сжимается и затем формирует звезды. Формирование звезды — комплексный и длительный процесс, который всегда создаёт вокруг молодой звезды газообразный протопланетный диск. Этот процесс нередко приводит к появлению планет, при недостаточно хорошо известных обстоятельствах. Таким образом, формирование планетной системы — естественный результат формирования звёзд. Солнцеподобные звезды формируются на протяжении примерно миллиона лет, а протопланетный диск формируется на протяжении последующих 10—100 миллионов лет.

Протопланетный диск представляет собой аккреционный диск, подпитывающий центральную звезду. Изначально очень горячий, диск постепенно остывает до стадии, близкой по типу к звёздным системам типа T Тельца; затем формирование пылевых песчинок приводит к появлению каменных и ледяных глыб. Сталкиваясь и слипаясь, глыбы формируют многокилометровые планетезимали. Если диск достаточно массивен, скоротечная аккреция вокруг планетезималей приводит к формированию в течение 100—300 тысяч лет протопланет размерами с Луну или Марс. Вблизи от звезды планетарные эмбрионы, пройдя через стадию слияний и поглощений, формируют несколько планет земной группы. Последняя стадия занимает от 100 миллионов до миллиарда лет.

Формирование планет-гигантов — более сложный процесс. Считается, что они формируются за так называемой снеговой линией, где планетарные эмбрионы в основном состоят из различных типов льдов. В результате они в несколько раз более массивны, чем внутренняя часть протопланетного диска. Что следует после формирования протопланеты — не до конца ясно. Немалая часть таких протопланет продолжает расти, достигая 5-10 земных масс— порогового значения, позволяющего начать аккрецию водород-гелиевого газа из диска. Накопление газа ядром — изначально медленный процесс, который длится миллионы лет, но по достижении массы в 30 Земных он начинает резко ускоряться. Планеты наподобие Юпитера и Сатурна, как считается, накапливали свою массу в течение всего 10 тысяч лет. Аккреция останавливается с исчерпанием запасов газа. Образовавшиеся планеты могут мигрировать на большие расстояния в процессе или после формирования. Ледяные гиганты наподобие Урана и Нептуна считаются неудавшимися ядрами протопланет, которые сформировались в момент почти полного исчерпания диска.

История

Есть свидетельства, что частично небулярная гипотеза была предложена в 1734 Эммануилом Сведенборгом. Иммануил Кант, бывший хорошо знакомым с работой Сведенборга, развил теорию к 1755 году и опубликовал во Всеобщей естественной истории и теории неба, в которой он рассуждал о туманностях, которые, медленно вращаясь, постепенно сжимались и сглаживались под действием гравитации, постепенно формируя звезды и планеты For details of Kant’s position, see Stephen Palmquist, «Kant’s Cosmogony Re-Evaluated», Studies in History and Philosophy of Science 18:3 (September 1987), pp.255-269..

Аналогичная модель была разработана и предложена в 1796 году Пьером-Симоном Лапласом. В своей книге Изложение мировой системы он предположил, что Солнце в древности имело расширенную звёздную атмосферу, покрывавшую собой весь современный объект Солнечной системы. Его теория признавала сжатие и охлаждение протосолнечного облака — протосолнечной туманности. Поскольку туманность охлаждалась и сжималась, она сплющивалась и вращалась быстрее, сбрасывая (или теряя) газообразные кольца материи, после чего планеты формировались из материи таких колец. Его модель напоминала модель Канта, за исключением большего количества деталей и меньших масштабов. Несмотря на то, что небулярная модель Лапласа доминировала на протяжении XIX столетия, она столкнулась с рядом трудностей. Основной проблемой была передача вращательного момента между Солнцем и планетами. Планеты получили 99 % вращательного момента, и этот факт небулярной моделью объяснить было нельзя. Как результат, эта теория формирования планет была в значительной степени пересмотрена в начале XX века.

Основная критика в XIX веке исходила от Джеймса Максвелла, который утверждал, что различное вращение между внутренними и внешними частями кольца не позволило бы материи уплотнитьсяGeorge H. A. Cole (2013). Planetary Science: The Science of Planets around Stars, Second Edition, Michael M. Woolfson, p. 190. Гипотеза подвергалась и критике астронома Дэвида Брюстера, который писал: «Те, кто верят в Небулярную гипотезу, уверены, что наша Земля получила свою твёрдую материю и атмосферу из кольца, покинувшего Солнечную атмосферу, которая затем уплотнилась в земноводную сферу, из которой затем исторглась Луна схожим манером.» Он утверждал, что при таком видении, «Луна должна была унести с собой воду и воздух с Земли и обладать атмосферой.»Brester, David (1876), «More Worlds Than One: The Creed of the Philosopher and the Hope of the Christian», Chatto and windus, piccadilly, p. 153 Брюстер утверждал, что религиозные убеждения времён Исаака Ньютона рассматривали небулярные идеи как тенденцию к атеизму, и цитировал его: «произрастание новых идей из старых, без заступничества божественной силы, кажется мне абсурдным»As quoted by David Brewster, «More worlds than one : the creed of the philosopher and the hope of the Christian», Fixed stars and binary systems. p. 233.

Падение Лапласовой модели стимулировало учёных искать замену. На протяжении XX века было предложено много теорий, включая планетезимальную теорию Томаса Чамберлена и Фореста Молтона (1901), приливную модель Джинса (1917), аккреционную модель Отто Шмидта (1944), протопланетную теорию Уильяма Маккри (1960) и теория захвата Майкла Вульфсона. В 1978 Эндрю Прентис вспомнил об изначальных идеях, изложенных Лапласом, и создал современную Лапласову теорию. Ни одна из попыток создать полноценную теорию не увенчалась успехом, а многие из них имели лишь образный характер.

Рождение современной и общепринятой теории формирования планетарного диска — Небулярно-дисковой Солнечной модели — можно отнести к советскому астроному Виктору Сафронову. Его книга Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет, переведённая на английский в 1972, произвела долговременный эффект на научное мышление о формировании планет. В книге были сформулированы практически все проблемы планетарного формирования, и многие из них решены. Труд Сафронова нашёл продолжение в работах Джорджа Ветрелла, который открыл скоротечную аккрецию Изначально применимая к Солнечной системе, Солнечная небулярная модель стала считаться теоретиками применимой и к остальным планетам Вселенной, которых в нашей Галактике на 1 июня 2016 года известно 3422.

Солнечная небулярная модель: достижения и проблемы

Достижения Процесс формирования звезды естественным путём приводит к появлению аккреционного диска вокруг «молодых звёздных объектов». При достижении возраста в примерно 1 миллион лет, 100 % звёзд обладают такого рода диском. Вывод подтверждается открытиями газовых и пылевых облаков вокруг протозвёзд и звёзд типа T Тельца, а также теоретическими соображениями. Наблюдения за дисками позволяют говорить о том, что частицы пыли внутри них растут в размерах на протяжении тысячелетий, превращаясь в частицы размером около 1 сантиметра.

Процесс аккреции, с помощью которого километровые планетезимали вырастают в 1,000 км небесные тела, сейчас хорошо понятен. Этот процесс начинается в любом диске, когда плотность планетезималей становится достаточно высокой, и протекает безудержно и в скоротечной манере. Позднее прирост замедляется и идёт с перебоями. Конечным результатом являются протопланеты разных размеров и на разной дистанции от звезды. Разного рода симуляции этого процесса сходятся в одном — слияние протопланет во внутренней части протопланетного диска приводит к формированию нескольких небесных тел, размерами схожими с Землёй. Таким образом, происхождение планет Земной группы считается практически установленным и бесспорным.

Текущие проблемы Физика аккреционых дисков вызывает множество вопросов. Одна из интереснейших загадок — каким образом материя, аккрецируемая звездой, утрачивает свой вращательный момент? Возможный ответ нашёл Ханнес Альвен, предположив, что момент тормозится солнечным ветром на стадии T Тельца. Затем вращательный момент транслируется внешним областям диска за счёт «вязкостного рассеяния». Вязкость создаётся за счёт макроскопических турбулентностей, но механизм, вызывающий саму турбулентность, не слишком хорошо известен. Другой возможный процесс, тормозящий вращательный момент — магнитное торможение, когда вращение звезды передаётся окружающему протопланетному диску через магнитное поле. Основные процессы, отвечающие за исчезновение газа из диска — вязкостное рассеивание и фотоиспарение.

Формирование планетезималей — ещё одна загадка Солнечной небулярной модели. Каким образом частицы размерами в 1 см слипаются в 1 км планетезимали? Разгадка этого механизма станет своего рода ключом к пониманию, почему у одних звёзд есть планеты, тогда как у прочих нет даже пылевых дисков.

Формирование временной шкалы для планет-гигантов когда-то было проблемой. Старые теории не могли объяснить, каким образом их ядра могли сформироваться достаточно быстро, чтобы притянуть большие объёмы газа из стремительного исчезающего протопланетного диска. Средний срок жизни такого диска (иногда менее 10 миллионов (107) лет) оказался короче, чем время, необходимое на формирование ядра. Современная же модель опирается на тот факт, что такая планета, как Юпитер (или более массивные планеты), может сформироваться и менее чем за 4 миллиона лет, что отлично сочетается со средним сроком жизни газовых дисков.

Ещё одной проблемой теории являются орбитальные миграции. Множество вычислений утверждают, что взаимодействия с диском могут приводить к краткосрочным миграциям планет-гигантов к внутренним районам системы, что, если не будет остановлено, может привести к достижению «центральных районов системы, оставаясь в виде протоюпитера (планеты, уступающей по массе Юпитеру и Сатурну, но всё же являющейся планетой-гигантом) .»Papaloizou 2007 page 10 Более современные вычисления учитывают эволюцию и расширение протопланетных дисков, что исключает такого рода теоретические коллизии.

Формирование звёзд и протопланетных дисков

Протозвёзды