Формирование газово-пылевого диска
Эти процессы действительно происходили, но не везде. В неоднородной нагретой турбулентной среде вращающегося газово-пылевого диска должны были возникать многочисленные вихри, движущиеся вокруг Протосолнца. Попавшие в вихрь частицы вращались, приближаясь по спирали к центру вихря (как в водовороте). При этом, по мере приближения к центру вихря, взаимные скорости частиц и расстояния между ними… Читать ещё >
Формирование газово-пылевого диска (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Изначально протопланетное газово-пылевое облако не имело форму диска. Под действием собственной гравитации облако неизбежно начинает сжиматься, распадаясь на отдельные более плотные фрагменты. Толчком к началу этого процесса, как было сказано выше, могла стать ударная волна от взорвавшейся вблизи звезды, эта же волна могла придать начальный импульс вращению фрагмента облака.
В центре масс фрагмента облака процесс шел быстрее всего. Здесь сформировалось центральное сгущение, на которое постоянно падали под воздействием его тяготения окружающие пыль и газ. Их кинетическая энергия при столкновении с веществом сгущения переходила в тепло, и центральное сгущение (протозвезда) разогревалась. Падение (аккреция) газа и пыли усиливалось, поскольку тяготение протозвезды нарастало по мере увеличения ее массы.
Даже небольшое случайное вращение фрагмента облака, окружающего протозвезду, благодаря закону сохранения момента импульса, ускорялось (наиболее известный пример, иллюстрирующий это явление — рост скорости вращения фигуриста, прижимающего руки к телу). При этом вдоль оси вращения вещество облака беспрепятственно приближалось к центру масс, в то время как в плоскости вращения смещение к центру масс было затруднено — этому мешала центробежная сила. В результате изначально бесформенное облако, окружавшее протозвезду, становилось все более плоским, превращаясь в протопланетный диск.
Рис. 18.4. Светлая деталь — протопланетный диск на фоне газовопылевой туманности в созвездии Орион (космический телескоп «Хаббл»,
NASA/ESA)
Формирование планетезималей.
Протозвезда, окруженная плотным раскручивающимся газово-пылевым диском, разогревалась все сильнее под воздействием усиливающегося потока газа и пыли, падающего (аккрецирующего) на протозвезду. Светимость протозвезды росла. Ее мощное излучение нагрело внутреннюю часть диска, где температура поднялась до первых тысяч градусов. В этой горячей среде формировались микроскопические (микронных размеров) частицы из тугоплавких минералов — карбида кремния, оксидов алюминия и титана, углерода в форме алмазов, оливинов и пироксенов. Эти частицы содержали, кроме того, изотопы кальция-44 — продукта распада радиоактивного титана-44, который образовался ранее во время взрыва сверхновой. Такие частицы, получившие название кальций-алюминиевые включения, обнаружены внутри каменных метеоритов. Это самое древнее твердое вещество, известное на сегодня. Возраст таких включений, определенный по соотношению количества радиоактивных элементов и продуктов их распада, равен 4,568 млрд лет. Именно эта эпоха принимается за начало формирования Солнечной системы. Еще раз укажем, что кальций-алюминиевые включения возникли из вещества газовопылевой туманности: ранние взрывы близких сверхновых звезд насытили ее соответствующими элементами.
В древних каменных метеоритах (хондритах), помимо кальций-алюминиевых включений, обнаружены хондры — маленькие (размерами до нескольких миллиметров) округлые зерна из оливина и пироксена с добавками железа и никеля. Исследования показали, что хондры — это капли вещества, которые образовались в результате очень быстрого нагрева примерно до 1000 °C и последующего столь же быстрого остывания. Возможно, причиной нагрева были столкновения более крупных тел, либо ударная волна в облаке, либо взрывы (вспышки) на близкой протозвезде. Разброс в возрасте хондр указывает, что эти процессы продолжались в течение примерно двух миллионов лет. Таким образом, в нагретой зоне вокруг горячей протозвезды сформировались первые твердые тела размером до 1 см, погруженные в среду из пыли и газа.
Следующий этап развития облака связан с объединением мелких частиц в более крупные. Частицы, содержавшие железо, могли «примагничиваться» друг к другу; кроме того, на них оседала пыль под влиянием статического электричества. В результате в диске должны были возникать многочисленные тела дециметровых и метровых размеров.
Однако формирование из них тел километровых размеров было затруднено: тела размерами в метры и десятки метров могли наращивать массу, «нагребая» на себя пыль из диска, но при взаимных столкновениях они должны были эффективно разрушаться и дробиться. Кроме того, в диске можно было ожидать быстрого падения пыли на протозвезду еще до того, как из пыли успели бы сформироваться крупные тела: газ, присутствовавший в диске, вращался вокруг протозвезды медленнее круговой скорости, поскольку ему не позволяло опускаться к центру масс давление нижележащих слоев газа. Зато пылинки и более крупные частицы, теряя энергию за счет трения в газе, должны были достаточно быстро оседать на протозвезду (будущее Солнце). Этот фактор действовал, пока газ в основном не аккрецировал на протосолнце.
Эти процессы действительно происходили, но не везде. В неоднородной нагретой турбулентной среде вращающегося газово-пылевого диска должны были возникать многочисленные вихри, движущиеся вокруг Протосолнца. Попавшие в вихрь частицы вращались, приближаясь по спирали к центру вихря (как в водовороте). При этом, по мере приближения к центру вихря, взаимные скорости частиц и расстояния между ними уменьшались, что позволяло им «мягко соударяться» и объединяться. В центре каждого вихря сравнительно быстро формировались из более мелких тел массивные объекты километровых размеров — планетезимали, продолжавших движение вокруг Протосолнца.
Рис. 18.5. Протопланетный диск с Протосолнцем в центре масс (рисунок)