Vznik a vývoj Slnečnej sústavy

Vznik a vývoj Slnečnej sústavy

Mgr. Marek Husárik, PhD.Astronomický ústav SAV, Tatranská Lomnica CASU 2012

28. apríl 2012

Za podpory projektu APVV LPP-0078-09 „Objavuj vesmír, tvoj domov“

Obsah Teórie o pôvode Slnečnej sústavy

Fázy vývoja Globula, praslnko, T Tauri Slnko, planéty, mesiace, asteroidy, kométy Migrácie planét

Budúcnosť Slnečnej sústavy

Odporúčaná literatúra

Kozmológia, kozmogónia,... kozmológia

zaoberá sa všeobecnými problémami štruktúry, vývoja a zákonitostí vesmíru, konečnosťou či nekonečnosťou priestoru a času

kozmogónia vznik a vývoj jednotlivých nebeských telies a iných kozmických

objektov --- planetárna kozmogónia ---

vznik a vývoj planét a menších telies planetárnej sústavy hviezdna kozmogónia

vývoj hviezd, viacnásobných hviezdnych systémov, hviezdokôp a galaxií.

Otázky „prečo?“ na planetárnu kozmogóniu1. Slnko je v centre sústavy2. Dráhy planét sú takmer v jednej rovine a paralelné s ekliptikou3. Dráhy planét sú takmer kruhové4. Planéty obiehajú v tom istom smere ako rotuje Slnko5. Väčšina planét rotuje okolo osi v priamom smere6. Väčšina mesiacov obieha okolo planéty v rovnakom smere ako

planéty okolo Slnka, aj rotujú okolo osi v tom smere ako planéty7. Planéty majú 98% uhlového momentu sústavy, ale len 0,15% z

celkovej hmoty8. Terestrické a plynné planéty vykazujú výrazné fyzikálne a

chemické rozdiely9. Planéty sa podobajú so svojimi mesiacmi na miniatúrne Slnečné

sústavy10. Atď. atď.

Jeden obrázok alebo tisíc slov?

Rané teórie o vzniku Slnečnej sústavy Prvé predstavy snáď už pred tisíckami rokov Náboženstvá vysvetľovali vznik Zeme a planét odlišne,

ale na vzniku vesmíru sa zhodovali vznikol v priebehu pár dní, bol konečný a nemenný bez vývoja

Modernejšie predstavy 17. storočie – René Descartes (1596–1650)

Vznik vesmíru bez zásahu nadprirodzenej bytosti

Vesmír bol len chaos, v ktorom pohyb vytvárali víry. V nich sa hromadila hmota, z ktorej sa tvorili hviezdy aj Slnko

17. storočie – Isaac Newton (1643–1727) Objavením gravitačného zákona Descartove

predstavy zrušil

Modernejšie predstavy 18. storočie – Georges-Louis Leclerc,

Comte de Buffon (1707–1788) Prelet obrovskej kométy okolo Slnka,

vymrštenie prúdu slnečnej látky do priestoru – sformovanie planét Ale ako vzniklo Slnko a kométy?

Populárne katastrofické teórie v 19. storočí Moulton a Jeans uvažovali namiesto kométy

hviezdu Ale ako sa sformoval planetárny systém?

Modernejšia a reálna predstava 18. storočie – Immanuel Kant (1724–1804)

Otec nebulárnej hypotézy Slnečná sústava sa zrodila z veľkej rotujúcej

hmloviny. Planéty sa tvoria z prachu a plynu okolo každej mladej hviezdy

Pierre Simone de Laplace (1749–1827) Kantove myšlienky podporil fyzikou a

matematikou

Prečo práve nebulárna hypotéza? V roku 1988 na palube Discovery prebehol experiment –

zrniečka prachu vo vzduchotesnej komore sa zhlukovali do retiazok

Hubblov ďalekohľad objavil mladé hviezdy v M42 v Orióne a okolo nich zárodky planetárnych diskov

...

Etapy vývoja Slnečnej sústavy

Čo potrebujeme na úvod tvorby Slnečnej sústavy? Vesmír Dostatok priestoru – Galaxiu (Mliečnu cestu) Dostatok času – aspoň 4,6 miliardy rokov Nejaký materiál. Najlepšie použitý, vyvrhnutý prastarými

hviezdami a obohatený už o ťažšie prvky

Fáza zárodočnej hmloviny Prachoplynové medzihviezdne mračno s

rozmermi 50–100 svetelných rokov Asi 30 tisíc svetelných rokov od centra

Galaxie Hustota mračna približne 10-20 kg m-3

Teplota -250 stupňov C

Mračno sa asi pre 7 mld. rokov zmršťovaním rozpadlo na menšie globule s rozmermi 1–3 sv. rokov

Samotné globule sa zmršťujú do hustejších jadier s rozmermi od 2000 do 20 000 AU a s hmotnosťami od 0,1 do 10 hmotností Slnka (73% hm. globule)

Fáza zárodočnej hmloviny Výrazná dominancia vodíka (98%) – plyn Hélium a stopy uhlíka, sodíka, kyslíka a kremíka – prach

– pozostatok starých hviezd Teplota -250 stupňov C dovoľuje spájanie atómov vodíka

do párov Spájaniu dopomohol pravdepodobne impulz zvonka –

výbuch supernovy alebo blízky prechod masívnej hviezdy pred asi 4,6 mld. rokov

Tu začína zrod Slnka a planét

Fáza formovania Zmršťovanie globuly pokračuje Vytvára sa centrálna hustejšia oblasť, tzv. slnečný

inkubátor Prejavuje sa už rotácia centra Centrum sa prejavuje čoraz viac gravitačne – okolitý

materiál padá voľným pádom smerom do stredu hustejšej oblasti

Rotácia narastá a gravitačná energia sa mení na žiarenie a teplo (v centre asi 2000 stupňov C)

POZOR! Toto ešte nie je Slnko, ale praslnko (protoslnko), kde neprebieha žiadna nukleosyntéza (fúzia vodíka)

Praslnko

Fáza formovania Odstredivá sila formuje

globulu do protoplanetárneho disku, tzv. proplydu s rozmerom asi 200 AU

Ešte stále tu nemáme planéty!

Praslnko je omnoho väčšie ako dnešné Slnko, neustále sa zmršťuje a zohrieva na 10 tisíc C

Fáza formovania: formovanie Slnka Molekuly vodíka sa štiepia na jednotlivé atómy – dôležitý

krok vo vývoji budúceho Slnka Praslnko žiari vďaka vysokej teplote, ale stále nie vďaka

fúzii vodíka Prenos žiarenia sa deje najmä konvekciou (tá existuje na

Slnku aj dnes v tzv. konvektívnej zóne) Mohutné prúdy praslnečnej plazmy ovplyvňujú ďalšie

formovanie okolia

Fáza formovania: formovanie SlnkaT Tauri fáza Táto fáza vývoja praslnka začína asi 3

mil. rokov od oddelenia globuly od mračna, resp. 1 mil. rokov od zmršťovania globuly

Kolaps praslnka pokračuje Veľkosť praslnka dosahuje asi 100

mil. kilometrov (po dráhu Merkúra) Teplota v praslnku narásla na asi 5

mil. stupňov, povrch zahriaty na približne 4500 stupňov

Rotuje rýchlosťou 1 otočka za 8 dní

Fáza formovania: formovanie SlnkaT Tauri fáza Aktivita praslnka je riadená

najmä silným magnetickým poľom pochádzajúcim z ionizovaného plynu vo vnútri

Magnetické pole prečesáva okolitý disk a strháva hmotu na svoj povrch – mohutné vzplanutia na povrchu praslnka

Na povrchu prítomné škvrny, ktoré zaberali aj 10% povrchu (dnes len 1%)

Fáza formovania: formovanie SlnkaT Tauri fáza Enormný vplyv praslnečného

vetra s rýchlosťou až 200 km s-1

únik v smere disku únik v smere kolmom na disk

(objekty Herbig-Haro)

Praslnko sa stabilizuje, kontrakcia ale prebieha naďalej, bude to trvať 10tky mil. rokov (najpomalšia fáza)

Fáza formovania: Slnko ako hviezda hlavnej postupnosti 30–50 mil. rokov od odtrhnutia

globule Teplota v jadre praslnka 15 mil.

stupňov jadrá vodíka (protóny) sa zrážajú aj

napriek odpudivým elekt. silám tvorí sa hélium (prednáška A.Kučeru, CASU 2011)

Gravitačná kontrakcia konečne dostáva protiváhu – tlak žiarenia Stav hydrostatickej rovnováhy Praslnko sa dostalo na tzv. hlavnú

postupnosť, stabilná hviezda typu G2V

VZNIKLO SLNKO

Vráťme sa späť a vytvorme planéty

Fáza vyparovania a kondenzácie Asi 2 mil. rokov po odtrhnutí

globuly od mračna Praslnečná globula je bohatá na

rôzne prvky H (98%), He, C, N, O,... molekuly

H2O, NH3, CH4,... Si, kovy

Blízko praslnka teplota dosahuje tisícky stupňov čím ďalej, tým prežívajú ľahšie prvky (Si, Mg, Al) – z nich

vznikajú prachové zrná (do vzdialenosti 700 mil. km, tj. 4,5 AU) najľahšie prvky (H, He) prežívajú až vo vzdialenosti 5 AU (tzv.

snow line), kde je teplota okolo -70 stupňov C. Sú tu prítomné aj H2O, NH3, CH4

Fáza vyparovania a kondenzácie Z ťažších prvkov kondenzujú terestrické planéty, z

ľahších plynné Prachové zrná sa pohybujú rýchlosťami > 10 km s-1, no

relatívne voči sebe pomaly zrážky sú nevyhnutné, ale nie deštrukčné!

prebieha aglomerácia do väčších celkov

Fáza tvorby planetezimál Pokračuje aglomerácia prachových zŕn, no zároveň zrážky

celkov sú častejšie Po niekoľkých tisíckach rokov sa vytvorili aj nepravidelné

kilometrové konglomeráty – planetezimály dnes ich nájdeme v Kuiperovom páse alebo ako mesiace

plynných joviálnych planét

Fáza tvorby planét Rastúca veľkosť planetezimál verzus rastúca gravitácia Za asi 10–100 tisíc rokov sa postupne pozliepalo

obrovské množstvo telies s rozmermi od 500 do 1000 km – protoplanéty na to sa spotrebovalo ale málo pôvodnej hmoty, veľa zostalo vo

forme menších planetezimál, medziplanetárneho prachu a plynu Protoplanéty bombardované okolitým materiálom +

rozpad rádioaktívnych prvkov (26Al s polčasom 717 tisíc rokov) – roztavenie a diferenciácia ťažšie prvky do stredu, ľahšie na povrch tvorba kôry a prvotnej atmosféry

Fáza tvorby planét Za hranicou 5 AU prebieha tvorba plynných planét Vďaka 10x účinnejšej adhézii ľadov a plynu je proces

vzniku plynnej planéty rýchlejší ako terestrickej Jupiter vznikol najskôr. Saturnu, Uránu a Neptúnu trvala

tvorba niekoľkokrát dlhšie Praslnko sa dostáva do fázy T Tauri a odfukuje plyn preč

z rodiacej sa sústavy Končí sa tvorba plynných planét po asi 10 mil. rokoch od

odtrhnutia zárodočnej globuly

Fáza intenzívneho bombardovania Pomer prachu k plynu sa výrazne zvýšil Formovanie terestrických planét ešte pokračuje (asi 100 –

1300 mil. rokov po vzniku zárodočnej globuly) Okolie stále bohaté na fragmenty a tie sú gravitáciou

terestrických planét a ich mesiacov priťahované Bombardovanie vyvrcholilo asi pred 4 mld. rokov

dôsledky dodnes badateľné vo forme impaktných kráterov

Fáza intenzívneho bombardovania Po slabnúcom bombardovaní

terestrické planéty chladnú a nastáva čas, aby si vytvorili atmosféry

Odkiaľ ju zoberú? Zo seba samých!

Všetky horniny obsahujú stopy H2O, CO, CO2 a teplom planéty sa uvoľňujú

Pravdepodobne aj kométy dodávajú H2O, CO, CO2

Slnko a planéty sme vytvorili

a čo ďalej?

Migrácia planét Donedávna sa predpokladalo, že

planéty sa sformovali tam, kde sú dnes Objavy exoplanét dokazujú, že tieto

obiehajú v takých vzdialenostiach okolo svojich hviezd, v ktorých sa podľa teórie protoplanetárneho disku nemohli sformovať!

Súčasné modely tvorby planét si pomáhajú tzv. migráciou planét, tj. postupným špirálovitým pohybom smerom k/od Slnka Migrácia je výsledkom vzájomného

pôsobenia planét a plynného disku resp. planét a planetezimál nachádzajúcich sa v protoplanetárnom disku.

Migrácia planét: Nicejský model Jupiter, Saturn, Urán a Neptún sa nachádzali v oveľa

kompaktnejšej konfigurácii (asi vo vzdialenostiach od 5,5 do 15 AU) než dnes

Za ich dráhami sa rozprestieral veľký hustý disk malých kamenných a ľadových planetezimál, ktorých celková hmotnosť bola asi 35 hmotností Zeme

Výsledkom mnohých vzájomných interakcií medzi planetezimálmi a planétami (pri zachovaní momentu hybnosti celej sústavy) dochádzalo k migrácii planét

Saturn, Urán, Neptún sa posúvali smerom von (na vzdialenejšie dráhy) a Jupiter naopak smerom dnu (bližšie k Slnku)

Počas niekoľkých miliónov rokov sa týmto spôsobom dráhy Jupitera a Saturna zmenili natoľko, že sa dostali do vzájomnej dráhovej rezonancie 2:1 (dĺžka obehu Saturna okolo Slnka je v porovnaní s dĺžkou obehu Jupitera dvojnásobná)

Migrácia planét: Nicejský model Vplyvom dráhovej rezonancie sa postupne zvyšovala

výstrednosť (excentricita) ich dráh – destabilizácia celého planetárneho systému Saturn bol vytlačený smerom von do vzdialenejších oblastí (až

na svoju terajšiu dráhu) a svojou gravitáciou narušil dráhy ľadových obrov, t.j. Uránu a Neptúna

Rozrušil sa úplne disk planetezimál na okraji planetárneho disku a mnoho z nich sa dostalo aj do vnútornej časti sústavy – obdobie tzv. intenzívneho bombardovania

Migrácia planét: Nicejský model Planéty sa postupne usadili na veľmi málo výstredných a

stabilných dráhach, po ktorých sa pohybujú dodnes. Terajšia konfigurácia je teda výsledkom viacerých

dynamických procesov počas doterajšieho vývoja v našej Slnečnej sústave.

Model má však nedostatky! Prečo pozorujeme v hlavnom páse asteroidov dva veľmi odlišné

typy – skalnaté asteroidy a uhlíkaté asteroidy? Prečo je hmotnosť Marsu tak malá, keď sa formoval v oblasti

kde bolo dosť materiálu na sformovanie aj oveľa väčšej planéty (možno až 10 krát väčšej)?

Tu sú odpovede

Migrácia planét: vynovený Nicejský model Jupiter sa sformoval vo vzdialenosti asi 3,5 AU, ale kvôli silnému

vplyvu množstva plynu, ktorý sa v tejto oblasti nachádzal, pomaly špirálovým pohybom smeroval k Slnku do vzdialenosti asi 1,5 AU (do oblasti kde sa dnes nachádza práve Mars)

Podobne aj Saturn sa kvôli interakcii s okolitým plynom pohyboval po špirále smerom k Slnku

Obidve masívne planéty sa dostali do pomerne malej vzájomnej vzdialenosti. Vplyvom ich gravitácie bol plyn, ktorý sa medzi nimi nachádzal, úplne vypudený, a tým prestal pôsobiť na obidve planéty a zastavil, resp. úplne otočil ich smrtiacu cestu smerom k Slnku

Potom sa tieto planéty pohybovali po špirále smerom von, až kým Jupiter nedosiahol vzdialenosť okolo 5 AU

Aby sa v Slnečnej sústave vôbec sformovala terestrická planéta (Zem), môžeme ďakovať Saturnu, bez prítomnosti ktorého by sa špirálový pohyb Jupitera smerom k Slnku nezastavil

Migrácia planét: vynovený Nicejský model Keď sa Jupiter priblížil k pásu asteroidov (v tom čase

tvorenom kamennými objektmi) nedochádzalo k intenzívnym zrážkam a následne rozrušeniu celého pásu asteroidov, ale skôr k jeho presúvaniu

Po tom, čo sa Jupiter začal vzďaľovať, posunul pás asteroidov späť do oblasti, kde sa momentálne nachádza a pokračoval ďalej až do vzdialenosti okolo 5 AU. Tým sa dostal do oblasti bohatej na ľadové objekty a svojím gravitačným pôsobením niektoré z nich presunul na dráhy bližšie k Slnku, do pásu asteroidov. Tento výsledok nám teda dokáže objasniť, prečo v hlavnom páse asteroidov pozorujeme kamenné objekty z vnútornej Slnečnej sústavy a tiež ľadové objekty z vonkajšej Slnečnej sústavy.

Migrácia planét: vynovený Nicejský model Odpoveď na otázku ohľadom „veľkosti Marsu” je podľa

spomínaného scenára pomerne jednoduchá Jupiter strávil počas migrácie v Slnečnej sústave nejaký

čas v oblasti okolo 1,5 AU a svojím gravitačným pôsobením túto oblasť pomerne silno rozrušil, a preto nezostalo dostatočne veľa materiálu na sformovanie sa planéty, akú by sme v danej oblasti očakávali.

Budúcnosť Slnečnej sústavy

Ďalší vývoj Rozhodujúcu úlohu hrá samotný vývoj Slnka Žiarivý výkon sa bude meniť len nepatrne, postupne bude

horúcejšie a jasnejšie asi o 10% za 1 mld. rokov O približne 1,5 mld. rokov sa tzv. obývateľná zóna

presunie k dráhe Marsu O asi 2,4 mld. rokov má dôjsť k stretu našej Galaxie s

galaxiou M31, čo môže ovplyvniť rovnováhu v Slnečnej sústave

Ďalší vývoj Po 6 mld. rokov Slnko vyčerpá vodík v jadre, premení ho na

hélium, termonukleárne reakcie prestanú a tlak žiarenia prestane pôsobiť proti tlaku gravitácie

Na héliové jadro bude vyvíjaný tlak zvonka, čím sa zvýši jeho teplota a dôjde k syntéze hélia na ďalšie chemické prvky (C, O)

Slnko sa takto stabilizuje opäť na niekoľko miliónov rokov

Ďalší vývoj Neskôr sa vrchné vrstvy Slnka začnú rozpínať, rednúť a

chladnúť – štádium červeného obra Pod jeho povrchom sa ocitnú Merkúr a Venuša a možno aj

Zem

Ďalší vývoj Aj hélium vyhorí, jadrové reakcie ustanú a opäť dôjde ku

kolapsu vonkajších vrstiev Tento kolaps už nebude mať čo zastaviť a jadro sa zmení na

bieleho trpaslíka (asi veľkosti Zeme) a vonkajšie vrstvy sa oddelia a vytvoria planetárnu hmlovinu

Hmlovina sa rozptýli a poslúži ako stavebný materiál obohatený o C, H, O, Ca, Fe pre nové hviezdy a ich planéty

““Pulvis es et in pulverem reverterisPulvis es et in pulverem reverteris””

Odporúčané materiály Niektoré texty z heslára projektu Stretnutia s vesmíromhttp://www.astro.sk/~zkanuch/apvv/wwwheslar/

Prezentácie a texty zo zborníkov celoslovenských seminárov pre učiteľov (projekty Stretnutia s vesmírom a Objavuj vesmír, tvoj domov)

http://www.astro.sk/~choc/open/07_casu/str/zbornik.htmlhttp://www.astro.sk/~choc/open/08_casu/str/zbornik.htmlhttp://www.astro.sk/~choc/open/09_casu/str/zbornik.htmlhttp://www.ta3.sk/~mhusarik/APVV_LPP-0078-09/10_CASU/prezentacie_a_zbornik.phphttp://www.ta3.sk/~mhusarik/APVV_LPP-0078-09/11_CASU/prezentacie_a_zbornik.phphttp://www.ta3.sk/~mhusarik/APVV_LPP-0078-09/12_CASU/prezentacie_a_zbornik.php

Odporúčaná literatúra Garlick, M.A.: The Story of the Solar System,

Cambridge University Press, 2002

Woolfson, M.M.: The Origin and Evolution of the Solar System, IoP Publishing, 2000

Woolfson, M.M.: The Formation of the Solar System: Theories Old and New, Imperial College Press, 2007

Ďakujem za pozornosť!