Формирование планет нашей Солнечной системы происходило из протопланетного диска, который существовал вокруг нашего «протосолнца». Принято считать, что в начале формирования, около Солнца, существовало порядком от 50 до 100 протопланет, размерами, сравнимыми с лунными.
Вообще-то существуют две гипотезы формирования планет. Самая популярная из них гласит, что планеты образовались за счёт аккреции, из первоначальных планетозималей. Но здесь же, возникают и трудности.
- В первую очередь это сам механизм формирования планетозималей. Существует понятие «метрового барьера» - в любом формирующемся теле, из газопылевого диска, постепенно будет сокращаться радиус орбиты из-за его же роста. Это, впоследствии, приведёт к большому приближению тела к своей звезде, и оно просто сгорит. Причём чем меньше размер тела, тем скорость этого дрейфа будет больше.
- Вторая проблема – это турбулентность. Сама планетозималь, при образовании, будет неустойчива, так как и её орбита. Но в последних работах, над этой гипотезой, было доказано, что эти две проблемы, как бы компенсируют друг друга и взаиморешают. Дело в том, что из-за турбулентности будут группироваться плотные твёрдые частицы, и возникнет так называемый гравитационно-связанной кластер. Причём время возникновения кластера будет меньше, чем время дрейфа планетозимали к звезде.
- Следующая проблема, это рост массы планетозимали. Она гласит, что из-за небольших размеров первоначальных твёрдых тел (от 10 до 100 км.) не будет успевать формироваться их ядро. Для планет земной группы это не является проблемой, так как их конечные размеры не велики. А вот для планет гигантов – это проблема. На данный момент произвести необходимые расчеты невозможно. Одно из решений этой проблемы гласит, что одна планета по массе схожая с земной, должна содержать около 1 млрд. планетозималей. А для планет гигантов ещё больше.
Второй сценарий гласит, что формирование планет произошло за счёт гравитационного коллапса первоначальных «сгустков» вещества из газопылевого облака. Согласно этой гипотезе в газопылевом облаке могли развиться некие нестабильности, и оно распадётся на отдельные кольца. Для такого сценария, названного неустойчивостью Тумре, должен существовать так называемый параметр Тумре, который при расчётах должен быть меньше единицы. Если это неравенство не соблюдается, то формирование планет невозможно. А разрушение протопланетного диска будёт происходить из-за его охлаждения. Помимо проблемы «метрового барьера», это предположение обусловливает существование сверхмассивного протопланетного диска вокруг молодой звезды.
Рассмотрим подробнее аккреционный сценарий.
Сначала из материала газопылевого облака формируются планетозимали. По одной из версии это происходит за счёт столкновения очень маленьких тел. Вторая говорит, что планетозимали образуются в средней части протопланетного диска, из-за действия гравитационного коллапса.
По мере их роста, будут возникать доминирующие планетозимали, которые потом станут протопланетами. Базой, для расчёта темпов роста протопланеты, служит уравнение Сафронова. Согласно ему такие тела не могут расти до бесконечности, а только до той поры, когда вокруг формирующейся планеты будут существовать планетозимали. Пограничная масса в росте протопланеты будет варьироваться от 0,01 до 0,1 массы Земли.
Дальнейшее формирование планет может пойти двумя путями. Согласно одному будут образовываться планеты земного типа. По второму пути пойдут планеты гиганты.
В первом случае, тела с пограничной массой будут увеличивать эксцентриситет (сжатость) своих орбит. В дальнейшем это приведёт к тому, что их орбиты пересекутся. Более большие протопланеты начнут притягивать меньшие и, за счёт сталкивания, будут образовываться планеты земного типа (с твёрдой поверхностью).
Планеты гиганты смогут сформироваться, если вокруг протопланеты остаётся много газа из материала протопланетного диска. За счёт аккреции (процесс, характеризующий падение вещества на космическое тело из окружающего его пространства) происходит приращение массы протопланеты. Причём, условия образования должны быть очень строгими. В первую очередь протопланета должна быть однородная по структуре и сферически симметричная. Во вторую очередь она должна быть уравновешена, т.е. гидростатически «спокойна». Нагрев её будет происходить за счёт столкновения с планетозималями, а охлаждение – за счёт излучения. Ядро, будущей планеты гиганта, будет расти примерно до 10 масс Земли. Тогда гидростатическое равновесие нарушится и весь аккрецирующий газ пойдёт на формирование атмосферы.
Окончательное формирование планет прекращается, когда в молодой звезде запускается термоядерная реакция. Тогда она просто рассеет протопланетный диск.
