22.1.2023. 

Pokretači teorije nastanka

U poslednjih nekoliko vekova stvoreno je nekoliko teorija koje manje ili više uspešno objašnjavaju nastanak Sunčevog sistema. Upoznaćemo se sa nekima od njih, ali pre toga da vidimo pred kakvim zadatkom stoji dobra teorija. Ona treba da pruži objašnjenje svih bitnih činjenica koje karakterišu Sunčev sistem. A to su sledeće činjenice:

1. Putanje planeta su skoro kružne.
2. Putanje planeta su skoro u istoj ravni.
3. Rotacija većine planeta, kao i njihova revolucija, vrši se u smeru rotacije Sunca.
4. Većina poznatih meseca obilazi oko matičnih planeta u istom smeru u kome one obilaze Sunce.
5. Sunčev sistem je visoko diferenciran
6. Asteroidi su veoma stari i poseduju osobine, koje nisu karakteristične za planete i njihove mesece.
7. Komete su primitivni ledeni fragmenti, koji se ne kreću u ravni ekliptike.
   
   

Ovoj listi pridodaćemo i problem momenta impulsa. Zakon momenta impulsa nam ukazuje na vezu između ugaone brzine i rastojanja primenjujući ga na neko telo mase m. Ukoliko telo počne da se sažima njegova ugaona brzina se povećava. Ukoliko je Sunčev sistem nastao iz jedne magline, pitanje je zašto onda 2% momenta ide na Sunce, i 98 % na planete, odnosno, zašto se ti momenti toliko razlikuju.

Proučavajući nastanak našeg planetarnog sistema saznajemo više o potencijalnim modelima nastanka nekih drugih planetarnih sistema, kako u Galaksiji tako i van nje. Očito je da neka opšta teorija[1] nastanka planetarnih sistema ne mora da objasni sve navedene činjenice, s obzirom da ne postoji zahtev da su svi planetarni sistemi jednaki.

Članak iz Astronomije broj 23

 

Sada ćemo se malo bolje upoznati sa navedenim posmatračkim činjenicama, jer u svakoj postoje određena odstupanja. Tako, u slučaju gde su putanje planeta skoro kružne, odstupanja čine putanje Merkura i Plutona. Kod oba su putanje velike ekscetričnosti (mera odstupanja od kružnog oblika). U Merkurovom slučaju, do odstupanja dolazi najverovatnije usled velike blizine Suncu i time jakog uticaja sunčeve gravitacije, dok u slučaju Plutona odstupanje nastaje najverovatnije zbog velike udaljenosti. Putanje većine planeta nalaze se skoro u istoj ravni (ravni Sunčevog ekvatora koji malo odstupa od ekliptike), da bi izuzetak opet činio Pluton, sa inklinacijom (ugao ili nagib putanjske ravni u odnosu na ravan ekliptike) od oko 17˚. Posmatračka je činjenica da se revolucija[2], pa i rotacija[3], većine planeta vrši u smeru rotacije Sunca (direktno). Ipak, izuzetke ovog puta čine planete Venera, Uran i sistem Pluton - Haron time što Venera rotira u suprotnom smeru (retrogradno) od rotacije Sunca, dok se kod Urana i sistema Pluton – Haron  osa rotacije nalazi skoro u ravni njihove putanje. Takođe, posmatračka je činjenica da se meseci kreću u smeru rotacije matičnih planeta. Ipak, postoji mesec koji nam kvari ovu osobinu, a to je Neptunov mesec Triton koji se kreće u retrogradnom smeru (objašnjenje možete naći u vestima iz broja 20.). Pod visokom diferencijom Sunčevog sistema smatra se podela na planete Zemljinog i Jupiterovog tipa, pri čemu je jasna i granica između ova dva tipa planeta, koju čini upravo asteroidni pojas. Asteroidi su veoma stari, s obzirom da od njihovog nastanka nisu podlegli značajnim fizičkih promenama, i grubo opisujući, dele najveći broj putanjskih osobina. Tu su i komete, primitivni ledeni fragmenti, koji se ne kreću u ravni ekliptike i čije poreklo još uvek nije dovoljno objašnjeno. Smatra se da potiču iz džinovskog sfernog oblaka koji okružuje naš sistem - Ortovog oblaka. Takođe, smatra se da jezgra kometa možemo naći i u Kajperovom pojasu.

Upoznavši se sa osnovnim pravilima koje čine jednu kosmogonijsku teoriju tj. teoriju nastanka sunčevog sistema, osvrnućemo se na postignuća u ispunjavanju navedenih zahteva. Ali prvo, malo istorije.

 

Istorija nastanka

Prvu naučnu hipotezu, još daleke 1644. g. osmislio je Rene Dekart predlažući da je Sunčev sistem nastao od oblaka gasa i prašine. Ipak, prva teorija formulisana je tek nekih stotinak godina kasnije naporima nemačkog filozofa Imanuel Kanta (Immanuel Kant) i francuskog matematičara Pier Simon Laplasa (Pierre Simon de LaPlace). Ova teorija danas je poznata kao teorija sažimajuće magline (nebular theory).

Teorija sažimajuće magline

Začetnikom ove ideje smatra se Imanuel Kant (1755.), po kome se veliki oblak međuzvezdanog gasa počeo sažimati pod dejstvom sopstvene gravitacije. Sažimanjem on postaje topliji i gušći, da bi se u njegovom centru u jednom trenutku formiralo Sunce. U hladnijim i udaljenim delovima oblaka dolazi do kondezacije materije u planete i njihove mesece.

1796. g. francuski matematičar i astronom Pier Lapas bavio se razvojem ove teorije, ali sa matematičkog stanovišta. Koristeći matematički aparat pokazao je da bi, zbog očuvanja ugaonog momenta oblak morao u jednom trenutku da poveća svoju rotaciju (pretpostavka je da je u početnom obliku oblak rotirao). Ostatak Laplasove teorije je njegova predstava kako su mogle da nastanu planete. Kao i Kant, smatrao je da će se u centru formirati protosunce[4] (a potom i Sunce), da bi se od ostatka oblaka formirali koncetrični prstenovi od kojih će se posle formirati planete. Problem, koji ova teorija nije mogla da razreši, jesu fizički razlozi usled kojih bi došlo do spontanih stvaranja koncetričnih prstenova i problem momenta impulsa. Ipak, ova teorija opstaje tokom 19 veka, da bi se sa nagomilavanjem novih posmatračkih činjenica javila potreba za novim objašnjenjima.

Teorija sudara

1917.g. naučnik Džejms Džins (J. Jeans), zajedno sa Džejms Maksvelom razvija teoriju sudara u pokušaju da pobije teoriju sažimajuće magline. Džejmsu se nije dopala ideja sa koncetričnim prstenovima, obrazlažući svoj stav time da oni nisu mogli imati dovoljno mase iz koje bi gravitacionim privlačenjem nastale planete. Nova teorija je predlagala da se planetarni sistem formirao kao posledica prolaska neke zvezde pored Sunca, što je dovelo do izbacivanja dela sunčeve materije. Od izbačenog materijala formiran je disk, koji se posle kondezovao u planete. Ovim modelom objašnjena je spora rotacija Sunca; nastanak planeta Zemljinog tipa objašnjen je sudarima protoplaneta bliže Suncu, a nastanak džinovskih planeta i njihovih meseca kondezacijom materije na velikoj udaljenosti od Sunca. Međutim, par činjenica nije išlo u prilog ovoj teoriji:

- verovatnoća da, usled ogromnih rastojanja između zvezda, dođe do bliskog susreta je vrlo mala

- vreo gas iz unutrašnjosti Sunca pre bi se rasuo nego što bi iz njega nastale lokalne kondezacije (buduće planete)

Moderna teorija

Najprihvatljivija teorija, ili bolje najaktuelnija danas među astronomima je sofisticirana verzija stare Kant – Laplasove teorije, poznata pod nazivom teorija kondezacije. Ona kombinuje dobre strane stare teorije sažimajuće magline sa novim informacijama o međuzvezdanoj materiji. Ključni element, po ovoj teoriji, jeste prašina jer ubrzava spajanje materije u planetezimale (tela veličine 0.1 do 1 km), ne zahteva formiranje prstenova i za sada je najbolja. Prema njoj, Sunce i planete nastale su pre oko 4,6 milijardi godina.

Ovu teorija se najlepše objašnjava podelom na faze.

Faza kondezacije solarne magline

Teorija kako su nastale zvezde je jedna opštija teorija, koja bi trebalo da objasni i nastanak Sunca. Zato je bitno ne izdvajati nastanak Sunca od već prihvaćene ideje o nastanku zvezda, te iz teorije nastanka zvezda izvlačimo početne uslove koji su bili “okidači” za nastanak Sunčevog sistema. Nastanak verovatno počinje nestabilnošću oblaka međuzvezdane materije, tačnije molekulskog oblaka[5]. Još uvek se pretpostavljaju procesi koji bi uzrokovali potrebnu nestabilnost i jedan od mogućih je eksplozija bliske supernove. Međutim, nestabilnost je mogla da nastupi uticajem spiralnih talasa gustine, pa čak i usled prolaza kroz galaktički ekvator. Da bi od ovog oblaka nastao planetarni sistem potrebno je da u startu poseduje neki moment impulsa (u suprotnom bi se sva materija skocentrisala u središtu formirajući samo protosunce). Saglasno održanju momenta impulsa, raste i rotacija protosolarne magline. Materijal ispod i iznad ravni rotacije (ravan upravna na osu rotacije) spušta se, formirajući protoplanetarni disk, a pretpostavlja se da je za ovaj proces potrebno nekoliko miliona godina (slika izravnavanje diska.jpg). Momenat u kome počinju termonuklearne reakcije u formiranom centralnom zgušnjenju (odnosno do fuzije vodonika) jeste trenutak nastanka Sunca. Pretpostavlja se da Sunce tada postaje zvezda T Tauri tipa [6]. Protodisk počinje da se hladi da bi prašina, nastala oslobađanjem sunčeve energije, započela kondezaciju.

Faza akrecije

U ovoj fazi glavnu ulogu imaju istaknute čestice prašine, ponašajući se kao jezgra kondezacije. Njihova veličina se od 0,0001cm povećava na oko jedan santimetar, koncetrišući se u ravni diska (normalnoj na osu rotacije protoplanetarne magline). Od ovih akrecija[7] nastaće grumenje, silikatne građe, čiji sastav danas možemo da nađemo kod primitivnih hondrita (meteoriti nastali akrecijom čestica iz protoplanetarne magline).

Faza nastanka planetezimala

Sudari se nastavljaju, formirajući tela veličine od 0.1 do 1 km, tzv. planetezimale. Ova tela će nastaviti

nagomilavanje materije privlačeći je sopstvenom gravitacijom. Tekstura materijala nastalog u ovoj fazi sačuvana je u nekim meteoritima.

Sledeću fazu podelićemo na dve, tako da u svakoj napravimo razliku između formiranja planeta zemljinog i jupiterovog tipa.

Nastanak planeta Zemljinog tipa

Dalji rast dešava se uz pomoć sudara (od krhotina će se formirati veće telo). Planetezimali počinju da rastu i time se povećava i sama efikasnost prikupljanja okolnog materijala. Ovako veliki planetezimali narastu do tela veličine nekoliko hiljada kilometara.

Nastanak planeta Jupiterovog tipa

Rast je omogućen gravitacionim privlačenjem i ovakvim mehanizmom mogu da se formiraju tela 10 do 20 puta veća od Zemlje. Ovo se dešava jer su isparljiviji elementi (voda, amonijak i led od metana) rasprostranjeniji i više ih ima u spoljašnjim delovima magline. Jednom kada telo naraste toliko da je 15 puta veće od Zemlje, ono privlači velike količine nekondezovanog gasa direktno iz protoplanetarnog diska.

Meseci džinovskih planeta formiraju se iz sekundarnih kondezacija.

Pluton je do skora smatran za planetu i učestvovao je u modelima nastanka Sunčevog sistema. Autorka ovog teksta je namerno zadržala stari status Plutona, kako bi čitaoci mogli da steknu sliku o očitoj razlici između Plutona i ostalih velikih tela Sunčevog sistema.

Ova teorija objašnjava nastanak džinovskih planeta, uzimajući u obzir njihovu malu srednju gustinu. Ipak, u spoljašnjim delovima našeg sistema mogu se naći tela visoke gustine, zbog čega sada moramo da je dopunimo. Pretpostavlja se da se u još hladnijim delovima tj. udaljenijim od onih gde se nalaze planete jupiterovog tipa, ugljenik vezao za kiseonik formirajući ugljen monoksid (gas) koji je uglavnom bio raznet sunčevim vetrom još u fazi T Tauri, da bi se u ovakvim uslovima dobile planete sa malom totalnom masom i visokom gustinom. Međutim, ova dopuna nije još dovoljno dobra da objasni visoku gustinu Plutona.

Danas možemo naći više različitih teorija, ali kao posledica pokušaja da se jedan detalj objasni na drugačiji način. Teorija koju sam izdvojila, povrh toga što je najaktuelnija, je i ona koja se danas uči na svim studijama. Ipak, i dalje postoje pristalice Džinsove teorije koja se od teorije kondezacije razlikuje već u samom početku. Naravno, postoje njene modifikovane verzije te umesto da je pored Sunca prošla neka zvezda, uzima se da je na oticanje materije iz Sunca uticala zvezda iz jata u kome su obe zvezde nastale. Da bismo saznali koja od ovih teorija najbolje opisuje nastanak našeg planetarnog sistema, moraćemo još dugo da čekamo.

  

Reference:

Olga Atanacković-Vukmanović, Mirjana Vukičević-Karabin, Opšta astrofizika, 2004., Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd

Simon F. Green, Sun and Stars, 2003., The Open University, United Kingdom