14.3: Uundaji wa Mfumo wa jua

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza vikwazo vya mwendo, kemikali, na umri ambavyo vinapaswa kukutana na nadharia yoyote ya malezi ya mfumo wa jua
• Kufupisha mabadiliko ya kimwili na kemikali wakati wa hatua ya jua ya nebula ya malezi ya mfumo wa jua
• Eleza mchakato wa malezi ya sayari duniani na kubwa
• Eleza matukio makuu ya mageuzi zaidi ya mfumo wa jua

Kama tulivyoona, comets, asteroids, na meteorites zinaendelea mabaki kutoka kwa michakato ambayo iliunda mfumo wa jua. Sayari, miezi, na jua, bila shaka, pia ni bidhaa za mchakato wa malezi, ingawa nyenzo ndani yao zimefanyika mabadiliko mbalimbali. Sasa tuko tayari kuweka pamoja habari kutoka vitu hivi vyote ili kujadili kile kinachojulikana kuhusu asili ya mfumo wa jua.

Vikwazo vya uchunguzi

Kuna baadhi ya mali ya msingi ya mfumo wa sayari ambayo nadharia yoyote ya malezi yake lazima ieleze. Hizi zinaweza kufupishwa chini ya makundi matatu: vikwazo vya mwendo, vikwazo vya kemikali, na vikwazo vya umri. Tunawaita vikwazo kwa sababu huweka vikwazo kwenye nadharia zetu; isipokuwa nadharia inaweza kueleza ukweli ulioonekana, haitaishi katika soko la ushindani la mawazo ambayo hufafanua jitihada za sayansi. Hebu tuangalie vikwazo hivi moja kwa moja.

Kuna mara kwa mara kwa mara kwa mwendo katika mfumo wa jua. Tuliona kwamba sayari zote zinazunguka jua katika mwelekeo huo na takriban katika ndege ya mzunguko wa Jua mwenyewe. Aidha, sayari nyingi zinazunguka katika mwelekeo sawa na zinavyozunguka, na zaidi ya miezi pia huhamia katika njia za kinyume (wakati zinaonekana kutoka kaskazini). Isipokuwa comets na vitu vingine vya trans-neptunian, mwendo wa wanachama wa mfumo hufafanua disk au sura ya Frisbee. Hata hivyo, nadharia kamili lazima pia iwe tayari kukabiliana na tofauti na mwenendo huu, kama mzunguko wa retrograde (sio mapinduzi) ya Venus.

Katika ulimwengu wa kemia, tuliona ya kwamba Jupiter na Saturn wana takriban muundo uleo—unaongozwa na hidrojeni na heliamu. Hizi ndizo sayari mbili kubwa zaidi, zenye mvuto wa kutosha kushikilia gesi yoyote iliyopo wakati na mahali ambapo iliunda; hivyo, tunaweza kutarajia kuwa mwakilishi wa nyenzo za awali ambazo mfumo wa jua uliunda. Kila mmoja wa wanachama wengine wa mfumo wa sayari ni, kwa kiwango fulani, haipo katika mambo ya mwanga. Uchunguzi wa makini wa muundo wa vitu imara vya mfumo wa jua unaonyesha maendeleo ya kushangaza kutoka sayari za ndani za chuma, kwa njia ya yale yaliyotengenezwa kwa kiasi kikubwa ya vifaa vya miamba, nje ya vitu vilivyo na nyimbo zinazoongozwa na barafu katika mfumo wa jua wa nje. Comets katika wingu la Oort na vitu vya trans-neptunian katika ukanda wa Kuiper pia ni vitu vya baridi, wakati asteroids inawakilisha muundo wa miamba ya mpito na nyenzo nyingi za giza, zenye kaboni.

Kama tulivyoona katika ulimwengu mwingine: Utangulizi wa Mfumo wa Jua, muundo huu wa jumla wa kemikali unaweza kutafsiriwa kama mlolongo wa joto: moto karibu na Jua na baridi tunapohamia nje. Sehemu za ndani za mfumo kwa ujumla zinakosa vifaa hivyo ambavyo havikuweza kufungia (kuunda imara) kwenye joto la juu lililopatikana karibu na Jua. Hata hivyo, kuna (tena) tofauti muhimu kwa muundo wa jumla. Kwa mfano, ni vigumu kueleza kuwepo kwa maji duniani na Mars kama sayari hizi ziliundwa katika eneo ambako halijoto lilikuwa moto mno kwa barafu ili kufungia, isipokuwa barafu au maji yaliletwa baadaye kutoka mikoa ya baridi. Mfano uliokithiri ni uchunguzi kwamba kuna amana ya polar ya barafu kwenye Mercury na Mwezi; hizi ni karibu kabisa sumu na kudumishwa na athari za mara kwa mara comet.

Mbali na umri unavyohusika, tulijadili kwamba dating ya mionzi inaonyesha kwamba baadhi ya miamba juu ya uso wa Dunia yamekuwepo kwa angalau miaka bilioni 3.8, na kwamba sampuli fulani za mwezi zina umri wa miaka bilioni 4.4. Meteorites ya kale yote ina umri wa mionzi karibu na miaka bilioni 4.5. Umri wa vitalu hivi vya ujenzi ambavyo hazijabadilishwa huchukuliwa kuwa umri wa mfumo wa sayari. Ufanana wa umri uliopimwa unatuambia kwamba sayari ziliundwa na crusts zao zimepozwa ndani ya makumi machache ya mamilioni ya miaka (zaidi) ya mwanzo wa mfumo wa jua. Zaidi ya hayo, uchunguzi wa kina wa meteorites ya kale unaonyesha kwamba hufanywa hasa kutokana na nyenzo ambazo zimefunguliwa au zimeunganishwa nje ya gesi ya moto; vipande vichache vinavyotambulika vinaonekana vimeishi kutoka kabla ya hatua hii ya mvuke ya moto miaka bilioni 4.5 iliyopita.

Nebula ya Jua

Vikwazo vyote vilivyotangulia vinalingana na wazo la jumla, lililoletwa katika ulimwengu mwingine: Utangulizi wa Mfumo wa Jua, kwamba mfumo wa jua uliunda miaka bilioni 4.5 iliyopita nje ya wingu la mvuke na vumbi linalozunguka- ambalo tunaita nebula ya jua-na muundo wa awali unaofanana na ule wa Jua leo. Wakati nebula ya jua ilipoanguka chini ya mvuto wake, nyenzo zilianguka kuelekea katikati, ambapo vitu vilizidi kujilimbikizia na moto. Kuongezeka kwa joto katika nebula kushuka vaporized zaidi ya nyenzo imara kwamba awali alikuwa sasa.

Wakati huo huo, nebula iliyoanguka ilianza kuzunguka kwa kasi kwa njia ya uhifadhi wa kasi ya angular (angalia sura za Orbits na Gravity na Dunia, Mwezi, na Sky). Kama skater takwimu kuunganisha mikono yake katika spin kasi, wingu kushuka spun haraka zaidi kama muda aliendelea. Sasa, fikiria jinsi kitu cha pande zote kinavyozunguka. Karibu na miti, kiwango cha spin ni polepole, na kinapata kasi unapopata karibu na ikweta. Kwa njia hiyo hiyo, karibu na miti ya nebula, ambapo njia zilikuwa za polepole, nyenzo za nebula zilianguka moja kwa moja katikati. Vifaa vya kusonga kwa kasi, kwa upande mwingine, vilianguka kwenye diski ya gorofa inayozunguka kitu cha kati (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kuwepo kwa nebula hii inayozunguka yenye umbo la diski inaelezea mwendo wa msingi katika mfumo wa jua ambao tulijadiliwa katika sehemu iliyotangulia. Na kwa kuwa waliunda kutoka kwenye disk inayozunguka, sayari zote zinazunguka kwa njia ile ile.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Hatua katika Kuunda mfumo wa jua. Mfano huu unaonyesha hatua katika malezi ya mfumo wa jua kutoka nebula ya jua. Kama nebula inapungua, mzunguko wake husababisha kuenea kwenye diski. Mengi ya nyenzo ni kujilimbikizia katika kituo cha moto, ambayo hatimaye kuwa nyota. Mbali na kituo hicho, chembe zilizo imara zinaweza kufungia kama nebula inavyozidi, ikitoa kupanda kwa sayari, vitalu vya ujenzi wa sayari na miezi.

Picha ya nebula ya jua mwishoni mwa awamu ya kuanguka, wakati ilikuwa katika hottest yake. Kwa nishati ya mvuto zaidi (kutoka kwa nyenzo zinazoanguka) ili kuwaka, nebula nyingi zilianza kupendeza. Nyenzo zilizo katikati, hata hivyo, ambako zilikuwa moto zaidi na zimejaa zaidi, ziliunda nyota iliyohifadhi joto la juu katika jirani yake ya haraka kwa kuzalisha nishati yake mwenyewe. Mzunguko mkali na mashamba ya magnetic ndani ya disk yanaweza kukimbia kasi ya angular, kuiba vifaa vya disk ya baadhi ya spin yake. Hii iliruhusu nyenzo zingine kuendelea kuanguka kwenye nyota inayoongezeka, wakati disk iliyobaki imetulia hatua kwa hatua.

Joto ndani ya diski lilipungua kwa umbali unaoongezeka kutoka Jua, kama vile joto la sayari linatofautiana na msimamo leo. Kama disk kilichopozwa, gesi ziliingiliana kikemia ili kuzalisha misombo; hatimaye misombo hii imeshuka ndani ya matone ya kioevu au nafaka imara. Hii ni sawa na mchakato ambao matone ya mvua duniani yanajitokeza kutoka hewa yenye unyevunyevu inapoinuka juu ya mlima.

Hebu tuangalie kwa undani zaidi jinsi nyenzo zimehifadhiwa katika maeneo tofauti katika disk ya kukomaa (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Vifaa vya kwanza kutengeneza nafaka imara zilikuwa metali na silicates mbalimbali zinazounda mwamba. Halijoto ilipopungua, hizi zilijiunga katika sehemu kubwa ya nebula ya jua kwa misombo ya sulfuri na kwa silikati za kaboni na maji, kama vile zile zilizopatikana sasa kwa wingi kati ya asteroidi. Hata hivyo, katika sehemu za ndani za disk, hali ya joto haijawahi kushuka chini ya kutosha kwa vifaa kama vile barafu au misombo ya kikaboni ya kikaboni ili kuimarisha, hivyo hawakuwepo kwenye sayari za ndani.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Kemikali Condensation Mlolongo katika Nebula Solar. Kiwango kando cha chini kinaonyesha halijoto; hapo juu ni vifaa vinavyoweza kufungia katika kila halijoto chini ya hali inayotarajiwa kushinda katika nebula.

Mbali na Jua, joto la baridi liliruhusu oksijeni kuchanganya na hidrojeni na kuimarisha kwa njia ya maji (H ₂ O) barafu. Zaidi ya obiti ya Saturn, kaboni na nitrojeni pamoja na hidrojeni kutengeneza ices kama vile methane (CH ₄) na amonia (NH ₃). Mlolongo huu wa matukio unaelezea tofauti za kimsingi za kemikali kati ya mikoa mbalimbali ya mfumo wa jua.

Mfano\(\PageIndex{1}\): mzunguko wa nebula ya jua

Tunaweza kutumia dhana ya kasi ya angular kufuatilia mageuzi ya nebula ya jua inayoanguka. Kasi ya angular ya kitu ni sawa na mraba wa ukubwa wake (kipenyo) umegawanyika na kipindi chake cha mzunguko (\(D^2/P\)). Ikiwa kasi ya angular imehifadhiwa, basi mabadiliko yoyote katika ukubwa wa nebula yanapaswa kulipwa kwa mabadiliko ya kawaida kwa kipindi, ili kuweka\(D^2/P\) mara kwa mara. Tuseme nebula ya jua ilianza kwa kipenyo cha 10,000 AU na kipindi cha mzunguko wa miaka milioni 1. Ni kipindi gani cha mzunguko wakati umepungua hadi ukubwa wa obiti ya Pluto, ambayo Kiambatisho F inatuambia ina radius ya takriban 40 AU?

Suluhisho

Tunapewa kwamba kipenyo cha mwisho cha nebula ya jua ni karibu 80 AU. Akibainisha hali ya awali kabla ya kuanguka na hali ya mwisho katika obiti Pluto, basi

\[\frac{P_{\text{final}}}{P_{\text{initial}}}= \left( \frac{D_{\text{final}}}{D_{\text{initial}}} \right)^2= \left( \frac{80}{10,000} \right)^2=(0.008)^2=0.000064 \nonumber\]

Kwa\(P_{\text{initial}}\) sawa na miaka 1,000,000\(P_{\text{final}}\), kipindi kipya cha mzunguko, ni miaka 64. Hii ni mfupi sana kuliko wakati halisi Pluto inachukua kwenda kuzunguka Jua, lakini inakupa hisia ya aina ya kuharakisha uhifadhi wa kasi angular inaweza kuzalisha. Kama tulivyosema hapo awali, taratibu zingine zilisaidia nyenzo katika diski kupoteza kasi ya angular kabla ya sayari kuundwa kikamilifu.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Kipindi gani cha mzunguko wa nebula katika mfano wetu kingekuwa wakati ulipopungua hadi ukubwa wa obiti ya Jupiter?

Jibu

Kipindi cha nebula inayozunguka ni inversely sawia na\(D^2\). Kama tulivyoona tu,\(\frac{P_{\text{final}}}{P_{\text{initial}}} = \left( \frac{D_{\text{final}}}{D_{\text{initial}}} \right)^2\). Awali, tuna\(P_{\text{initial}} = 106 yr and \(D_{\text{initial}}\) = 104 AU. Kisha, ikiwa\(D_{\text{final}}\) iko katika AU,\(P_{\text{final}}\) (katika miaka) hutolewa na\(P_{\text{final}}=0.01D^2_{\text{final}}\). Ikiwa obiti ya Jupiter ina radius ya 5.2 AU, basi kipenyo ni 10.4 AU. Kipindi hicho ni miaka 1.08.

Uundaji wa Sayari za Dunia

Mbegu ambazo zimehifadhiwa katika nebula ya jua badala ya haraka zilijiunga na chunks kubwa na kubwa, mpaka nyenzo nyingi zilikuwa imara zilikuwa katika mfumo wa sayetesimali, chunks kilomita chache hadi makumi machache ya kilomita kwa kipenyo. Baadhi ya sayari za sayari bado zinaishi leo kama comets na asteroids. Wengine wameacha alama zao kwenye nyuso zilizopigwa za ulimwengu wengi tuliojifunza katika sura za awali. Hatua kubwa juu ya ukubwa inahitajika, hata hivyo, kwenda kutoka sayari hadi sayari.

Baadhi ya sayari za wanyama zilikuwa kubwa za kutosha kuwavutia majirani zao kwa mvuto na hivyo kukua kwa mchakato unaoitwa accretion. Wakati hatua za kati hazieleweki vizuri, hatimaye vituo kadhaa vya kuongezeka vinaonekana vimeongezeka katika mfumo wa jua wa ndani. Kila moja ya hizi zilivutia sayari zinazozunguka hadi ilipopata masi inayofanana na ile ya Mercury au Mars. Katika hatua hii, tunaweza kufikiria vitu hivi kama protoplanets — “si tayari kabisa kwa wakati mkuu” sayari.

Kila moja ya protoplanets hizi iliendelea kukua kwa kuongezeka kwa sayari. Kila sayari inayoingia iliharakishwa na mvuto wa protoplaneti, ikipiga kwa nishati ya kutosha kuyeyusha projectile na sehemu ya eneo la athari. Hivi karibuni protoplanet nzima iliwaka moto hadi juu ya joto la kiwango cha miamba. Matokeo yake yalikuwa tofauti ya sayari, na metali nzito inayozama kuelekea msingi na silicates nyepesi inayoongezeka kuelekea uso. Kama walikuwa moto, protoplanets ndani waliopotea baadhi ya wakazi wao tete zaidi (gesi nyepesi), na kuacha zaidi ya mambo nzito na misombo nyuma.

Uundaji wa Sayari kubwa

Katika mfumo wa jua wa nje, ambapo malighafi zilizopo zilijumuisha barafu pamoja na miamba, protoplaneti zilikua kuwa kubwa zaidi, zikiwa na raia mara kumi zaidi kuliko Dunia. Protoplaneti hizi za mfumo wa jua wa nje zilikuwa kubwa kiasi kwamba ziliweza kuvutia na kushikilia gesi iliyozunguka. Kama hidrojeni na heliamu zilianguka haraka kwenye cores zao, sayari kubwa ziliwaka moto na nishati ya kupinga. Lakini ingawa sayari hizi kubwa zilipata moto zaidi kuliko ndugu zao wa duniani, zilikuwa ndogo mno ili kuongeza joto na shinikizo la kati hadi pale ambapo athari za nyuklia zinaweza kuanza (na ni athari kama hizo zinazotupa ufafanuzi wetu wa nyota). Baada ya kun'aa nyekundu nyekundu kwa miaka elfu chache, sayari kubwa hatua kwa hatua kilichopozwa kwa hali yao ya sasa (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Saturn kuonekana katika Infrared. Picha hii kutoka kwa spacecraft Cassini imeshikamana pamoja na uchunguzi wa mtu binafsi 65. Jua linalojitokeza katika wavelength ya micrometers 2 inavyoonekana kama bluu, jua yalijitokeza katika micrometers 3 inavyoonekana kama kijani, na joto huangaza kutoka mambo ya ndani ya Saturn katika micrometers 5 ni nyekundu. Kwa mfano, pete za Saturn zinaonyesha jua kwenye micrometers 2, lakini si kwa micrometers 3 na 5, hivyo huonekana bluu. Mikoa ya polar ya kusini ya Saturn inaonekana inang'aa na joto la ndani.

Kuanguka kwa gesi kutoka nebula kwenye vipande vya sayari kubwa kunaelezea jinsi vitu hivi vilipata karibu muundo sawa wa hidrojeni kama Jua. Mchakato huo ulikuwa na ufanisi zaidi kwa Jupiter na Saturn; kwa hiyo, nyimbo zao ni karibu zaidi “cosmic.” Gesi ndogo sana ilitekwa na Uranus na Neptune, ndiyo sababu sayari hizi mbili zina nyimbo zinazoongozwa na vitalu vya ujenzi wa barafu na miamba ambavyo viliunda vipande vyao vikubwa badala ya hidrojeni na heliamu. Kipindi cha malezi ya awali kilikwisha wakati sehemu kubwa ya malighafi zilizopo zilitumiwa juu na upepo wa jua (mtiririko wa chembe za atomiki) kutoka Jua mdogo ulipiga mbali ugavi uliobaki wa gesi nyepesi.

Mageuzi zaidi ya Mfumo

Michakato yote tuliyoelezea tu, kutoka kuanguka kwa nebula ya jua hadi kuundwa kwa protoplanets, ilitokea ndani ya miaka milioni chache. Hata hivyo, hadithi ya kuundwa kwa mfumo wa jua haikukamilika katika hatua hii; kulikuwa na sayari nyingi na uchafu mwingine ambao haukujilimbikiza awali kuunda sayari. Hatima yao ilikuwa nini?

Comets inayoonekana kwetu leo ni ncha tu ya barafu la cosmic (ikiwa utasamehe pun). Comets nyingi zinaaminika kuwa katika wingu la Oort, mbali na kanda ya sayari. Comets ya ziada na sayari za kibete za barafu ziko kwenye ukanda wa Kuiper, ambao huweka zaidi ya obiti ya Neptune. Vipande hivi vya barafu pengine viliumbwa karibu na njia za sasa za Uranus na Neptune lakini ziliondolewa kutoka kwenye njia zao za awali na ushawishi wa mvuto wa sayari kubwa.

Katika sehemu za ndani za mfumo, sayari zilizobaki na pengine protoplanets kadhaa kadhaa ziliendelea kuzunguka. Zaidi ya muda mrefu tunayojadili, migongano kati ya vitu hivi hayakuepukika. Athari kubwa katika hatua hii pengine zimevua Mercury ya sehemu ya vazi na ukanda wake, ilibadilisha mzunguko wa Venus, na kuvunja sehemu ya Dunia ili kuunda Mwezi (matukio yote tuliyojadiliwa katika sura nyingine).

Athari ndogo ndogo pia aliongeza wingi kwa protoplanets ndani. Kwa sababu mvuto wa sayari kubwa ungeweza “kuchochea” njia za sayari za sayari, nyenzo zinazoathiri protoplaneti za ndani zinaweza kuja kutoka karibu popote ndani ya mfumo wa jua. Tofauti na hatua ya awali ya kuongezewa, kwa hiyo, nyenzo hii mpya haikuwakilisha aina nyembamba za nyimbo.

Matokeo yake, sehemu kubwa ya uchafu uliovuma sayari za ndani ilikuwa nyenzo zenye utajiri wa barafu ambazo zilikuwa zimefunguliwa katika sehemu ya nje ya nebula ya jua. Kama bombardment hii kama comet iliendelea, Dunia ilikusanya maji na misombo mbalimbali ya kikaboni ambayo baadaye itakuwa muhimu kwa malezi ya maisha. Mars na Venus pengine pia walipata maji mengi na vifaa vya kikaboni kutoka chanzo kimoja, kama Mercury na Mwezi bado wanafanya kuunda kofia zao za polar.

Hatua kwa hatua, kama sayari zilivyopanda au kukataa uchafu uliobaki, sayari nyingi zimepotea. Katika mikoa miwili, hata hivyo, njia imara zinawezekana ambapo sayari zilizobaki zinaweza kuepuka kuathiri sayari au kutolewa kutoka kwenye mfumo. Mikoa hii ni ukanda wa asteroidi kati ya Mars na Jupiter na ukanda wa Kuiper ng'ambo ya Neptune. Planetesimals (na vipande vyao) vinavyoishi katika maeneo haya maalum ni kile tunachokiita sasa asteroids, comets, na vitu vya trans-neptunian.

Wanaastronomia walizoea kufikiri kwamba mfumo wa jua uliojitokeza kutokana na mageuzi haya mapema ulikuwa sawa na kile tunachokiona leo. Uchunguzi wa kina wa hivi karibuni wa njia za sayari na asteroids, hata hivyo, zinaonyesha kuwa kulikuwa na matukio ya vurugu zaidi hivi karibuni baadaye, labda ikihusisha mabadiliko makubwa katika njia za Jupiter na Saturn. Sayari hizi mbili kubwa hudhibiti, kwa njia ya mvuto wao, usambazaji wa asteroids. Kufanya kazi nyuma kutoka kwenye mfumo wetu wa jua wa sasa, inaonekana kwamba mabadiliko ya orbital yalifanyika wakati wa miaka milioni mia moja ya kwanza. Matokeo moja huenda yamekuwa yameenea kwa asteroids ndani ya mfumo wa jua wa ndani, na kusababisha kipindi cha “bombardment nzito” kilichorekodiwa katika volkeno za zamani zaidi za mwezi.

Dhana muhimu na Muhtasari

Nadharia inayofaa ya malezi ya mfumo wa jua lazima izingatie vikwazo vya mwendo, vikwazo vya kemikali, na vikwazo vya umri. Meteorites, comets, na asteroids ni waathirika wa nebula ya jua ambayo mfumo wa jua uliundwa. Nebula hii ilikuwa ni matokeo ya kuanguka kwa wingu la gesi na vumbi la interstellar, ambalo limeambukizwa (kuhifadhi kasi yake ya angular) kuunda nyota yetu, Sun, iliyozungukwa na disk nyembamba, inayozunguka ya vumbi na mvuke. Uharibifu katika diski ulisababisha kuundwa kwa sayari, ambayo ikawa vitalu vya ujenzi wa sayari. Uwezo wa vifaa vya kupungua huwasha moto sayari, na kusababisha tofauti yao. Sayari kubwa ziliweza pia kuvutia na kushikilia gesi kutoka nebula ya jua. Baada ya miaka milioni chache ya athari za vurugu, uchafu wengi ulifutwa au kufukuzwa, na kuacha tu asteroids na mabaki ya cometary kuishi hadi sasa.

faharasa

uongezekaji

mkusanyiko wa taratibu wa molekuli, kama kwa sayari inayotokana na chembe za kugongana katika nebula ya jua