Nastanak Suncevog sistema - nasport.pmf.ni.ac.rsnasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2892/Kosmogonija...
Transcript of Nastanak Suncevog sistema - nasport.pmf.ni.ac.rsnasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2892/Kosmogonija...
Podela teorija
• naj~e{}e prema po~etnim uslovima• prema odgovorima na pitanja:
1. Da li su Sunce i planete nastali od istog me|uzvezdanog materijala (tj. da li su kogeneri~ki)?
2. Da li su planete nastale od me|uzvezdanog ili zvezdanog materijala ?
• tako|e podela na:– hipoteze hladne magline– sudarne hipoteze– hipoteze vru}e magline
Op{te osobine Sun~evog sistema
1. svaka planeta je relativno izolovana u prostoru2. orbite planeta su skoro kru`nice3. orbite se nalaze u istoj ravni4. smer rotacije planeta oko Sunca je isti kao smer
rotacije Sunca oko svoje ose5. planete rotiraju oko svoje ose u istom smeru kao i
Sunce6. sateliti rotiraju oko planeta u istom smeru u kojem
planete rotiraju oko svoje ose7. postoje velike razlike izme|u planeta8. asteroidi – stara tela, ne mogu se uvrstiti ni u
unutra{nje ni spolja{nje planete, kao ni u njihove satelite
9. komete – prastara, ledena tela; najbrojnija u tzv. Ortovom oblaku
Hipoteze o nastanku planeta
1. Laplasova teorija magline
2. D`insova teorija
3. Vulfsonova teorija
4. Akreciona teorija
5. Alfvenova teorija
1. Gasni oblak
• pre 4,5 milijardi godina – pre~nik 50 sv. god (40 miliona puta ve}i nego pre~nik Sun~evog sistem
• mala gustina – nekoliko hiljada atoma po cm3
• masa dovoljna za nastanak nekoliko zvezdanih sistema• temperatura – pribli`na temperaturi me|uzvezdanog gasa, oko 3 K• postojale dve mogu}nosti – {irenje ili skupljanje
2. Globule
• posle nekoliko hiljada godina• mesta na kojima je slu~ajno
do{lo do grav. sa`imanja• temperatura – sporo pove}avala• oblak nije emitovao nikakvu
svetlost• od jedne od globula nastalo
Sunce, pre~nik nekoliko hiljada puta ve}i od Sun~evog sistema
FazaVreme (god)
Temp..u centru
(K)
Pov. temp. (K).
Gustina (~est/m3)
Pre~nik (km)
Objekat
1 2 x 106 10 10 109 1014 me|uzvezdani gas
2 3 x 104 102 10 1012 1012 zvezdani oblak
3 105 104 100 1018 1010 globule
4 106 106 3000 1024 108 protozvezda
5 107 5 x 106 4000 1028 107 protozvezda
6 3 x 107 107 4500 1031 2 x 106 zvezda
7 1010 1,5 x 107 6000 1032 1,5 x 106 stabilna zvezda
3. Protozvezda• za narednih 400.000 god.
globule su se sabile na milioniti deo prvobitne zapremine, ali i dalje 4 puta ve}e od dana{njeg Sun~evog sistema
• u centru po~elo da se stvara jezgro
• po~elo da emituje energiju –protozvezdani vetar
• za nekoliko hiljada god. smanjila na pre~mik orbite Marsa
• pove}anje temperature u centru na 56.000 K
• emitovana crvenkasta svetlost –posledica gravitacionog sa`imanja
4. Sunce • nastavilo sa`imanje, rasla temeratura
• po~inje fuzija 1H2 u 2He3
• usporeno sa`imanje• teperatura sve vi{e rasla• zvezda je ro|ena• osloba|a ogromna
koli~ina nuk. energije• promenljiva zvezda –
varirali sjaj i akrtivnos (razvoj jezgra i konvektivne zone)
• posle 30 miliona god –struktura se stabilizovala
• trenutno polovina razdoblja
• 5 milijardi tona H pretvara u He svake sekunde
Laplasova teorija magline• teoriju zasnovanu na solarnoj maglini prvi
predlo`io Emanuel Svedenborg (1734)• bolje obradio Imanuel Kant (1755) u delu
“Op{ta teorija prirode”• prva nau~na Pijer Laplas 1796. god.• Sunce i planete nastali istovremeno u
kolapsu me|uzvezdanog gasa• dok se ovaj oblak zgu{njava iza njega su
ostajali tzv Laplasovi prstenovi• planete su se obrazovale iz Laplasovih
prstenova
• rotacija planeta oko sopstvene ose – posledica razli~itih linijskih brzina ~estica koje su je formirale
• na isti na~in nastali i sateliti• komete – “gosti” Sun~evog sistema
• Problemi ! ! !– moment impulsa – kao i sve druge monisti~ke teorije
predvi|a da se moment impulsa raspore|uje proporcionalno masi; u stvarnosti suprotno: Sunce sa 99,86 % mase poseduje samo 0,5 % momenta impulsa
– najve}u kritiku uputio D`ejms Maksvel 1875. god. – na osnovu Saturnovovih prstenova dolazi do zaklju~ka da bi Laplasovi prstenovi morali da budu nekoliko stotina puta masivniji od planete
– Edvard Ro{e 1854. god. – poku{aj da se prevazi|e problem momenta impulsa – formirana zvezda zarobila planetarni materijal => D`insova hipoteza
• polazi o sudara Sunca i neke druge zvezde
• zvezda mnogo ve}a od Sunca• zvezda dovela do “oticanja”
materijala sa Sunca• sve se odigralo vrlo brzo, ali ostale
trajne posledice• struja gasa obilika elipsoida (cigare)• iz srednjeg dela sutruje nastale
najve}e planete• sateliti – na isti na~in, uloga
perturbuju}eg tela = Sunce• Nedostatci:
– redak doga|aj– moment impulsa (obja{njen kao
posledica spore rotacije Sunca)
D`insova hipoteza
Vulfsonova hipoteza
dovoljno velikoj udaljenosti od Sunca da bi se do prolaska kroz perihel otrgnuti materijal zgusnuo u protoplanete koje bi izdr`ale ja~e delovanje gravitacije Sunca
• u prvim modelima pretpostavljalo da je zvezda bila u stanju vrlo sporog sa`imanja
• tipovi interakcija: spore i brze
• planete su nastale od materijala koji je Sunce otrglo sa druge zvezde
• Vulfson (1964) – pre~nik protozvezde iznosio 14,7AJ, masa 0,15 masa Sunca
• zaklju~eno: da bi nastale planete materijal zarobljabanje materijala mora da se odigra na
• spore interakcije – rastojanje u perihelu izme|u Sunca i protozvezde bilo 3 ili vi{e puta ve}e od polupre~nika protozvezde
• brze interakcije –rastojanje reda veli~ine pre~nika protozvezde• terminologija proizilazi iz brzine protozvezde toko pribli`avanja perihelu
• spori susreti – zvezda skoro da ne reaguje na poja~anje
grav. polja– materijal napu{ta protozvezdu u blizini
afela• brzi susreti
– ~e{}i u prirodi– materijal napu{ta zvezdu blizu perihela– rastojanje u afelu ve}e nego u slu~aju sporih
susreta– vi{e vremena da od filamenata nastanu
planete• prva hipoteza iz 1964. – sporog tipa
• protozvezda pre~nika 16,7 AJ, mase 0,25 SO i stope kolapsa 0,042 AJ/god.
• pribli`ava se Suncu po skoro paraboli~noj orbiti sa perihelom od 20,7 AJ
Akreciona hipoteza
• Sun~evi “sateliti” postepeno nastajali od hladnih, ~vrstih ~estica koje su se sudarale i sjedinjavale
• Od mikroskopskih zrna pra{ine, preko slu~janih sudara, do asteroida i planeta – 250 miliona g.
• me|uzvezdani materijal – metali, karbonati, hidrogenkaroboanti, silikati, NH3, H2S, HCN, CO, itd
• Sol. maglina – pre 6-7 milijardi g.• Dinami~ki kolaps – gravitaciono
sa`imanje i “ravnanje” diska• Hemijske r-je u gasu – nastaju
slo`eniji molekilu• Zrnca pra{ine su po~ela da se
sudaraju
• “zrnca” sjedinjavala i postajala ve}a
• Pripajali im se i neki novoformirani molekuli
• Za 250 miliona god – nastali objekti veli~ine 10 – 50 km –planetezimali (neke teorije 1000 km)
• Sudari – brzi i spori (i danas u “brzim” sudarima u asteroidnom pojasu nastaju meteoridi
• Potvrda – asteroidi Kastalia i Tautatis (prestao rast, mo`da nastali kasnije)
• Protoplanete = planetezimale ve}e od 250 km u pre~niku
• Kru`e oko pra-sunca, svojom grav. privla~e sitnije planetezimale
• Ve}a masa => ja~a gravitacija• “gravitaciono ~i{}enje” – proces rasta
• priliv materije na protoplanetu bivao je sve intenzivniji
• energija oslobo|ena pri udarima topila povr{inu planete do dubine od nekoliko kilometara
• u unutra{njosti – raspad “zarobljenih” radioaktivnih elemenata (Al26, I129, Pu244) –topljenje
• protoplanete bile u potpunosti otopljene => gravitaciono razdvajanje elemenata, oblik sferoida
• manja tela – nisu bila otopljena, razli~iti oblici• kona~na veli~ina planeta kad su privukla sva okolna manja tela,
ili kad su ona zauzela stabilne orbite oko Sunca• mala tela = asteroidi
• povr{ina planete po~ela da se hladi i o~vr{}ava
• svi slede}i sudari ostavljali trajne “o`iljke” na povr{ini planeta Zemljinog tipa
• ovaj proces po~eo pre oko 4,6 milijardi god.
• Dalje hladjenje planeta dovodilo do pucanja kore• kroz pukotine lava izlazila napolje• tzv. “mora” na Mesecu, drugim satelitima i Merkuru –
ravnice ispunjene lavom• bombardovanje planeta okon~ano pre oko 3,5 milijardi god.
a) pre 4 milijarde godina: intenzitet bombardovanja meteorita se smanjio a kora o~vrsnula
b) pre 3 milijarde godina: lava se probila na povr{inu, ispunila ravnice, nastala su mora
c) Mesec danas
• tela manja od 250 km u pre~niku – nije bilo gravitacionog ~i{}enja, ali ako su bila ve}a od 50 km – topljenje unutra{njih slojeva => slojevito izdvajanje elemenata
• Sunce postajalo sve manje i toplije
• pre 5 milijardi godina veliko kao orbita Plutona, planete nisu postojale
• temperatura rasla – pritisak zra~enja i solarni vetar oduvali lak{e gasove (H2 i He) ka spoljnjim delovima, zbog toga “manjak” tih elemenata kod unutra{njih planeta
• Planete Jupiterovog tipa – daleko, zadr`ale ove elemente
• u spoljnjim delovima – temp. ni`e, ostalo mnogo vi{e “isparljivih” elemenata (H2O, CO2) u zale|enom stanju, vremenom dospeli na povr{inu satelita velikih planeta
• Komete – nastale akrecijom u najudaljenijim oblastima, sastavljene od velike koli~ine leda
• nalaze na dva mesta: Ortov oblak (50.000 AU), Kuiperov pojas (iza Plutona do neke daljine manje od 50.000 AU)
Alfvenova teorija• jedna od najmla|ih teorija; dosta
razlikuje od ostalih• elektromagnetne sile – presudna
uloga u nastanku Sun~evog sistema• nastajanje me|uzvezdanih oblaka
pod dejstvom el. mag sila – pin~-efekat
• u me|uzvezdanom obalku dolazi i do hemijske diferencijacije
• vlaknasta struktura me|uzvezdanih oblaka
• protozvezde tako|e nastaju gravitacionim kolapsom
• kod oblaka male mase (red veli~ine jedne solarne mase) mo`e do}i do kolapsa
• dva efekta uti~u na smanjenje gustine oblaka
1. efekat el. mag. su`avanja – gustina oblaka raste sve dok ne postane dovoljna da mo`e da do|e do gravitacionog kolapsa
2. javlja u oblacima gasovite plazme. Ako gas sadr`i ~estice dovoljno velike da na njihovo kretanje ne uti~u el. mag. sile onda te ~estice usled akrecije obrazuju loptastu masu dovoljno veliku da izazove gravitacioni kolaps oblaka
• kako je struja u oblaku kosmi~ke plazme vi{esmerna on se razbija na vi{e manjih oblaka
• iz ovih oblaka kasnije nastaju protozvezde (istim mehanizmom koji deluje prilikom akrecije planetezimala u planete)
• u oblaku se javljaju centri kondenzacije – gravitacioni potencijal ima nekoliko maksimuma
• izme|u protozvezde i ostatka oblaka nastaje praznina• dva op{ta modela za obrazovanje planeta i satelita
– magnetohidrodinami~ki model– model Laplasa
• u Alfvenovoj teoriji karakteristi~an proces nastanka planetezimala – u tom procesu presudnu ulogu igraju kosmi~ka plazma i el. mag. delovanja; planete nastaju akrecijom planetezimala
[ta je bilo sa Zemljom i Mesecom ?
• u kratkom vremenskom intervalu Zemlja sakupila ve}inu materijala, bila je u potpuno otopljenom stanju
• te`i elementi (Fe) tonuli ka centru, lak{i (silikati i oksidi) peli ka povr{ini – omota~ jezgra, najlak{i – formirali koru
• pre 4 – 4,5 milijardi god – Zemlja se hladila, velika vulkanska aktivnost; atmosfera (CO2, CO, N2, vodena para, H2S, H2)
• hla|enje planete => kondenzovanje i nastanak okeana• pre misija “Apolo” tri hipoteze o nastanku Meseca:
1. teorija fisije2. teorija zarobljavanja3. koakreciona teorija
• kasnije – teorija sudara
Nastanak kometa• 1950. god, Jan Ort - hipoteze o postojanju ogromnog oblaka
oko Sunca koji je sa~injen od kometa• najve}a koncentracija – 50.000 AU (tj. 0,8 sv. god ili 1/5
rastojanja do najbli`e zvezde)• Kuiperov pojas – mesto gde se nalaze kratkoperiodi~ne
komete
• velika ve}ina kometa u ovom oblaku, nikad ne pribli`ava Suncu
• gravitacioni uticaj Susednih zvezda – neke komete napu{taju oblak, tek poneka pri|e dovoljno blizu da bi bila vidljiva
• statisti~ka procena – oko 100 milijardi kometa, ukupna masa ne{to malo ve}a od mase jedne prose~ne planete (npr. Uran)
Teorije o nastanku kometa
1. Raspad Featona2. Kosmogonija i komete3. Alfvenova hipoteza4. Me|uzvezdano poreklo
Raspad Featona
• Ort smatrao da je oblak posta raspadom hipoteti~ke planete Featon (sin boga Sunca Helija)
• planeta nalazila izme|u Marsa i Jupitera• vidljiv ostatak – asteroidni pojas• od prvih dana mnogo protivnika, potpuno napu{tena• najve}i problem – uzrok eksplozije; mo`da se Featon na{ao
suvi{e blizu Jupiteru, usled jakog plimskog dejstva pregrejao, zatim raspao
• savremenije tuma~enje – 90 puta masivniji od Zemlje; najve}i deo u obliku asteroida, jezgra kometa ili meteorida, napustio Sun~ev sistem; deo zadr`ao na periferiji kao Ortov oblak; hiljaditi deo mase ostao je na staroj putanji
• u prilog teoriji – u asteroidnom pojasu kratkoperiodi~ne komete
Kosmogonija i komete• naj{ire prihva}ena teorija – komete nastale kad i Sun~ev sistem• sastavljene od najstarijeg materijala, vrlo malo izmenjen u
proteklih 4,5 milijardi godina• mala tela – ostatci roja tela od koga su formirane planete• asteroidi – kamenita tela unutra{nje, komete – ledena tela
spolja{nje zone• nekoliko hipoteza• “kometna zgu{njenja” - od njih nastale komete, asteroidi i
planete – sli~nost u hemijskom sastavu sa me|uzvezdanim maglinama
• mehanizam nastanka isti kao i nastanak protozvezda• tvrde da je verovatno}a nastanka velikih planeta direktnim
zgu{njavanjem mnogo manja od verovatno}e njihovog nastanka u sudarima prvobitnih “kometnih zgu{njenja”
• druga vrsta hipoteza:• nastale na rastojanju 10–1000 AU• izba~ene u sferu na 50.000 AU• izbacivanje – grav. velikih planeta• manji deo izba~enog materijala
ostajao na periferiji• najve}i deo mase izbacio Jupiter,
kometni oblak najvi{e Neptun i Uran
• po proceni Ortov oblak – 3 puta ve}a masa od Zemlje
• nedostatak – ve}ina izba~enih tela napu{ta Sun~ev sistem, izba~eno isuvi{e mnogo materijala
• savremeno tuma~enje – komete nastale tamo gde su i sad; nastale od fragmenata solarne magline koji nisu bili uklju~eni u sa`imanje i nastanak planeta
• ne postoji razlika izme|u planetezimala i kometnih zgu{njenja
Alfvenova hipoteza• po~etkom 70-ih godina – prili~no nestandardne hipoteze• meteorski rojevi – materijal koji kometa gubi• analogija pojava u plazmi i me|uplanetarnom prostoru• nova hipoteza o nastanku kometa i meteorskih potoka• analogija izme|u meteorskog toka u promenljivom grav. polju i
snopa elektrona u promenljivom el. polju• snop te`i grupisanju, gustina u pojedinim delovima poraste za
mnogo redova veli~ine• komete – kondenzacije u meteorskom potoku• vi{e principijalni nego konkretan zna~aj• deovanje ovih mehanizama sigurno postoji i imaju zna~ajnu
ulogu, ali dovoljno podataka o tome da se komete ne formiraju na ovakav na~in
Teorije o me|uzvezdanom poreklu
• prve hipoteze Keplera, Her{la i Laplasa• savremene osnove Litlton 1948. god.• uvo|enje Ortovog oblaka – ve{ta~ka tvorevina, ne prihvataju
dokaze o njegovom postojanju• bazira na prolasku Sunca kroz homogen me|uzvezdani oblak• ~estice oblaka opisuju hiperbole oko Sunca• hiperbole se presecaju du` linije paralelne vektoru brzine
Sunca• du` te linije – akrecija koja dovodi do nastanka kometa• usled neelasti~nih sudara ~estice gube deo energije,
hiperboli~ko kretanje pretvara u paraboli~ko ili elipti~no• ovakva akrecija bi morala da se dogodi, ali ne zna se da li
komete tako nastaju; komete gu{}e nego {to teorija predvi|a
• Poslednjih godina – zahvatanje “gotovih” kometa• po nekim hipotezama – veliki broj kometolikih tela u
me|uzvezdanom prostoru• kre}u se du` galaktocentri~nih orbita (sli~no zvezdama)• sfera delovanja Sunca – 60.000 AU, postaju zarobljene• po teoriji verovatno}e – najvi{e na velikim udaljenostima• hiperboli~ne orbite – uvek daleko od Sunca; neke – elipti~ne
orbite – mogu da postanu vidljive ako su im putanje izdu`ene• jedan susret Sunca sa gasnim oblakom – privremeno zahvata
1015 kometa, na nekoliko miliona godina• vi{e uzastopnih susreta – kvazi-ravnote`ni oblak sa 1011
kometa• Ortov oblak – nije samo hipoteti~ki, prirodna posledica
1. Crveni d`in • za 5 milijardi g. - “tre}e doba”• helijum gomila u centru• nakon 9 milijardi god - 10% H iz
jezgra bi}e prevedeno u helijum, fuzija }e prestati
• naru{avanje ravnote`e• fuzija po~inje u sloju oko jezgra• toplotna energija – Sunce po~inje
da raste, povr{ina hladi, postaje crvena
• temp. na povr{ini 3.000 K• {irenje nastavlja nekoliko stotina
miliona godina
• proguta}e Merkur, temp. na Veneri i Zemlji – ogromne• fuzija – ista situacija kao u jezgru, jo{ vi{e He nagomilanog u jezgru• ve}e usijanje i pove}anje mase jezgra
• fuzija He i C u jezgru, sve ve}a ekspanzija
• jezgro spro predaje toplotu, postaje nestabilno
• za samo nekoliko sati – suvi{e vrelo, eksplodira, spoljni slojevi apsorbuju eksploziju
• inertno jezgro, fuzija u omota~u
• proces {irenja i sa`imanja –nekoliko puta
• svako {irenje – hla|enje, usporavanje termonuklearnih r-ja
• smanjenje proizvodnje energije –zvezda se sa`ima
• pove}anje temperature, ponovno paljenje “unutra{nje vatre”, ponovna ekspanzija
• hiljade godina izme|u termalnih pulseva
• pulsevi postaju suvi{e sna`ni• spoljni slojevi odvajaju od
izgorelog jezgra, odlaze• umiru}a zvezda “smr{a” za ¼ do ½ svoje ukupne mase
• nastaje planetarna maglina• narednih 50.000 godna
• hiljade godina izme|u termalnih pulseva
• pulsevi postaju suvi{e sna`ni• spoljni slojevi odvajaju od
izgorelog jezgra, odlaze• umiru}a zvezda “smr{a” za ¼ do ½ svoje ukupne mase
• nastaje planetarna maglina• narednih 50.000 godna
2. Beli patuljak
• jezgro se sa`ima i hladi• ne postoji mogu}nost fuzije, o daljoj sudbini odlu~uje samo
gravitacija• atomi toliko zbijeni da se elektroni otkidaju od jezgra• jezgra “plove” u moru elektrona• Sunce dosti`e veli~inu Zemlje• pritisak elektrona }e zaustaviti dalju kontrakciju• svaka dalja kontrakcija => dva elektrona isto mesto • ogromna gustina (1 cm3 = 60 tona), temperatura 100.000 K• povr{inski slojevi se postepeno hlade kako se telo skuplja, kada
bude bilo veli~ine Zemlje, temp. 40.000 – 50.000 K• plavi~asto-bela svetlost
3. Crni patuljak
• posle plavi~asto bele, `uta a kasnije crvena svetlost
• dosti`e temperaturu okolog me|uzvezdanog prostora
• bogat ugljenikom i kiseonikom • nastavi}e da kru`i oko centa
galaksije