NASTANAK SUN^EVOG SISTEMA

Me|uzvezdana pra{ina – tamo gde je po~eo `ivot

Autor: Milan Milošević

• Aristotel (384 – 322. god. p.n.e)• Eratosten

• Platon (427 – 347. god. p.n.e)• Ptolomej (90 – 168. god)

• Nikola Kopernik (1473 – 1543. god)• Johan Kepler (1571 – 1630. god)

• Galileo Galilej (1564 – 1642. god)• Isak Njutn (1642 – 1727. god)

Ovako je sve po~elo…

Ovako je sve po~elo…

Ovako je sve po~elo…

Ovako je sve po~elo…

Ovako je sve po~elo…

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

Faze u evoluciji Sunca

1. gasni oblak2. globula3. protozvezda

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

Izgledalo je to otprilike ovako…

Izgledalo je to otprilike ovako…

Izgledalo je to otprilike ovako…

Izgledalo je to otprilike ovako…

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

Ali, dogodilo se i ovo...

• 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

Kako smo mi dospeli ovde ?

[ta nas dalje ~eka ?

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

LIVE from the Earth...

No Comment !

• 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

Da li smo stigli do kraja ...

Da li kraj uop{te postoji ?

“Istorija Sun~evog sistema mora biti ponovo napisana na osnovu

podataka sa lica mesta”

Hanes Alfven