ניתן להסביר את היווצרות התכונות הבולטות של מערכת השמש באמצעות שני תרחישים: א. צמיחה הדרגתית, ב. התנגשויות. בתרחישים אלה מערכת השמש החלה כענן של גז ואבק שהתמוטט לאט תוך יצירת דיסק שטוח. בתחילה, גרגרי אבק גדלו לגושים גדולים יותר ויותר באמצעות התנגשויות פשוטות שהסתיימו בהתלכדות לגוף גדול יותר. עם הזמן נוצרו גופים גדולים דיים, שהחלו לצמוח על ידי משיכה של חומר הנמצא בסמוך להם. תהליך הצטברות שכזה נוטה ליצור גופים מסתובבים באותו כיוון, שבו נע הדיסק מסתובב. מחקרים מציעים כי זמן המחזור האופייני של גופים הסובבים סביב צירם במערכת השמש נע בין 5 ל- 20 שעות. תוצאה תיאורטית העולה בקנה אחד עם התצפיות שלנו בפלנטות ואסטרואידים.
באדיבות וויקיפדיה
מודל זה גם מסביר את המרווח שבין הפלנטות. מחקרים מראים שאם שני גופים גדולים החלו לגדול במסלולים שהיו קרובים מדי זה לזה, בסופו של דבר הם יגדלו דיים כך שיצליחו למשוך האחד את השני בכוח הכבידה, להתנגש ולהתמזג. בדרך זו, ערפילית השמש התחלקה לאזורים בצורת טבעות סביב השמש, רדיוס כל אחת מהטבעות גדול פי 1.5 עד 2 פעמים מהרדיוס של הטבעת הסמוכה לה. התוצאה היא רק פלנטה אחת שולטת בכל אזור. (זהו למעשה חלק מההגדרה של פלנטה, והיא חלק מהסיבה מדוע פלוטו אינו פלנטה.) יוהן בודה הבחין בריווח זה לפני כמה מאות שנים, אם כי לא יכול להסביר אותו, למרות זאת המרווחים בין הפלנטות נקראים על שמו של בודה.
המדען הרוסי ויקטור ספרונוב היה אחד הראשונים שחישב את תהליך הצבירה הקולקטיבית. גרגרי ערפילית השמש התנגשו והצטברו, הם יצרו פלנטריזמים בגודל בינוני, החל בגודל מילימטרי ועד מאות קילומטרים. אנו יודעים כי פלנטריזמים גדולים היו בשפע בכל מערכת השמש הצעירה, בהתבסס על שלושה סוגי הראיות: ראשית, אנו רואים מכתשים על כוכבי לכת ועל פני ירחים, שנגרמו על ידי פגיעות של גופים בקוטר של לפחות 100 ק"מ. שנית, רבים מהמטאוריטים שחקרנו היו פעם חלק מגופים גדולים יותר, שגודלם הגיע עד כמה מאות קילומטרים. לבסוף, אנו רואים כיום אסטרואידים וגרעיני שביט במערכת השמש, שקוטרם מגיע לכמה מאות קילומטרים. אלה שרידים של פלנטות. הפלנטריזמים שנוצרו באותה עתה דמו לאסטרואידים רבים. ייתכן שהיו להם צורות לא סדירות, בגלל המיזוגים האסימטריים של גופים קטנים יותר, שבירה וקירור שנגרמו כתוצאה מהתנגשויות רבות.
באדיבות Teach Astronomy
אנו יכולים לשער, באופן כללי, כיצד התרחשה הצטברות חומר ויצרה פלנטות. אך פרטי התהליך מורכבים למדי. בהתחלה, פלנטות שמקיפות את השמש דמו למכוניות מרוץ, הנעות על נתיבים מקבילים של מסלול מרוץ עגול. אם הן התנגשו, מהירות הפגיעה הייתה נמוכה (יחסית זו לזו) כך שנוצרה "הידבקות". שום דבר לא הפריע בתחילה לתנועותיהם המעגליות או אילץ אותם "לשנות נתיבים", ולכן כל החלקיקים נעו יחד על מסלולים כמעט מעגליים. ככל שפלנטות גדלו, כוח הכבידה שלהן התחזק. תהליך זה הפריע באופן דרמטי לתנועתם של כוכבי לכת קטנים יותר שעברו בקרבת מקום, ונשלחו אל מסלול חדש מעבר למסלולים המעגליים, כמו מכונית שמשנה נתיבים. אתם יכולים לחשוב על זה במונחים של שימור אנרגיה: אם גוף מסיבי מעביר אנרגיה קינטית לגוף קטן בהרבה, הגוף מסיבי מאט רק מעט אבל הגוף הקטן מאיץ במידה רבה. לאחר יצירת כוכבי לכת גדולים העברת האנרגיה לא התרחשה באמצעות התנגשויות, אלא באמצעות אינטראקציות כבידה. בדרך זו מתגברת השאיבה של גופים שגודלם כגודל כוכבי לכת קטנים. מאוחר יותר, כאשר מהירותם גבוהה עלולים כוכבי הלכת הקטנים להתנגש זה בזה במהירויות גבוהות דיין כדי להרוס את עצמם. כך מסתיים תהליך הצמיחה של כל הגופים במערכת השמש, מלבד הפלנטות הגדולות.
כמה זמן נמשכת בניית פלנטה? ניתן לחשוב שתהליך יצירת פלנטה ימשך זמן רב, בעקבות הצטברות של פיסות זעירות. אם מדובר התהליך ליניארי, הצמיחה התרחשה על ידי הוספת חתיכה אחת בכל פעם. נניח שאנחנו מתחילים עם סלעים בגודל של 1 מטר, מסיימים בסלע הגדול ביותר כ- 100 ק"מ. הנפח הוא חזקה שלישית של הגודל, כך שידרשו
(100 / 0.001)3 = 1015
חתיכות קטנות ליצור גוש סלע גדול. הקוטר של פלנטה בגודל בינוני הוא כ- 10,000 קילומטרים. כלומר יש להכפיל ב-
(10,000 / 100)3 = 106
לכן מספר הפיסות הקטנות, שמרכיבות כוכב הלכת יהיה
1015 × 106 = 1021
או אלף מיליארד מיליארד. אם כל קטע של פלנטה נבנה באירועים המתרחשים אחד אחרי השני התהליך יחזור על עצמו 1,000,000,000,000,000 פעמים. זה נראה תהליך חסר סיכוי, אך הצבירה היא למעשה תהליך יעיל מאוד.
מה שקרה בפועל היה שהפלנטות הגדולות צמחו במהירות, תוך שהן גורפות גופים אחרים. תהליך זה אינו ליניארי; ככל שהן גדלו, כך המשיכה הכבידתית שלהן גרמה לפלנטות להאיץ את צמיחתן. ניתן למדוד את הזמן הדרוש לתהליך זה באמצעות תארוך רדיואקטיבי. חומרים רדיואקטיביים מסוימים בעלי זמן מחצית חיים של כמה מיליוני שנים היו לכודים בתוך גופים מטאוריטים לפני שהאיזוטופים החלו לדעוך. מחקרים שנערכו בשנות התשעים הראו כי גופי האב של מטאוריטים מסוימים הגיעו לקטרים של מאות קילומטרים, התחממו ונמסו חלקית, במשך כמה מיליוני שנים לאחר היווצרות השמש. זהו זמן קצר להפליא לעומת ההיסטוריה של מערכת השמש.
אם ההיסטוריה של מערכת השמש הנמשכת 4.6 מיליארד תיוצג כשנה אחת של כדור הארץ, גופים מוצקים דמויי אסטרואידים נוצרו מאבק נייטרלי ב- 1 בינואר. מחקרים שבוצעו באמצעות תארוך רדיואקטיבי מצביעים על כך, שהגופים הגדולים ביותר הגיעו לגודל של פלנטה לאחר 50 עד 100 מיליון שנים, כלומר אחוז אחד או שניים מזמן קיומה של מערכת השמש. באנלוגיה שניתנה, כדור הארץ ופלנטות האחרות הגיעו לגודלן המלא בסביבות ה- 4 בינואר.
בעזרת הצבירה ניתן גם להסביר את מקורן של קבוצות הגופים העיקריים במערכת השמש – הפלנטות הארציות, הפלנטות הענקיות, האסטרואידים והשביטים. מה שאיננו יכולים להסביר הוא מדוע במערכות סולאריות רבות, אחרות משלנו, חסרות בדרך כלל פלנטות ארציות. המודל הפשטני המוצג בסעיף זה הוא רק נקודת התחלה, ומודלים חדשים שמפתחים אותם יצליחו להסביר את התהוות כדור הארץ על שלל צורותיו המגוונות.
הפלנטות הארציות – בחלק הפנימי של מערכת השמש נמשך תהליך ההרכבה עד שנוצרו פלנטות בגודל כדור הארץ. רוב פלנטות באזור זה היו עשויות מחומר סיליקט (סלעי) – בסמוך לשמש, היה חם מדי מכדי שהקרח יישאר. התפרצות של גז וקרינה של השמש הצעירה סילקה את שאריות הגז והאבק שנותרו באזור הפנימי של מערכת השמש.
כוכבי לכת ענקיים – הפלנטות הענקיות נוצרו באותו אופן כמו פלנטות הארציות, הן החלו בהיווצרות פלנטות זעירות. הרחק מהשמש, אזור כוכבי הלכת הענקיים הכיל בעיקר חומרים קפואים וסלעים, אשר החלו יוצרים פלנטריזמים מקומיים. הפלנטות העובריות – הנקראות גם פרוטו-כוכבי לכת – שיהפכו בסוף התהליך לצדק, שבתאי, אורנוס ונפטון, פלנטות שגודלן עולה על גודלו של כדור הארץ, ומגיע לכדי 10 עד 15 פעמים כדור הארץ הנוכחי. כוח הכבידה של הפלנטות הענקיות היה חזק מספיק כדי למשוך גז מהערפילית הסובבת אותן. זו הסיבה שהן ספחו אליהן גזים ולא רק חומרים מוצקים, יש להן אטמוספירה מסיבית עשויה גז. תהליך היווצרותם של כוכבי לכת ענקיים היתרחש בשני שלבים, בתחילה גרעינים ראשוניים עשויים קרח וסיליקה יצרו את גרעין הפלנטה, לאחר מכן נוספו אטמוספרות עשירות במימן. שימו לב, שאנו יכולים לחזות שלכוכבי הלכת הענקים יש גרעינים מוצקים, עוד לפני שנמצאו לכך ראיות.
חגורת אסטרואידים – אסטרואידים הם כוכבי לכת שלא עשו את כל הדרך ליצירת פלנטה. למה רוב אסטרואידים תקועים באזור בין מאדים לבין צדק? כנראה משום שזו הייתה אמורה להיות פלנטה שנוצרה באזור הקרוב ביותר לפלנטה הגדולה ביותר במערכת השמש. על פי המרווח הגיאומטרי הגס שהביע החוק של בודה, צריכה הייתה להימצא פלנטה באזור זה. קרס, האסטרואיד הגדול ביותר, בקוטר של כ- 1000 ק"מ. הוא הפסיק לצמוח כי פלנטת צדק הסמוכה הייתה כה גדולה, עד שכמות החומר שצברה הפריעה לתנועותיהם של האסטרואידים האחרים והגבירה את מהירות ההתנגשות שלהם. דבר שגרם להם להתנפץ לשברים רבים מאד במהלך התנגשות, במקום להתמזג לגוף גדול עוד יותר. מעניין לציין כי "קו השלג" במערכת השמש עובר דרך חגורת האסטרואידים, ומאפשר יצירת קרח באסטרואידים הרחוקים ביותר מן השמש.
אובייקטים קרובים לכדור הארץ NEO – גופים הגדולים בחגורת האסטרואידים הגיעו לגודל של כמה מאות קילומטרים. החום הפנימי שלהם גרם להיתוך והפרדה בין שכבת מתכת לשיכבת סלעים, בדיוק כמו כדור הארץ. העברת האנרגיה צדק הסמוך הגבירה את המהירות, וגרמה לכמה מהם להתנפץ בהתנגשויות עם שכנים גדולים אחרים ו/או מהירים. שברים של ליבות ברזל, חומרי מעטפת ומשטחים סלעיים מהקליפה התפזרו בחלל. הרבה מהפסולת הזאת עזבה את חגורת האסטרואידים, וכמה חתיכות ממנה הגיעו בסופו של דבר לכדור הארץ, כגופים הקרובים לכדור הארץ. מדי פעם, גופים אלה מתקרבים לכדור הארץ ופוגעים בו, וכך הם הופכים למטאוריטים. ניתן אפוא להסביר את מקורם של מטאוריטים העשויים סלע, ברזל ו/או חומר מעורב.
חגורת קויפר – בחלק החיצוני ביותר של מערכת השמש שלנו, החל במסלול של נפטון והמשך עד למרחק העולה על 80 יחידות אסטרונומיות, נמצאים גופים עשויים קרח שגודלם נע בין מטרים ספורים ועד 1000 ק"מ. גופים אלה כוללים את פלוטו, מאקה-מאקה, וגופים קפואים אחרים, כולל כוכבי לכת ננסיים. גופים אלה, בדומה לחגורת האסטרואידים, הם שברים שלא יכלו להתקבץ וליצור פלנטה ענקית עקב שיבושים כבדתיים של הפלנטות הענקיות.
שביטים – הם גרעיני פלנטות קפואים הנמצאים במערכת השמש החיצונית. עד כה לא התרחשו התנגשויות ישירות בינם לבין הפלנטות הענקיות, אך מפגשים קרובים עם כוכבי לכת אלה הטילו אותם לתוך חגורת קויפר וענן אורט. לא ברור בדיוק אילו מנגנונים אחראים ליצירת שביטים מסוימים, אך גורמים שונים סייעו לכך: החל מאינטראקציות כבידה בין מערכת השמש שלנו לבין כוכבים אחרים, התנגשויות בתוך חגורת קויפר, ותהודה בין הפלנטות החיצוניות וגופים מחגורת קויפר, כל אלה יכולים לשלוח גושים של קרח לתוך מערכת השמש הפנימית.
Author: Chris Impey