ניתן להסביר את היווצרות המאפיינים המרכזיים של מערכת השמש שלנו באמצעות תרחיש של צמיחה הדרגתית והתנגשויות. בתרחיש זה, מערכת השמש החלה כענן של גז ואבק שהתמוטט לאט לתוך דיסק שטוח. בתחילה, גרגרי אבק צמחו לגושים ההולכים גדילים יותר באמצעות התנגשויות פשוטות, אך עם הזמן גדלו הגופים היו גדולים דיים, כך שהן ספחו אליהם חומר באמצעות כוח הכבידה. תהליך ספיחה שכזה יוצר גופים המסתובבים באותו כיוון שבו מסתובב הדיסק שממנו נוצרו. מחקרים דינמיים גם מציעים זמני מחזור אופייניים. לפי התיאוריה במערכת השמש שלנו זמן המחזור נע בין 5 עד 20 שעות, תוצאה העולה בקנה אחד עם התצפיות בכוכבי לכת ואסטרואידים.
באדיבות NASA
מודל זה גם מסביר את המרווח שבין כוכבי הלכת. מחקרים מראים שאם שני גופים גדולים החלו לצמוח במסלולים שהיו קרובים מדי זה לזה, בסופו של דבר הם היו גדלים דיים, תוך שהם מנקים את שולי מסלולם באמצעות כוח הכבידה, ולבסוף היו מושכים אחד את השני מתנגשים ומתמזגים. בדרך זו, ערפילית השמש מחולקת לאזורים בצורת אבובים סביב השמש, קוטר כל אחד מהם בין פי 1.5 ועד פי 2 מקוטר האזור שקרוב יותר לשמש. התוצאה היא רק פלנטה אחת נמצאת בכל אזור. (זהו למעשה חלק מההגדרה של כוכב לכת, והוא חלק מהסיבה מדוע פלוטו אינו כוכב לכת.) יוהן בוד הבחין בריווח זה לפני כמה מאות שנים, אם כי הוא לא יכול להסביר אותו, ולכן אנו קוראים לתבנית זו חוק בוד.
המדען הרוסי ויקטור ספרונוב היה אחד הראשונים שחישב את תהליך הספיחה המשותף. גרגרי ערפילית השמש שהתנגשו הצטברו ויצרו פלנטסימלים בגודל בינוני, החל בגודל ממילימטרים עד מאות קילומטרים. אנו יודעים כי פלנטסימלים גדולים היו בשפע בכל מערכת השמש הצעירה, בהתבסס על שלושת החלקים הבאים של ראיות: ראשית, אנו צופים מכתשים על כוכבי לכת וירחים שנגרמו על ידי פגיעת גופים בקוטר של לפחות 100 ק"מ. שנית, רבים מהמטאוריטים שחקרנו היו פעם חלק מגופים גדולים יותר, עד כמה מאות קילומטרים. לבסוף, אנו רואים אסטרואידים וגרעיני שביט במערכת השמש שקוטרם מגיע לכמה מאות קילומטרים. אלה שרידים של כוכבי הלכת. פלנטסימלים שנוצרו באותה עתה דומים לאסטרואידים רבים כיום. אולי היו להם צורות לא מוגדרות בגלל המיזוגים האסימטריים של גופים קטנים יותר, ותהליכי שבירה וקירור שנגרמו על ידי התנגשויות רבות.
באדיבות Wikiwand
אנו יכולים לשער כיצד תהליך הספיחה של חומר לכוכבי הלכת התרחש באופן כללי. הפרטים, עם זאת, הם מורכבים מאוד. בהתחלה, כוכבי הלכת שמקיפים את השמש נעו בדומה למכוניות מרוץ, במסלולים מקבילים שצורתם עגולה. אם הם התנגשו, הם פגעו במהירות נמוכה (יחסית זה לזה) תוך "הידבקות" והתנגשויות. שום דבר לא הפריע בתחילה בתנועותיהם המעגליות או אילץ אותם "לשנות מסלול", כך שכל החלקיקים נעו יחד על מסלולים כמעט מעגליים. ככל שכוכבי הלכת התפתחו, כוח המשיכה שלהם התחזק. כוח זה השפיע באופן דרמטי על תנועתו של כל כוכב לכת קטן יותר שעבר בקרבת מקום, ושיגר אותו למסלול חדש מעבר למסלולים של גופים אחרים, כמו מכונית שמשנה נתיבים. ניתן לחשוב על תופעה זו במונחים של שימור אנרגיה: אם גוף מסיבי מעביר אנרגיה קינטית לגוף קטן בהרבה, הגוף מסיבי מאט במקצת אבל הגוף הקטן מאיץ בעוצמה רבה. יצירת פלנטסימלים אף הוא סוג של העברת אנרגיה שאינה מתרחשת באמצעות התנגשויות, אלא באמצעות אינטראקציות כבידה. בדרך זו, הגופים הגדולים מגבירים את "שאיבת" כוכבי הלכת הקטנים יותר. לאחר מכן, כאשר המהירויות של כוכבי לכת הקטנים גבוהה ביותר, הם לפעמים התנפצו זה בזה במהירויות כה גבוהות שדי היה בהן כדי לגרום להרס עצמי. כך ניבלם תהליך הצמיחה עבור כל הגופים הקטנים ונותרו רק הגופים הגדולים.
כמה זמן נמשכה בניית הפלנטות? ניתן לחשוב שיחלוף זמן רב עד ליצירת כוכב לכת על ידי הצטברות של חתיכות זעירות. בואו נדמיין שמדובר בתהליך ליניארי. במילים אחרות, הצמיחה התרחשה על ידי הוספת חתיכה אחת בכל פעם. נניח שאנחנו מתחילים עם סלע בקוטר 1 מטר. הפלנטסימלים הגדולים הם בקוטר 100 ק"מ. נפח שלהם הוא חזקה שלישית של הקוטר, נקבל שנדרשו
כ- 3(0.001/ 100) = 1015 חתיכות קטנות כדי ליצור פלנטיסימל גדול. קוטר כוכב לכת בגודל בינוני הוא כ- 10,000 ק"מ. כך שנפחו הוא 3(100/ 10,000) = 106 מ"ק. כלומר כוכב הלכת עשוי מכ- 1015 × 106 = 1021, או אלף מיליארד מיליארד חתיכות קטנות. אם אתה בונה את הפלנטה על די צרוף חתיכה אחת בכל פעם, התהליך יימשך 1,000,000,000,000,000 פעמים. נדמה שזהו תהליך חסר סיכוי, אבל הצבירה היא למעשה תהליך יעיל מאוד.
מה שקרה בפועל היה שכוכבי הלכת הגדולים גדלו במהירות, תוך שהם גורפים את כל הגופים האחרים. תהליך זה הוא למעשה תהליך לא ליניארי; ככל שהפלנטות גדלו, כך כוח הכבידה שלהם התחזק ומשך אליו את הגופים השכנים וגרמה לצמיחה מואצת. ניתן למדוד את הזמן הדרוש לתהליך זה באמצעות איזוטופים רדיואקטיביים. חומרים רדיואקטיביים מסוימים עם 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, ונמסו חלקית, כולם בתוך כמה מיליוני שנים לאחר היווצרות השמש. זהו זמן קצר להפליא לעומת ההיסטוריה של מערכת השמש.
אם נייצג את ההיסטוריה של מערכת השמש כ- 4.6 מיליארד שנה בקנה מידה של שנה אחת בכדור הארץ, הגופים המוצקים דמויי אסטרואידים נוצרו מאבק נייטרלי ב -1 בינואר. מחקרים איזוטופים מצביעים על כך שהגוף הגדול ביותר הגיע לגודל של כוכב לכת בין 50 ל -100 מיליון שנים, כלומר באחוז אחד או שניים מהיסטוריה של מערכת השמש. באנלוגיה שבה פתחנו, כדור הארץ וכוכבי הלכת האחרים הגיעו לגודלם הסופי בסביבות ה- 4 בינואר.
באמצעות תהליך הספיחה הכבידתי, אנו יכולים גם להסביר את מקורן של קבוצות הגופים העיקריים במערכת השמש – כוכבי הלכת הארציים, כוכבי הלכת הענקיים, האסטרואידים והשביטים. מה שאנחנו לא יכולים להסביר הוא מדוע במערכות שמש רבות אחרות מאשר שלנו, כוכבי הלכת הארציים חסרים. המודל הפשטני המוצג בסעיף זה הוא רק נקודת התחלה, ומודלים חדשים שעדיין נמצאים בפיתוח יוכלו בעתיד להסביר את היווצרות כדור הארץ על כל צורותיו המגוונות.
• כוכבי הלכת הארציים – בחלק הפנימי של מערכת השמש נמשך תהליך היצירה עד שכוכבי הלכת בגודל שבין מרקורי לכדור הארץ נוצרו. רוב הפלנטיסימלים באזור זה היו עשויים מחומר סלעי – הנמצא בסמוך לשמש, באזור זה היה חם מדי מכדי שהקרח יישאר יציב. כוכבי הלכת הארציים צמחו בסביבה חסרת הקרח כך שרוב חומר הסיליקט באזור נספח לגופים סלעיים. התפרצות של גז וקרינה משמש הצעירה סילקו את שאריות הגז והאבק שנותרו עדיין באזור זה.
באדיבות NASA
• כוכבי לכת ענקיים – כוכבי הלכת הענקיים נוצרו באותו אופן כמו כוכבי הלכת הארציים, ספיחת פלנטיסימלים. רחוק יותר מן השמש, האזור של כוכבי הלכת הענקים הכיל גושי קרח וחומר סלעי, אשר הגדילו את כמות הפלנטיסימלים. כך כוכבי הלכת העובריים – הנקראים פרוטו-כוכבי לכת – שיהפכו בעתיד לצדק, שבתאי, אורנוס ונפטון גדלו מעבר לגודלו של כדור הארץ וכוכבי הלכת הארציים. כאשר הגיעו לכדי 10 עד 15 פעמים המסה של כדור הארץ, כוח הכבידה שלהם היה חזק דיו כדי למשוך גז מן הערפילית הסובבת. זו הסיבה שהם הצליחו לספוח לא רק פלנטיסימלים מוצקים, אלא גם אטמוספירה מסיבית של גז עם הרכב גז שהיה בערפילית הקורסת. כוכבי הלכת הענקיים יכולים להיחשב כוכבי לכת המורכבים משני שלבים, גרעינים ראשוניים עשויים קרח וסלע, ובשלב שני אטמוספרה עשירה במימן. שימו לב, ניתן לטעון כי לכוכבי הלכת הענקיים יש ליבות מוצקות, לפני שאנו מוצאים ראיות לטענה זו.
• חגורת אסטרואידים – אסטרואידים הם כוכבי לכת שלא עשו את זה כל הדרך עד ליצירת פלנטה. למה רוב אסטרואידים תקועים באזור בין מאדים לצדק? כנראה משום שאזור זה שהכיל פלנטיסימלים היה הקרוב ביותר לפלנטה הגדולה ביותר במערכת השמש. על פי המרווח הגיאומטרי הגס שהציע החוק של בוד, כוכב לכת היה צריך להופיע באזור זה. קרס, האסטרואיד הגדול ביותר, הגיע לקוטר של כ- 1000 ק"מ. אז הפסיק לצמוח משום שצדק הסמוך היה כה עצום, ועוצמת כוח הכבידה שלו הפריעה לתנועותיהן של האסטרואידים האחרים והגבירה את מהירות ההתנגשות שלהם. תופעה שגרמה להם להתנפץ לאיו ספור שברים כאשר הם התנגשו, במקום להתמזג לגוף גדול אף יותר. ראוי לציין כי למערכת השמש יש "קו השלג" העובר דרך חגורת האסטרואידים, ומאפשר לאסטרואידים הרחוקים ביותר מן השמש להתכסות בשכבת קרח.
• גופים הקרובים לכדור הארץ – הגופים הגדולים בחגורת האסטרואידים הגיעו לגדלים של כמה מאות קילומטרים. החום הפנימי שלהם גרם להיתוך והפרדה בין שכבות המתכת והסלע, בדיוק כמו בכדור הארץ. העברת האנרגיה מצדק הסמוך הגבירה את מהירותם, וגרמה לכמה מהם להתנפץ בהתנגשויות עם שכנים גדולים אחרים ו/או מהירים. שברי ליבות ברזל, עטיפות ומשטחים סלעיים פזורים סביב כדור הארץ. חלק גדול מפסולת זו יצרה את חגורת האסטרואידים, ומספר מועט של שברים שכאלה הגיעו סמוך לכדור הארץ. מדי פעם, גופים אלה מתקרבים סמוך לכדור הארץ ופוגעים בו, תוך הפיכתם למטאוריטים. לכן, ניתן להסביר את מקורותיהם של מטאוריטים מסוגים שונים: סלעיים, מתכתיים ומעורבים. מקורם האלים של סלעים אלה בולט במיוחד במטאוריטים מוזרים, בהם קיימת תערובת של סוגי סלעים שונים.
• חגורת קוויפר – נמצאת בחלק החיצוני ביותר של מערכת השמש שלנו, מתחילה רק במסלול של נפטון ונמשכת החוצה עד מרחק העולה על 80 יחידות אסטרונומיות. אלה גופי קפואים שגודלם בין מטרים בודדים ועד 1000 ק"מ. גופים אלה כוללים את פלוטו, מק-מאק, וגופים קפואים אחרים, כולל כוכבי לכת גמדיים. גופים אלה, בדומה לחגורת האסטרואידים, הם שברים שלא יכלו להתמזג לפלנטת ענק בשל הפרעות כבידתיות של כוכבי הלכת הענקיים.
Author: Chris Impey