Сонячна система

Со́нячна систе́ма  (або Со́нцева систе́ма) — планетна система, що включає в себе центральну зірку — Сонце, і всі природні космічні об'єкти, що обертаються навколо Сонця. Довгий час, будуючи припущення щодо устрою Чумацького Шляху, вчені орієнтувались саме на Сонячну систему, однак останніми десятиріччями, з відкриттям нових типів зірок (таких як пульсари) й екзопланет ця думка спростована.

Загальний опис

Сонячна система є системою гравітаційно пов'язаних небесних тіл, що складається з центрального масивного тіла — Сонця, восьми великих планет, які рухаються навколо нього: Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун, понад 100 їх супутників, поясу астероїдів та поясу Койпера, які складаються з метеоритної речовини, пилу та комет. Пояс Койпера, який містить близько 70-100 тис. об'єктів ~100 км у діаметрі, виявлено у 1992–2000 рр. завдальшки 30-50 а.о. від Сонця, зокрема Плутон, який 26 Генеральна асамблея Міжнародного астрономічного союзу 2006 р. виключила зі складу планет.

Головна роль у Сонячній системі належить Сонцю. Його маса приблизно в 750 разів перевищує масу всіх інших тіл, що входять до системи. Гравітаційне тяжіння Сонця є визначальною силою для руху всіх тіл Сонячної системи, які обертаються навколо нього. Середня відстань від Сонця до найдальшої від нього планети Нептун становить 30 а.о., тобто 4,5 млрд км, що дуже мало в порівнянні з відстанями до найближчих зір. Тільки деякі комети віддаляються від Сонця на 1015 а.о. і можуть відчувати істотний вплив тяжіння інших зір.

За сучасними уявленнями Сонце й Сонячна система утворилися близько 4,6 млрд років тому внаслідок гравітаційного стискання хмари міжзоряного газу й пилу.

Більша частина маси об'єктів, пов'язаних із Сонцем гравітацією, міститься у восьми відносно відокремлених планетах, що мають майже кругові орбіти й розташовані в межах майже плоского диска — площині екліптики. Чотири менші внутрішні планети: Меркурій, Венера, Земля та Марс, звані також планетами земної групи, складаються в основному з силікатів та металів. Чотири зовнішні планети: Юпітер, Сатурн, Уран та Нептун, звані також газовими гігантами, значною мірою складаються з водню та гелію та набагато масивніші, ніж планети земної групи.

У Сонячній системі є дві ділянки, заповнені малими тілами. Пояс астероїдів, що розташований між Марсом і Юпітером, за складом подібний до планет земної групи, оскільки складається переважно з силікатів і металів. Найбільшими об'єктами поясу астероїдів є Церера, Паллада та Веста. За орбітою Нептуна розташовано транснептунові об'єкти, що складаються з замерзлої води, аміаку та метану, найбільшими з яких є Плутон, Седна, Хаумеа, Макемаке та Ерида. Додатково до тисяч малих тіл у цих двох ділянках є інші популяції різноманітних дрібних тіл, таких як комети, метеороїди та космічний пил, що рухаються навколо Сонця.

Шість із восьми планет та три карликові планети мають природні супутники. Кожна з зовнішніх планет оточена кільцями пилу та інших частинок.

Сонячний вітер (потік плазми від Сонця) створює міхур в міжзоряному середовищі, який називається геліосферою, який простягається до краю розсіяного диска. Гіпотетична хмара Оорта, що служить джерелом довгоперіодичних комет, може сягати на відстань приблизно в тисячу разів більшу порівняно з геліосферою.

Під час руху в Галактиці, Сонячна система час від часу потрапляє до міжзоряних газопилових хмар. Внаслідок високої розрідженості речовини цих хмар занурення Сонячної системи в хмару може виявитися лише в невеликому поглинанні й розсіюванні сонячних променів. Вплив цього ефекту в історії Землі наразі не встановлено.

Сонячна система, як і будь-яка система, що обертається, має момент кількості руху (МКР). Головна частина його (близько 90%) пов'язана з орбітальним рухом навколо Сонця масивних Юпітера й Сатурна. Осьове обертання Сонця становить лише 2% МКР усієї Сонячної системи, хоча маса Сонця становить понад 99,8% загальної маси. Такий розподіл МКР між Сонцем і планетами пов'язано з повільним обертанням Сонця й величезними розмірами планетної системи — її поперечник у кілька тисяч разів більший поперечника Сонця. Планети набули МКР в процесі утворення системи: він перейшов до них від тієї речовини, з якої вони утворилися.

Усі великі планети — Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун — обертаються навколо Сонця в одному напрямку (у напрямку осьового обертання самого Сонця), майже круговими орбітами, площини яких мають невеликий нахил одна до одної (і до площини сонячного екватора).

Площину земної орбіти — екліптику — вважають основною площиною для відліку нахилу орбіт планет та інших тіл, що обертаються навколо Сонця. Відстані в Сонячній системі зазвичай вимірюють в астрономічних одиницях — середня відстань від Землі до Сонця, що приблизно дорівнює 150 млн км.

Склад

Сонце

Сонце — єдина зоря Сонячної системи та її головний компонент. Його маса (332900 мас Землі) досить велика для підтримання термоядерних реакцій синтезу в його надрах, внаслідок яких вивільняється велика кількість енергії, що випромінюється в простір здебільшого у вигляді електромагнітного випромінювання, максимум якого припадає на діапазон хвиль довжиною 400–700 нм.

За зоряною класифікацією Сонце — типова зоря головної послідовності класу G2. На головній послідовності перебуває більшість зір, а Сонце розташоване на ній приблизно посередині. Яскравіші та гарячіші від Сонця зорі досить рідкісні, а тьмяніші та холодніші червоні карлики становлять 85% зір у Чумацькому Шляху.

Розташування Сонця на головній послідовності означає, що воно ще не вичерпало свій запас водню для ядерного синтезу й перебуває приблизно в середині своєї еволюції. Зараз Сонце поступово стає яскравішим, на ранніх стадіях його яскравість становила лише 70 відсотків від теперішньої.

Сонце — зірка I типу зоряного населення, воно утворилося на порівняно пізньому етапі розвитку Всесвіту й характеризується значним вмістом елементів, важчих від водню та гелію (в астрономії такі елементи називають «металами»), ніж старші зірки II типу. Елементи, важчі за водень і гелій, утворилися в надрах перших зір, тому, перш ніж Всесвіт було збагачено цими елементами, мало проеволюціонувати перше покоління зір.

Найстаріші зірки містять мало металів, а молодші зірки містять їх більше. Вважається, що висока металічність була вкрай важлива для появи у Сонця планетної системи, тому що планети формуються акрецією «металів».

Поряд зі світлом, Сонце випромінює безперервний потік заряджених частинок (плазми), відомих як сонячний вітер. Цей потік частинок поширюється зі швидкістю приблизно 1,5 млн км на годину, наповнюючи навколосонячний простір і створюючи у Сонця певний аналог планетарної атмосфери (геліосферу), яка простягається на відстань принаймні 100 а. о. від Сонця. Вона відома як міжпланетне середовище. Прояви активності на поверхні Сонця, такі як сонячні спалахи та корональні викиди маси, збурюють геліосферу, породжуючи космічну погоду. Найбільша структура в межах геліосфери — геліосферний струмовий шар; спіральна поверхня, створена впливом обертового магнітного поля Сонця на міжпланетне середовище.

Магнітне поле Землі заважає сонячному вітру зірвати атмосферу Землі. Венера і Марс не мають магнітного поля, і в результаті сонячний вітер поступово здуває їх атмосфери в космос. Корональні викиди маси і подібні явища змінюють магнітне поле і виносять величезну кількість речовини з поверхні Сонця — близько 109—1010 тонн на годину. Взаємодіючи з магнітним полем Землі, ця речовина потрапляє переважно у приполярні шари атмосфери Землі, де виникають полярні сяйва, що найчастіше спостерігаються поблизу магнітних полюсів.

Геліосфера та, меншою мірою, планетарні магнітні поля частково захищають Сонячну систему від впливу космічних променів, які походять ззовні Сонячної системи. Як щільність космічних променів в міжзоряному середовищі, так і напруженість магнітного поля Сонця змінюються з часом, таким чином, рівень космічного випромінювання в Сонячній системі непостійний, хоча величина відхилень достеменно невідома.

Міжпланетне середовище є місцем формування принаймні двох дископодібних областей космічного пилу. Зодіакальна пилова хмара розташована у внутрішній частині Сонячної системи і є причиною, по якій виникає зодіакальне світло. Ймовірно, вона виникла внаслідок зіткнень у межах поясу астероїдів. Друга область простягається на відстані приблизно від 10 до 40 а. о. та, імовірно, виникла внаслідок подібних зіткнень між об'єктами поясу Койпера.

Планети

Планети поділяються на дві групи, що відрізняються масою, хімічним складом (це виявляється значною різницею їх густини), швидкістю обертання та кількістю супутників. Чотири найближчі до Сонця планети (планети земної групи) порівняно невеликі, складаються здебільшого з щільної кам'янистої речовини та металів. Планети-гіганти — Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун — набагато масивніші, складаються здебільшого з легких речовин і тому, незважаючи на величезний тиск у їхніх надрах, мають малу густину. У Юпітера й Сатурна основну частку їхньої маси складають водень і гелій. Вони містять також до 20% кам'янистих речовин і легких сполук кисню, вуглецю й азоту, що за низьких температур конденсуються на лід. В Урана й Нептуна лід і кам'янисті речовини становлять дещо більшу частину їхньої маси.

Відстані планет від Сонця утворюють закономірну послідовність — проміжки між сусідніми орбітами зростають із віддаленням від Сонця. Ці закономірності руху планет у поєднанні з розподілом їх на дві групи за фізичними властивостями вказують на те, що Сонячна система не є випадковим скупченням космічних тіл, а утворилася в єдиному процесі. Тому вивчення кожного з тіл Сонячної системи висвітлює походження всієї Сонячної системи, а разом з тим і походження, еволюцію та сучасну будову нашої Землі.

Завдяки майже круговій формі планетних орбіт і великим відстаням між ними виключена можливість тісних зближень між планетами, коли вони могли б істотно змінювати свій рух внаслідок взаємного тяжіння. Це забезпечує тривале та стійке існування Сонячної системи.

Планети обертаються також навколо своїх осей, причому у всіх планет, крім Венери й Урана, обертання відбувається в прямому напрямку, тобто, в тому ж напрямку, що й їх обертання навколо Сонця. Надзвичайно повільне обертання Венери відбувається в зворотному напрямку, а Уран обертається, ніби лежачи на боці.

Сатурн, Юпітер й Уран крім кількох супутників великого розміру мають безліч дрібних супутників, що утворюють кільця. Ці супутники рухаються орбітами, настільки близько розташованими до планети, що припливні сили не дозволяють їм об'єднатися в єдине тіло.

Внутрішня область Сонячної системи

Внутрішня частина включає планети земної групи та астероїди. Всі вони складаються головним чином із силікатів і металів. Це невелика частина системи — її радіус менший, ніж відстань між орбітами Юпітера й Сатурна.

Планети земної групи

Чотири внутрішні планети складаються переважно з важких елементів, мають мало супутників, у них відсутні кільця. Значною мірою вони складаються з тугоплавких мінералів, таких як силікати, що формують їх мантію та кору, і металів (таких як залізо й нікель), що формують їх ядро. У трьох внутрішніх планет — Венери, Землі і Марса — є атмосфера; у всіх є ударні кратери і тектонічні риси поверхні, такі як рифтові западини й вулкани.

Меркурій

Меркурій (0,4 а.о. від Сонця) є найближчою до Сонця й найменшою планетою системи (0,055 маси Землі). У Меркурія немає супутників, а його єдиними відомими геологічними особливостями, крім ударних кратерів, є численні зубчасті укоси, що тягнуться на сотні кілометрів — ескарпи, що виникли, ймовірно, внаслідок припливних деформацій на ранньому етапі історії планети в той час, коли його період обертання навколо осі відрізнявся від періоду обертання навколо Сонця.

Меркурій має вкрай розріджену атмосферу. Вона складається з атомів, «вибитих» із поверхні планети сонячним вітром. Щодо великого залізного ядра Меркурія і його тонкої кори версії ще не отримали задовільного пояснення. Є гіпотеза, яка припускає, що зовнішні шари планети, що складаються з легких елементів, було зірвано внаслідок гігантського зіткнення яке зменшило розміри планети, а також запобігло повному поглинанню Меркурія молодим Сонцем.

Венера

Венера близька за розміром до Землі (0,815 земної маси) і, як і Земля, має досить потужну атмосферу та товсту силікатну оболонку навколо залізного ядра. Є також свідчення її внутрішньої геологічної активності. Однак кількість води на Венері набагато менша земної, а її атмосфера в дев'яносто разів щільніша. У Венери немає супутників. Це найгарячіша планета, температура її поверхні перевищує 400 °C. Причиною такої високої температури є парниковий ефект у щільній, багатій на вуглекислий газ атмосфері. Не було виявлено ніяких однозначних свідоцтв геологічної діяльності на Венері, але, оскільки у неї немає магнітного поля, яке запобігло б виснаженню її існуючої атмосфери, це дозволяє припустити, що її атмосфера регулярно поповнюється вулканічними виверженнями.

Земля

Земля є найбільшою та найщільнішою серед внутрішніх планет. У Землі є один природний супутник — Місяць, це єдиний великий супутник планет земної групи. Серед планет земної групи Земля є унікальною (насамперед — гідросферою). Атмосфера Землі радикально відрізняється від атмосфер інших планет — вона містить вільний кисень. Питання про наявність життя де-небудь, крім Землі, залишається відкритим.

Марс

Марс менший Землі та Венери (0,107 маси Землі). Він має атмосферу, що складається головним чином з вуглекислого газу, із поверхневим тиском 6,1 мбар (0,6% від земного). На його поверхні є вулкани, найбільший з яких, Олімп, перевищує розмірами всі земні вулкани, досягаючи висоти 21,2 км. Рифтові западини (Долина Марінер) разом із вулканами свідчать про колишню тектонічну активність, яка, за сучасними даними, скінчилася близько 2 млн років тому. Червоний колір поверхні Марса зумовлений великою кількістю оксиду заліза в його ґрунті. Планета має два супутники — Фобос і Деймос. Припускається, що вони являють собою захоплені астероїди.

Пояс астероїдів

Астероїди — найпоширеніші малі тіла Сонячної системи. Пояс астероїдів лежить між орбітами Марса та Юпітера, на відстані від 2,3 до 3,3 а.о. від Сонця. Вважають, що це залишки формування Сонячної системи, які не змогли об'єднатися в одне тіло через гравітаційні збурення Юпітера.

Астероїди мають розмір від декількох метрів до сотень кілометрів. Здебільшого їх класифікують як малі тіла Сонячної системи, але деякі з них, наприклад, Веста і Гігея, можуть бути перекласифіковані в карликові планети, якщо буде доведено, що вони набули гідростатично рівноважної форми.

Пояс містить десятки тисяч, можливо — мільйони об'єктів, більших одного кілометра в діаметрі. Попри це, загальна маса астероїдів поясу навряд чи більша однієї тисячної маси Землі. Небесні тіла з діаметрами від 100 мкм до 10 м називають метеороїдами.

Карликові планети

Це досить великі тіла Сонячної системи. Настільки великі, що власна гравітація надала їм рівноважної форми, яка близька до кулястої. Але на відміну від планет, їх маса менша, тому їм не вдалося «розчистити» околиці своєї орбіти від інших подібних тіл. Визначення карликової планети ухвалено Міжнародним астрономічним союзом на генеральній асамблеї 2006 року. Відповідно до резолюції  Плутон втратив статус великої планети (і таким чином у Сонячній системі залишилося лише вісім великих планет) і набув статусу карликової планети (разом із Церерою, Еридою, Макемаке та Хаумеа).

Астероїди

Переважна більшість орбіт нині відомих малих планет розташовано між орбітами Марса й Юпітера. Вони утворюють так званий головний пояс астероїдів. Більшість із них обертаються навколо Сонця в тому ж напрямку, що й великі планети, але їхні орбіти здебільшого витягнуті та нахилені до площини екліптики.

Надра планет і деяких великих супутників (наприклад Місяця) перебувають у розплавленому стані. У планет земної групи й супутників внаслідок малої теплопровідності зовнішніх шарів тепловиділення невелике, його внесок у температуру поверхні порівняний із теплом, одержаним від Сонця. У планет-гігантів конвекція в їхніх надрах призводить до помітного потоку тепла з надр, що навіть перевершує потік, одержуваний ними від Сонця.

Венера, Земля й Марс мають атмосфери, що складаються з газів, які виділилися з їхніх надр. У планет-гігантів атмосфери являють собою безпосереднє продовження їхніх надр: ці планети не мають твердої чи рідкої поверхні. При зануренні всередину атмосферні гази поступово переходять у конденсований стан.

Комети

Комети рухаються, здебільшого, витягнутими орбітами, що близькі до параболічних. Деякі комети мають витягнуті орбіти порівняно невеликих розмірів — десятки і сотні астрономічних одиниць. У цих комет, названих періодичними, переважають прямі рухи, тобто їхнє обертання відбувається в тому ж напрямку, що й обертання планет.

Ядра комет за своїм елементним i хімічним складом споріднені до планет-гігантів: вони складаються з водяного льоду і льодів різних газів із домішкою кам'янистих речовин. Майже всі малі планети за своїм складом подібні до кам'янистих планет земної групи. Тільки нещодавно відкритий Хірон, що рухається між орбітами Сатурна і Урана, ймовірно, подібний до крижаних ядер комет та невеликих супутників далеких від Сонця планет.

Уламки малих планет, що утворюються під час їхніх зіткнень одна з одною, іноді випадають на Землю у вигляді метеоритів. У малих планет, саме внаслідок їхніх невеликих розмірів, надра прогрівалися значно менше, ніж у планет земної групи, і тому їхня речовина зазнала лише невеликих змін від часу їхнього утворення. Виміри віку метеоритів (за вмістом радіоактивних елементів і продуктів їхнього розпаду) свідчать, що вони, а отже, і вся Сонячна система, існують близько 5 млрд років. Цей вік Сонячної системи узгоджується з вимірами віку найдавніших земних та місячних порід.

Динамічні та фізичні особливості будови Сонячної системи вказують на те, що планети сформувалися з газопилової речовини, яка раніше утворювала протопланетну хмару навколо Сонця. Планети земної групи утворилися в результаті акумуляції кам'янистих твердих часток, а в планет-гігантів утворення почалося з акумуляції кам'янисто-крижаних часток, а потім на деякому етапі їхнього зростання доповнилося приєднанням газів, в основному водню і гелію.

Віддалені області

Відповідь на питання про те, де саме закінчується Сонячна система й починається міжзоряний простір, є неоднозначною. Найсуттєвішими вважають два фактори: сонячний вітер і сонячне тяжіння. Зовнішня межа сонячного вітру — геліопауза, де гідродинамічний тиск сонячної плазми врівноважується міжзоряним. Усередині цієї оболонки сонячне магнітне поле витісняє галактичне. Геліопауза розташована на відстані приблизно 100 а.о. Однак припускають, що відстань, на якій гравітація Сонця є визначальною (сфера Гілла), майже в тисячу разів більша.