Начальная фаза протосолнечной туманности - предмет исследования астрофизики и звёздной космогонии. Изучение же её эволюции, приведшей к появлению планет, - центральная задача космогонии планетной.
Возраст Солнца насчитывает чуть меньше 5 млрд. лет. Возраст древнейших метеоритов почти такой же: 4,5-4,6 млрд. лет. Столь же стары и рано затвердевшие части лунной коры. Поэтому принято считать, что Земля и другие планеты сформировались 4,6 млрд. лет назад. Солнце относится к звёздам так называемого второго поколения Галактики. Самые старые её звёзды значительно (на 8-10 млрд. лет) старше Солнечной системы. В Галактике есть и молодые звёзды, которым всего 100 тыс. - 100 млн лет (для звезды это совсем юный возраст). Многие из них похожи на Солнце, и по ним можно судить о начальном состоянии нашей системы. Наблюдая несколько десятков подобных объектов, учёные пришли к следующим выводам.
Размер допланетного облака Солнечной системы должен был превышать радиус орбиты последней планеты - Плутона. Химический состав молодого Солнца и окружавшего его газопылевого облака-диска, по-видимому, был одинаков. Общее содержание водорода и гелия достигало в нём 98%. На долю всех остальных, более тяжёлых элементов приходилось лишь 2%; среди них преобладали летучие соединения, включающие углерод, азот и кислород: метан, аммиак, вода, углекислота. Другими методами и в других отраслях знания.
Расчёты показывают, что в пределах орбиты Плутона, т. е. диска радиусом 40 а. е., общая масса всех планет вместе с утерянными к настоящему времени летучими веществами должна была составлять 3-5% от массы Солнца. Такую модель облака называют облаком умеренно малой массы, она подтверждается и наблюдениями околозвёздных дисков.
Если бы масса облака была сопоставима с массой центрального тела, то должна была бы образоваться звезда - компаньон Солнца (или же надо найти объяснение выбросу огромных излишков вещества из Солнечной системы).
Наименее изучена самая ранняя стадия - выделение протосолнечной туманности из гигантского родительского молекулярного облака, принадлежащего Галактике. В 40-х гг. академик Отто Юльевич Шмидт выдвинул ставшую общепринятой гипотезу об образовании Земли и других планет из холодных твёрдых допланетных тел - планетезымалей. Распространённая ранее точка зрения, что планеты"- это небольшие остатки некогда раскалённых гигантских газовых сгустков солнечного состава, потерявших летучие вещества, пришла в противоречие с науками о Земле.
Земля, как показывают исследования, никогда не проходила через огненно-жидкое, т. е. полностью расплавленное состояние. Исследуя шаг за шагом эволюцию допланетного диска, учёные получили последовательность основных этапов развития газопылевого диска, окружавшего Солнце, в систему планет.
Первоначальный размер облака превышал современный размер планетной системы, а его состав соответствовал тому, который наблюдается в межзвёздных туманностях: 99% газа и 1% пылевых частиц размерами от долей микрометра до сотен микрометров. Во время коллапса, т. е. падения газа с пылью на центральное ядро (будущее Солнце), вещество сильно разогревалось, и межзвёздная пыль могла частично или полностью испариться. Таким образом, на первой стадии облако состояло почти целиком из газа, притом хорошо перемешанного благодаря высокой турбулентности - разнонаправленному, хаотичному движению частиц.
По мере формирования диска турбулентность стихает. Это занимает немного времени - около 1000 лет. При этом газ охлаждается и в нём вновь образуются твёрдые пылевые частицы. Таков первый этап эволюции диска.
Для остывающего допланетного облака характерно очень низкое давление - менее десятитысячной доли атмосферы. При таком давлении вещество из газа конденсируется непосредственно в твёрдые частички, минуя жидкую фазу. Первыми конденсируются самые тугоплавкие соединения кальция, магния, алюминия и титана, затем магниевые силикаты, железо и никель. После этого в газовой среде остаются лишь сера, свободный кислород, азот, водород, все инертные газы и некоторые летучие элементы.
В процессе конденсации становятся активными пары воды, окисляющие железо и образующие гидраризованные соединения. Основные же космические элементы - водород и гелий - остаются в газообразной форме. Для их конденсации потребовались бы температуры, близкие к абсолютному нулю, ни при каких условиях недостижимые в облаке.
Химический состав пылинок в допланетном диске определялся температурой, которая падала по мере удаления от Солнца. К сожалению, рассчитать изменение температуры в допланетном облаке очень трудно. Химический состав планет земной группы показывает, что они состоят в основном из веществ, конденсировавшихся при высоких температурах. В составе ближней части пояса астероидов преобладают каменистые тела. По мере удаления от Солнца в поясе астероидов увеличивается число тел, которые содержат обогащённые водой минералы и некоторые летучие вещества. Их удалось обнаружить в метеоритах, являющихся осколками астероидов. Среди малых планет, по-видимому, нет или очень немного ледяных тел. Следовательно, граница конденсации водяного льда должна была проходить за ними, не ближе внешнего края пояса астероидов - в три с лишним раза дальше от Солнца, чем Земля.
В то же время крупнейшие спутники Юпитера - Ганимед и Каллисто - наполовину состоят из воды. Они находятся на гораздо большем расстоянии от Солнца, чем пояс астероидов. Значит, водяной лёд конденсировался во всей зоне образования Юпитера. Начиная с орбиты Юпитера и дальше в допланетном облаке должны были преобладать ледяные пылинки с вкраплениями более тугоплавких веществ. В области внешних планет, при ещё более низкой температуре, в составе пылинок оказались льды метана, аммиака, твёрдая углекислота и другие замёрзшие летучие соединения. Подобный состав в настоящее время имеют кометные ядра, залетающие в окрестности Земли с далёкой периферии Солнечной системы.
Первые конденсаты - пылинки, льдинки - сразу после своего появления начинали двигаться сквозь газ к центральной плоскости облака. Чем крупнее были частицы, тем быстрее они оседали, так как при своём движении более крупные частицы (в отличие от мелких) встречают меньшее сопротивление газа на единицу их массы.
На втором этапе завершалось образование тонкого пылевого слоя - пылевого субдиска - в центральной плоскости облака. Расслоение облака сопровождалось увеличением размеров частиц до нескольких сантиметров. Сталкиваясь друг с другом, частицы слипались, при этом скорость их движения к центральной плоскости увеличивалась и рост тоже ускорялся.
В некоторый момент плотность пыли в субдиске приблизилась к критическому значению, превысив плотность газа уже в десятки раз. При достижении критической плотности пылевой слой делается гравитационно неустойчивым. Даже очень слабые уплотнения, случайно возникающие в нём, не рассеиваются, а, наоборот, со временем сгущаются. Сначала в нём могла образоваться система колец, которые, уплотняясь, также теряли свою устойчивость и на третьем этапе эволюции диска распадались на множество отдельных мелких сгустков. Из-за вращения, унаследованного от вращающегося диска, эти сгустки не могут сразу сжаться до плотности твёрдых тел. Но, сталкиваясь друг с другом, они объединяются и всё более уплотняются. На четвёртом этапе образуется рой допланетных тел размером около километра; первоначальное число их достигает многих миллионов.
Описанный путь образования тел возможен, если пылевой субдиск очень плоский: его толщина должна быть во много раз меньше диаметра. Такие объекты существуют и ныне, например кольца Сатурна.
Другой путь формирования допланетных тел помимо гравитационной конденсации - это их прямой рост при столкновениях мелких частиц. Они могут слипаться лишь при небольших скоростях соударений, при достаточно разрыхлённой поверхности контакта или в случае повышенной силы сцепления.
Такие тела, каким бы из двух путей они ни возникли, послужили строительным материалом для формирования планет, спутников и метеорных тел.
Учёные предполагают, что допланетные тела, образовавшиеся на периферии облака при очень низкой температуре, сохранились до сих пор в кометном облаке, куда они были заброшены гравитационными возмущениями планет-гигантов.
Образование допланетных тел в газопылевом облаке продолжалось десятки тысяч лет - крайне незначительный срок в космогонической шкале времени. Дальнейшее объединение тел в планеты - аккумуляция планет - гораздо более длительный процесс, занявший сотни миллионов лет. Детально восстановить его очень трудно: последующая геологическая стадия, длящаяся уже более 4 млрд. лет, к настоящему времени стёрла особенности начального состояния планет.
Допланетный рой представлял собой сложную систему большого числа тел планетезималей. Они обладали неодинаковыми массами и двигались с разными скоростями. Помимо общей для всех тел на данном расстоянии от Солнца скорости обращения по орбите эти тела имели дополнительные индивидуальные скорости со случайно распределёнными направлениями. В допланетном облаке самыми многочисленными всегда были мелкие частицы и тела. Меньшую долю составляли тела промежуточных размеров. Крупных тел, сравнимых с Луной или Марсом, было совсем мало.
Эволюция облака вела к тому, что именно в немногих крупных телах сосредоточивалась основная масса всего планетного вещества. Эта иерархия сохранилась и до наших дней: совокупная масса планет намного выше общей массы всех малых тел - спутников, астероидов, комет и пылевых частиц.
Крупные тела своим гравитационным влиянием постепенно увеличивают хаотические скорости планетезималей. Каждое сближение двух тел меняет характер их движения по околосолнечным орбитам. Как правило, орбиты становятся более вытянутыми и более наклонёнными к центральной плоскости. Таким образом, в течение этого этапа идёт "раскачка" системы от очень плоского диска к более утолщённому. При этом тела приобретают тем большие хаотические скорости, чем меньше их масса, и наоборот.