Происхождение Солнечной системы
Важным вопросом происхождения звёзд и окружающих их планетных систем является источник вещества, из которого эти системы формировались. В настоящее время эта проблема рассмотрена обстоятельно и подробно в специальных работах и обзорных монографиях по астрофизике и космохимии (Зельдович, Новиков, 1971, 1975; Шкловский, 1975, 1976; и др.). Общедоступное изложение этих интересных, но очень сложных проблем приведено, например, в монографиях А. Аллера (1976), Х. Альвена, Г. Аррениуса (1979), Р. Дж. Тейлера (1975, 1981), У. Кауфмана (1982) и др. Здесь же напомним лишь основные положения идеи, лежащей в основе гипотезы происхождения Солнца и планет Солнечной системы.
Согласно современным космогоническим представлениям, исходное газопылевое протосолнечно-протопланетное облако образовалось из межзвёздного газа и скопления пыли, характерных для нашей и других галактик. Происхождение же вещества этих скоплений связано со взрывами крупных звёзд (по массе превышающих в несколько раз массу Солнца), полностью прошедших свой эволюционный путь. Обычно финальные взрывы таких крупных звёзд называют вспышками «сверхновых» звёзд, поскольку на короткое время их светимость возрастает в миллиарды раз, они становятся наиболее яркими объектами в своих галактиках и воспринимаются нами как вспышки новых звёзд на привычном фоне «старого» небосвода.
Напомним, что первоначально, в момент образования нашей Вселенной во время «Большого взрыва» около 20 млрд лет назад, пространство заполнялось только излучением и стремительно расширяющимся веществом — протонами, электронами, ядрами гелия (до 25%), нейтрино и некоторыми другими элементарными частицами. Все более тяжёлые элементы в то время ещё не успели образоваться (тогда их просто не существовало).
После возникновения на флуктуационных сгустках вещества первых протогалактик в них тогда же возникли и первые массивные, но примитивные водородно-гелиевые протозвезды. Под влиянием гравитационного сжатия этих протозвёзд в их недрах поднялись температура и давление, что, в свою очередь, привело к возникновению ядерных реакций синтеза (ядерного «горения»). В результате в центральных областях таких звёзд постепенно и последовательно стали образовываться все более тяжёлые элементы вплоть до железа.
Как показывает теория, крупные звёзды (превышающие массу Солнца в несколько раз) неустойчивы и заканчивают свою эволюцию гигантскими взрывами. Причём такая фатальная эволюция массивных звёзд происходит тем быстрее, чем большей была их исходная масса. Сами же взрывы «сверхновых» звёзд возникают тогда, когда в их недрах полностью исчерпывается основной запас лёгких элементов и формируется ядро, состоящее только из железа и никеля, т. е. из элементов с наименьшей внутренней энергией ядерных связей протонов и нейтронов в атомных ядрах. Напомним, что потенциальная энергия связи ядерных частиц в атомных ядрах отрицательная, поэтому элементы с наименьшей внутренней ядерной энергией оказываются наиболее устойчивыми и стабильными. В результате в ядрах таких массивных звёзд, прошедших свой эволюционный путь, полностью прекращаются все ядерные реакции, перестаёт генерироваться тепловая энергия, препятствующая их сжатию, и они под влиянием уже ничем не сдерживаемых сил тяготения начинают стремительно сжиматься (коллапсировать). Под влиянием гигантских давлений, возникающих в недрах массивных звёзд во время их коллапса, электроны как бы «вжимаются» в ядра железа, превращая протоны в нейтроны, а само ядро звезды — в сплошной «сгусток» нейтронов или даже в «чёрную дыру».
Процесс гравитационного коллапса вещества звёздного ядра должен сопровождаться столь же стремительным «обрушением» газовой оболочки звезды и как следствие этого возникновением в ней ударных волн с катастрофически резким возрастанием температуры и давления газа в оболочке. Но в противоположность железному ядру коллапсирующей звезды в её оболочке ещё сохраняется много водорода, гелия и других лёгких элементов (C, O, Mg, Si и др.), способных участвовать в реакциях ядерного синтеза. К тому же вещество звёздной оболочки в это время должно интенсивно облучаться нейтронными потоками, излучаемыми коллапсирующим ядром звезды. Поэтому резкое повышение давления, температуры и нейтронных потоков в оболочке такой звезды приводит к столь же стремительному и лавинообразному ускорению протекания всех ядерных реакций синтеза с выделением за короткое время гигантской энергии. В результате за считанные минуты, а то и секунды в оболочке коллапсирующей звезды выделяется столько же энергии, сколько её могло бы выделиться за многие миллионы лет эволюционного (спокойного) развития такой звезды. Это вызывает ускоренное протекание всевозможных реакций ядерного синтеза стабильных и радиоактивных элементов с образованием всей гаммы их изотопов, в том числе и более тяжёлых элементов, чем железо. Выделение колоссальной энергии в нижних частях звёздной оболочки приводит к ядерному взрыву звезды и к сбрасыванию её оболочки в межзвёздное пространство. Преобразованное вещество оболочки стремительно разлетается в стороны, а на месте бывшей «нормальной» звезды остаётся маленькая, но очень плотная (р больше, либо равно 1014 г/см3) нейтронная звезда (пульсар) или даже «чёрная дыра».
Рассеянное вещество от многих взорвавшихся звёзд постепенно формирует в галактиках межзвёздные газопылевые облака. Когда масса такого облака (в его сгустках) достигает некоторой критической величины, начинается процесс самогравитации облака, его уплотнения, разогрева и конденсации в новую звезду. За время существования Вселенной уже сменилось несколько поколений звёзд, рассеявших своё вещество по межзвёздному пространству. При этом исходным материалом для формирования каждой новой генерации звёзд служило вещество, сброшенное предыдущим поколением сверхновых звёзд.
Наша Солнечная система по сравнению с возрастом Вселенной (около 20 млрд лет) возникла сравнительно недавно — 4,7 млрд лет назад. Поэтому и суммарный состав вещества, послуживший основой для формирования нашей Солнечной системы, должен нести следы длительной истории развития Вселенной. Однако нахождение в метеоритах следов распада некоторых из короткоживущих изотопов элементов, например 244Pu, 129I и 26Al, говорит о том, что незадолго перед образованием Солнечной системы произошли взрывы, по крайней мере, двух сверхновых звёзд, причём последний из этих взрывов, обогативший протопланетное вещество изотопами 26Al и 129I, скорее всего послужил толчком к началу формирования нашего Солнца и его планетной системы.
Происхождение планет Солнечной системы, включая Землю, неоднократно излагалось во многих статьях и монографиях (Сафронов, 1969; Рускол, 1975; Витязев и др., 1990), а также в популярных книгах (Шмидт, 1948; Кауфман, 1982; Фишер, 1990; и др.). Поэтому здесь на этом вопросе подробно останавливаться не будем, а дадим лишь общее описание процесса. Возникновение же и эволюцию системы Земля-Луна мы рассмотрим отдельно и более подробно.
Согласно современным космогоническим представлениям, заложенным О. Ю. Шмидтом ещё в начале 40-х годов, планеты Солнечной системы, в том числе Земля и Луна, образовались за счёт аккреции (слипания и дальнейшего роста) твёрдых частиц газопылевого протопланетного облака. Обычно исходная плотность межзвёздных облаков бывает недостаточной для гравитационного сжатия и развития в них самопроизвольных процессов звёздо- и планетообразования. Однако взрывы сверхновых сопровождаются возникновением в межзвёздной среде ударных волн. Если такие волны пересекают газопылевое облако, то на их фронте резко повышаются давление и плотность вещества, в результате чего могут возникнуть сгущения, способные в дальнейшем к сжатию уже за счёт самогравитации. Поэтому взрывы сверхновых звёзд не только поставляют новое вещество в космическое пространство, но и служат тем механизмом, который в конце концов приводит к формированию новых поколений звёзд и окружающих их планетных систем.
По-видимому, именно такая ситуация возникла около 4,7 млрд лет назад в окрестностях протосолнечного газопылевого облака. Получив импульс начального сжатия и вращения, а также пополнившись новым веществом, это облако в дальнейшем начало необратимо сжиматься уже под действием собственного гравитационного поля. По мере сжатия давление и температура в центральной части облака стали быстро повышаться, и постепенно в этой зоне сформировался гигантский газовый сгусток — Протосолнце. Однако вначале, до «зажигания» ядерных реакций и выхода Протосолнца на главную последовательность развития звёзд, его температура была сравнительно невысокой (не более 900-1000 °С), а излучение происходило главным образом в инфракрасном и красном диапазонах спектра.
Одновременно со сжатием протосолнечного облака под влиянием центробежных и гравитационных сил его периферийные участки постепенно стягивались к экваториальной плоскости вращения, превращаясь в плоский чечевицеобразный диск — протопланетное облако. Плотность вещества в протопланетном облаке быстро возрастала, особенно в экваториальной плоскости вращения, а траектории движения частиц в нем под влиянием все более частых соударений и турбулентного торможения постепенно приближались к круговым кеплеровским орбитам.
Межзвёздные облака, как правило, состоят из смеси газов и пылевых частиц микронного размера. Среди газов преобладают водород и гелий, но заметную роль играют и такие летучие соединения, как H2O, CO, CO2, CH4, NH3, N2 и некоторые другие газы. Состав пылевых частиц скорее всего соответствует смеси сравнительно тугоплавких окислов металлов и силикатов с самими металлами, их сульфидами и в меньшей степени с гидросиликатами и карбонатами. В космическом пространстве такие пылевые частицы могут расти только путём сорбции из газовой фазы атомов металлов и молекул их окислов или сульфидов на поверхности самих частиц. Но в связи с исключительно большой разреженностью межзвёздного вещества процесс этот развивался крайне медленно.
Иная ситуация складывалась в начавшем сжиматься протопланетном облаке. С повышением в нем плотности вещества резко возрастала вероятность столкновения частиц и их слипания, в результате чего тогда появились первые, правда, ещё очень рыхлые и мелкие (порядка сантиметров, а потом и метров) комки вещества, напоминавшие собой грязный снег. Дальнейшее уплотнение роя этих первичных комков способствовало их ускоренному росту с постепенным превращением в более крупные тела — зародыши будущих планет — планетезимали, поперечные размеры которых уже могли достигать многих километров. При этом у наиболее крупных планетезималей (первичных протопланетных тел), размерами до нескольких сотен километров, уже стали проявляться собственные заметные гравитационные поля, что ещё более увеличивало их эффективные поперечные сечения захвата мелких тел. Поэтому мелкие тела выпадали на более крупные, увеличивая их ещё больше, в результате чего крупные планетезимали росли быстрее мелких. Одно из таких наиболее крупных планетезимальных тел, расположенных во внутреннем поясе протопланетного облачного диска, в конце концов превратилось в зародыш нашей планеты.
Формирование Солнца как нормальной жёлтой звезды не очень больших размеров из сжимающегося первичного сгустка газов и пыли происходило значительно быстрее, чем формирование планет, — всего за несколько миллионов или за первые десятки миллионов лет. При этом в самом начале «зажигания» в недрах молодого Солнца ядерных реакций синтеза гелия и перед выходом его на режим главной последовательности развития звёзд наше Солнце должно было пройти через короткую стадию существования звёзд типа Т-Тельца, характеризующихся быстрым вращением, сильными магнитными полями и очень высокой интенсивностью излучения звёздного ветра.
Эти особенности эволюции молодого Солнца неизбежно должны были влиять на условия аккреции вещества в окружавшем его протопланетном облаке — диске. Во-первых, за счёт исключительно сильного солнечного ветра (высокоэнергетического потока заряженных частиц), характерного для звёзд, находящихся на стадии Т-Тельца, из околосолнечного пространства на далёкую периферию Солнечной системы должны были выметаться все газовые и летучие компоненты исходного протопланетного облака.
Во-вторых, ионизирующее влияние солнечного ветра на окружающее вещество должно было привести к сильному взаимодействию магнитного поля Солнца с веществом протопланетного диска. По-видимому, именно в результате такого эффективного «зацепления» быстро вращавшегося молодого Солнца с окружающим его веществом, а также благодаря приливным взаимодействиям Солнца с молодыми планетами и произошло перераспределение момента количества движения от центрального светила к периферии протопланетного диска. После этого скорость осевого вращения Солнца уменьшилась, тогда как орбитальные скорости вращения планет вокруг него, наоборот, увеличились. Этот же механизм, вероятно, приводил и к заметной сепарации вещества в протопланетном облаке, поскольку все легкоионизирующиеся элементы под влиянием давления силовых линий магнитного поля как бы выметались из околосолнечного пространства на периферию протопланетного диска.
В-третьих, существенное влияние на химическую дифференциацию вещества в протопланетном облаке должен был оказывать и больший прогрев Солнцем центральных областей диска ещё на стадии его сжатия и особенно после «зажигания» в Солнце ядерных реакций. По этой причине многие из легкоиспаряющихся элементов и соединений (например, сера и её летучие соединения, вода, углекислый газ и др.) переходили в газообразное состояние, после чего давлением солнечного излучения они удалялись из этих областей на далёкую периферию Солнечной системы.
В результате действия этих механизмов в центральных областях протопланетного диска преимущественно конденсировались тугоплавкие элементы и соединения с высокими потенциалами ионизации (тугоплавкие металлы, в том числе Fe и Ni, и окислы Al2O3, CaO, MgO, Ti2O3, SiO2, Cr2O3, FeO и др.), тогда, как средние концентрации легкоплавких и легкоионизирующихся элементов (Li, Na, K, Rb, Cs, In, Ba, элементов редкоземельной группы, Hg, Pb, Rn и др.) в этой части протопланетного облака оказались существенно заниженными. В несколько меньшей мере вещество планет земной группы оказалось обеднённым серой, цинком, оловом и некоторыми другими элементами. Газообразные же компоненты H,sub>2, He и другие благородные газы, H2O, CO, CO2, CH4, NH3, H2S, SO2 и SO3, HCl, HF были выметены из внутренних областей протопланетного облака практически полностью и сконцентрировались только на его периферии, где впоследствии сформировались планеты-гиганты с массивными и плотными газовыми оболочками. По-видимому, внутренние области этого облака также были обеднены гидросиликатами и карбонатами, диссоциировавшими под влиянием солнечного излучения с последующей потерей летучих.
Поэтому ещё до начала процесса формирования планет исходное протопланетное газопылевое облако оказалось существенно дифференцированным. Этим явлением, вероятно, следует объяснять и явную зависимость плотности планет от их расстояния до Солнца (Меркурий — 5,54 г/см3, Венера — 5,24; Земля вместе с Луной — 5,49; Марс — 3,94; Юпитер — 1,33; Сатурн — 0,67; Уран — 1,3; Нептун — 1,67 г/см3). Об этом же свидетельствует и тот факт, что только внешние планеты обладают массивными газовыми оболочками, а их спутники покрыты мощными панцирями водяного льда, серы и другими отвердевшими или сжиженными газами (CO2, CH4, NH3 и др.).
Судя по составу и сравнительно небольшой массе атмосферы и гидросферы Земли, в сумме не превышающих 2,4×10-4 массы планеты, Земля, как и другие планеты земной группы, формировались из вещества, почти полностью потерявшего все газовые составляющие. В земной атмосфере исключительно мало даже тяжёлых первичных благородных газов. Кроме того, земное вещество резко обеднено гидросиликатами, карбонатами, серой и её соединениями, а также заметно обеднено щелочными и другими легкоплавкими металлами.
Расчёты В. С. Сафронова (1969), одного из создателей современной теории планетообразования, показывают, что рост Земли продолжался около 100 млн лет и вначале происходил во все ускоряющемся режиме аккреции, но затем в связи с исчерпанием запасов твёрдого вещества в околоземном рое планетезималей вновь замедлился. Всего при аккреции Земли выделилось гигантское количество гравитационной энергии — около 23,2×1038 эрг. Этой энергии более чем достаточно не только для расплавления всего земного вещества, но и для его полного испарения при температуре выше 30 000 °С. Однако большая часть этой энергии аккреции выделялась в самых приповерхностных частях растущей Протоземли и вновь терялась с её тепловым излучением. При этом, естественно, потери тепла оказывались тем большими, чем медленнее происходил рост самой Земли.
Этот важный для нас результат показывает, что Земля в процессе роста не только разогревалась от ударов падавших на неё планетезималей, но и успевала также остывать, излучая через поверхность большую часть тепловой энергии аккреции. В результате за время роста Земли (около 100 млн лет) температура в недрах растущей Земли повсеместно оставалась ниже температуры плавления первичного, недифференцированного земного вещества, а следовательно, и сама Земля в то время оставалась ещё однородной по составу планетой, лишённой ядра и земной коры.
Важно подчеркнуть, что описанная выше дифференциация первичного вещества в протопланетном облаке происходила достаточно быстро — всего за несколько миллионов или десятков миллионов лет (в основном ещё при сжатии протопланетного газопылевого диска и во время прохождения молодым Солнцем стадии звезды Т-Тельца). Аккреция планет происходила после этого, когда планетезимали диска уже приобрели круговые орбиты, и продолжалась сравнительно долго — порядка 100 млн лет. Отсюда следует очень важный вывод, что аккреция планет в кольцевых зонах их питания (обладавших к тому же конечной шириной) в основном была гомогенной (однородной). Это значит, что средний химический состав растущих планет (при отсутствии в них процессов дифференциации) оставался примерно постоянным вдоль всего радиуса таких планет.
Согласно современным космогоническим представлениям, исходное газопылевое протосолнечно-протопланетное облако образовалось из межзвёздного газа и скопления пыли, характерных для нашей и других галактик. Происхождение же вещества этих скоплений связано со взрывами крупных звёзд (по массе превышающих в несколько раз массу Солнца), полностью прошедших свой эволюционный путь. Обычно финальные взрывы таких крупных звёзд называют вспышками «сверхновых» звёзд, поскольку на короткое время их светимость возрастает в миллиарды раз, они становятся наиболее яркими объектами в своих галактиках и воспринимаются нами как вспышки новых звёзд на привычном фоне «старого» небосвода.
Напомним, что первоначально, в момент образования нашей Вселенной во время «Большого взрыва» около 20 млрд лет назад, пространство заполнялось только излучением и стремительно расширяющимся веществом — протонами, электронами, ядрами гелия (до 25%), нейтрино и некоторыми другими элементарными частицами. Все более тяжёлые элементы в то время ещё не успели образоваться (тогда их просто не существовало).
После возникновения на флуктуационных сгустках вещества первых протогалактик в них тогда же возникли и первые массивные, но примитивные водородно-гелиевые протозвезды. Под влиянием гравитационного сжатия этих протозвёзд в их недрах поднялись температура и давление, что, в свою очередь, привело к возникновению ядерных реакций синтеза (ядерного «горения»). В результате в центральных областях таких звёзд постепенно и последовательно стали образовываться все более тяжёлые элементы вплоть до железа.
Как показывает теория, крупные звёзды (превышающие массу Солнца в несколько раз) неустойчивы и заканчивают свою эволюцию гигантскими взрывами. Причём такая фатальная эволюция массивных звёзд происходит тем быстрее, чем большей была их исходная масса. Сами же взрывы «сверхновых» звёзд возникают тогда, когда в их недрах полностью исчерпывается основной запас лёгких элементов и формируется ядро, состоящее только из железа и никеля, т. е. из элементов с наименьшей внутренней энергией ядерных связей протонов и нейтронов в атомных ядрах. Напомним, что потенциальная энергия связи ядерных частиц в атомных ядрах отрицательная, поэтому элементы с наименьшей внутренней ядерной энергией оказываются наиболее устойчивыми и стабильными. В результате в ядрах таких массивных звёзд, прошедших свой эволюционный путь, полностью прекращаются все ядерные реакции, перестаёт генерироваться тепловая энергия, препятствующая их сжатию, и они под влиянием уже ничем не сдерживаемых сил тяготения начинают стремительно сжиматься (коллапсировать). Под влиянием гигантских давлений, возникающих в недрах массивных звёзд во время их коллапса, электроны как бы «вжимаются» в ядра железа, превращая протоны в нейтроны, а само ядро звезды — в сплошной «сгусток» нейтронов или даже в «чёрную дыру».
Процесс гравитационного коллапса вещества звёздного ядра должен сопровождаться столь же стремительным «обрушением» газовой оболочки звезды и как следствие этого возникновением в ней ударных волн с катастрофически резким возрастанием температуры и давления газа в оболочке. Но в противоположность железному ядру коллапсирующей звезды в её оболочке ещё сохраняется много водорода, гелия и других лёгких элементов (C, O, Mg, Si и др.), способных участвовать в реакциях ядерного синтеза. К тому же вещество звёздной оболочки в это время должно интенсивно облучаться нейтронными потоками, излучаемыми коллапсирующим ядром звезды. Поэтому резкое повышение давления, температуры и нейтронных потоков в оболочке такой звезды приводит к столь же стремительному и лавинообразному ускорению протекания всех ядерных реакций синтеза с выделением за короткое время гигантской энергии. В результате за считанные минуты, а то и секунды в оболочке коллапсирующей звезды выделяется столько же энергии, сколько её могло бы выделиться за многие миллионы лет эволюционного (спокойного) развития такой звезды. Это вызывает ускоренное протекание всевозможных реакций ядерного синтеза стабильных и радиоактивных элементов с образованием всей гаммы их изотопов, в том числе и более тяжёлых элементов, чем железо. Выделение колоссальной энергии в нижних частях звёздной оболочки приводит к ядерному взрыву звезды и к сбрасыванию её оболочки в межзвёздное пространство. Преобразованное вещество оболочки стремительно разлетается в стороны, а на месте бывшей «нормальной» звезды остаётся маленькая, но очень плотная (р больше, либо равно 1014 г/см3) нейтронная звезда (пульсар) или даже «чёрная дыра».
Рассеянное вещество от многих взорвавшихся звёзд постепенно формирует в галактиках межзвёздные газопылевые облака. Когда масса такого облака (в его сгустках) достигает некоторой критической величины, начинается процесс самогравитации облака, его уплотнения, разогрева и конденсации в новую звезду. За время существования Вселенной уже сменилось несколько поколений звёзд, рассеявших своё вещество по межзвёздному пространству. При этом исходным материалом для формирования каждой новой генерации звёзд служило вещество, сброшенное предыдущим поколением сверхновых звёзд.
Наша Солнечная система по сравнению с возрастом Вселенной (около 20 млрд лет) возникла сравнительно недавно — 4,7 млрд лет назад. Поэтому и суммарный состав вещества, послуживший основой для формирования нашей Солнечной системы, должен нести следы длительной истории развития Вселенной. Однако нахождение в метеоритах следов распада некоторых из короткоживущих изотопов элементов, например 244Pu, 129I и 26Al, говорит о том, что незадолго перед образованием Солнечной системы произошли взрывы, по крайней мере, двух сверхновых звёзд, причём последний из этих взрывов, обогативший протопланетное вещество изотопами 26Al и 129I, скорее всего послужил толчком к началу формирования нашего Солнца и его планетной системы.
Происхождение планет Солнечной системы, включая Землю, неоднократно излагалось во многих статьях и монографиях (Сафронов, 1969; Рускол, 1975; Витязев и др., 1990), а также в популярных книгах (Шмидт, 1948; Кауфман, 1982; Фишер, 1990; и др.). Поэтому здесь на этом вопросе подробно останавливаться не будем, а дадим лишь общее описание процесса. Возникновение же и эволюцию системы Земля-Луна мы рассмотрим отдельно и более подробно.
Согласно современным космогоническим представлениям, заложенным О. Ю. Шмидтом ещё в начале 40-х годов, планеты Солнечной системы, в том числе Земля и Луна, образовались за счёт аккреции (слипания и дальнейшего роста) твёрдых частиц газопылевого протопланетного облака. Обычно исходная плотность межзвёздных облаков бывает недостаточной для гравитационного сжатия и развития в них самопроизвольных процессов звёздо- и планетообразования. Однако взрывы сверхновых сопровождаются возникновением в межзвёздной среде ударных волн. Если такие волны пересекают газопылевое облако, то на их фронте резко повышаются давление и плотность вещества, в результате чего могут возникнуть сгущения, способные в дальнейшем к сжатию уже за счёт самогравитации. Поэтому взрывы сверхновых звёзд не только поставляют новое вещество в космическое пространство, но и служат тем механизмом, который в конце концов приводит к формированию новых поколений звёзд и окружающих их планетных систем.
По-видимому, именно такая ситуация возникла около 4,7 млрд лет назад в окрестностях протосолнечного газопылевого облака. Получив импульс начального сжатия и вращения, а также пополнившись новым веществом, это облако в дальнейшем начало необратимо сжиматься уже под действием собственного гравитационного поля. По мере сжатия давление и температура в центральной части облака стали быстро повышаться, и постепенно в этой зоне сформировался гигантский газовый сгусток — Протосолнце. Однако вначале, до «зажигания» ядерных реакций и выхода Протосолнца на главную последовательность развития звёзд, его температура была сравнительно невысокой (не более 900-1000 °С), а излучение происходило главным образом в инфракрасном и красном диапазонах спектра.
Одновременно со сжатием протосолнечного облака под влиянием центробежных и гравитационных сил его периферийные участки постепенно стягивались к экваториальной плоскости вращения, превращаясь в плоский чечевицеобразный диск — протопланетное облако. Плотность вещества в протопланетном облаке быстро возрастала, особенно в экваториальной плоскости вращения, а траектории движения частиц в нем под влиянием все более частых соударений и турбулентного торможения постепенно приближались к круговым кеплеровским орбитам.
Межзвёздные облака, как правило, состоят из смеси газов и пылевых частиц микронного размера. Среди газов преобладают водород и гелий, но заметную роль играют и такие летучие соединения, как H2O, CO, CO2, CH4, NH3, N2 и некоторые другие газы. Состав пылевых частиц скорее всего соответствует смеси сравнительно тугоплавких окислов металлов и силикатов с самими металлами, их сульфидами и в меньшей степени с гидросиликатами и карбонатами. В космическом пространстве такие пылевые частицы могут расти только путём сорбции из газовой фазы атомов металлов и молекул их окислов или сульфидов на поверхности самих частиц. Но в связи с исключительно большой разреженностью межзвёздного вещества процесс этот развивался крайне медленно.
Иная ситуация складывалась в начавшем сжиматься протопланетном облаке. С повышением в нем плотности вещества резко возрастала вероятность столкновения частиц и их слипания, в результате чего тогда появились первые, правда, ещё очень рыхлые и мелкие (порядка сантиметров, а потом и метров) комки вещества, напоминавшие собой грязный снег. Дальнейшее уплотнение роя этих первичных комков способствовало их ускоренному росту с постепенным превращением в более крупные тела — зародыши будущих планет — планетезимали, поперечные размеры которых уже могли достигать многих километров. При этом у наиболее крупных планетезималей (первичных протопланетных тел), размерами до нескольких сотен километров, уже стали проявляться собственные заметные гравитационные поля, что ещё более увеличивало их эффективные поперечные сечения захвата мелких тел. Поэтому мелкие тела выпадали на более крупные, увеличивая их ещё больше, в результате чего крупные планетезимали росли быстрее мелких. Одно из таких наиболее крупных планетезимальных тел, расположенных во внутреннем поясе протопланетного облачного диска, в конце концов превратилось в зародыш нашей планеты.
Формирование Солнца как нормальной жёлтой звезды не очень больших размеров из сжимающегося первичного сгустка газов и пыли происходило значительно быстрее, чем формирование планет, — всего за несколько миллионов или за первые десятки миллионов лет. При этом в самом начале «зажигания» в недрах молодого Солнца ядерных реакций синтеза гелия и перед выходом его на режим главной последовательности развития звёзд наше Солнце должно было пройти через короткую стадию существования звёзд типа Т-Тельца, характеризующихся быстрым вращением, сильными магнитными полями и очень высокой интенсивностью излучения звёздного ветра.
Эти особенности эволюции молодого Солнца неизбежно должны были влиять на условия аккреции вещества в окружавшем его протопланетном облаке — диске. Во-первых, за счёт исключительно сильного солнечного ветра (высокоэнергетического потока заряженных частиц), характерного для звёзд, находящихся на стадии Т-Тельца, из околосолнечного пространства на далёкую периферию Солнечной системы должны были выметаться все газовые и летучие компоненты исходного протопланетного облака.
Во-вторых, ионизирующее влияние солнечного ветра на окружающее вещество должно было привести к сильному взаимодействию магнитного поля Солнца с веществом протопланетного диска. По-видимому, именно в результате такого эффективного «зацепления» быстро вращавшегося молодого Солнца с окружающим его веществом, а также благодаря приливным взаимодействиям Солнца с молодыми планетами и произошло перераспределение момента количества движения от центрального светила к периферии протопланетного диска. После этого скорость осевого вращения Солнца уменьшилась, тогда как орбитальные скорости вращения планет вокруг него, наоборот, увеличились. Этот же механизм, вероятно, приводил и к заметной сепарации вещества в протопланетном облаке, поскольку все легкоионизирующиеся элементы под влиянием давления силовых линий магнитного поля как бы выметались из околосолнечного пространства на периферию протопланетного диска.
В-третьих, существенное влияние на химическую дифференциацию вещества в протопланетном облаке должен был оказывать и больший прогрев Солнцем центральных областей диска ещё на стадии его сжатия и особенно после «зажигания» в Солнце ядерных реакций. По этой причине многие из легкоиспаряющихся элементов и соединений (например, сера и её летучие соединения, вода, углекислый газ и др.) переходили в газообразное состояние, после чего давлением солнечного излучения они удалялись из этих областей на далёкую периферию Солнечной системы.
В результате действия этих механизмов в центральных областях протопланетного диска преимущественно конденсировались тугоплавкие элементы и соединения с высокими потенциалами ионизации (тугоплавкие металлы, в том числе Fe и Ni, и окислы Al2O3, CaO, MgO, Ti2O3, SiO2, Cr2O3, FeO и др.), тогда, как средние концентрации легкоплавких и легкоионизирующихся элементов (Li, Na, K, Rb, Cs, In, Ba, элементов редкоземельной группы, Hg, Pb, Rn и др.) в этой части протопланетного облака оказались существенно заниженными. В несколько меньшей мере вещество планет земной группы оказалось обеднённым серой, цинком, оловом и некоторыми другими элементами. Газообразные же компоненты H,sub>2, He и другие благородные газы, H2O, CO, CO2, CH4, NH3, H2S, SO2 и SO3, HCl, HF были выметены из внутренних областей протопланетного облака практически полностью и сконцентрировались только на его периферии, где впоследствии сформировались планеты-гиганты с массивными и плотными газовыми оболочками. По-видимому, внутренние области этого облака также были обеднены гидросиликатами и карбонатами, диссоциировавшими под влиянием солнечного излучения с последующей потерей летучих.
Поэтому ещё до начала процесса формирования планет исходное протопланетное газопылевое облако оказалось существенно дифференцированным. Этим явлением, вероятно, следует объяснять и явную зависимость плотности планет от их расстояния до Солнца (Меркурий — 5,54 г/см3, Венера — 5,24; Земля вместе с Луной — 5,49; Марс — 3,94; Юпитер — 1,33; Сатурн — 0,67; Уран — 1,3; Нептун — 1,67 г/см3). Об этом же свидетельствует и тот факт, что только внешние планеты обладают массивными газовыми оболочками, а их спутники покрыты мощными панцирями водяного льда, серы и другими отвердевшими или сжиженными газами (CO2, CH4, NH3 и др.).
Судя по составу и сравнительно небольшой массе атмосферы и гидросферы Земли, в сумме не превышающих 2,4×10-4 массы планеты, Земля, как и другие планеты земной группы, формировались из вещества, почти полностью потерявшего все газовые составляющие. В земной атмосфере исключительно мало даже тяжёлых первичных благородных газов. Кроме того, земное вещество резко обеднено гидросиликатами, карбонатами, серой и её соединениями, а также заметно обеднено щелочными и другими легкоплавкими металлами.
Расчёты В. С. Сафронова (1969), одного из создателей современной теории планетообразования, показывают, что рост Земли продолжался около 100 млн лет и вначале происходил во все ускоряющемся режиме аккреции, но затем в связи с исчерпанием запасов твёрдого вещества в околоземном рое планетезималей вновь замедлился. Всего при аккреции Земли выделилось гигантское количество гравитационной энергии — около 23,2×1038 эрг. Этой энергии более чем достаточно не только для расплавления всего земного вещества, но и для его полного испарения при температуре выше 30 000 °С. Однако большая часть этой энергии аккреции выделялась в самых приповерхностных частях растущей Протоземли и вновь терялась с её тепловым излучением. При этом, естественно, потери тепла оказывались тем большими, чем медленнее происходил рост самой Земли.
Этот важный для нас результат показывает, что Земля в процессе роста не только разогревалась от ударов падавших на неё планетезималей, но и успевала также остывать, излучая через поверхность большую часть тепловой энергии аккреции. В результате за время роста Земли (около 100 млн лет) температура в недрах растущей Земли повсеместно оставалась ниже температуры плавления первичного, недифференцированного земного вещества, а следовательно, и сама Земля в то время оставалась ещё однородной по составу планетой, лишённой ядра и земной коры.
Важно подчеркнуть, что описанная выше дифференциация первичного вещества в протопланетном облаке происходила достаточно быстро — всего за несколько миллионов или десятков миллионов лет (в основном ещё при сжатии протопланетного газопылевого диска и во время прохождения молодым Солнцем стадии звезды Т-Тельца). Аккреция планет происходила после этого, когда планетезимали диска уже приобрели круговые орбиты, и продолжалась сравнительно долго — порядка 100 млн лет. Отсюда следует очень важный вывод, что аккреция планет в кольцевых зонах их питания (обладавших к тому же конечной шириной) в основном была гомогенной (однородной). Это значит, что средний химический состав растущих планет (при отсутствии в них процессов дифференциации) оставался примерно постоянным вдоль всего радиуса таких планет.