Hogyan alakult ki, és hogy keletkeztek benne bolygók? Milyen folyamatok játszódtak le benne, amíg elnyerte a jelenleg is ismert felépítését? Ezen kérdések megválaszolására többféle elmélet is létezik, ám napjainkig merülnek fel ezzel kapcsolatban újabb kérdések. Ebben a cikkben kozmikus eredetünk jelenleg leginkább elfogadott eredettörténetét mutatjuk be.
A nebuláris elmélet szerint a Naprendszer keletkezése 4,6 milliárd évvel ezelőtt vette kezdetét, szülője pedig egy óriás molekulafelhő volt, amely kisebb felhőtöredékekből állt. Amikor ez a felhő, illetve töredékei elértek egy kritikus tömeget, a saját gravitációjuk hatására elindult bennük egy sűrűsödési, majd összeomlási folyamat. Egy ilyen felhőtöredék összeomlása eredményezte a Nap és a Naprendszer létrejöttét is. A Naprendszer bölcsőjét alkotó felhőtöredék összetétele jórészt megegyezett a Napéval: 98%-át az ősrobbanás utáni elemformáló mechanizmusok során kialakult hidrogén, hélium és lítium, míg maradék 2%-át nehezebb elemek alkották. Ezeket a nehezebb elemeket csillagok korábbi generációi hozták létre a bennük lezajló fúziós folyamatokkal, majd életük végéhez közeledve kidobták ezeket a csillagközi térbe, ilyen módon gazdagítva a csillagközi anyagot.
A Naprendszerben elsőként létrejött szilárd testek közé tartoznak az ősi meteorit zárványok, amelyek korát a kutatók 4.56 milliárd évre becslik. Ekkortájt született hát a Naprendszerünk. Ezeknek a meteoritoknak a tanulmányozásakor a tudósok azt is észrevették, hogy 60-as tömegszámú vas található bennük, amely elem kizárólag a nagytömegű, rövid életű csillagok életét lezáró szupernóva-robbanás eredményeként jöhet létre. Ennek ismeretében arra a következtetésre jutottak, hogy a Naprendszer kialakulását egy közeli szupernóva-robbanás indította meg: egy közeli, felrobbanó csillag lökéshulláma összenyomta egy felhőtöredék anyagát, ezzel elősegítve annak gravitációs összeomlását, és így a Nap kialakulását. Az ilyen módon összeomló felhő a perdületmegmaradás törvénye miatt egyre gyorsabban forgott, a belsejében lévő anyag pedig egyre sűrűbbé vált. Ennek hatására az atomok egyre gyakrabban ütköztek egymással, a mozgási energiát hővé alakítva. A felhő középpontjában gyűlt össze a legtöbb anyag, amely fokozatosan melegebbé vált, mint az őt körülvevő, a gyors forgás miatt korong alakba rendeződő anyag: ebben a középpontban alakult ki Napunk előcsillaga. Az ezt követő 50 millió év alatt a hőmérséklet és a nyomás kellőképpen megnövekedett az előcsillagban ahhoz, hogy beindulhasson ott a hidrogénnek a héliummá történő fúziója. Ez a pillanat jelenti a Nap, mint csillag születését és megjelenését az égbolton.
De vajon hogyan alakultak ki ezután a bolygók, és hogy kerültek jelenlegi helyükre a Naprendszerben? A nebuláris elmélet szerint az általunk ismert planetáris testek a Napot körülvevő porból és gázból álló korong anyagából jöttek létre a tömegbefogásnak nevezett folyamattal. Életüket apró porszemcsékként kezdték, amelyek a Nap, mint előcsillag körül keringtek, majd ütközések és átrendeződés hatására egyre nagyobb, 200 méteres méretet megközelítő magokká csomósodtak. Ezek további ütközések során még nagyobb testekké, úgynevezett planetezimálokká álltak össze, amelyek lassan, évente néhány centiméterrel gyarapodtak tovább az ezt követő évmilliók során, végül létrehozva a jelenleg is ismert bolygókat.
Kezdetben a belső Naprendszer, vagyis a Nap 4 csillagászati egységnyi (1 CSE = 150 millió km, az átlagos Föld-Nap távolság) környezete túlságosan forró volt ahhoz, hogy az illékony molekulák, mint például a víz és a metán kikondenzálódjanak, így az ott lévő planetezimálokat jórészt magas olvadáspontú elemek hozták létre, mint például vas, nikkel, alumínium, vagy szilikátok. Az ilyen kőzettestek közötti további ütközések alakították ki végeredményül a Merkúrt, a Földet, a Vénuszt és a Marsot, amelyeket kőzetbolygók vagy belső bolygók névvel is illethetünk. Az elmélet szerint ilyen ütközések hozták létre Földünk Holdját, illetve szintén egy ütközés sodorhatta el a fiatal Merkúr köpenyét. Szintén ütközéseknek tudható be az, hogy Földünkön a víz folyékony állapotban is jelen van. A víz ugyanis túlságosan illékony ahhoz, hogy a Föld keletkezésekor létrejöhessen, így valószínűleg a Naprendszer külső égitestjei, például üstökösök hozhatták el bolygónkra.
A négy belső bolygót Naptávolság tekintetében a Naptól 2-4 csillagászati egység távolságban elhelyezkedő aszteroida öv követi a sorban. Eredetileg az övben is elegendő anyag lett volna ahhoz, hogy 2-3 újabb kőzetbolygó jöhessen létre belőle, azonban a Jupiter és a Szaturnusz gravitációs hatására az itt található kőzettestek kisebb égitestekké morzsolódtak szét.
A Naprendszer négy óriásbolygója, a külső bolygó névvel is jellemzett Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, illetve Neptunusz a Naptól a belső bolygóknál távolabb keletkezett, az úgynevezett hóhatáron túl. Ez a határ a Mars és a Jupiter pályája között húzódik, és kijelöli azt a hőmérsékletet, amelynél távolabb a Naptól az illékony anyagok képesek arra, hogy szilárd halmazállapotúak, fagyottak maradjanak. Mivel az illékony anyagok jóval gyakoribbak a belső bolygókat felépítő nehezebb elemeknél, a Jupiter típusú bolygók azoknál jóval nagyobb tömeget, Földünk tömegének nagyjából a négyszeresét tudták befogni, így a legkönnyebb elemek, a hidrogén és a hélium is nagy mennyiségben található meg köpenyükben. Az ilyen módon kialakult nagyobb planetezimálok egyre gyorsabb ütemben fogták be maguk köré a csillagkörüli porkorong anyagát, és érték el jelenlegi méreteiket. Az elmélet szerint a Szaturnusz tömege pusztán azért kisebb a Jupiterénél, mert később keletkezett annál, így kevesebb ideje volt az anyag befogására.
A fiatal Naphoz hasonló csillagok vizsgálatából ismert, hogy nagyon erős csillagszél, vagy ahogy a Nap esetén nevezzük, napszél jellemzi őket, amelynek hatására kisöprik a körülöttük lévő korong anyagát, ezzel véget vetve a bolygókeletkezés folyamatának. Ennek köszönhetően az Uránusz és a Neptunusz, amelyek jócskán a Jupiter és a Szaturnusz után keletkeztek, az előző kettőnél jóval kevesebb hidrogént és héliumot tudott összegyűjteni, és így összességében kisebb tömeget tudhat magáénak.
Ezek a folyamatok felelősek tehát azért, hogy a bolygók összetétele a Naptól való távolságuk függvényében eltér egymástól. Az itt bemutatott elméletnek azonban léteznek feloldhatatlan problémái: ha a bolygók a jelenleg ismert helyükön alakultak ki, akkor hosszú évmilliók kellettek volna ahhoz, hogy elérjék mai méreteiket. Ez tehát azt jelentheti, hogy az Uránusz és a Neptunusz jelenlegi helyénél jóval közelebb kellett, hogy kialakuljon a Naphoz, ami igaz lehetett a Jupiterre és a Szaturnuszra is, amelyek később a ma ismert helyükre vándoroltak. Ezt a folyamatot bolygómigrációnak nevezik, elméletét, a Nice-modell pedig az utóbbi 20 évben fejlesztették ki.
A Nice-modell szerint az Uránusz és a Neptunusz valójában közelebb keletkezett a Naphoz, mint a Jupiter és a Szaturnusz, csak később, bolygóvándorlás során helyet cseréltek egymással. A korai Naprendszerben az elmélet szerint a Jupiter és a Szaturnusz 2:1 rezonanciába került egymással, ami azt jelenti, hogy amíg a Szaturnusz egyszer megkerülte a Napot, a Jupiter ezt pontosan kétszer tette meg. A rezonancia gravitációs tolóerőt fejtett ki a Naphoz akkor még közelebb lévő Neptunuszra, amelynek során az „megelőzte” az Uránuszt, és annál kijjebb vándorolt. A Naprendszer Neptunuszon túli régióját, amely a Naptól 30–55 csillagászati egység távolságra található, Kuiper-övnek nevezzük. Keletkezésében szintén szerepet játszott a bolygómigráció. Ezenkívül a Jupiter gravitációs ereje kisebb planetezimálokat is kirepített eredeti keletkezési helyükről, miközben ő maga egyre közelebb került a Naphoz. A kihajított, erőteljesen elliptikus pályára kerülő kis égitestek alakították ki az úgynevezett szórt korongot és az Oort-felhőt, amelyek körül az előbbi a Naptól 100 csillagászati egység távolságra terjed ki, utóbbi pedig 50 000 csillagászati egység távolságnál kezdődik. A kiszórt testek körül néhány, például a Pluto is gravitációsan a Neptunuszhoz kapcsolódott, azzal középmozgás-rezonanciába kerülve.
A külső bolygók migrációja a belső Naprendszerre is hatással volt, ez idézte elő például az úgynevezett kései nagy bombázást. Ennek során számos aszteroida vette az irányt a belső Naprendszer felé, ütközéseket előidézve, amelynek nyomai napjainkig látszanak például a Holdon, illetve a Merkúron. Szintén ezen ütközések eredményeként alakultak ki bizonyos holdak és aszteroidák is. Az ütközések folyamata valójában napjainkig sem zárult le: ennek intő példája az 1908-as tunguszkai eseményként ismert légköri jelenség, illetve a 2013-ban becsapódott cseljabinszki meteorit. Mivel az ezekhez hasonló események veszélyt jelenthetnek Földünkre nézve, kutatásuk és előrejelzésük napjainkban is kiemelt fontosságú.
Szerző: Könyves-Tóth Réka, Tudományos munkatárs
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet