Астрономија

Како су лакши елементи завршили у центру Сунчевог система? Формирање соларног система

Како су лакши елементи завршили у центру Сунчевог система? Формирање соларног система


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Претходна генерација звезда је порекло свих тежих елемената (све до гвожђа?) У Сунчевом систему. Дакле, велики део масе Сунчевог система заправо чине угљеник, силицијум, гвожђе и слично због тога. Али у средишту, и само у центру, налази се звезда са вероватно скоро никаквим тешким елементима унутра. Како је то могуће, како то може бити? Да ли грешим у вези са стварним концентрацијама масе или заиста постоји дисбаланс, тј. Да ли је расподела елемената заиста лакша према центру Сунчевог система? Претпоставио бих да се претходна генерација звезда управо завршила у мање или више једноличном облаку отпадака, од којих се формирао Сунчев систем. Али ако је тако, зашто не постоје звездани системи где звезда има сасвим другачији састав и некако је прљава, прљава машина за фузију (метафорично, мислим)?


Сунчев систем садржи врло мало елемената тежих од хелијума - мање од 2% масе.

То се огледа у хемијским обиљима измереним у фотосфери Сунца. тј. Сунце заиста садржи теже елементе.

Ваше питање је погрешно; није да тежи елементи нису утонули у средину, већ да велика већина водоника и хелијума који су били на истом месту као и планете када су настале, није завршила као део планета. У ствари, чак је и ово само делимично тачно. Масом планетарног материјала у Сунчевом систему такође доминирају водоник и хелијум у гасним гигантима.

Дакле, загонетка је само због тога што мање планете немају сличан састав као Сунце. Одговор на то је температура и гравитација. Мала, врућа планета једноставно нема гравитацију да задржи брзо покретне атоме водоника и хелијума, осим ако нису заробљени у неком једињењу (попут воде!).

Тако су мале планете близу Сунца осиромашене светлосним елементима.


Пред крај животног циклуса звезда губи способност да настави да користи водоник ект.). Да би се напајао, почиње да (у очајничком покушају да живи.) Ствара теже елементе попут гвожђа. Сада гвожђе сигурно не може да одржи звезду.

Као такво гвожђе уништава звезду, означавајући тако крај њеног животног циклуса.

Мале количине гвожђа вероватно постоје у звездама (са становишта универзума.) Али то није довољно да би се ефекат утицао на звезду у којој се налази.

Гвожђе наравно није једина ствар коју звезда формира на крају која звезду убија, већ је овде користим само као пример.

Ипак су звезде прилично занимљиве, баш као и било шта друго у свемиру.

П.С. Ово је само моје различито основно разумевање свемира и пуно учим на овој веб страници.

Пријатан вам дан / ноћ.


Како ће се наш соларни систем завршити у далекој будућности

Земља ће се једног дана заледити када Сунце умре, али то је само почетак. Кредит за слику: Кевин. [+] Гилл под цц-би-2.0, путем хттпс://ввв.флицкр.цом/пхотос/кевинмгилл/14326057397.

Требало је 13,8 милијарди година космичке еволуције да нас доведе овде. Генерације звезда морале су да живе и умиру да би створиле тешке елементе, мале прото-галаксије морале су се спојити да би створиле међузвездане облаке гаса Млечни пут, који су се морали срушити и формирати нове звезде са стеновитим планетама око себе сложену неорганску и органску хемију потребне да би се одржале на једном од тих новонасталих светова биолошка еволуција - и природне катастрофе - прошле су врло одређен пут, коначно кулминирајући појавом људи пре само неколико стотина хиљада година. Током протеклих 12 000 година или тако некако, развили смо пољопривреду, науку, нације и целу модерну цивилизацију какву данас познајемо. То је изузетно путовање које је трансформисало наш свет, а захваљујући свемирском програму човечанства трансформисало је и наш Сунчев систем.

Људи већ 50 година шаљу роботе и одврнуте сонде да слете у светове изван нашег. [+] сада. Сунчев систем никада није био исти. Заслуге за слике: НАСА и Роел ван дер Хоорн.

Али свет у којем уживамо данас, без обзира на то што радимо, неће трајати овако заувек. Догодиће се бројни земаљски догађаји који мењају ствари у нашем свету, наравно, чинећи Земљу тешко препознатљивом некоме данас живом. После око 60.000 година, Сунце и звезде ће се померити довољно да ће се тренутна сазвежђа кодирати и увелико разликовати од онога како их данас видимо. Још 100.000 година након тога, вероватно гледамо у следеће ледено доба, захваљујући факторима који немају никакве везе са људским утицајем. И пре истека следећих милион година, Иелловстоне Суперволцано ће вероватно дувати, заувек ће променити пејзаж Земље.

Али све је то кикирики у поређењу са оним што нам Свемир спрема.

За разлику од симулације спајања галаксија Млечни пут и Андромеда. Слика . [+] кредит: НАСА, ЕСА, З. Леваи, Р. ван дер Марел, Т. Халлас и А. Меллингер.

Почевши од нешто мање од четири милијарде година, галаксија Андромеда (и сасвим могуће мања галаксија Триангулум) спојиће се са нашим сопственим Млечним путем, узрокујући спектакуларне промене у структури наше галаксије и на ноћном небу уопште. Тренутно су удаљене 2,5 милиона светлосних година, али се крећу ка нама брзином од 43 км / сек, наше најбоље симулације указују да ће се први судар и рафал формирања звезда (плоча 4, горе) догодити за 3,8 милијарди година и да ће спајање бити завршено (плоча 8) након 5,5 милијарди година. Гравитација ће проузроковати да се цела локална група на крају стопи са нама, формирајући једну џиновску елиптичну галаксију: Милкдромеду, чији ће наш Сунчев систем и даље бити део. У већим космичким размерама, све друге галаксије ће наставити да се убрзавају од нас, на крају - након можда 100 милијарди година - у потпуности се удаљавајући од нашег погледа.

Али наш Сунчев систем остаће нетакнут кроз све то, иако неће изгледати баш као данас. Сунце ће и даље постајати све топлије како стари, кључајући наше океане за отприлике 1-2 милијарде година и завршавајући живот на Земљи какав познајемо. На крају, око 5-7 милијарди година низ цесту, остаћемо без нуклеарног горива у Сунчевом језгру, што ће довести до тога да наша матична звезда постане Црвени див, у процесу захваћајући Меркур и Венеру. Због детаља звездане еволуције, систем Земља / Месец ће вероватно бити потиснут напоље и биће поштеђен ватрене судбине наших унутрашњих суседа.

Ако су прорачуни тачни, Земљу не би требало прогутати Сунце када набубри у црвено. [+] гигант. Међутим, требало би да постане веома, врло вруће. Кредит за слику: Корисник Викимедиа Цоммонс Фсгрегс.

Након изгарања кроз преостало нуклеарно гориво - углавном хелијум у свом језгру - Сунце избацује своје спољне слојеве да би створило планетарну маглину, а језгро наше звезде ће се уговорити да постане бели патуљак. Ово је коначна судбина скоро свих звезда у нашем Универзуму. Али планете ће и даље бити овде, кружећи око нашег хладног, мутног звезданог остатка, и овај процес ће се завршити за око 9,5 милијарди година од данас.

Када Сунце потпуно остане без нуклеарног горива, одуваће своје спољне слојеве у. [+] планетарна маглина, док се центар скупља у врућу, компактну белу патуљасту звезду. Кредит за слику: Вицент Перис, Јосе Луис Ламадрид, Јацк Харвеи, Стеве Мазлин, Ана Гуијарро.

За све ово време, међутим, Земља наставља да кружи око Сунца, док Месец и даље гравитационо повлачи на себе, а то узрокује обртни моменат, што добијате када примените спољну силу на ротирајући објекат. То доводи до тога да се Месец удаљава од Земље, док истовремено успорава Земљину ротацију! Успоравање је готово неприметно, Земљина ротација се успорава (а самим тим и дан продужава) за само 1,4 милисекунде по веку, али имамо времена. Након што прође око 50 милијарди година, Месечев орбитални период биће више попут 47 дана (у поређењу са садашњих 27,3 дана), а наш 24-часовни дан успорит ће се: требаће 47 данашњих дана да се направи само један дан на 50 милијарди година у будућности Земље. У овом тренутку, Месец и Земља биће плимно закључани, тако да се Земља и Месец увек појављују у потпуно истом положају на небу другог.

Док је Месец већ плимно везан за Земљу, наша планета наставља да се врти. Само кад. [+] Месечев обртни момент успорава Земљу да би постала закључана за Месец, гурајући Месец даље, да ли ћемо заиста бити закључани. Кредит за слику: Данг, то је супер! преко хттп://дангтхатсцоол.вордпресс.цом/.

Док ће се настајање звезда наставити, звезде које умиру позајмљиват ће гориво међузвезданом свемиру, а пропале звезде ће се спирално увијати и спајати, количина материјала за стварање звезда је коначна. Чак ће и најдуговечније звезде трајати само око 100 билиона година (10 ^ 14 година), а након отприлике квадрилион (10 ^ 15) година, формирање звезда ће у потпуности престати. Само повремени судари или спајања између пропалих звезда или звезданих остатака обезбедиће светлост нашој галаксији, јер се последњи звездани остаци хладе и бледе у мрак. На крају, беле патуљасте звезде постаће црне док се хладе и зраче своју енергију. То ће потрајати јако дуго: по мојим проценама можда 10 ^ 16 година (мада ће вам километража варирати), или око милион пута више од садашње старости Универзума. Атоми ће и даље бити тамо, али биће само неколико степени изнад апсолутне нуле. У овом тренутку, цело ноћно небо биће заиста тамно и црно, без видљиве светлости, јер ће све звезде у нашој локалној групи изгорети.

Инспирација, стапање или судар са другом изгорелом звездом можда је последња шанса нашег Сунца. [+] сјај. Кредит за слику: Тод Строхмаиер / ЦКСЦ / НАСА и Дана Берри / ЦКСЦ.

Можда се питате колико ће времена требати нашем црном патуљку који је некада био наше Сунце да наиђе на другог, потенцијално га стапајући и ревитализујући. Између нас, Андромеде и остатка локалне групе, летеће око један билион звезда и звезданих остатака. У овом хаотичном систему, типични звездани систем може проћи врло, веома дуго, не сударајући се ни са чим другим, али имамо свакојако време. После приближно 10 ^ 21 године, сада црни патуљак у средишту нашег Сунчевог система насумично ће се сударити са другим црним патуљем, произвевши експлозију типа Иа Супернова и ефикасно уништавајући оно што је преостало од нашег Сунчевог система.

Наше Сунце неће умрети у супернови одмах, али ако се догоди да се судари или стопи са другим. [+] црни патуљак у далекој будућности, супернова типа Иа ће ипак бити наша судбина. Кредит за слику: НАСА, ЕСА, Золт Леваи (СТСцИ).

То ће бити коначна судбина многих звезда у нашој локалној групи, али не свих, а вероватно ни наше! Постоји још један такмичарски процес који је ефикаснији, а самим тим и већа вероватноћа да ће нам се догодити: гравитационо избацивање из локалне групе услед процеса који се назива насилно опуштање! Када се у гравитационо хаотичној орбити налази више тела, понекад ће једно бити избачено, а остатак ће бити још чвршће повезан. То се дешава у кугластим јатима током времена и објашњава како су толико компактни, тако и зашто у језгру ових древних реликвија постоји толико много плавих заосталих - или старијих звезда које су се стопиле!

Звезде унутар глобуларног јата чврсто су повезане у центар и често се стапају, али на. [+] периферије, избачене звезде су честе захваљујући насилном опуштању. Кредит за слику: М. Схара, Р.А. Сафер, М. Ливио, ВФПЦ2, ХСТ, НАСА.

Гравитационо избацивање је око 100 пута вероватније од случајног спајања, што значи да ће наша звезда и преостале повезане планете вероватно бити избачени у амбис сада празног простора након око 10 ^ 19 година. Али чак и у том случају, са Земљом која кружи око нашег звезданог остатка и са ничим другим около, ствари неће трајати вечно. Свака орбита - чак и гравитационе орбите у Општој релативности - ће врло, врло полако пропадати током времена. Могло би потрајати изузетно дуго, неких 10 ^ 150 година, али на крају ће Земља (и све планете, након довољно времена) проћи кроз своје орбите и ући ће у спиралу у централну масу нашег Сунчевог система. То је наша судбина ако нас избаце.

Ефекти кретања кроз закривљено свемирско време проузроковаће да Земљина орбита временом пропадне,. [+] спирално завијајући у Сунце. Кредит за слику: Америчко физичко друштво.

Али ако останемо у џиновској галаксији у коју Милкдромеда еволуира, спиралирање у централну црну рупу наше галаксије неће бити наша судбина. Требало би 10 ^ 200 година да се то догоди, али црне рупе не могу толико дуго да живе! Захваљујући комбинованим својствима опште релативности и квантне физике, црне рупе ће временом губити масу и испаравати процесом познатим као Хокингово зрачење по његовом откривачу Стевену Хокингу. Ово зрачење ће уклонити чак и најмасовније црне рупе у Свемиру након само неких 10 ^ 100 година, а црну рупу соларне масе за оскудних 10 ^ 67 година.

После приближно 10 ^ 100 година, чак ће и највеће супермасивне црне рупе у Свемиру. [+] потпуно испаравају због Хокинговог радијаитона. Кредит за слику: НАСА.

Након пропадања црне рупе, остаће само тамна материја, што значи да ће се Земља увити у спирални црни патуљак који је на крају ипак био наше Сунце. Једино што може да се избегне је ако судар или блиска гравитациона интеракција избаци Земљу из орбите нашег Сунца, ослобађајући нас да будемо пуштени у дубине празног простора. Без обзира колико пута се наш свет заврши ватром, наша коначна судбина је да се смрзнемо у хладном, празном Универзуму. Све ово ће такође проћи.


Како је настао Сунчев систем? Водич за почетнике и # 8217с

Широко прихваћена теорија о формирању Сунчевог система је Небуларна хипотеза која каже да је настала гравитационим колапсом масивног гигантског облака названог Сунчева маглина.

Широко прихваћена теорија о формирању Сунчевог система је Небуларна хипотеза која каже да је настала гравитационим колапсом масивног гигантског облака названог Сунчева маглина.

Куицк Фацт!

Маса сунца чини 99,86% укупне масе Сунчевог система. Деведесет девет посто од преосталих 0,14% масе чине Јупитер, Сатурн, Уран и Нептун. Захваљујући својој великој маси, Сунце је у стању да изврши гравитационо привлачење на остала тела Сунчевог система.

Сунчев систем је колекција небеских тела која чине звезду са планетама и другим објектима који круже око ње. Наш Сунчев систем састоји се од Сунца око којег кружи 8 планета (укључујући и нашу властиту Земљу) и многих других објеката попут месеци (који круже око планета), астероида и метеора. Неколико небеских тела попут Сунца, Месеца, Меркура, Венере, Марса, Јупитера и Сатурна видљиво је голим оком, док су остатак планета видљиви телескопима. Постоје и разни светли астероиди, комете и метеори који су видљиви.

Да ли бисте желели да пишете за нас? Па, тражимо добре писце који желе да шире глас. Ступите у контакт са нама па ћемо разговарати.

Сунце је најважнији члан Сунчевог система јер пружа већину светлости, топлоте и друге енергије виталне за живот. Осам познатих планета круже око Сунца у благо овалним орбитама, од којих су прве четири планете: Меркур, Венера, Земља и Марс стеновите планете, док су следеће четири: Јупитер, Сатурн, Уран и Нептун гасовите планете. Плутон је раније био девета планета и пошто је врло мале величине, научници из целог света су га колективно деградирали. Стога се сада више не сматра планетом.

▶ Формирање Сунчевог система

Анализирајући радиоактивни распад радиоактивних елемената у метеоритима, астрономи су рекли да се порекло Сунчевог система може пратити од пре 4,6 милијарди година. Тада се догодио гравитациони колапс малог дела гигантског молекуларног облака. Ово је познато као Небуларна хипотеза коју су први пут развили Емануел Сведенборг, Иммануел Кант и Пиерре-Симон Лаплаце у 18. веку и теорија је широко прихваћена широм света. Међутим, ова теорија је оспоравана и дорађивана након зоре свемирског доба и открића додатних соларних планета педесетих и деведесетих година.

▶ Небуларна теорија настанка Сунчевог система

Према овој небуларној теорији, Сунчев систем је настао од масивног, ротирајућег облака прашине и гаса званог Соларна маглина.

Тако се догодило да се Сунчева маглина почела урушавати под сопственом гравитационом силом. Неколико научника верује да је колапс овог гигантског облака гаса изазвала супернова (експлодирајућа звезда) у његовој близини, што је резултирало контракцијом маглине. Како се облак срушио, топлота се повећавала узрокујући испаравање честица прашине и резултирајући компресијом облака у центру.

Како се маглина срушила, велики фрагмент се одвојио од ње да би формирао Сунчев систем. Сунце је изашло из највеће колекције масе у центру маглине. Притисак у центру маглине постао је довољно висок да покрене нуклеарне реакције које би могле покретати Сунце. Како се маглина смањивала у величини, окретала се све брже и сравњивала се у диск. Стога се маса око Сунца агрегирала и формирала диск око њега.

Даље, честице унутар заравњеног диска сударале су се једна о другу са повећаном фреквенцијом и стале се, тако да су формирале објекте у облику астероида познате као планетесимали. Неки од ових планетезимала су се даље сударали и комбиновали једни са другима да би формирали планете које данас познајемо. Остатак планетезимала комбиновано формирајући месеце, метеоре, комете и астероиде.

Како су се одвијале соларне ерупције, стварали су се соларни ветрови. Ови ветрови су били толико моћне природе да су помели већину лакших елемената попут хелијума и водоника из Сунчевог система. Међутим, ови ветрови су били слабији у спољним регионима, па је тако спољним планетама остала велика количина водоника и хелијума. Ово објашњава гасовиту природу спољних планета и контрастну стеновиту природу унутрашњих четири планете.

Научници верују да се звезде и даље мењају и не остају константне. Они верују да ће се у наредних 5 милијарди година спољни слојеви Сунца проширити, чинећи Сунце већим и врелијим. Ширење Сунца ће проузроковати да постане црвена ватрена кугла која ће прогутати све унутрашње планете, укључујући Земљу. Научници такође верују у то након периода од 100 милиона година, Сунце ће изгубити способност стварања енергије и завршиће као мала планета.

▶ Куиперов појас

Да ли бисте желели да пишете за нас? Па, тражимо добре писце који желе да шире глас. Ступите у контакт са нама па ћемо разговарати.

То је део Сунчевог система који лежи изван планета. Куиперов појас је врло сличан појасу астероида и он је направљен од планета-минимала. Планетсимали су у основи фрагменти пореклом са протопланетарног диска. Куиперов појас је много већи и 20 пута шири од појаса астероида. Његова величина се креће од 30 до 55 АУ (1 АУ = 92,956 × 10 ^ 6 миља). Планета Плутон је део Кајперовог појаса.

▶ Међузвездана теорија облака

Према међузвезданој теорији, наш Сунчев систем је настао од међузвезданог облака. Важан догађај у формирању Сунчевог система био је пролазак сунца кроз међузвездани облак. Овај догађај је довео до тога да је сунце изашло из облака обавијеног гасом и прашином. Из овог омотача гаса и прашине постепено су изашле планете Сунчевог система. Ову теорију је предложио Отто Сцхмидт, астроном из Русије 1944. године.

▶ Теорија хватања

Ову теорију је предложио Мицхаел Марк Воолфсон, планетарни научник и британски физичар, 1964. Сунчев систем је настао плимним интеракцијама које су се одвијале између протозвезде мале густине и сунца. Гравитационо привлачење Сунца помогло је у цртању материјала из ове протозвезде мале густине. Планете нашег Сунчевог система настале су од материјала извученог из протозвезде. Према теорији Хватања, старост сунца се разликује од старости планета Сунчевог система.

Горе поменута & # 8216Небуларна хипотеза & # 8217 је најприхваћенија теорија настанка Сунчевог система. Међутим, она није договорена као крајња теорија због појаве различитих теоријских проблема што узрокује потешкоће у њеном усаглашавању са новим запажањима.


Како су лакши елементи завршили у центру Сунчевог система? Формирање соларног система - астрономија

ПОГЛАВЉЕ 1: ПОРЕКЛО ПЛАНЕТА & СОЛАРНИ СИСТЕМ ДАНАС

1. Слика 1.3: Сунчев систем се састоји од Сунца, девет планета, 61 месец и мноштво астероида, комета и метеороида.

2. Орбите планета су елиптичне око сунца

3. Планете се углавном окрећу у истом смеру око Сунца и унутар равни еклиптике, осим Плутона, који је нагнут за 17 о према еклиптици.

4. Већина месеца се окреће око планета у истом смеру као и планете око Сунца.

5. Метеороиди, астероиди и комете такође прате орбите око Сунца.

6. Ротације планета, месеца и других тела наслеђене су из ротације древног облака гаса од којег су настале.

Земаљске (стеновите) планете

1. Најближи сунцу и чине га Меркур, Венера, Земља и Марс.

2. Да ли су то генерално мала стеновита тела која деле многе сличности и разлике.

3. Густине веће од 3 гм / цм 3.

4. Састоји се углавном од силиката поред Фе и Ни.

5. Вулканизам је углавном базалтан, црна стена релативно богата Мг, Си, О и Ца.

6. Разлике уочене међу стеновитим планетама одражавају факторе као што су величина и удаљеност од Сунца, а не састав. То нам говори да су ове стеновите планете настале мање-више од сличног материјала рано у историји Сунчевог система.

Јовианске (гасовите) планете

1. Јављају се изван орбите Марса и састоје се од Јупитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона.

2. Генерално веће од земаљских планета.

3. Густине мање од 3 гм / цм 3.

4. Свака се (осим Плутона) састоји од чврстог језгра (вероватно стеновитог) окруженог густом атмосфером која се састоји од метана, амонијака, водоника, хелијума и других гасова. Плутону недостаје густа атмосфера и уместо тога састоји се од чврстог језгра са дебелим спољним слојем леда.

5. Већина Јовианових планета има више месеци.

6. Већина Јовианових планета има импресивне прстенасте системе састављене од честица углавном леда величине прашине до громада.

Теорије о пореклу Сунчевог система

1. Током касних 1700-их, Буффон је замислио планете као да су настале од сунца. Претпоставио је да је гравитационо привлачење комета које су пролазиле извукло врући, гасовити материјал са сунца. Овај материјал се касније охладио и кондензовао да би створио планете. Према Буффон-у, сунце је било много старије од планета.

2. Друга рана теорија тражила је кондензацију (очвршћавање) планета из врућег, гасовитог облака званог соларна маглина, уместо да планете потичу од самог сунца.

3. Почетком 20. века, научници су генерално одбацили идеју кондензације планета директно из облака врућих гасова и уместо тога фаворизовали хипотезу да су се планете и друга тела Сунчевог система агрегирала из хладних облака прашине и гасова. Према овом моделу, планете су се у почетку формирале као хладне сфере које су резултат спорог накупљања прашине и гаса.

4. Хладно порекло планета је у почетку изнето у планетезималној хипотези, коју су почетком двадесетог века развили Цхамберлин (геолог) и Моултон (астроном). Према овом моделу, гравитационо повлачење пролазеће звезде наводно је извлачило соларне гасовите материјале са сунца. Ови гасовити материјали су тада окружили сунце и почели кондензовати мала, чврста тела приближно величине астероида (у пречнику од десетина до стотина км) названих планетесимали. Ови планетесимали су се на крају агрегирали да би формирали ране планете, које су затим наставиле да расту привлачећи још више честица.

5. Слика 1.6: Једном када су хладне, растуће планете постале довољно велике, гравитационо привлачење је завладало. Планете су на крају постигле масу која је проузроковала гравитациони колапс, што је резултирало унутрашњим загревањем и омекшавањем, праћено раздвајањем различитих материјала у дискретне слојеве. Густији материјал утонуо је у унутрашњост планете, док је лакши материјал мигрирао или испливао на површину.

1. Слика 1.2: Другу идеју, названу небуларна хипотеза, изнели су средином двадесетог века астрономи вон Веизацхер и Куипер. Небуларна хипотеза истовремено формира сунце и планете. Према овом моделу, наш Сунчев систем почео је као џиновски међузвездани облак гасова и прашине у облику диска пре око 5 или 6 милијарди година.

2. Замишљено је да полако окретање овог међузвезданог облака постепено доводи до тога да се већи део његове масе концентрише близу центра диска. Ова централизована маса је подвргнута даљој компресији гравитационим привлачењем све док на крају није достигла температуру од неколико милиона степени што је изазвало почетак термонуклеарних реакција. Ова централизована, термонуклеарна маса постала је рано сунце.

3. Слика 1.2: Ембрионално сунце било је окружено омотачем гаса и прашине званим соларна маглица. Турбуленција у маглини прво је проузроковала кондензацију планетесимала. Хладни планетезимали су се, поред прашине и гасова, брзо сударили и агрегирали да би формирали 9 или 10 протопланета сличног састава. Месеци су се можда формирали на сличан начин око својих планета домаћина или су можда касније заробљени од других места гравитационом привлачношћу планете. Преостали планетезималци развили су врло елиптичне орбите и на крају су Јупитеровом гравитацијом избачени из унутрашњег Сунчевог система да би постали комете.

4. Слика 1.6: Модел хладног хомогеног прираштаја наводи да су како су протопланете расле, њихова прогресивно јача гравитациона поља пометала су још више материјала из облака прашине све док на крају нису постала велика, композиционо хомогена планетарна тела чак веће величине од садашњих, али много већих мања густина. Растућа гравитациона поља на крају су проузроковала да се велике протопланете скупљају и постају гушће. Ова контракција довела је до диференцијације где је већина тежих елемената мигрирала у средиште протопланета, док су се лакши елементи кретали ка њиховим површинама. Већина светлосних гасова Х и Он изгубљени су у свемиру.

5. Четири унутрашње земаљске планете биле су релативно мале и имале су слабија гравитациона поља у односу на спољне, гасовите планете. Унутрашње земаљске планете су стога изгубиле много више својих лакших елемената него њихове веће колеге.

6. Сунчево зрачење, или соларни ветар, даље је модификовало састав планета издувавањем преосталих небуларних гасова у спољни део Сунчевог система.

7. Недавно је испитан модел вруће хетерогене акреције. Према овом моделу, унутрашња зона планета се развила током, а не након акретационе акумулације. Сматра се да је акрезија започела са соларном маглином у време док су гасови још увек били веома врући (> гт 1000 Ц). (А) Како се маглина почела хладити, првобитни Фе и Ни су се акумулирали да би формирали метално језгро планете. (Б) Силикати су се акретирали касније око раније формираног језгра како су температуре наставиле да падају. (Ц) Коначно, плашт се диференцирао и формирао кору.

Слика 1.5: Резиме предложених фаза за рану еволуцију Земље.

Хемијска и термичка еволуција

1. Рана земља пре око 4,5 милијарди година имала је чак пет пута већу количину производње радиоактивне топлоте него сада.

Након акретације, загревање ране Земље узроковано је:

(а) Почетно загревање услед гравитационог стезања које је могло повисити температуру земљиног центра за 1000 о Ц.

(б) Производња радиоактивне топлоте која је повисила температуру за додатних 2000 Ц.

(ц) Интензивно бомбардовање метеорита пре пре 4 милијарде година.

2. Слика 1.6б: Рано загревање земље могло је бити толико интензивно да је планету за кратко време потпуно истопило.

3. Изразито језгро и плашт створени су пре око 4,5 милијарди година када је површину земље прекривао неизмерни океан растопљене магме.

4. Чак и данас, континуирана активност вулкана и топлих извора указује да се топлота и даље ослобађа из унутрашњости. Процењује се да је, због топлотне изолације коју пружају земаљска кора и плашт, унутрашњост данас тек на пола историје хлађења, иако је већина радиоактивних елемената одавно пропала.

1. Слика 1.6б: Докази сугеришу да се земљина кора разликовала (одвојила) од основног плашта на основу хемијског састава. Током диференцијације плашта, релативно лаки елементи попут Си, О, Ал, К, На, Ца, Ц, Н, Х и Хе израсли су на површину формирајући кору, морску воду и атмосферу (слика 1.8).

2. Изотопско датирање указује на то да континентална кора није постала стабилна пре отприлике 3,9 - 4,1 милијарде година, скоро пола милијарде година након формирања језгра и плашта.

Порекло и еволуција атмосфере и морске воде

Постоји неколико хипотеза које објашњавају порекло земљине атмосфере. Сви они раде под претпоставком да:

(а) Слика 1.8: Значајни водоник и хелијум су побегли у свемир током ране диференцијације земље (слика 1.6б). Већина преосталог водоника била је затворена у води.

(б) Рана атмосфера практично није имала молекуларни О 2. Обилни кисеоник је дошао много касније као резултат спорог накупљања током геолошког времена.

(в) Земљина рана атмосфера могла је бити слична данашњој Јупитеровој и садржала је гасове сличне онима који се данас налазе у метеоритима. Ови рани гасови састојали су се пре свега од метана, амонијака и водене паре.

Хипотеза о испуштању гасова

1. Слика 1.8: 1951. године геолог по имену В.В. Рубеи је фаворизовао теорију да је већина гасова у раној атмосфери Земље изведена из унутрашњости планете магматским преносом преко вулкана и жаришта. Овај процес је познат као испуштање гасова.

2. Количина Хе и Ар у траговима пронађена у нашој садашњој атмосфери представљају ћерке производе пропадања У и К

3. Претпостављајући формирање атмосфере континуираним испуштањем из вулкана и топлих извора, можемо разумно објаснити сву Н, Хе, Ар и водену пару која се данас јавља у атмосфери. Кисеоник има засебно порекло као производ фотосинтезе током 2-3 милијарде година.

Хипотеза фотохемијске дисоцијације

1. The Photochemical Dissociation Hypotheses assumes an early earth atmosphere much like that found on the planet Jupiter today which is dominated by methane, ammonia and water vapor.

2. According to this model, the early atmosphere of the earth was devoid of an ozone layer which today acts to filter out incoming ultraviolet radiation. Without an ozone layer in the early atmosphere, ultraviolet light was able to reach the earth’s surface and cause several reactions to take place within the primitive atmosphere.

Reactions of Ultraviolet Light with Primitive Earth Atmosphere:

(a) Dissociation of water vapor into hydrogen and oxygen with most hydrogen escaping into space: 2H 2 O + uv light = 2H 2 + O 2

(b) Newly formed molecular oxygen reacted with methane to form carbon dioxide and more water: CH 4 + 2O 2 = CO 2 +2H 2 O

(c) Oxygen also reacted with ammonia to form nitrogen and water: 4NH 3 + 3O 2 = 2N 2 + 6H 2 O

(d) After all the CH 4 and NH 3 were converted to CO 2 and N 2 , then excess O 2 could accumulate as more water vapor dissociated. Over time, our present atmosphere of N 2 , CO 2 and O 2 may have formed.

Oxygen from Photosynthesis

1. The early earth may have additionally contained a great deal of CO 2 in the primitive atmosphere.

2. The appearance of photosynthetic cyanobacteria about 3.5 billion years ago instigated the process of photosyntheses in which these early life forms extracted CO 2 from the atmosphere and released O 2 as a by-product. Over the course of hundreds of millions of years, O 2 slowly began to accumulate in the atmosphere.

1. The rate of seawater accumulation is directly tied to atmospheric production of water vapor following chemical differentiation of the earth. In other words, the outgassing hypothesis can also account for the accumulation of water on the earth’s surface.

2. The question remains, however, whether the atmosphere and oceans accumulated slowly at a more or less uniform rate or did they accumulate rapidly during the early stages of earth history?

3. Some suggest that intense early bombardment of the earth by icy comets may have contributed to the planet's supply of water and gasses, implying that the atmosphere and seawater formed early and rapidly.

4. On the other hand, if seawater accumulated slowly in a manner similar to the O 2 buildup by photosynthesis, then the earth's water supply may have been pretty well established by around 2.5 billion years ago.

1. The moon is a small, dense rocky object pock-marked by impact craters and numerous basalt flows.

2. Seismic measurements from seismometers placed on the moon by astronauts have determined that the moon is layered. The crust of the moon, where measured, is around 65 km thick. The moon is covered by a thin veneer of regolith (mixture of gray pulverized rock fragments and small dust particles) overlying a 2 km thick layer of shattered and broken rock. Below the broken-rock zone is about 23 km of basalt, followed by 40 km of feldspar-rich rock. The mantle composition is unknown but possibly similar to the Earth's mantle. The lithosphere is possibly as much as 1000 km thick and any asthenosphere would occur at deeper levels.

3. The Moon's surface includes light-colored mountainous areas called highlands , which are heavily cratered and primarily composed of plagioclase-rich rocks called anorthosite that formed early in the history of the moon (4.5 billion years ago).

4. The smooth, dark-colored lowland impact craters are called maria (singular mare ) which are nearly circular and filled with basaltic lava flows.

5. The moon probably formed 4.6 billion years ago. One theory states that the moon formed in its present orbit by accretion during condensation of the solar nebula. A second theory suggests that the moon was captured by the earth.

6. Figure 1.4 : The most widely accepted theory, however, is that the moon originated as a portion of the earth that was ejected during impact with a Mars-sized object about 4.5 billion years ago. The ejected material condensed to form the moon.

7. Intense meterorite impacts that occurred around 3.9 - 4.0 b.y. ago formed most of the craters seen on the moon today. Since that time, the Moon has remained a dead planet void of any tectonics or volcanism.

1. It's high density of 5.4 g/cm3 may be due to a large, metallic core about 3600 km in diameter.

2. Heavily pockmarked by ancient impact craters, many filled with basaltic flows.

3. Lacks an atmosphere and shows no evidence of tectonic activity (no evidence of moving lithospheric plates).

4. Mercury has a magnetic field about 1/100 as strong as that of the Earth. Planetary magnetic fields are typically formed by fluid motions in the core caused by rotation of the planet. Mercury's slow rotation (once every 59 days vs 24 hrs for earth) and lack of tectonic plate movements, however, pose problems with this interpretation.

1. Venus is about the same size and mass as Earth.

2. Thick atmosphere of CO 2 prevents direct visual observation of the planet’s surface and is largely responsible for surface temperatures of about 500 o due to the greenhouse effect.

3. Several spacecraft have landed on the surface and radioed back information from radar measurements of the surface topography. Spacecraft Magellan recently orbited Venus and has sent radar images back to earth.

4. Radar images show a surface consisting of broken rock fragments primarily basaltic in composition.

5. Vast volcanic plains and thousands of volcanoes shaped like broad domes, similar to those that occur today in Hawaii, dominate the surface. Several steeper-sided volcanoes indicate eruption of more Si-rich lava.

6. The topography also shows mountain ranges and rift valleys.

1. Mars is only 1/10 the size of earth and rotates once every 24.6 hours.

2. Mars has a thin atmosphere only 1/100 as dense as the Earth's and consists largely of CO 2 .

3. Mars has polar ice caps consisting mostly of CO 2 and small amounts of water ice. The ice caps grow and shrink with the seasons.

4. The composition of the Earth and Mars may be similar. Mars has a reddish-brown surface covered by loose stones and windblown sand. Two Viking spacecraft had landed on the martian surface during the 1970’s and analyzed the composition of the soils. Chemical analysis by the Viking spacecraft indicated clays and possibly gypsum, a mineral commonly precipitated from evaporating water.

5. The Viking spacecraft also monitored for earthquakes, but no earthquakes were recorded. The scarcity of earthquakes suggest that any former plate movements on Mars had now ceased.

6. Recently, the spacecraft Pathfinder landed on Mars and sent out its microrover, Sojourner, to study rocks on the surface. The rover found sedimentary and volcanic rocks much like what we have on earth.

7. Mars probably has a core that is completely solid since no magnetic field is apparent.

8. The SNC meteorites are considered martian in origin.

9. Recently, evidence of fossil bacteria were discovered in one of the martian meteorites, suggesting that simple life forms existed in the early martian crust.

10. The southern hemisphere is densly cratered and resembles the surfaces of the Moon and Mercury.

11. Craters are sparse in the northern hemisphere and large areas are relatively smooth, suggesting a younger surface. Huge shield volcanoes like Olympus Mons suggest extensive volcanism in the past. The youngest flows on Olympus Mons are probably less than 100 million years old. Long-lived sources of magma must still be present in the martian interior. Martian lithosphere also must be thick and strong in order to support the weight of Olympus Mons.

12. The martian surface also exhibits a system of huge canyons and branching valleys similar to those cut by intermittent desert streams on Earth. These features suggest that ice presently frozen beneath the surface may have melted during past warming episodes, creating torrential floods that carved these valleys.

13. Rain, lakes and streams may have existed early in martian history during a time of planetary differentiation and extensive volcanism. Mars eventually aquired a frozen regolith. Occasional melting of the frozen ground may have occurred during periods of magmatic activity or sudden changes in climate.

1. Jupiter is about twice the mass of the other planets combined.

2. Jupiter is unusual in that it gives off twice as much energy as it receives from the sun, suggesting that it is still undergoing gravitational contraction.

3. Jupiter has an atmosphere composed primarily of H 2 , He, NH 3 and CH 4 surrounding a rocky core.

4. Surface may be a giant ocean of liquid hydrogen.

5. Colored atmospheric bands produced by high-speed winds. Giant red spot (storm).

6. The moon closest to Jupiter is Io and is colored with shades of yellow and orange, suggesting that it is covered by sulfur and sulfurous compounds. Io is volcanically active. Volcanic products include basaltic lava as well as molten sulfur flows and sulfurous gases. Geyser-like volcanic plumes of SO 2 have been observed by the Voyager spacecraft. The heat energy which drives Io's volcanism may be caused by tidal stresses exerted by Jupiter's gravitational pull.

7. Europa, Ganymede and Callisto may have small metallic cores surrounded by thick mantles of ice and silicate minerals. Above the mantle are crusts of nearly pure ice in excess of 100 km thick. Europa is criss-crossed with fractures, suggesting that tidal stresses from Jupiter are manifested on the icy surface.

8. Ganymede (largest of Jupiter's moons) and Callisto have icy surfaces pitted by craters. Ganymede's surface contains dark areas covered by dust and impact debris, indicating ancient ice continents.

1. Saturn is known for its immense ring system.

2. The ring system is 10,000 km wide and a little over 100 m thick.

3. The Voyager spacecraft discovered that the major rings actually consist of hundreds of tiny ringlets.

4. Each ring is composed of dust- to boulder-sized particles consisting mostly of ice, some possibly stained with iron oxide. Color differences indicate slight compositional differences between the rings.

5. Saturn has an overall chemical composition similar to Jupiter.

6. Titan is the most distinctive among Saturn's moons. Titan is surrounded by an opaque, orange-colored atmosphere composed mostly of nitrogen with lesser amounts of ethane, acetylene, ethylene, and HCN. Titan may consist of 45% ice and 55% rocky matter. Surface temperature is estimated at around -180 o C, in which case Titan may consist of ice continents surrounded by an ocean of liquid ethane and methane.

2. Uranus has rings much like those encircling Jupiter.

3. Uranus has several moons, some with canyons while others are smooth.

1. Neptune is a bluish planet.

3. Neptune has visible white clouds of frozen methane.

4. Neptune has eight moons, six of which orbit in a direction opposite to the other two.

5. The largest of Neptune's moons is Tritan, which has a surface covered with solid nitrogen and methane.

1. Pluto is one-fifth the size of earth and 40 times farther from the sun.

2. Pluto is too small to be visible to the unaided eye.

3. It takes 248 years for Pluto to orbit the sun.

4. Pluto follows an elongated orbit, causing it at times to travel inside Neptune's orbit.

5. Pluto may possibly be a satellite of Neptune rather than a planet as originally thought.

6. Pluto is described as a dirty ice ball of frozen gases and rocky material.

7. Pluto has one moon, Charon, which is 1,300 km in diameter.

1. Asteroids are possibly fragments of broken planets.

2. Asteroids can reach 1,000 km in diameter, but most are only about 1 km or less across.

3. An extensive belt of asteroids occurs between the orbits of Mars and Jupiter.

4. Some asteroids have collided with the earth in the past.

1. Comets can be described as dirty snowballs of frozen gases in addition to rocky and metallic materials.

2. Some comets may contain organic material.

3. Comets develop a tail of dust and ionized gases when approaching the Sun due to the solar wind.

4. Millions of comets may orbit the Sun beyond Pluto.

5. Comets are thought to be relicts of the early Solar Nebula that were swept to the far reaches of the Solar System by the solar wind after formation of the planets.


Comments of the Week #2: From the Sun's death to the light elements

After all is said-and-done this week, and after all the new posts over at the main Starts With A Bang on Medium, you've had a chance to have your say here on our forum! And Kierkegaard would likely change his tune if everyone he came across left comments like yours.

From the end of the Sun's life to the light elements, let's take a look at your best comments this week!

From Ted Lawry concerning Ask Ethan #27: Will the Earth and Moon survive? -- "What about drag? The earth would be plowing through all that mass the sun is losing as solar wind?"

This is a reasonable thought as the Sun expands and gently blows off its outer layers, won't the Earth be plowing into that matter, the way a fast-moving car plows through rain?

In theory, there are two things we'll need to compare:

  1. The speed of the Earth as it moves in its orbit around the Sun.
  2. The speed of the matter being blown off from the Sun as it crosses Earth's orbit.

As it turns out, for the vast majority of the matter, it's not even close. On average, the Earth takes about 58 days to traverse the equivalent of the Earth-Sun distance, and on average, particles ejected from the Sun take about 3 days to reach the Earth. In other words, the Solar Wind travels more than ten times as fast as the Earth orbiting the Sun.

And so although the drag force exists, it's very small, and will likely help keep the Earth's orbit relatively circular as it spirals outwards, but won't play a significant role in causing the Earth's orbit to decay and inspiral. It's an important thing to consider, but quantitatively it won't be enough to cause the Sun to devour us.

From Robert H. Olley on Ask Ethan #27: Will the Earth and Moon survive? -- "You seem to be saying that red giant formation coincides with the onset of helium burning to carbon.
According to Jim Kaler of UIUC (one of America’s astronomy heavyweights) there’s a double process, first with hydrogen burning on a helium core and blowing up to an “ordinary” red giant. Then the helium core ignites, and the star contracts somewhat. This is followed by helium burning on a carbon-oxygen core, and the star becomes a bigger red giant.
See the following: http://stars.astro.illinois.edu/sow/star_intro.html#giantsfrom the short section “Giant stars” to “Bigger red giants and Miras”."

Stellar evolution has many stages, and I do my best to summarize what the important points are clearly and succinctly, and so does Jim Kaler, who's excellent at what he does and whom I respect tremendously. Тхе full details of the stages our Sun will go through are summarized in the diagram below, and I'll walk you through it and try to clear things up.

When the Sun runs out of hydrogen it its core, it expands into a subgiant and starts burning hydrogen in a shell around the core. It continues to expand and expand as its surface temperature cools, a process taking many hundreds of millions of years, eventually crossing the threshold to becoming a true giant star, and finally the helium in its core ignites. (That's the "helium flash.")

The star remains a giant star for some time, changing colors to yellow and then back to red as the innermost core runs out of helium fuel but helium burning continues in a shell, blowing off its outermost layers most rapidly during this time. (Although, to be fair, it's blowing off its outermost layers continuously during this entire process.) Stellar evolution is a huge, nuanced process that comprises an entire sub-field of astronomy and astrophysics research, and I think Jim does an excellent job, but I don't think anything I said contradicted that. At least, I hope not!

From PJ concerning Messier Monday: A Spiral Sliver headed our way: M98 -- "when you say M98 is headed toward us, do you mean that literally, or are we (our galaxy), in fact, overtaking M98 because its velocity is less than our Milky Way?"

Messier 98 is one of more than a thousand galaxies in the Virgo cluster, a dense galactic group located some 50-60,000 light years away. In the image above, it's visible on the right, with its relatively nearby neighbor, M99, on the left.

Gravitationally bound objects have what we call an просек velocity, where we can compute how quickly the cluster is moving relative to us. But each of them also has a чудан velocity, where they can be moving either towards us or away from us on top of the average velocity. For the Virgo cluster, if we measure the recession speeds of each of the galaxies, they show up in the ellipse highlighted below.

On average, the Virgo Cluster is receding from us at right around 1,000 km/s, but galaxies within it can have peculiar velocities of up to 1,500 km/s, meaning that a few galaxies are (temporarily) moving towards us at up to a few hundred km/s (like M98), while some galaxies are moving away from us at over 2,000 km/s (like M99)! They're all going to expand away from us as the Universe continues to age, although for the next few tens of millions of years, M98 (and M86, and a few other large Virgo galaxies) will continue to move towards us before turning around and plunging back towards the center-of-mass of the cluster.

It's literally heading towards us (and getting closer to us), but that's only temporary!

A lovely sentiment from John D. Whitehead after reading Why The World Needs Cosmos -- "I will be 50 this year, and the original Cosmos inspired me as a teen. My grandfather said “Read something and learn every day and you’ll be smarter than any ‘Professor’ and never be in need of a degree or ‘credentials’.” I was about to turn 8 when Apollo 17 ended all hopes of returning to the Moon in my lifetime, and I was short-sighted when it came to realizing that a life of exploration was still open to me. Thank you so much Ethan for rewarding all of us millions who still dream and are always searching the Universe with our questions every day. Your site is the first I go to every night at work, and you answer in a more satisfying depth than the usual spoon-fed pablum the ‘target audiences’ get on Nova and documentaries like ‘Cosmos’. I search out and explore every link, for the deeper nourishment, I have come to crave from a lifetime of learning. Thank you and Thanks to Carl and now Neil for pointing the way to the Cosmos in and around us, you have all made the Journey less lonely for me."

There were no comments on this post that really asked a question or warranted a response, but I felt I should say something about this one. The Universe is something that brings us all together, a story that we all share with one another and with everything else, living and inanimate, past, present and future, from the smallest atom to the largest black hole.

And our local group will stay with us for trillions upon trillions of years, while the rest of the matter in the Universe will disappear from our cosmic horizon. That's the truth of our reality. To quote Carl Sagan,

For small creatures such as we the vastness is bearable only through love.

Thanks for sharing in the journey we're all taking, and thanks for having me as a part of it.

From Sinisa Lazarek about The 3 Most Surprising Elements -- "I’ve read a while ago that Lithium abundance is significantly off in comparison with theory and observation.
Does this mechanism of spallation correct that or is Lithium data still a big problem. From the article it seems all is ok and fits the theory perfectly. Just wondering if Lithium problem was resolved in last couple of years?"

Sinisa is referring to these measurements, which are close for Lithium-7 to matching what the values ought to be from observations of the CMB, but which miss by a little bit. The predicted values are just a little high compared to what we observe.

There's also the Lithium-6 puzzle, where there's a little too much Lithium-6. The problem with these observations is that we are uncertain as to how much of the lithium we see is left over from the Big Bang, how much has been destroyed in stars, and how much has been produce from spallation: from cosmic rays causing the nuclear fission of heavier elements.

It's fair to say that this is an ongoing area of active research one person I follow quite closely and whom I respect is Karsten Jedamzik. The standard picture of Big Bang Nucleosynthesis is certainly not in jeopardy at this time, but it's worth keeping an eye on.

And finally, from Arun Kumar, also concerning The 3 Most Surprising Elements -- "Loved the article, but I do have a question. How does this explain the concentrations of Lithium that are mined, for the manufacture of batteries for example?"

You see, this is a good question! In the Solar System -- and in the Universe in general -- Lithium is somewhat rare.

But in the Earth's crust, there's actually a significant amount of Lithium, much more than you'd expect from the above graph!

Image credit: Gordon B. Haxel, Sara Boore, and Susan Mayfield from USGS vectorized by Wikimedia Commons user michbich.

Why is lithium so much more common in our crust? Quite simply: because lighter elements buoyantly "float" atop the heavier ones! While the heaviest metals are concentrated in our planet's core, the lightest ones have preferentially risen to the crust. As it stands, највише of the lithium in our planet is located within the first few hundred km of the surface, which is crazy considering our planet is over 6,000 km to the core!

The segregation isn't perfect, but it's good enough to explain why there's a somewhat large amount of lithium in our crust, and why it's not rare to us at all!


How did the lighter elements end up in the center of the solar system? Solar System Formation - Astronomy

Is there any theory of the origin of Solar system which can explain these three things:

1) The chemical elements distribution between different planets (the Sun has very little of heavy elements, Venus and Earth lots of it, Jupiter and Saturn have little again)

This is explained by the Lewis Model. In the early Solar System, which was a cloud of gasses, the inner parts were warmer than the outer parts. In the inner region, only things like metal or rock could condense, so the inner planets (Mercury, Venus, Earth, and Mars) are composed chiefly of metal and rock. As you move out to the cooler outer regions, it gets cool enough for things like water ice, and then ammonia and methane ice to condense.

The reason why the outer layers of the gas giants (Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune) are composed of lighter elements is that these planets grew larger than the Earth, quickly. There are two reasons why. One is that, in the outer regions, it was cool enough for a larger range of materials to condense -- not only rock and metal, but also things that condense at cooler temperatures such as water ice and ammonia ice, so there was more "raw materials" for the planets to be made of. The other reason is that ice sticks together better than rocks and metals, so when the ice that had condensed in small pieces ran into other pieces of ice, it tended to make bigger pieces, rather than bounce off or fragment as pieces of rock do. The outer planets originated as big planets made of ice and rock. The were massive enough that their gravity allowed them to accummulate hydrogen and helium, which the inner planets did not have enough mass to hold on to, and grow to their current titanic proportions.

2) The upturned direction of Venus rotation around axis (in contrast with other planets)

An old idea about Venus' rotation (which is clockwise as viewed from the north as opposed to counter-clockwise like the other planets) is that gravitational influences of the Sun slowed it down until its rotational period equaled its orbital period. That situation is called a spin-orbit resonance. Mercury is in a slightly different type of spin-orbit resonance. However, that will not explain why Venus is rotating backward.

Another idea is that an impact with a large body gave Venus its strange spin state. This is not supported by any good physical evidence, and it is strange that Venus would end up rotating slowly backwards instead of tipped over at a random angle, like Uranus.

There is no widely-accepted explanation of Venus' rotation right now. Personally, I think that's good. It means that there is still a Great Mystery in the solar system waiting to be revealed, and reminds us astronomers not to get too full of ourselves.

3) The division of momentum (the Sun has less than 2% as I remember).

I don't think this is a problem according to the Cameron Model (which explains how the Solar System formed out of a spinning cloud of gas and dust.) There's no reason why we would expect the Sun to contain most of the angular momentum in the Solar System, especially since the planets are constantly stealing it through tidal interactions.

This page was last updated June 28, 2015.

О аутору

Даве Корнреицх

Даве је био оснивач Аск а Астрономер-а. Докторирао је на Цорнеллу 2001. године и сада је доцент на Одељењу за физику и физичке науке на Универзитету Хумболдт Стате у Калифорнији. Тамо води своју верзију Питај астронома. Такође нам помаже у необичном космолошком питању.


The Origin of the Solar System

Here is a brief outline of the current theory of the events in the early history of the solar system:

  1. A cloud of interstellar gas and/or dust (the “solar nebula”) is disturbed and collapses under its own gravity. The disturbance could be, for example, the shock wave from a nearby supernova.
  2. As the cloud collapses, it heats up and compresses in the center. It heats enough for the dust to vaporize. The initial collapse is supposed to take less than 100,000 years.
  3. The center compresses enough to become a protostar and the rest of the gas orbits/flows around it. Most of that gas flows inward and adds to the mass of the forming star, but the gas is rotating. The centrifugal force from that prevents some of the gas from reaching the forming star. Instead, it forms an “accretion disk” around the star. The disk radiates away its energy and cools off.
  4. First brake point. Depending on the details, the gas orbiting star/protostar may be unstable and start to compress under its own gravity. That produces a double star. If it doesn’t …
  5. The gas cools off enough for the metal, rock and (far enough from the forming star) ice to condense out into tiny particles. (i.e. some of the gas turns back into dust). The metals condense almost as soon as the accretion disk forms (4.55-4.56 billion years ago according to isotope measurements of certain meteors) the rock condenses a bit later (between 4.4 and 4.55 billion years ago).
  6. The dust particles collide with each other and form into larger particles. This goes on until the particles get to the size of boulders or small asteroids.
  7. Run away growth. Once the larger of these particles get big enough to have a nontrivial gravity, their growth accelerates. Their gravity (even if it’s very small) gives them an edge over smaller particles it pulls in more, smaller particles, and very quickly, the large objects have accumulated all of the solid matter close to their own orbit. How big they get depends on their distance from the star and the density and composition of the protoplanetary nebula. In the solar system, the theories say that this is large asteroid to lunar size in the inner solar system, and one to fifteen times the Earth’s size in the outer solar system. There would have been a big jump in size somewhere between the current orbits of Mars and Jupiter: the energy from the Sun would have kept ice a vapor at closer distances, so the solid, accretable matter would become much more common beyond a critical distance from the Sun. The accretion of these “planetesimals” is believed to take a few hundred thousand to about twenty million years, with the outermost taking the longest to form.
  8. Two things and the second brake point. How big were those protoplanets and how quickly did they form? At about this time, about 1 million years after the nebula cooled, the star would generate a very strong solar wind, which would sweep away all of the gas left in the protoplanetary nebula. If a protoplanet was large enough, soon enough, its gravity would pull in the nebular gas, and it would become a gas giant. If not, it would remain a rocky or icy body.
  9. At this point, the solar system is composed only of solid, protoplanetary bodies and gas giants. The “planetesimals” would slowly collide with each other and become more massive.
  10. Eventually, after ten to a hundred million years, you end up with ten or so planets, in stable orbits, and that’s a solar system. These planets and their surfaces may be heavily modified by the last, big collision they experience (e.g. the largely metal composition of Mercury or the Moon).

Белешка: this was the theory of planetary formation as it stood before the discovery of extrasolar planets. The discoveries don’t match what the theory predicted. That could be an observational bias (odd solar systems may be easier to detect from Earth) or problems with the theory (probably with subtle points, not the basic outline.)


3 Answers 3

Elements heavier than iron are produced mainly by neutron-capture inside stars, although there are other more minor contributors (cosmic ray spallation, radioactive decay). Су не only produced in stars that explode as supernovae. This has now been established fact since the detection of short-lived Technetium in the atmospheres of red giant and AGB stars in the 1950s (e.g. Merrill 1952), and it is tiresome to have to continue correcting this egregious pop-sci claim more than 60 years later.

The r-process

Neutron capture can occur rapidly (the r-process) and this process occurs mostly inside and during supernova explosions (though other mechanisms such as merging neutron stars have been mooted). The free neutrons are created by electron capture in the final moments of core collapse. At the same time this can lead to the build up of neutron-rich nuclei and the decay products of these lead to many of the chemical elements heavier than iron once they are ejected into the interstellar medium during the supernova explosion. The r-process is almost exclusively responsible for elements heavier than lead and contributes to the abundances of many elements between iron and lead.

There is still ongoing debate about the site of the primary r-process. My judgement from a scan of recent literature is that whilst core-collapse supernovae proponents were in the majority, there is a growing case to be made that neutron star mergers may become more dominant, particularly for the r-process elements with $A>110$ (e.g. Berger et al. 2013 Tsujimoto & Shigeyama 2014). In fact some of the latest research I have found suggests that the pattern of r-process elemental abundances in the solar system could be entirely produced by neutron star mergers (e.g. Wanajo et al. 2004), though models of core-collapse supernovae that incorporate magneto-rotational instabilities or from rapidly-rotating "collapsar" models, такође claim to be able to reproduce the solar-system abundance pattern (Nishimura et al. 2017) and may be necessary to explain the enhanced r-process abundances found in some very old halo stars (see for example Brauer et al. 2020).

Significant new information on this debate comes from observations of kilonovae and in particular, the spectacular confirmation, in the form of GW170817, that kilonovae can be produced by the merger of two neutron stars. Observations of the presumably neutron-rich ejecta, have confirmed the opacity signature (rapid optical decay, longer IR decay and the appearance of very broad absorption features) that suggest the production of lanthanides and other heavy r-process elements (e.g. Pian et al. 2017 Chornock et al. 2017). Whether neutron star mergers are the dominant source of r-process elements awaits an accurate assessment of how frequently they occur and how much r-process material is produced in each event - both of which are uncertain by factors of a few at least.

A paper by Siegel (2019) reviews the merits of neutron star merger vs production of r-process elements in rare types of core collapse supernovae (aka "collapsars"). Their conclusion is that collapsars are responsible for the majority of the r-process elements in the Milky Way and that neutron star mergers, whilst probably common enough, do not explain the r-process enhancements seen in some very old halo stars and dwarf galaxies and the falling level of europium (an r-process element) to Iron with increased iron abundance - (i.e. the Eu behaves like "alpha" elements like oxygen and neon that are produced in supernovae).

The s-process

However, many of the chemical elements heavier than iron are also produced by slow neutron capture the so-called s-process. The free neutrons for these neutron-capture events come from alpha particle reactions with carbon 13 (inside asymptotic giant branch [AGB] stars with masses of 1-8 solar masses) or neon 22 in giant stars above 10 solar masses. After a neutron capture, a neutron in the new nucleus may then beta decay, thus creating a nucleus with a higher mass number and proton number. A chain of such events can produce a range of heavy nuclei, starting with iron-peak nuclei as seeds. Examples of elements produced mainly in this way include Sr, Y, Rb, Ba, Pb and many others. Proof that this mechanism is effective is seen in the massive overabundances of such elements that are seen in the photospheres of AGB stars. A clincher is the presence of Technetium in the photospheres of some AGB stars, which has a short half life and therefore must have been produced in situ.

According to Pignatari et al. (2010), models suggests that the s-process in high mass stars (that will become supernovae) dominates the s-process production of elements with $A<90$ , but for everything else up to and including Lead the s-process elements are mainly produced in modest sized AGB stars that never become supernovae. The processed material is simply expelled into the interstellar medium by mass loss during thermal pulsations during the AGB phase.

The overall picture

As a further addition, just to drive home the point that not all heavy elements are produced by supernovae, here is a plot from the epic review by Wallerstein et al. (1997), which shows the fraction of the heavy elements in the solar system that are produced in the r-process (i.e. an upper limit to what is produced in supernovae explosions). Note that this fraction is very small for some elements (where the s-process dominates), but that the r-process produces everything beyond lead.

A more up-to-date visualisation of what goes on (produced by Jennifer Johnson) and which attempts to identify the sites (as a percentage) for each chemical element is shown below. It should be stressed that the details are still subject to a lot of model-dependent uncertainty.


The early Earth, as with Mars, Mercury and Venus, was formed from elements that had gathered in a zone roughly between 55 million to 230 million kilometers (35 million to 140 million miles) from the sun. Although the Earth had some hydrogen and helium in its early atmosphere, its weak gravity lost these light gases soon after. The Earth was kept hot by the collisions with the many large meteorites that were still common in the solar system.

After several million years, the Earth separated into several layers. Iron, nickel and other heavy metals mostly settled to the core lighter elements remained in the mantle around the core. The lightest elements, such as oxygen and silicon, floated to the top and cooled, forming a solid crust. Because the Earth was not completely liquid, the layering process was uneven pockets of heavy elements remained in the crust.


How did the lighter elements end up in the center of the solar system? Solar System Formation - Astronomy

Is there any theory of the origin of Solar system which can explain these three things:

1) The chemical elements distribution between different planets (the Sun has very little of heavy elements, Venus and Earth lots of it, Jupiter and Saturn have little again)

This is explained by the Lewis Model. In the early Solar System, which was a cloud of gasses, the inner parts were warmer than the outer parts. In the inner region, only things like metal or rock could condense, so the inner planets (Mercury, Venus, Earth, and Mars) are composed chiefly of metal and rock. As you move out to the cooler outer regions, it gets cool enough for things like water ice, and then ammonia and methane ice to condense.

The reason why the outer layers of the gas giants (Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune) are composed of lighter elements is that these planets grew larger than the Earth, quickly. There are two reasons why. One is that, in the outer regions, it was cool enough for a larger range of materials to condense -- not only rock and metal, but also things that condense at cooler temperatures such as water ice and ammonia ice, so there was more "raw materials" for the planets to be made of. The other reason is that ice sticks together better than rocks and metals, so when the ice that had condensed in small pieces ran into other pieces of ice, it tended to make bigger pieces, rather than bounce off or fragment as pieces of rock do. The outer planets originated as big planets made of ice and rock. The were massive enough that their gravity allowed them to accummulate hydrogen and helium, which the inner planets did not have enough mass to hold on to, and grow to their current titanic proportions.

2) The upturned direction of Venus rotation around axis (in contrast with other planets)

An old idea about Venus' rotation (which is clockwise as viewed from the north as opposed to counter-clockwise like the other planets) is that gravitational influences of the Sun slowed it down until its rotational period equaled its orbital period. That situation is called a spin-orbit resonance. Mercury is in a slightly different type of spin-orbit resonance. However, that will not explain why Venus is rotating backward.

Another idea is that an impact with a large body gave Venus its strange spin state. This is not supported by any good physical evidence, and it is strange that Venus would end up rotating slowly backwards instead of tipped over at a random angle, like Uranus.

There is no widely-accepted explanation of Venus' rotation right now. Personally, I think that's good. It means that there is still a Great Mystery in the solar system waiting to be revealed, and reminds us astronomers not to get too full of ourselves.

3) The division of momentum (the Sun has less than 2% as I remember).

I don't think this is a problem according to the Cameron Model (which explains how the Solar System formed out of a spinning cloud of gas and dust.) There's no reason why we would expect the Sun to contain most of the angular momentum in the Solar System, especially since the planets are constantly stealing it through tidal interactions.

This page was last updated June 28, 2015.

О аутору

Даве Корнреицх

Даве је био оснивач Аск а Астрономер-а. Докторирао је на Цорнеллу 2001. године и сада је доцент на Одељењу за физику и физичке науке на Универзитету Хумболдт Стате у Калифорнији. Тамо води своју верзију Питај астронома. Такође нам помаже у необичном космолошком питању.