Превалирующая в современной науке модель формирования планет восходит еще к XVIII веку. Согласно этой модели планеты Солнечной системы постепенно росли, когда небольшие частицы материала, оставшегося после образования Солнца, хаотически сталкивались и слипались друг с другом. Все растущие частицы все более сильно притягивались за счет гравитационного взаимодействия, в конце концов формируя планетезималь. Столкновения этих «зародышей» планет затем привели к образованию полноценных планет различного состава и размера. Условия для работы этой модели неуютные – не менее 1600 градусов Цельсия во внутренней Солнечной системе и запыленный космос практически плоского аккреционного диска, вращающегося вокруг молодого Солнца.

Основа современного видения этой проблемы была создана советским астрономом Виктором Сафроновым, за рубежом она стала известна по работам Джорджа Визерхилла, расширившего ее. На протяжении последних 40 лет эта модель сохранялась практически без изменений.

Разумеется, даже у общепринятой модели есть свои противники. Как мог такой хаотический процесс сцепления огромного количества частиц привести к образованию удивительно регулярной Солнечной системы с планетами, движущимися в одной плоскости и вращающимися вокруг Солнца и вокруг своей оси без хаотических эффектов?

Альтернативную модель предлагают планетологи профессора Анна Хофмейстер и Роберт Крисс, оба сотрудники Университета Вашингтона в Сент-Луисе. Используя законы классической механики и термодинамики, Хофмейстер, при содействии Крисса, разработала модель аккреции материала в планеты, происходящей в трехмерном газовом облаке, а не в плоском диске стандартной модели. Эта до-солнечная туманность формирует Солнце и планеты практически одновременно, в противоречии с обычным представлении об образовании Солнца и из оставшихся после этого материала – планет. Температура газа при этом низкая, вместо высокой в стандартной модели. Преимущество трехмерной модели заключается в том, что она объясняет орбиты и скорости вращения вокруг оси планет Солнечной системы, тогда как двумерная модель не затрагивает эти вопросы. Различие в химическом составе планет и других объектов Солнечной системы объясняется  тем, что легкие молекулы легче проходили через до-солнечное облако газа и пыли во внешнюю Солнечную систему. Модель также показывает связь между массой планеты и размером системы ее спутников, исходя из классической гравитации.

Орбиты и вращение планет

«Эта модель радикально отличается от стандартной, – говорит Хофмейстер. – Я пришла к ней, размышляя о предположении возможности выработки большого количества тепловой энергии в ходе сжатия до-солнечной туманности. Оказалось, что слишком много энергии ушло во вращательное движение планет внутренней Солнечной системы, для нагрева туманности ее просто не осталось. Существующие модели формирования планет исходят из двумерного диска пыли и не принимают во внимание сохранение кинетического момента системы. Мне показалось очевидным предположить, что до-солнечная туманность была трехмерной, но зато в системе сохранялся кинетический момент. Основные уравнения модели показывают, как потенциальная энергия гравитационного поля в энергию вращения планет, при этом выполняется закон сохранения кинетического момента».

Нечем нагревать

«В нашей новой модели выделение тепла не играет заметной роли в образовании планет», – говорит Хофмейстер.

Крисс объясняет, почему горячий газ стандартной модели является неверным представлением. По его мнению, гравитационное связывание, сопровождаемое нагревом, является нарушением законов термодинамики. Он проводит аналогию с кувшином воды, вынесенным на мороз. Вода начинает замерзать, высвобождая при этом тепло, так как система становится упорядоченной (кристаллы льда) из неупорядоченной (жидкость). Это означает уменьшение энтропии и потому выделение энергии в виде тепла. Но не стоит сбрасывать со счетов внешнюю среду. Кувшин воды на морозе не нагреется сам настолько, чтобы растаять. Тепло отводится наружу и рассеивается на улице. Аналогично работает стандартная модель, в которой одновременно газ и нагревается, и собирается во все более крупные сгустки, уменьшая степень неупорядоченности системы.

Стоит отметить, однако, в отличие от кувшина на улице, тепло которого быстро уносится молекулами плотной атмосферы, до-солнечная туманность находилась в межзвездном пространстве, имеющем очень малую плотность. Поэтому ее можно считать почти замкнутой системой с очень медленным отводом тепла.

Гравитационное расслоение

Если рассуждения о тепле не очень убедительны и их недостаточно, чтобы откинуть старую модель, то предсказательная сила новой во всяком случае заставляет принять ее во внимание.

«Первое, что происходит при образовании планеты – это аккреция твердого ядра, – говорит Хофмейстер. – Туманность начинает сжиматься, при этом образуются твердые вращающиеся ядра для сохранения кинетического момента. После появления твердого ядра пыль начинает к нему притягиваться, но только в том случае, если оно достаточно далеко от Солнца и потому может преодолеть его притяжение. Так случилось с Юпитером и его друзьями – газовыми гигантами. Но если твердое ядро близко к Солнцу, например ядро Земли, оно не может побороть притяжение Солнца. Это своего рода гравитационное соревнование. Именно поэтому мы имеем регулярную Солнечную систему с зазорами еду орбитами планет».

Помимо образования планет, новая модель способна объяснить формирование Луны без участия столкновения Земли с крупной протопланетой.

Хорошая модель

По словам Хофмейстера, новая модель подходит для любой планетарной системы. «В любом случае мы имеем дело с гравитационным притяжением в холодном трехмерном облаке газа», – говорит он. Крисс особенно гордится моделью: «Не имеет никакого смысла утверждение о том, что хаотические столкновения между твердыми объектами способны породить регулярную Солнечную систему. Более того, наблюдения Туманности Орел при помощи Хаббла показывают формирование звезд в холодном трехмерном облаке».