Небулярна гіпотеза або гіпотеза Канта — Лапласа — найбільш загальноприйнята модель у галузі космогонії для пояснення формування та еволюції Сонячної системи та інших планетних систем. Вона припускає, що Сонячна система утворилась з газу та пилу, що оберталися навколо Сонця та з часом об'єднались у планети. Теорія була розроблена Іммануїлом Кантом й опублікована в його «Загальній природничій історії й теорії неба» (1755), а потім модифікована в 1796 році П'єром Лапласом. Цю розроблену для Сонячної системи модель планетоутворення тепер застосовують і до інших планетних систем.
Відповідно до небулярної теорії, зорі утворюються в масивних і щільних хмарах молекулярного водню — гігантських молекулярних хмарах. Ці хмари нестійкі, і речовина зливається в них у щільніші згустки, які потім стискаються та утворюють зорі. На пізніх стадіях зореутворення газ, обертаючись, продовжує осідати на молоду зорю і завдяки відцентровій силі утворює навколо неї протопланетний диск. Він, своєю чергою, може призвести до зародження планет за певних, недостатньо відомих обставин. Таким чином, утворення планетних систем вважається природним результатом утворення зір. Формування зорі, подібної до Сонця, зазвичай займає приблизно 1 мільйон років, а протопланетний диск еволюціонує в планетарну систему протягом наступних 10—100 мільйонів років.
Протопланетний диск — це акреційний диск, який живить центральну зорю. Спочатку диск дуже гарячий. З часом він охолоджується — на так званій стадії зорі T Тельця, де можуть утворюватися дрібні кам'яні та льодові пилинки. Такі пилинки можуть злипатися в планетезималі кілометрового розміру. Якщо диск достатньо масивний, починається самоприскорюване зростання, що призводить до швидкого (протягом 100 000 — 300 000 років) утворення планетних зародків — протопланет діапазоном розмірів від Місяця до Марса. Поблизу зорі зародки планет проходять стадію бурхливого злиття, утворюючи кілька планет земної групи. Останній етап займає приблизно від 100 мільйонів до мільярдів років.
Утворення планет-гігантів відбувається далі від зорі, за лінією замерзання. Там зародки планет у кілька разів масивніші, ніж у внутрішній частині диска, бо містять не тільки камені, а й різні типи льоду. Що відбувається після формування таких протопланет, до кінця не ясно. Деякі з них можуть продовжувати поглинати газ із навколишнього диска і врешті-решт досягають 5—10 мас Землі — порогового значення, необхідного для початку акреції воднево-гелієвого газу з диска. Спочатку газ накопичується в ядрі повільно, і цей процес триває кілька мільйонів років. Однак, коли протопланета, що формується, досягає приблизно 30 мас Землі, швидкість накопичення різко зростає і продовжується безперервно. Вважається, що планети, схожі на Юпітер і Сатурн, накопичують основну частину своєї маси лише протягом 10 000 років. Акреція припиняється, коли газ вичерпується. Утворені планети можуть мігрувати на великі відстані під час або після свого формування. Крижані гіганти, як-от Уран і Нептун, вважаються невдалими ядрами, які утворилися надто пізно, коли диск майже зник.
Історія Перші ідеї небулярної теорії в 1734 році описав Емануїл Сведенборг. Іммануїл Кант, ознайомившись із роботами Сведенборга, розвинув цю теорію далі, опублікувавши у 1755 році власну «Загальну природну історію та теорію неба», де він стверджував, що газові туманності повільно обертаються, поступово стискаються та сплющуються під дією сили тяжіння, зрештою утворюючи зорі і планети For details of Kant's position, see Stephen Palmquist, «Kant's Cosmogony Re-Evaluated», Studies in History and Philosophy of Science 18:3 (September 1987), pp.255–269..
П'єр-Сімон Лаплас незалежно розробив і запропонував подібну модель у 1796 році у своєму «Описі системи світу». Його модель була схожа на модель Канта, але була більш детальною і у меншому масштабі. Він передбачив, що Сонце спочатку мало розширену гарячу атмосферу по всьому об'єму Сонячної системи. Його теорія описувала протосонячну хмару — протосонячну туманність, яка стискається й охолоджується. Коли ця хмара охолоджувалась і стискалась, вона сплющувалась і оберталась швидше, розкидаючи низку газоподібних кілець матеріалу. Таким чином, планети конденсувалися з цього матеріалу. Хоча лапласівська небулярна модель домінувала в XIX столітті, вона зіткнулася з рядом труднощів. Основна проблема пов'язана з розподілом моменту імпульсу між Сонцем і планетами. Планети мають 99 % кутового моменту, і цей факт неможливо пояснити небулярною моделлю. Так, астрономи в основному відмовилися від цієї теорії формування планет на початку 20 століття.
За деякими даними, серйозна критика надійшла у XIX столітті від Джеймса Клерка Максвелла (1831—1879), який, мовляв, стверджував, що різне обертання між внутрішньою та зовнішньою частинами кільця не дозволяє матеріалу конденсувати. Проте, як критика, так і приписування цього твердження Максвеллу були визнані невірними. Після подальшого дослідження виявилось, що початкова помилка була зроблена Джорджем Гамовим у деяких популярних публікаціях, і відтоді постійно поширюється. Астроном сер Девід Брюстер також відхилив Лапласа, написавши в 1876 році, що «ті, хто вірить у небулярну теорію, вбачають беззаперечним, що наша Земля отримала свою тверду речовину та свою атмосферу з кільця, викинутого з сонячної атмосфери, яке згодом стиснулося в тверду земну сферу, з якої таким же процесом був скинутий Місяць». Він стверджував, що з такої точки зору «Місяць обов'язково повинен був винести воду і повітря з водної та повітряної частин Землі і мати атмосферу». Брюстер заявляв, що релігійні переконання сера Ісаака Ньютона раніше вважали небулярні ідеї прихильними до атеїзму, і наводив його слова про те, що «виростання нових систем зі старих без посередництва божественної сили здавалося йому очевидно абсурдним».
Помітні недоліки моделі Лапласа спонукали вчених знайти їй заміну. У XX столітті багато теорій повертались до цього питання, проте жодна з них не виявилася повністю успішною, та більшість були оглядовими. До таких моделей можна віднести планетезимальну теорію Томаса Чемберліна та Форест Моултона (1901), приливну модель Джеймса Джинса (1917), акреційну модель Отто Шмідта (1944), теорію протопланет Вільяма Маккреа (1960) і, нарешті, теорія захоплення Майкла Вулфсона. У 1978 році Ендрю Прентіс відродив початкові ідеї Лапласа про формування планет і розвинув сучасну теорію Лапласа.
Широко прийнятим сучасним варіантом небулярної теорії є модель сонячного небулярного диска або сонячна небулярна модель. Деякі елементи оригінальної небулярної теорії відображені в сучасних теоріях формування планет, але більшість елементів були замінені.
За народження сучасної загальновизнаної теорії формування планет — моделі сонячного небулярного диска можна подякувати радянському астроному Віктору Сафронову. Його книга «Еволюція протопланетної хмари та формування Землі та планет» (1969), мала тривалий вплив на те, як вчені думають про формування планет. Майже всі основні проблеми процесу планетоутворення були сформульовані (та деякі навіть розв'язані) у цій книзі. У 1972 році вона була перекладена англійською мовою. Ідеї Сафронова отримали подальший розвиток у роботах Джорджа Ветеріла, який відкрив неконтрольовану акрецію. Хоча спочатку модель сонячного небулярного диска застосовувався лише до Сонячної системи, згодом теоретики вважали, що ця модель діє по всьому Всесвіту; станом на 26 січня 2024 року астрономи виявили в нашій галактиці 7 408 позасонячних планет.
Модель сонячної туманності: досягнення та проблеми
Досягнення
Поява акреційних дисків навколо молодих зоряних об'єктів природним чином витікає з процесу зореутворення. Усі зорі віком приблизно 1 000 000 років, можуть мати такі диски. Цей висновок підтверджується відкриттям газоподібних і пилових дисків навколо протозір і зір типу Т Тельця, а також теоретичними міркуваннями. Спостереження за цими дисками показують, що порошинки всередині них збільшуються в розмірах за короткий (тисячолітній) проміжок часу, створюючи частинки сантиметрового розміру.
Процес нарощування, згідно з яким однокілометрові планетезималі наростають до 1000-кілометрових тіл, зараз добре зрозумілий. Цей процес розвивається всередині будь-якого диска, де щільність планетезималей є доволі високою і протікає безперервно. Пізніше зростання сповільнюється і продовжується олігархічним зростанням. Кінцевим результатом є формування зародків планет різного розміру, які залежать від відстані від зорі. Різні симуляції показали, що злиття зародків у внутрішній частині протопланетного диска призводить до утворення кількох тіл розміром із Землю. Таким чином, питання походження планет земної групи зараз вважається майже вирішеною.
Актуальні питання На шляху розвитку фізики акреційних дисків існують деякі проблеми. Одним із найважливіших питань є те, як матеріал, який накопичується протозорею, втрачає свій кутовий момент. Одне з можливих пояснень, запропоноване Ханнесом Альфвеном, полягало в тому, що кутовий момент був викинутий сонячним вітром під час його фази зорі типу T Тельця. Імпульс транспортується до зовнішніх частин диска в'язкими напругами. В'язкість створюється макроскопічною турбулентністю, але точний механізм, який створює цю турбулентність, недостатньо зрозумілий. Іншим можливим процесом втрати кутового моменту є магнітне гальмування, коли обертання зорі передається навколишньому диску через магнітне поле цієї зорі. Основними процесами, відповідальними за зникнення газу в дисках, вважаються в'язка дифузія та фотовипаровування.
У моделі туманного диска, утворення планетезималей є найбільшою невирішеною проблемою. Як одні частинки сантиметрового розміру зливаються в докілометрові планетезималі, є загадкою. Цей механізм, здається, є ключем до питання про те, чому деякі зорі мають планети, у той час як інші не мають нічого навколо них, навіть пояси пилу.
Час формування планет-гігантів також є важливою проблемою. Старі теорії не були спроможні пояснити, як їх ядра могли утворюватися досить швидко, щоб накопичувати значну кількість газу зі швидко зникаючого протопланетного диска. Середній термін існування дисків, який становить менше десяти мільйонів (107) років, виявляється коротшим за час, необхідний для формування ядра. Саме в цьому питанні було досягнуто значного прогресу, і теперішні моделі формування гігантських планет тепер здатні пояснити формування Юпітера (або більш масивних планет у часовому проміжку приблизно 4 мільйони років або менше, що в межах середнього часу життя газових дисків.
Іншою потенційною проблемою формування планет-гігантів є їх орбітальна міграція. Деякі розрахунки показують, що взаємодія з диском може спричинити швидку міграцію всередину, яка, якщо її не зупинити, призведе до того, що планета досягне центральних областей, залишаючись при цьому суб'юпітерським об'єктом. Останні розрахунки вказують на те, що еволюція диска під час міграції може пом'якшити цю проблему.
Утворення зір і протопланетних дисків
Протозорі
Вважається, що зорі утворюються всередині гігантських хмар холодного молекулярного водню — гігантських молекулярних хмар масою приблизно 300 тисяч мас Сонця (M☉) і діаметром 20 парсек. Протягом мільйонів років гігантські молекулярні хмари схильні до руйнування та фрагментації. Потім ці фрагменти утворюють маленькі щільні ядра, які, у свою чергу, колапсують у зорі. Маса ядер може сягати від часток до кількох Сонячних мас. Такі ядра називаються протозоряні або протосонячні туманності. Вони мають діаметри 0,01—0,1 пк (2000—20 000 а. о.) і щільність частинок приблизно від 10 000 до 100 000 см−3Порівняйте це з концентрацією молекул у повітрі на рівні моря — 2,8×1019 см−3..