התפתחות מערכת השמש

ערפילית השמש

התפיסה המודרנית באשר להשערת הערפילית גורסת כי מערכת השמש נוצרה לפני כ-4.6 מיליארד שנים מקריסה כבידתית של ענן מולקולרי (אזור קטן בערפילית יצירה). רדיוס הענן הראשוני היה כנראה בגודל מספר שנות אור וממנו נולדו מספר כוכבים. אף על פי שבתחילה האמינו כי תהליך זה התרחש בצורה רגועה - הוכיחו מחקרים עדכניים של מטאוריטים קדומים, בהם נתגלו שרידים של יסודות הנוצרים אך ורק בליבות של כוכבים גדולים מאוד שהתפוצצו - כי הסביבה בה נמצאת השמש היא תוצר של מספר סופרנובות קרובות. ייתכן שגלי ההלם שנוצרו מהתפוצצות סופרנובות אלו הם שהביאו להיווצרות השמש על ידי יצירת אזורים דחוסים מאוד בערפילית הסובבת ועקב כך להתמוטטות פנימה.
שבר העננה ממנו נוצרה השמש היה בעל רדיוס של כ-7,000 עד 20,000 יחידות אסטרונומיות ומסתו עלתה בלא יותר מאחוז בודד על מסת השמש כיום. הרכב הערפילית היה דומה למדי להרכב החומר שנוצר במפץ הגדול: 98% מימן והליום ו-2% בלבד של יסודות כבדים. 2% אלו נוצרו על ידי היתוך גרעיני (נוקליאוסינתיזה) בליבות אותם כוכבים אשר גרמו לקריסת הערפילית.
כאשר הערפילית קרסה תחת עצמה, שימור התנע הזוויתי גרם לחומר המרכיב אותה להסתובב במהירות הולכת וגדלה, אנרגיית כבידה פוטנציאלית הפכה לאנרגיה קינטית אשר התגלמה בין השאר כחום. במרכז העננה לחץ הגזים, העלייה באנרגיה הקינטית וכן פעולה של שדות מגנטיים גרמו לערפילית להידחס לצורת דיסקה שטוחה. הדיסקה הפרוטופלנטרית הגיעה לרדיוס של כמאתיים יחידות אסטרונומיות ובתוכה החל להיווצר פרוטו כוכב. בשלב זה, הייתה השמש דומה לכוכבים מסוג T בשור - כוכבים צעירים מאוד המוקפים דיסקות אבק בין כוכבי שטרם הגיעו לשלב ההיתוך הגרעיני והפקת האנרגיה שלהם מסתמכת על קריסה כבידתית. לאחר כמאה מיליון שנים הלחץ גובר בליבת הפרוטו כוכב והטמפרטורה במרכזו מגיעה למליוני מעלות. דבר זה מאפשר לכוכב להגיע לשיווי משקל הידרוסטטי - השלב הסופי בהיווצרות כוכב.

היווצרות כוכבי הלכת

בגלל שימור התנע הזוויתי, מרבית החומר שסובב את הפרוטו כוכב מרוכז בדיסקה שטוחה בה ריכוז החומר גבוה משמעותית לעומת האזורים הניצבים לדיסקה. אף על פי כן, מסת הדיסקה מהווה רק שברי אחוז ממסת הכוכב. באזור זה גרגרי אבק נצמדו זה לזה ובתהליך של סיפוח גדלו והפכו לפלנטיסימלים. בתנועתם סביב השמש, הפלנטיסימלים התנגשו זה בזה, לא אחת התוצאה הייתה התפרקות אולם מספר גופים אשר גדלו מעבר לרדיוס מינימלי של מספר קילומטרים יכלו להמשיך ולגדול. גופים אלו מכונים פרוטו פלנטות.
בשל הכאוס ששרר באותה תקופה, פלנטיסמליים רבים התרסקו לעבר השמש בעוד שאחרים מצאו דרכם לקצוות מערכת השמש, והם ככל הנראה המקור לעננת אורט ולחלק נכבד מן השביטים.

כוכבי הלכת הפנימיים

תחילת ההיתוך הגרעיני בשמש גרם לעלייה משמעותית בטמפרטורה בחלקה הפנימי של מערכת השמש. החומרים הנדיפים כמים ומתאן התנדפו והותירו את הפלנטיסימלים שם עם מעט חומר, רק כ-0.6% ממסת הדיסקה. החומרים שנותרו היו בעלי נקודות התכה גבוהות כסיליקטים ומתכות; חומרים אלו הם המרכיבים העיקריים של כוכבי הלכת הפנימיים. בקצה האזור ממנו התנדפו אותם חומרים, כח המשיכה של מה שעתיד להיות כוכב הלכת צדק לא איפשר לפלנטיסימלים להיווצר והותיר את חגורת האסטרואידים.

כוכבי הלכת החיצוניים

מעבר לקו השלג חומרים כמים ומתאן קפאו והצטברו בכמויות גדולות; הגופים שעתידים להפוך לצדק ולשבתאי אספו את מירב החומר שנותר לאחר היווצרות הפרוטו כוכב והם מכונים הענקים הגזיים. יתרת החומר הפכה לגופים מהם יווצרו אורנוס ונפטון המכונים ענקי הקרח, משום שככל הנראה במרכזם ליבת קרח (קרח של תרכובות מימן שונות).
כוכבי T-שור מתאפיינים ברוח שמשית חזקה מאד, במהלך תקופה זו השמש הצעירה הקרינה את שאריות הערפילית הפרוטופלנטרית לחלל הבין-כוכבי ובכך לא איפשרה לפרוטופלנטות להמשיך ולגדול.

מסלולי כוכבי הלכת הפנימיים

גילוי של כוכבי לכת חוץ-שמשיים בסוף המאה ה-20 גרם לשינויי תפיסה רבים לגבי היווצרות מערכת השמש. הטענה כי כוכבי הלכת נוצרו במסלולם הנוכחי או בקרבה רבה אליו מתערערת בשנים האחרונות והדעה הרווחת כיום היא שבעבר סבבו במערכת השמש הפנימית חמישה גופים גדולים ולא ארבעה. חלקה החיצוני של מערכת השמש היה צפוף יותר והמרחק מן השמש למה שעתיד להפוך לאורנוס היה קטן משמעותית. ייתכן כי מקורם של כוכבי לכת תועים הוא בעת היווצרותן של מערכות שמש.

חגורת האסטרואידים

לפי השערת הערפילית, בעת היווצרות מערכת השמש נותר די חומר ליצור כוכב לכת נוסף במסלול שבין מאדים וצדק, אולם צדק כבר היה גורם בעל כובד משקל לא מבוטל ופלנטיסימלים בעלי מסלולי תהודה מסלולית כלפיו לא הצליחו להסתפח זה לזה ולעבור את ה"חסם" שיאפשר להם להפוך לפרוטופלנטות. פעולת כח המשיכה של צדק לא רק מנעה היווצרות של פרוטופלנטה בחגורת האסטרואידים, אלא ניפתה רבים מהם אל שולי מערכת השמש והותירה רק כעשירית ממסת כדור הארץ.
עדויות להתנגשויות הרבות בחגורת האסטרואידים ניתן למצוא בכך שלאסטרואידים רבים ישנם ירחים בדמות אסטרואידים קטנים יותר. ירחים אלו ככל הנראה נוצרו לאחר התנגשויות במהירות קטנה יחסית, כך שאותם ירחים לא הגיעו למהירות המילוט. השפעת הענקים הגזיים, ובמיוחד צדק, ניכרת עד היום במספר הירחים הקטנים המקיפים אותו (שלא לבלבל עם הירחים הגליליאניים). דוגמה בולטת במיוחד ניתן לראות בחגורת האסטרואידים: אזורים מסוימים אשר נמצאים בתהודה מסלולית מלאה עם כוכב הלכת צדק, נוקו לחלוטין מאסטרואידים. אזורים ריקים אלו נקראים רווחי קירקווד.

כוכבי הלכת החיצוניים

הפעולה ההדדית שבין כוכבי הלכת החיצוניים גרמה למסלולם לגדול ולהתרחק מהשמש. אינטראקציות שונות מספקות הסבר גם לנטיית ציר הסיבוב של צדק, שבתאי ונפטון. נטיית ציר הסיבוב של אורנוס נגרמה ככל הנראה מפגיעה עצומה של פלנטיסימל אשר הפנה את ציר הסיבוב שלו כך שיהיה כמעט מקביל למישור המלקה. 
שינויי מסלול אלו ככל הנראה גרמו להפצצה הכבדה המאוחרת, במהלכה רבים מהעצמים בחגורת קויפר הופנו אל פנים מערכת השמש או לחלופין הועפו ממנה במהירות רבה. מחקרים עדכניים מראים כי מקור מרבית המים בכדור הארץ הוא שביטים אשר מקורם בחגורת קויפר. כמו כן, גילם של מרבית המכתשים שעל הירח תואם גם הוא לתקופה זו.

עצמי חגורת קויפר

העצמים של חגורת קויפר החלו כאוסף פלנטיסימליים שחסרו מסה מספקת להצטברותם ככוכבי לכת. לאחר שרוח השמש ניפתה את שאריות הגז והאבק שמילאו את מרחבי מערכת השמש, כוכבי הלכת החיצוניים החלו להתרחק מהשמש תוך משיכת חלק מגופי חגורת קויפר פנימה. הגופים שנמשכו לחלקה הפנימי של מערכת השמש גרמו להפגזה הכבדה המאוחרת וגופים שמסלול תנועתם הביא אותם לסביבת כוכבי הלכת הענקים התרסקו על פניהם או נתפסו בכוח המשיכה שלהם והפכו לירחיהם. יאפטוס, ירחו של שבתאי, הוא ככל הנראה גוף שכזה ומלבדו לצדק, שבתאי, אורנוס ונפטון יש עוד עשרות ירחים קטנים שמקורם בחגורת קויפר או בחגורת האסטרואידים. 
עצמים מחגורת קויפר אשר הגיעו למהירויות גבוהות מאוד נכנסו למסלולים אקסצנטריים, בנטייה גדולה למישור המלקה ובמרחק גדול מהשמש וכך יצרו את עננת אורט. עצמים רבים בחגורת קויפר ובכללם פלוטו הושפעו מכח המשיכה של נפטון וננעלו במסלולים בעלי תהודה מסלולית איתו, כך אפילו שמסלולו של פלוטו חוצה את זה של נפטון, השניים לעולם לא יתנגשו.