Тайны Вселенной - Демин Валерий Никитич

Далеко не сразу люди осознали, что облик «звезды» обманчив. На самом деле планеты — массивные шары, состоящие из горных пород, металлов и газов, и светят они отраженным солнечным, а не собственным светом. С каждым веком все более совершенными становились наблюдения с помощью телескопов и других хитроумных приборов, вроде спектрографа. Они позволили непрерывно увеличивать общий массив научных данных о строении и природе больших и малых спутников Солнца.

Во все века сохранялся стойкий интерес к вопросу: откуда что взялось? как и когда появились во Вселенной Солнце и его семья? в какой последовательности? и сколько еще тысячелетий будут они являть себя миру на земном небосклоне? По существу, лишь чуть больше три столетия ответы на поставленные вопросы стали даваться, исходя из опытного естествознания и скрупулезных математических расчетов. И с самого начала в центре внимания ученых и читающей публики оказались космогонические гипотезы о происхождении Солнечной системы. Для того, чтобы такие гипотезы не противоречили научным данным, они должны объяснять следующее:

1) почему орбиты всех планет лежат практически в плоскости солнечного экватора,

2) почему планеты движутся вокруг Солнца по орбитам, близким к круговым,

3) почему направление обращения вокруг Солнца одинаково для всех планет и совпадает с направлением вращения Солнца и собственным вращением планет вокруг осей,

4) почему 98 % массы Солнечной системы приходится на Солнце и лишь 2 % на планеты, тогда как планеты обладают 98 % момента количества движения всей Солнечной системы,

5) почему планеты делятся на две группы, резко различающиеся между собой средней плотностью?

И все же гипотез, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям, оказалось слишком много. Среди них есть вихревые, объясняющие происхождение планет и других космических объектов на основе теории вихреобразных движений, якобы доминирующих в Космосе. В пользу таких концепций, восходящих еще к знаменитому французскому мыслителю Рене Декарту (1596–1650), говорят сегодня и спиральные галактики, и торсионные (скрученные) поля, и другие спиралевидные феномены. Поэтому «вихревые подходы» не утратили своего значения и в наши дни.

Начиная с ХVIII века достаточное распространение получили катастрофические гипотезы происхождения небесных тел. Так, знаменитый в прошлом французский естествоиспытатель Жорж Бюффон (1707–1788) считал, что Земля и планеты образовались в результате столкновения Солнца с кометой. Катастрофические гипотезы, хотя и не имеют всеобщей поддержки, продолжали обосновываться в ХХ веке. К наиболее известным их авторам относятся Дж. Джинс и И. Великовский.

Самыми популярными, однако же, оказались эволюционные гипотезы (рис. 79). Исторически первой в их далеко не ограниченном ряду оказалась гипотеза крупнейшего немецкого философа И. Канта. Он предполагал, что первоначально мировое пространство было заполнено холодным рассеянным веществом в виде пылевого облака. Постепенно, под воздействием сил тяготения пылинки стали слипаться и образовывать плотные сгустки, которые после длительного периода разогревания превратились в знакомые небесные тела.

Спустя четыре десятилетия П. С. Лаплас (1749–1827) предложил еще одну небулярную гипотезу по, так сказать, диаметрально противоположной схеме. Согласно Лапласу, Солнце первоначально представляло собой огромную медленно вращающуюся раскаленную туманность. Силы тяготения заставляли увеличивать скорость этой колоссальной огненной массы, которая от этого постепенно сплющивалась. Далее вокруг протосолнца образовалось гигантское огненное кольцо; в процессе охлаждения оно распалось на отдельные сгустки. Из них в конечном итоге образовались все планеты и их спутники. Хотя после обнародования классических космогонических гипотез Канта и Лапласа на протяжении более чем двух веков было предложено еще несколько десятков возможных объяснений, все же именно две первые доминировали в науке до последнего времени и даже, несмотря на свою альтернативность, фигурировали как нечто единое целое, именуясь небулярной гипотезой Канта-Лапласа.

Относительно неизбежного вопроса: откуда же в Космосе взялось первичное вещество — строительный материал для планет и Солнца — возможны различные ответы:

1) планеты образуются из того же газо-пылевого облака, что и Солнце (Кант);

2) это облако было захвачено Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики (О. Ю. Шмидт); и

3) оно отделилось от Солнца в процессе его эволюции (Лаплас, Джинс и др.).

Многим отечественным ученым сегодня наиболее вероятным представляется первый вариант. Большую роль в его разработке сыграли труды О. Ю. Шмидта, который был крупным математиком и дал математическое обоснование целому ряду вопросов (например, распределение планет по расстояниям от Солнца, направление осевого вращения планет и др.). Работы О. Ю. Шмидта успешно продолжены его учениками и последователями.

Как же представляется общая схема развития нашей планетной системы, исходя из предположения, что планеты и Солнце образовались из газо-пылевого облака? Предполагается, что около пяти миллиардов лет назад в таком облаке, пронизанном магнитными силовыми линиями, образовалось сгущение — протосолнце, которое медленно сжималось. Другая часть облака с массой примерно в десять раз меньшей медленно вращалась вокруг него. В результате столкновений атомов, молекул и частиц пыли туманность постепенно сплющивалась и разогревалась. Так вокруг протосолнца образовался протяженный диск, пронизанный магнитными силовыми линиями. В значительной его части происходило интенсивное конвективно-турбулентное перемешивание вещества. Это благоприятствовало быстрому перераспределению энергии, освобождающейся при гравитационном сжатии облака. В результате этого газо-пылевой диск существенно охлаждался.

Под действием светового давления легкие химические элементы водород и гелий «выметались» из близких окрестностей Солнца. И, наоборот, попадая на пылинки, световые лучи тормозили их движение вокруг Солнца. При этом пылевые частицы теряли свой орбитальный момент количества движения и приближались к Солнцу. Такой механизм торможения срабатывает даже в случае, если размеры частицы достигают нескольких метров. В конечном итоге это и привело к существенному различию в химическом составе планет, их разделению на две группы.

После достижения «критической» плотности пылевой диск распался на отдельные сгущения. Далее в результате взаимных столкновений происходило слипание отдельных пылинок и образование твердых тел, для которых американский геолог Т. Чемберлин еще в 1901 году ввел название «планетезимали». По оценкам В. С. Сафронова, превращение системы сгущений пыли в рой твердых тел продолжалось всего 10 000 лет на расстоянии Земли от Солнца и около 1 000 000 лет на расстоянии Юпитера. При этом масса планетезималей в области планет земной группы была значительно меньше, чем в области планет-гигантов.

Все это время протосолнце проявляло очень высокую активность. При мощных вспышках оно выбрасывало потоки заряженных частиц; двигаясь вдоль магнитных силовых линий, они переносили момент количества движения от Солнца к протопланетному облаку. Кроме того, благодаря столкновениям высокоэнергичных легких частиц (протонов и нейтронов) с веществом протопланетного облака, происходили определенные ядерные реакции. Именно таким путем и образовался большой избыток легких химических элементов — лития, бериллия и бора, которых в земной коре и метеоритах значительно больше, чем в атмосфере Солнца. В результате взаимных столкновений планетезималий происходил рост одних и дробление других. Со временем орбиты крупнейших из них приближались к круговым, а сами они превращались в зародыши планет, объединяя все окружающее вещество. Расчеты показывают, что рост Земли до современных размеров продолжался всего 100 миллионов лет.

Выпадание отдельных сгущений на Землю и ее сжатие привели к постепенному разогреву ее недр. На момент сформирования Земли температура в ее центре не превышала 800 oК, на поверхности 300 oК, а на глубине 300–500 км — около 1500 oК. Со временем все большую роль здесь играли процессы радиоактивного распада, при которых выделялось значительное количество энергии. В результате этого отдельные области земных недр разогрелись до температуры плавления. Наступила продолжительная фаза гравитационной дифференциации вещества: тяжелые химические элементы и соединения опускались вниз, легкие — поднимались вверх. Этот начальный этап формирования земной коры продолжался около 1 миллиарда лет.