Возникновение Солнечной системы
Должно быть, было холодно, невероятно холодно 5 млрд. лет назад - здесь, где теперь деревья, улицы и люди, - в нашем родном уголке Галактики. Но это было давно, очень давно, до рождения Солнца и возникновения планет. Простирающаяся на миллиарды и миллиарды километров во все стороны, разреженная межзвездная среда - холодный, почти абсолютный вакуум во тьме между древними звездами.
Температура тогда была ниже 50 градусов по абсолютной шкале температур. Для сравнения следует заметить, что «комнатная температура» по этой шкале соответствует приблизительно 300 градусам, а кислород воздуха, которым мы дышим, сжижается при 90 градусах выше абсолютного нуля. Но первичному межзвездному газу не грозила опасность «замерзнуть» (т.е. затвердеть) или перейти в жидкое состояние: его атомы были так далеко разбросаны друг от друга, что возможность столкнуться и соединиться была у них ничтожной.
Это был почти абсолютный вакуум: какой-нибудь десяток атомов в 1 см3. Напомним, что в 1 см3 воздуха, которым мы дышим, содержится примерно 30 миллионов триллионов атомов. Космический путешественник - появись таковой в те времена - вряд ли смог бы осознать, что находится в середине огромного первичного газово-пылевого облака, из которого в конце концов должна была образоваться наша Солнечная система.
Самым распространенным веществом был водород. Приблизительно на три четверти (по весу) межзвездное облако состояло из водорода и почти на одну четверть из гелия. В переводе на численность атомов это означает, что на каждый атом гелия приходилось с десяток атомов водорода.
Более тяжелые элементы были представлены в межзвездном пространстве в ничтожных количествах. Свыше 95% массы межзвездного облака состояло из водорода и гелия, на долю всех других элементов приходилось всего лишь несколько процентов. Некоторые из более тяжелых элементов существовали в виде крошечных пылинок размерами порядка 0,001 мм. Но они были чрезвычайно редки и находились далеко друг от друга. Космический путешественник смог бы обнаружить внутри межзвездного облака не более сотни таких микроскопических пылинок на целый кубический километр.
Эти далеко разбросанные пылинки состояли главным образом из кремния, магния, алюминия и железа, т.е. тех веществ, из которых образованы обыкновенные земные породы. Но, кроме того, некоторые другие элементы, такие, как кислород, углерод и азот, иногда попадались и в составе органических молекул. В межзвездном пространстве находились десятки различных органических молекул. Иначе говоря, химические «блоки» для создания живой материи существовали задолго до того, как начали формироваться Солнце и планеты.
Существуют две теории относительно образования Солнечной системы. В первичном межзвездном облаке формирование Солнечной системы не могло начаться само по себе, хотя бы просто потому, что оно было слишком разреженным. Что-то должно было вызвать сжатие облака.
Мы живем в спиральной Галактике. Некоторые астрономы полагают, что спиральный рукав нашей Галактики проходил через область пространства, в которой мы обитаем, приблизительно 5 млрд. лет назад. Это могло вызвать легкое сжатие межзвездного облака, что, возможно, и послужило толчком к началу звездообразования. Действительно, сегодня мы обнаруживаем много молодых звезд и светящихся газовых облаков, очерчивающих спиральные рукава удаленных галактик.
По мнению других астрономов, где-то поблизости взорвалась неведомая древняя массивная сверхновая звезда. Возникшая в результате этого грандиозного разрушительного взрыва ударная волна могла оказаться достаточно сильной, чтобы сжать межзвездное облако и привести к звездообразованию. Подобная туманность, образовавшаяся при взрыве сверхновой, давшей начало Солнцу, давно исчезла. Тем не менее, изучая метеориты, ученые недавно обнаружили необычное обилие ряда элементов, которые вполне могли бы образоваться при взрыве близкой сверхновой.
До сжатия первичное межзвездное облако находилось в равновесии. Сила тяготения, стремившаяся сжать облако, точно уравновешивалась давлением газа в облаке. Но после сжатия (вызванного либо прохождением облака через спиральный рукав Галактики, либо взрывом сверхновой) микроскопические пылинки в облаке гораздо ближе подошли друг к другу, чем раньше, так что плотность их стала достигать, возможно, 10000 на 1 км3, т. е. она увеличилась примерно в 100 раз. Увеличение плотности межзвездной пыли привело к тому, что свет от ближайших звезд уже не мог проходить через газово-пылевое облако.
Эффект затемнения, вызываемый частичками межзвездной пыли, сыграл важную роль в происхождении Солнечной системы. Поскольку свет звезд не мог больше проникать в облако и нагревать его, температура газа там приблизилась к абсолютному нулю. Давление газа и его температура всегда идут рука об руку. Поэтому, как только температура понизилась, уменьшилось и давление газа. Теперь давление газа в облаке, направленное наружу, уже не могло противостоять силе тяготения, направленной внутрь. Тяготение победило, и облако начало сжиматься.
Астрономы нередко обнаруживают холодные, темные, сжимающиеся облака межзвездных газа и пыли, которые находятся на начальных стадиях звездообразования. Как показано на рис. 4, эти так называемые глобулы легче всего увидеть, когда они вырисовываются на фоне яркой туманности. Размер типичной глобулы – несколько световых лет, а ее вещества достаточно для образования десятка систем, подобных Солнечной системе.
После того как глобула сжалась под действием тяготения, любая случайно возникшая турбулентность в облаке могла привести к образованию вихрей. Вихри вызвали распад облака на более мелкие части. Одной из таких медленно вращающихся частей облака и было суждено стать нашей Солнечной системой.
Так как эта часть облака продолжала сжиматься, ее вращение ускорялось, в результате она приобрела отчетливо выраженную дискообразную форму. Это была первичная солнечная туманность. При поперечнике 10 млрд. км (приблизительно размер орбиты Нептуна) туманность имела толщину около 200 млн. км (приблизительно расстояние от Земли до Солнца), и вещества в ней было в 2 раза больше, чем в настоящее время в Солнечной системе.
На ранних этапах эволюции первичной солнечной туманности тяготение продолжало преобладать, так как все больше вещества сжималось к центру диска. Это привело к тому, что центральные области солнечной туманности оказались значительно горячее, чем внешние. Частицы межзвездной пыли во внутренних областях первичной туманности вскоре полностью улетучились. Огромное различие в температурах в центре и на краях солнечной туманности в конечном счете существенно повлияло на строение Солнечной системы: внутренние планеты ее должны были сильно отличаться от внешних.
Через 50 млн. лет после «рокового» сжатия межзвездного облака формирование солнечной туманности закончилось. Вещество продолжало устремляться к центру туманности - так образовалось протосолнце. Все это время первичное магнитное поле Солнца связывало протосолнце с газами остальной части солнечной туманности. Не будь такой связи, Солнце вращалось бы с бешеной скоростью - точно так фигурист может вращаться с неимоверной скоростью, прижав к себе руки. Но Солнце вращается весьма медленно, делая только один оборот за четыре недели. Движение магнитного поля прото-солнца сквозь газ солнечной туманности должно было приводить к сильному торможению протосолнца. Поэтому солнечная туманность вращалась более или менее равномерно в целом. Эта стадия, в течение которой вращение передавалось от внутренних частей солнечной туманности к внешним, длилась всего несколько тысяч лет. После этого наступило время «рождения» планет.
Вещество первичной солнечной туманности можно было разделить по точкам плавления или кипения на три обширных класса. Во-первых, это вещества, обычно образующие земные породы. К ним относятся силикаты, окислы металлов, кремний, магний, алюминий и железо в различных химических соединениях. Все эти вещества имеют очень высокие точки плавления или кипения, обычно порядка тысяч градусов.
Во-вторых, там присутствовали вещества, обычно существующие в виде жидкостей и льдов. Сюда относятся главным образом химические соединения углерода, азота, водорода и кислорода. Возможно, наиболее знакомыми нам среди этих веществ были вода, углекислый газ, метан и аммиак. Точки плавления или кипения льдов и жидкостей этих веществ лежат в интервале 100-300 градусов по абсолютной шкале температур.
И наконец, в солнечной туманности были вещества, которые почти всегда являются газами: водород, гелий, неон и аргон в чистом виде. Эти вещества при всех условиях, за исключением крайне низких температур вблизи абсолютного нуля, находятся в газообразном состоянии.
Температурный режим играл решающую роль в определении природы планет, которые сформировались на различных расстояниях от Солнца. Поскольку в процессе образования протосолнца огромное количество вещества устремлялось к центру первичной солнечной туманности, температура в ее центральной части была весьма высока. Температура в несколько тысяч градусов была там нормой, и поэтому вещество полностью испарялось. Однако во внешних частях туманности температура никогда значительно не превышала 100 градусов по абсолютной шкале температур. Частицы межзвездной пыли в этих областях, вероятно, были покрыты слоем замерзших воды, углекислого газа, а также метана и аммиака. На эти покрытые льдом удаленные частицы гравитационное сжатие Солнца практически не оказывало влияния.
После того как образовалось протосолнце, температура во внутренних областях солнечной туманности стала падать и, когда температура газа стала достаточно низкой, начался процесс конденсации вещества солнечной туманности. Разумеется, первым должно было перейти в твердое состояние вещество, формирующее породы. Но поскольку температура вблизи протосолнца все же оставалась достаточно высокой, частицы вблизи протосолнца главным образом включали в себя железо, силикаты и окислы металлов.
Несколько дальше от протосолнца температура была еще ниже, и там частицы пыли могли быть покрыты слоем льда. Чем дальше от протосолнца находились частицы пыли, тем толще был слой покрывающего их льда. Но все эти пылинки и близкие, и далекие - по-прежнему находились в огромном облаке водорода и гелия, двух основных газов, которые вместе составляли более 95% вещества солнечной туманности. Однако на этой стадии впервые проявились существенные различия в составе частиц, находящихся на разных расстояниях от протосолнца.
Частицы пыли в солнечной туманности, по-видимому, были довольно рыхлыми, и, как большие снежинки, они легко слипались при столкновениях. Неоднократные столкновения на протяжении многих лет привели к образованию «комьев» пыли размерами порядка нескольких миллиметров или даже сантиметров в диаметре. Постепенно под действием тяготения эти комья оседали к центральной плоскости солнечной туманности.
Процесс оседания продолжался в течение нескольких сотен тысяч лет. К концу этой стадии большая часть твердого вещества в Солнечной системе распределилась в гигантский плоский слой с протосолнцем в центре. Но этот протяженный и весьма тонкий слой был неустойчивым вследствие действия сил тяготения. Те участки слоя, где случайно плотность комочков пыли оказалась несколько выше, притягивали все новые и новые комья из тех участков слоя, где их вначале случайно оказалось меньше. Таким образом комки межзвездной пыли постепенно слипались в астероидоподобные объекты размерами в километры - так называемые планетезимали.
Важно ясно представлять себе, что планетезимали в различных областях солнечной туманности сильно отличались по своему химическому составу. Вблизи прото-солнца они почти целиком состояли из каменистого вещества. Это произошло потому, что первоначальные пылинки (а позже комья) содержали только то вещество, которое могло оставаться твердым во внутренних прогретых областях первичной Солнечной системы. Дальше от протосолнца, где температура была ниже, в них наряду с каменистым веществом входил лед. А планетезимали в далеких холодных областях включали также замерзшие метан и аммиак.
Постепенно в течение нескольких следующих миллионов лет планетезимали объединялись и уплотнялись под действием гравитационного притяжения в значительно более крупные объекты - протопланеты. Во внутренних областях первичной Солнечной системы образовалось четыре протопланеты. И еще четыре протопланеты сформировались гораздо дальше от протосолнца. Есть основание полагать, что Плутон, считающийся в настоящее время самой малой планетой в Солнечной системе, первоначально был спутником Нептуна.
Четырем внутренним протопланетам было суждено стать Меркурием, Венерой, Землей и Марсом. Радиоактивные процессы в недрах протопланет скоро привели к нагреванию, а в конечном счете к расплавлению вещества в их недрах. И снова вступила в действие сила тяготения, в результате чего более тяжелое вещество (в основном железо) опустилось к центрам расплавленных протопланет, а более легкое вещество поднялось вверх, к их поверхностям. Таким образом планеты стали «химически дифференцированными» телами с плотными железными ядрами, окруженными слоями менее плотных пород.
В далекие времена, когда четыре внутренние планеты находились по существу в расплавленном состоянии, газы легко улетучивались из расплавленных пород. Меркурий, самая малая после Плутона планета Солнечной системы, был не в состоянии удержать какие-либо газы. Под воздействием палящего жара молодого Солнца и вследствие малого ускорения силы тяжести на поверхности Меркурия все газы скоро «ускользнули» из его первичной атмосферы.
На Марсе, который по своим размерам лишь незначительно превышает Меркурий, ускорение силы тяжести тоже очень мало. Поэтому Марс также потерял большую часть своей первичной атмосферы. Остался только очень тонкий слой углекислого газа.
Только на Венере и на Земле, наиболее массивных из внутренних планет, ускорения силы тяжести достаточно велики, чтобы удержать атмосферу. Но их атмосферы очень скудны -всего лишь слой газов, прилегающих к поверхности планеты. Большая часть атмосферных газов, окружающих Венеру и Землю, сосредоточена на высотах до 10 км над поверхностями планет. Совершенно иная картина наблюдается на внешних планетах, атмосферы которых простираются на десятки тысяч километров. Основная причина такого различия непосредственно связана с химическим составом исходных частиц пыли, из которых образовались планеты. В прогретых внутренних частях солнечной туманности эти частицы были либо слегка покрыты льдом, либо лишены его полностью. Поэтому четыре внутренние планеты, как и частицы пыли, из которых они сформировались, почти целиком состояли из каменистого вещества. И при нашем первом, всего лишь поверхностном описании строения внутренних планет вряд ли стоит упоминать о ничтожных количествах газа и жидкости, оставшихся вблизи некоторых из них.
Различия химического состава первичных частиц пыли сыграли также определяющую роль в формировании структуры недр четырех внутренних планет. Все они имеют железные ядра, окруженные мантиями из менее плотных пород. Но среди внутренних планет Меркурий явно обладает самым большим по размерам железным ядром. Оно простирается от центра к поверхности на три четверти радиуса планеты. На железное ядро приходится 80% массы Меркурия. У Венеры и Земли радиус железного ядра не превышает половины радиуса планеты. А железное ядро Марса и того меньше.
Железо, никель и окислы некоторых других металлов были первыми веществами, сконденсировавшимися во внутренних горячих областях первичной солнечной туманности, ибо эти вещества имеют самые высокие температуры конденсации. Силикаты и другие породообразующие минералы конденсируются при несколько меньших температурах. Поэтому частицы пыли, которые конденсировались вблизи протосолнца, содержали большее количество железа, чем более удаленные частицы. Таким образом, планета, образовавшаяся ближе всех к Солнцу, более богата железом, чем удаленные планеты.
Образование внешних планет-гигантов должно было начаться приблизительно в то же время и проходить аналогичным образом. Однако планетезимали в далеких холодных областях солнечной туманности содержали значительное количество льдов, и у планет, формировавшихся там, должны были образоваться толстые атмосферы из метана, аммиака и других газов.
При формировании Юпитера и Сатурна объединение и слипание планетезималей было столь эффективным, что сильные гравитационные поля этих огромных протопланет легко притягивали водород и гелий. Помимо того что прото-Юпитер и прото-Сатурн удерживали эти газы, они, обращаясь вокруг молодого Солнца, выметали огромное количество водорода и гелия протопланетного облака. В самом деле, создание Юпитера и Сатурна должно было имитировать образование самой солнечной системы. Каждая из этих планет-гигантов окружена значительной свитой спутников, образуя систему, подобную миниатюрной Солнечной системе.
В случае Урана и Нептуна объединение и уплотнение планетезималей происходило несколько иначе. Эти протопланеты, хотя и очень большие по сравнению с внутренними планетами, никогда не достигали колоссальных размеров Юпитера и Сатурна. Уран и Нептун могли захватить из солнечной туманности только небольшое количество легких газов: водорода и гелия. Поэтому толстые атмосферы Урана и Нептуна содержат меньше водорода и гелия, чем атмосферы Юпитера и Сатурна. Но, подобно своим гигантским соседям. Уран и Нептун окружены спутниками. Возможно, что Плутон, который сейчас является планетой, первоначально был спутником Нептуна.
Пока планеты образовывались из вещества солнечной туманности, протосолнце продолжало изменяться. Под давлением триллионов триллионов тонн газа, направленным внутрь, в центре сжимающегося протосолнца становилось все горячее. Наконец, 4,5 млрд. лет назад температура в центре Солнца достигла такой величины, что там могли начаться процессы термоядерного синтеза -превращения водорода в гелий при температуре в миллионы градусов. Начало таких процессов служит сигналом о рождении звезды. Так родилось наше Солнце.
Астрономы часто обнаруживают на небе молодые и «только что родившиеся» звезды. В ядрах многих из них сейчас только начинаются процессы термоядерного синтеза.
Тщательно наблюдая очень молодые звезды, астрономы в настоящее время установили, что в конце процесса рождения звезды часто выбрасывают значительное количество вещества. Как только вновь образовавшаяся звезда «приспосабливается» к началу термоядерных реакций в ядре, с ее поверхности срывается большое количество газа. Этот выброс вещества называется ветром Т Тельца.
Естественно полагать, что звездные ветры испускают все звезды. Эти «ветры» в действительности представляют собой непрерывное испускание частиц в основном протонов и электронов-с поверхности звезды. Наше Солнце также непрерывно выбрасывает частицы, образующие солнечный ветер. Солнечный ветер был обнаружен в начале 1960-х годов первыми межпланетными космическими аппаратами, и это явилось одним из самых важных успехов программы космических исследований. На орбите Земли средняя скорость солнечного ветра составляет 400 км/с. Средняя плотность солнечного ветра в окрестностях Земли равна 10 частицам на 1 см3. Но иногда наблюдаются сильные «порывы» солнечного ветра. Космические аппараты, совершающие путешествия к другим планетам Солнечной системы, зарегистрировали плотности приблизительно до 100 частиц на 1 см3 и скорости, близкие к 1000 км/с.
Звездные ветры, испускаемые звездами «среднего возраста», - это легкий ветерок по сравнению с ветром Т Тельца Ветер Т Тельца - настоящий ураган, оказывающий существенное давление на все, что встречается на его пути.
«Ветер Т Тельца», сопровождавший рождение Солнца, выдул из первичной солнечной туманности весь избыток водорода и гелия далеко в межзвездное пространство. Первичная солнечная туманность содержала достаточно вещества (в основном водорода и гелия), из которого могло бы сформироваться два Солнца. Но за миллионы лет, когда «ветер Т Тельца» бушевал в молодой Солнечной системе, почти половина первичного газа улетучилась в глубины космического пространства.
«Ветер Т Тельца» «очистил» Солнечную систему. Он был так силен, что внутренние планеты лишились большей части своих первичных атмосфер. Только твердые тела - планеты, спутники, астероиды и метеориты - могли устоять против такого ветра и остаться на орбитах около Солнца.
Хотя планеты и продолжали развиваться в течение последующих нескольких миллиардов лет, создание Солнечной системы завершилось. После того как Солнце прошло стадию Т Тельца, с планетами не происходило действительно радикальных изменений, за исключением таких процессов, как кратерообразование на внутренних планетах. «Ветер Т Тельца» закончил процесс образования планет.
После прекращения «ветра Т Тельца» большая часть вещества, оставшегося в Солнечной системе, сосредоточилась в Солнце. Ту же самую картину мы наблюдаем и в настоящее время; свыше 99,8% массы Солнечной системы заключено в Солнце, а на все планеты вместе остается менее 0,2%. Общая масса комет, астероидов, спутников и метеоритов составляет менее 0,001% массы Солнечной системы.
Если бы космический путешественник, странствующий по Галактике, оказался вдруг в окрестностях Солнечной системы, то с первого взгляда он мог бы заметить только Солнце - слабую карликовую звезду. При тщательном рассмотрении с близкого расстояния, меньше одного светового года, путешественник, возможно, увидел бы Юпитер, а затем Сатурн. Но лишь с большим трудом или с очень близкого расстояния он мог бы заметить какую-нибудь другую планету. Планеты представляют собой буквально микроскопические соринки в бескрайнем космическом вакууме, окружающем Солнце.
|
|
Читайте в рубрике «Изучение Вселенной»: |
Веббанкир отзывы должников
Микрозаем онлайн веббанкир отзывы должников читайте на otzovisonline.ru.
otzovisonline.ru