Орленок В.В. Основы геофизики

Подождите немного. Документ загружается.

Прежде всего нам предстоит восстановить картину дозвездного,

досолнечного состояния вещества и окружающей среды, чтобы понять

начальные условия формирования Солнечной системы. Одновременно

нам необходимо решить проблему состава первичного вещества, что,

как мы уже знаем, имеет немаловажное значение для понимания эво-

люции протосолнца и протопланет.

Что же может служить сегодня источником информации о ранней

истории Солнечной системы и составе первичного вещества досолнеч-

ного облака?

Ответ на этот вопрос, как ни покажется странным, довольно про-

стой – надо воспользоваться данными наблюдательной астрономии.

Необходимо изучить состав межзвездной среды, структуру и динамику

межзвездных туманностей и, наконец, исследовать области, где про-

цесс звездообразования только начинается. Только после этого мы

сможем подойти к решению проблемы ранней истории Солнечной сис-

темы.

Звезды – это верстовые столбы Вселенной, расставленные на пути

в бесконечность. Необозримое пространство между ними не является

безжизненным вакуумом. Оно заполнено частицами вещества, меж-

звездным газом, энергией, магнитными полями, электромагнитным и

радиоизлучением, гравитационными полями. Плотность вещества

чрезвычайно низка – 0,2 – 0,02 атомов водорода H/см

, а плотность

энергии – 1 эВ на 1 см

, что составляет 10

-12

эрг/см

. Тем не менее го-

ворить о вакууме нельзя, ибо вакуум – это среда, где длина свободного

пробега частицы газа больше, чем объем, в котором этот газ находится.

При среднем количестве частиц (атомов) в межзвездной среде около

1 см

-3

плотность среды будет равна

= 10

-24

г/см

, длина пробега

l ~ 10

см, т.е. 3⋅10

-4

пс; при толщине газового диска Галактики 200 пс

условие вакуума не соблюдается. Химический состав межзвездного

газа оказался близок составу атмосфер Солнца и звезд. В нем преобла-

дают атомы водорода (Н) и гелия (Не), в качестве примесей – кремний

(Si), магний (Мg), железо (Fе), алюминий (Аl), кислород (О), углерод

(С), азот (N) и некоторые простые их соединения. Имеются в ничтож-

ном количестве (в концентрации порядка 10

-7

) и молекулы СН, СН

СN, Н

. Плюс означает ионизованные молекулы. К настоящему време-

ни известно уже около 60 разнообразных молекул в составе межзвезд-

ного газа. Все атомы и ионы среды находятся в невозбужденном со-

стоянии. Это значит, что вследствие чрезвычайно высокого разрежения

их взаимные столкновения практически исключены и все атомы, ионы

и молекулы будут находиться на невозбужденном (основном) энерге-

тическом уровне. На этом уровне они могут только поглощать излуче-

ние на определенных резонансных частотах. Вот по этим резонансным

линиям поглощения в спектре и была получена информация о химиче-

ском составе межзвездной среды. Неоценимую роль в этих исследова-

ниях сыграли внеатмосферные наблюдения со спутников и межпла-

нетных станций. Дело в том, что земная атмосфера поглощает все вне-

земное излучение с длиной волны короче 2900 А, соответствующей

далекой ультрафиолетовой области спектра.

Кроме газа в межзвездной среде наблюдаются и мельчайшие час-

тички (размером меньше микрона) межзвездной пыли. Она фиксирует-

ся в красной области спектра, так как синие и фиолетовые лучи пы-

линками поглощаются. Покраснение удаленных объектов служит ука-

занием на наличие между ними и наблюдателем космической пыли.

В состав пылинок входят металлы, силикаты, графит, льдинки за-

стывшего газа и т.д. Форма многих из них вытянутая – они являются

как бы элементарными диполями, оси которых ориентированы вдоль

магнитных силовых линий межзвездных магнитных полей. Это очень

слабые поля, имеющие напряженность всего 10

-5

эрстед. Но поскольку

межзвездный газ является преимущественно ионизованным, то он об-

ладает высокой электропроводимостью и, следовательно, магнитные

силовые линии приклеены к газу, следуя причудливым очертаниям

межзвездных туманностей. Кинетическая (максвелловые скорости

движения атомов и молекул) температура газа и частиц межзвездной

среды составляет несколько Кельвинов. Средняя плотность пыли в

100 раз меньше плотности газа и составляет 10

-26

г/см

Таким образом, межзвездная среда – это физический континуум.

По нему распространяются даже ударные волны при взрыве сверхно-

вых, в нем происходят сложные движения газа и магнитных полей.

Межзвездная среда не является однородной. В ней различаются

области с повышенной концентрацией вещества – так называемые

межзвездные туманности, или облака; и весьма разреженные области,

в которых число частиц на 1 см

не превышает 0,1.

Как происходит сгущение облаков в протозвездную туманность?

Поступление ионизованного газа происходит из центра, вероятно, из

ядра Галактики. Двигаясь по спиральным рукавам, он уплотняется, по-

падая в «ямы» – изгибы магнитных силовых линий, которые сдержи-

вают газ от хаотичного растекания. Под тяжестью газа магнитные си-

ловые линии упруго прогибаются до тех пор, пока сила упругости не

398

уравновесится массой межзвездного газа. Такова «причина» образова-

ния пылегазового комплекса. Дальнейшая эволюция облака будет свя-

зана с взаимодействием двух сил – гравитации, стремящейся сжать об-

лако, и газового давления, стремящегося его рассеять. Согласно теории

(Шкловский, 1984), облака с массой, равной солнечной, и радиусом

порядка 1 пс не будут сжиматься собственной гравитацией. Комплексы

с массой более 10

, с температурой 50 К и радиусом в десятки пар-

сек – будут. При сжатии происходит возрастание давления и темпера-

туры. Газовое противодавление не мешает при этом сжатию, так как

избытки температуры на первой начальной стадии сжатия отводятся

молекулярном водородом, теплоемкость молекулы которого чрезвы-

чайно высока и равна 4,97 кал/град. Обилие молекулярного водорода в

таких пылегазовых комплексах подтверждается наблюдением. Что же

касается облаков с солнечной массой, то, как показывают расчеты,

сжатие возможно при радиусе облака 0,02 пс и концентрации частиц

газа в нем 10

см

. При большей общей массе облака – 10М

– сжатие

его начнется при меньшей концентрации частиц – 10

см

. Из этого

следует интересный вывод. Реальнее всего сжатие начинается у боль-

ших газопылевых комплексов. Когда же средняя плотность значитель-

но увеличится, они распадаются на отдельные неоднородные в плотно-

стном отношении и по массе части, которые в дальнейшем конденси-

руются самостоятельно. Вот почему звезды образуются не изолиро-

ванными одиночками, а скоплениями. Не является исключением и на-

ше Солнце.

Звезды, имеющие массу, близкую к солнечной, ввиду общности

процессов их образования, по всей вероятности, имеют сопутствую-

щие планетные системы. Следовательно, планетных систем только в

нашей Галактике – многие миллионы. Ближайшая к нам – Толиман –

находится в созвездии Центавра на расстоянии всего 1,33 пк. Как мы

уже знаем, по своим физическим характеристикам и возрасту она по-

добна Солнцу. Имеются все основания считать ее дочерним образова-

нием, возникшим вместе с Солнцем из одной пылегазовой глобулы.

И, наконец, как объяснить высокую скорость вращения звезд? На-

блюдением установлено, что отдельные участки облаков межзвездного

газа движутся относительно друг друга с большой скоростью, дости-

гающей 1 км/с. При сжатии гигантского по размерам облака его вра-

щающийся момент, согласно законам сохранения момента количества

движения (см. гл. I), сохраняется. Но по мере уменьшения радиуса

сжимающегося облака скорость его осевого вращения неизбежно воз-

399

растает. При этом теоретически она может достигнуть световых скоро-

стей. Однако легко показать, что в этом случае конденсация вещества в

протозвездную массу просто не состоится. Аккреция тела может иметь

место, если центробежное ускорение меньше силы тяжести (неравен-

ство Пуанкаре, см. §3 наст. главы). Потеря скорости осуществляется за

счет передачи момента соседним сжимающимся системам по силовым

линиям магнитного поля в окружающую среду.

Звездообразование в Галактике идет непрерывно. Ежегодно пре-

кращают существование три-четыре звезды. Следовательно, за время

жизни Галактики – 10 млрд. лет – выродилось до 40 млрд. звезд. Ви-

димо, для поддержания динамического равновесия Галактика автома-

тически компенсирует их недостаток или убыль воспроизведением но-

вых звездных систем. Это тем более закономерно, что время жизни

массивных звезд с М = 10М

менее 100 млн. лет. Сохранение в Галак-

тике массивных звезд является серьезным доказательством верности

всей теории звездообразования.

Другими источниками сведений о составе первичного досолнечно-

го облака являются метеориты, космическая пыль, вещество земных и

лунных пород, а также химические спектры хвостов комет, звездных и

планетных атмосфер.

Поскольку возраст метеоритов оказался таким же, как возраст

Земли (4,7 млрд. лет), их можно рассматривать как свидетелей допла-

нетной истории Солнечной системы. Некоторые из них, как показыва-

ют изотопные исследования (Войткевич, 1979), оказываются реликта-

ми протовещества туманности, которое пошло на формирование пла-

нетных тел и Солнца. Правда, здесь не исключена некоторая перера-

ботка части метеорного вещества путем соударения, слипания отдель-

ных мелких частиц в более крупные агломераты. Часть метеоритов

представляет собой, как показывают исследования, фрагменты разру-

шившихся более крупных родительских тел – астероидов – диаметром

до 500 – 1000 км. Столь крупные астероиды до сих пор наблюдаются в

поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Это, например,

Церера (диаметр 1003 км), Паллада (608 км), Веста (538 км). Около 110

астероидов, из известных 1600, имеют диаметр более 100 км. Шарооб-

разная форма крупных астероидов свидетельствует о значительной ро-

ли в них гравитационных сил сжатия. Отсюда неизбежен разогрев недр

и определенный процесс дифференциации протовещества в недрах

этих астероидов.

Судя по многочисленным кратерам различного диаметра (от долей

метра до десятков километров), наблюдаемых на планетах и их спут-

400

никах, в поясе астероидов сохранилась лишь малая часть их первона-

чальной гигантской массы.

Какую же информацию дают нам астероиды и метеориты о составе

первичного вещества небулярного облака?

Все известные метеориты в зависимости от состава разделяются на

три основных класса: каменные, железокаменные и железные. Наи-

большее распространение – 85% из общего числа известных – имеют

каменные метеориты, подразделяющиеся на хондриты и ахондриты и

состоящие преимущественно из силикатных минералов. Железные ме-

теориты встречаются значительно реже (6%), они состоят из никели-

стого железа. Железокаменные метеориты (1,5%) сложены силикатным

материалом и никелистым железом. Они подразделяются на мезосиде-

риты и палласиты. Первые состоят преимущественно из силикатов с

рассеянными по всему объему зернами никелистого железа. Вторые –

преимущественно из железоникелевого сплава с вкраплением зерен

силикатов, в основном оливина.

Большинство из 70 обнаруженных в метеоритах минералов встре-

чается в земной коре и, как правило, характерно для глубинных магма-

тических пород. Как мы увидим дальше, верхи земной коры представ-

ляют собой сильно измененное и переработанное первичное вещество.

Наиболее примитивны по составу хондриты. Хондры – это сфери-

ческие образования разного диаметра (от долей миллиметра до не-

скольких миллиметров), представленные силикатом или стеклом, они

имеют высокую плотность – 3,5 г/см

. Подобных образований на Земле

нет. Они могли возникнуть в условиях высокотемпературной части

прототуманности путем конденсации и последующего слипания туго-

плавкой фракции вещества или кинетически – путем соударения с дру-

гими частицами вещества.

Особым типом хондритов являются углистые хондриты. Это чер-

ные и серовато-темные камни, представленные мелкозернистой массой

с вкрапленными хондрами. В них обнаружены органические соедине-

ния. Замечательно, что химический состав углекислых хондритов ока-

зался наиболее близок химическому составу нелетучей части вещества

в атмосфере Солнца. Это значит, что в формировании массы прото-

солнца значительная роль принадлежит углистым хондритам.

Другая, большая, группа метеоритов – ахондриты – имеет иную

природу. Это массивные кристаллические образования, лишенные

хондр, подобны земным изверженным магматическим породам. Они

представляют собой фрагменты более крупных родительских тел – ти-

401

па крупных астероидов, испытавших некоторую химическую диффе-

ренциацию.

Металлическая фаза железных метеоритов, по современным пред-

ставлениям, возникла в условиях высоких температур и давлений – до

100 тыс. атм. Такое давление реализуется в планетных телах радиусом

порядка 2000 км. Однако возможно формирование железной фазы в

высокотемпературной части протосолнечного облака с последующим

слипанием конденсата.

Нельзя также исключить и реликтовый характер части железных

метеоритов – как фрагментов звездного или планетного вещества от

прошлых систем, находившихся в межзвездном пылегазовом облаке. В

пользу такого заключения свидетельствуют изотопные аномалии неко-

торых элементов (Рудник, Соботович, 1984).

Третья группа факторов, позволяющих приоткрыть завесу над тай-

ной первичного состава досолнечного небулярного облака, основыва-

ется на данных изучения изотопного состава элементов, слагающих

вещество Солнечной системы.

Самым сильным доказательством того, что Солнце – звезда по

меньшей мере второго поколения, является широкое распространение

на Земле и в Солнечной системе (на метеоритах), Луне тяжелых эле-

ментов трансуранового ряда, а также самого урана, тория и др. Их об-

разование возможно лишь в конце жизни звезды при взрыве так назы-

ваемой сверхновой. По современным представлениям, сверхновые –

это старые звезды, содержащие большое количество тяжелых элемен-

тов. Следовательно, протосолнечная газопылевая туманность включала

в себя вещество какой-то разрушившейся звездной системы. Она пре-

бывала в относительно устойчивом равновесии до того, как испытала

мощное облучение звездным ветром сверхновой, взорвавшейся в ее

окрестностях. Наличие в веществе различных тел Солнечной системы

изотопных аномалий продуктов распада других, более короткоживу-

щих элементов позволяет предположить, что до финального взрыва

сверхновая в процессе своей эволюции и нуклеосинтеза неоднократно

коллапсировала и за счет последовательно сбрасываемых оболочек по-

полняла веществом пылегазовую туманность. При этом в результате

возникшей неустойчивости отдельные частицы могли сближаться, об-

разуя более крупные фрагменты, что до финального взрыва поддержи-

вало относительную устойчивость этой туманности.

Таким образом, материнское досолнечное облако представляло со-

бой сложную систему из пылевого, газового материала и более круп-

402

ных фрагментов типа метеоритов древнего возраста и вещества сверх-

новой, ассимилированной туманностью в более позднее время. Это ге-

терогенное разновозрастное вещество и явилось исходным материалом

для построения Солнечной системы.

§2. Вихревая теория образования Солнечной системы

И. Кант, всю свою жизнь преподававший в Кенигсбергском уни-

верситете, в 1755 г. в свой работе «Всеобщая естественная история и

теория неба» развил первую научную гипотезу об образовании Сол-

нечной системы из холодной пылевой материи, опираясь на закон все-

мирного тяготения. И хотя его идея саморазвития сгущений материи к

центру тяжести с последующей консолидацией в тела планет и Солнца

вскоре была заменена представлениями Лапласа, принципиальная кар-

тина мира была предвосхищена И. Кантом с удивительной прозорли-

востью. Первоначально холодная материя в ходе гравитационного

сжатия разогревалась, и по этой причине планеты так же, как и Солнце

после аккреции, были огненно-жидкими. Конечно, позднее стало ясно,

что с позиции механики неустойчивость в системе мира Канта не мог-

ла возникнуть без воздействия внешних сил. Лишь в начале ХХ века с

открытием радиоактивности было доказано, что Земля и планеты ни-

когда не находились в расплавленном состоянии. Тем не менее со вре-

мен Н. Коперника идеи Канта явились самым крупным вкладом в есте-

ствознание, глубоким проникновением в глубины мироздания. Потря-

сенный величием построенного материального и нравственного мира

человека, Кант писал: «Две вещи наполняют душу всегда новым и все

более сильным удивлением и благоговением, чем чаще и продолжи-

тельнее мы размышляем о них, – звездное небо надо мной и нравст-

венный закон внутри меня». Эти слова, представляющие квинтэссен-

цию всей философии великого мыслителя, были начертаны на его над-

гробии.

По гипотезе Лапласа (1769 г.), раскаленная, медленно вращающая-

ся туманность, сжимаясь, формировала протосолнце, а когда на эква-

торе сила тяжести уравнивалась с центробежной силой, от нее проис-

ходило последовательное отделение гигантских колец материи. Эти

кольца, сгущаясь, формировали на соответствующих орбитах планеты

и их спутники. Гипотеза Лапласа, объединенная с представлениями

Канта, просуществовала более 100 лет и сыграла большую роль в раз-

витии естествознания. Она дала начало геотектонической контракци-

онной гипотезе, впервые сформулированной Эли де Бомоном в 1855 г.

403

Вместе с тем гипотеза Канта-Лапласа не могла объяснить перерас-

пределение момента количества движения между Солнцем и планета-

ми, на долю которых его приходится более 98%. Напомним, что мо-

мент количества движения М равен произведению момента инерции на

угловую скорость вращения тела: М = I

= mVR, где I =

mR; m, R –

соответственно масса и радиус планеты; V – линейная скорость движе-

ния точки на поверхности.

Расчеты показали, что если вернуть Солнцу утраченные моменты

количества движения, т.е. уронить все планеты на его поверхность, то

и в этом случае скорость его вращения была бы недостаточной, чтобы

породить систему колец с соответствующими орбитами девяти извест-

ных планет и их спутников. С другой стороны, внутри каждого кольца,

согласно закону постоянства количества движения, никакими внутрен-

ними силами системы величина М не может быть изменена. Иными

словами, без внешних сил планетарные сгущения внутри колец сами

по себе образовываться не могут. Примером тому являются известные

кольца у планет-гигантов – Сатурна, Урана, Нептуна, вещество в кото-

рых равномерно распределено по окружности и не консолидируется в

сгущения.

В наше время разрабатывались гипотезы катастрофического на-

правления, в основе которых лежит предположение о случайном захва-

те холодного пылегазового облака проходящим Солнцем – уже гото-

вой звездой (гипотеза О. Шмидта, 1944). Однако такие гипотезы всту-

пают в противоречие с выводами наблюдательной астрономии об эво-

люционном, а не катастрофическом пути формирования звездных и

сопутствующих им планетных систем. Большинство современных ис-

следователей отдают все же предпочтение кантовской концепции од-

новременного образования планет и Солнца. Предпочтительность этой

концепции очевидна после рассмотрения схемы эволюции звезд.

В. Рудник и Э. Соботович (1984) предприняли, пожалуй, одну из

наиболее успешных попыток реконструкции ранней истории формиро-

вания Солнечной системы, опираясь главным образом на материалы

изотопной космохимии. Однако и они при построении модели эволю-

ции материнского протосолнечного облака не преодолели общую тен-

денцию конструирования изолированной звезды. Поэтому предпола-

гаемая ими общая масса туманности, равная одной-двум солнечным

массам, явно недостаточна для начала процесса звездообразования.

Размеры же протосолнечного облака, по этой гипотезе, не выходят за

пределы афелия Плутона. Это не соответствует современным пред-

404

ставлениям об эволюции звезды и не оставляет места для неизбежного

изменения радиуса первоначальных планет в ходе общего сжатия за-

кручивающейся туманности вокруг центра масс, где консолидирова-

лось вещество протосолнца.

При оценке первоначальной массы материнского облака мы также

ни в коей мере не можем рассчитать его плотность из наблюдаемой

массы вещества в Солнечной системе. При наличии протосолнца она

составила бы не более 2⋅10

-9

кг/м

. Этого недостаточно для формиро-

вания планет. В межзвездном пространстве довольно часто наблюда-

ются туманности с массой газа в одну солнечную массу, размером

около 1 пк и с температурой в десятки градусов Кельвина. Но в таких

облаках, согласно критерию Джинса (1902), вещество не может сжать-

ся до звездообразования, так как газовое давление внутри облака урав-

новешено собственной силой тяжести. Критерий Джинса выполняется

в газопылевых комплексах массой 10

– 10

и размером 10 – 100 пк,

с температурой в десятки градусов Кельвина. Только в таких гигант-

ских туманностях возможно развитие гравитационной неустойчивости.

Наблюдательная астрономия полностью подтверждает этот вывод.

Глобулы – прообразы нашего протосолнца – наблюдаются не еди-

нично и изолированно, а большими группами в больших межзвездных

туманностях (например, упоминавшаяся уже туманность Лагуны в со-

звездии Стрельца (рис. 111)). Размеры глобул 1 – 2 пк, плотность ве-

щества в ней достигает 20 – 200 частиц/м

(при средней плотности

межзвездной среды 10

-7

частиц/м

). Таким образом, мы должны при-

знать, что Солнце формировалось как одна из звезд огромной газопы-

левой туманности, простиравшейся на десятки парсек. В окрестности

Солнца на расстоянии 100 пк, сегодня известно более 7000 звезд. Бли-

жайшая к нам звезда – α-Центавра – расположена всего в 1,33 пк. Она

могла возникнуть в пределах одной глобулы с Солнцем. Удивительно,

что масса, светимость, температура, спектр и, следовательно, возраст

этой звезды примерно такие же, как и у нашего светила!

Критерий Джинса для глобул может выполняться и без воздейст-

вия внешних сил. Но поскольку изотопная космохимия свидетельству-

ет об обогащении туманности новыми элементами (Рудник, Собото-

вич, 1984), необходимо принять возможность взрыва сверхновой в ок-

рестности этой туманности, усилившей гравитационную неустойчи-

вость и ускорившей процесс звездообразования. Глобулы сами по себе

имели различные размеры и массу. Это предопределило дальнейший

путь их эволюции. В крупных глобулах могли возникнуть массивные

405

звезды или группы звезд, в меньших, подобно нашей, возникли две не-

однородности – большая, давшая жизнь созвездию α-Центавра, и

меньшая – нашей Солнечной системе. В этой меньшей части глобулы

лишь немного не хватило массы для возникновения двойной звезды

Солнце – Юпитер, ибо последний со своими 16 спутниками, четыре из

которых (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто) подобны планетам, пред-

ставляет почти готовую Солнечную систему.

Предполагается, что в начальной стадии сжатия протозвезды воз-

никающее по мере сжатия тепло отводится инфракрасным излучением.

В противном случае газовое противодавление остановит этот процесс.

Отсюда мощное инфракрасное излучение является характерным пока-

зателем зарождающейся протозвезды. Оно обычно наблюдается в га-

зопылевых комплексах. При дальнейшем сжатии и росте температуры,

как показывают расчеты (Дагаев и др., 1983), протозвезда становится

все более непрозрачной для инфракрасного излучения, и это происхо-

дит, когда ее радиус станет равным R ≈ 10

⋅R

. Из приведенного следу-

ет, что в начальной стадии сжатия размеры протозвезды далеко, при-

мерно в 10 раз, выходят за пределы размеров Солнечной системы

(6 млрд. км), что соответствует расстоянию в 0,01 пк. Когда размеры

протозвезды достигают значения R = 10

⋅R

, т.е. орбиты Юпитера, све-

тимость ее становится в 400 раз выше современной. На этом этапе

включается конвективный процесс переноса глубинного тепла к по-

верхности. Звезда характеризуется неустойчивостью блеска (перемен-

ные типа Т-Тельца). Это объясняется тем, что внутри протозвезды еще

не созданы термодинамические условия запуска термоядерных реак-

ций синтеза гелия из водорода. Согласно расчетам, последующее сжа-

тие с R = 10

до R = 1R

происходит за 20 млн. лет. Оно осуществля-

ется уже в условиях начавшейся термоядерной реакции, в результате

чего протозвезда переходит с дозвездного на звездный путь эволюции

и выходит на главную последовательность диаграммы спектр-свети-

мость Герцшпрунга-Рессела.

Все вышеизложенное позволяет существенно корректировать на-

ши представления о формировании Солнечной системы.

Совершенно ясно, что в стадии существования протозвезды с пре-

обладанием термохимических процессов внутри и инфракрасным из-

лучением вследствие гигантского радиуса говорить о формировании

планет ее по периферии не приходится. С другой стороны, нельзя ис-

ключить возможного возмущающего влияния со стороны аналогичной

и даже большей по массе системы одновременно формировавшихся