6.5. Дальнейшее усложнение вещества во Вселенной

Хотя появление крупномасштабных структур во Вселенной при­вело к образованию множества разновидностей галактик и звезд, среди которых есть совершенно уникальные объекты, все же с точ­ки зрения дальнейшей эволюции Вселенной особое значение имело появление звезд — красных гигантов. Именно в этих звездах в ходе процессов звездного нуклеосинтеза появилось большинство эле­ментов таблицы Менделеева. Это открыло возможность для новых усложнений вещества. В первую очередь, появилась возможность образования планет и появления на некоторых из них жизни и, возможно, разума. Поэтому образование планет стало следующим этапом в эволюции Вселенной.

Состав Солнечной системы

Солнце — наша звезда. Солнечная система включает Солнце, де­вять планет со спутниками, а также пояс астероидов, кометы и ме­теориты.

Солнце — звезда среднего размера, его радиус составляет около 700 тыс. км, температура на поверхности — около 6000°С. Солнце относится к числу рядовых звезд нашей Галактики (желтый карлик) и расположено ближе к ее краю в одном из спиралевидных рукавов. Солнечная система обращается вокруг Галактики со скоростью око­ло 220 км/с. При этом одновременно оно совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет. Данный период называют галактическим годом.

Солнце представляет собой плазменный шар со средней плот­ностью 1,4 г/см³, окруженный так называемой короной, которую можно наблюдать. Активность Солнца циклична, периодичность циклов составляет 11 лет. Источником солнечной энергии явля­ются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, кото­рые происходят в его недрах. Солнце состоит из водорода, гелия и других элементов, соотношение которых изменяется от поверхно­сти к ядру. В верхних слоях содержится около 90% водорода и около 10% гелия. Ядро состоит из водорода лишь на 37%. Соот­ношение между водородом и гелием с течением времени изменя­ется в пользу гелия, поскольку уже в течение 4,5 млрд. лет на Солнце протекают термоядерные реакции, превращающие ядра водорода в ядра гелия. Ежесекундно при температуре около 15 млн. градусов 600 млн. т ядер водорода, сливаясь, образуют ядра гелия, при этом 4,3 млн. т трансформируются в лучистую энергию, ос­вещающую всю Солнечную систему. При сохранении таких тем­пов выгорания водорода Солнце будет светить с той же интенсив­ностью еще 5—6 млрд. лет, после чего оно превратится в красный гигант, а затем в белого карлика. После этого вновь возможна вспышка термоядерного синтеза, после которого звезда превратится в холодное темное тело — черный карлик.

Планеты Солнечной системы. Крупнейшими после Солнца объек­тами Солнечной системы являются планеты и их спутники. Считает­ся, что все планеты Солнечной системы возникли одновременно примерно 4,6 млрд. лет назад. В современной космогонии доминиру­ет концепция холодного начального состояния планет, которые под влиянием электромагнитных и гравитационных сил образовались в результате объединения твердых частиц газопылевого облака, окру­жавшего Солнце.

Все планеты Солнечной системы можно разделить на две груп­пы: 1) планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и 2) пла­неты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Плутон). Оба типа планет отличаются друг от друга по химическому составу. Так, в составе твердых оболочек Юпитера и Сатурна преобладают водо­род и гелий, эти планеты по химическому составу близки к Солнцу. Планеты земной группы в этом смысле резко отличаются от Солн­ца, поскольку наиболее распространенными элементами в их соста­ве являются железо, кислород, кремний и магний.

Строение всех планет Солнечной системы слоистое. Слои раз­личаются по плотности, химическому составу и другим физическим характеристикам. В недрах планет происходит радиоактивный рас­пад элементов. Поверхность планет формируется под действием двух типов факторов: эндогенных и экзогенных. Эндогенные факто­ры — это процессы, происходящие в ядре планеты и меняющие ее внешний облик: перемещения участков коры, вулканические из­вержения, горообразование и т.п. Экзогенные факторы связаны с внешними воздействиями: химические реакции при соприкоснове­нии с атмосферой, изменения под воздействием ветра, падение ме­теоритов и т.п.

В настоящее время в составе Солнечной системы насчитывается девять планет, которые расположены в следующем порядке от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Между Марсом и Юпитером находится кольцо астероидов, которые движутся вокруг Солнца. Сейчас ученым из­вестно около 2000 астероидов. Расстояние от центра Солнечной системы до последней ее планеты — Плутона — составляет при­мерно 5,5 световых лет.

Размеры планет значительно меньше Солнца. Некоторые плане­ты Солнечной системы имеют собственные спутники: Земля и Плу­тон — по одному, Марс и Нептун — по два, Уран — пять, у Сатур­на, по последним данным, — 32 спутника, а у Юпитера — 39. Все планеты Солнечной системы, а также их спутники освещаются сол­нечным светом и именно поэтому могут наблюдаться учеными.

В современном естествознании каждая из планет характеризует­ся девятью основными параметрами. К ним относятся расстояние от Солнца, период обращения вокруг Солнца, период обращения вокруг своей оси, средняя плотность, диаметр экватора в километ­рах, относительная масса, температура поверхности, число спутни­ков, преобладание газа в атмосфере.

Ближайшей к Солнцу планетой является Меркурий, который со­стоит из большого железного ядра, расплавленной каменистой ман­тии и твердой коры. По внешнему виду Меркурий напоминает Лу­ну. Его поверхность испещрена кратерами. Сила тяжести на плане­те в два раза меньше земной, поэтому атмосфера практически от­сутствует, газы могут свободно покидать планету. Температура на Меркурии — от +350°С на освещенной Солнцем (дневной) стороне до — 170°С на ночной.

Венера по размерам, массе и плотности сходна с Землей. Однако она имеет очень плотную атмосферу, пропускающую солнечное излучение внутрь и не выпускающую его обратно. Поэтому на Ве­нере давно действует парниковый эффект, который начинает отме­чаться сейчас и на Земле. В результате парникового эффекта темпе­ратура поверхности Венеры составляет 400—500°С. Венера, как и Меркурий, состоит из металлического (железоникелевого) ядра, расплавленной мантии и твердой коры. Поверхность Венеры пред­ставляет собой знойную пустыню с небольшими низинами и на­горьями высотой до 3 км.

Отличительной особенностью Марса является высокое содержа­ние железа и окислов других металлов в поверхностном слое. По­этому его поверхность имеет вид красной каменистой пустыни, окутанной тучами красного песка. Наряду с абсолютно плоскими пустынями на Марсе есть горные хребты, глубокие каньоны, ог­ромные вулканы. Крупнейший марсианский вулкан — пик Олимп — имеет диаметр 700 км и высоту 26 км. На Марсе существуют также полярные шапки, состоящие из сухого льда (замерзшего углекислого газа). Обнаруженные русла высохших рек свидетельствуют о теп­лом климате, существовавшем на этой планете ранее.

Юпитер — самая крупная планета Солнечной системы. Вместе со своими 16 спутниками он составляет Солнечную систему в ми­ниатюре. Масса Юпитера в три раза превосходит массу всех ос­тальных планет Солнечной системы и в 318 раз больше массы Зем­ли. В центре Юпитера находится небольшое каменное ядро. Его окружает вначале слой металлического водорода, по свойствам на­поминающего жидкий металл, затем слой жидкого водорода. Плот­ная атмосфера Юпитера состоит из водорода, гелия, метана и ам­миака и по толщине в 8—10 раз превосходит земную атмосферу. Быстрое вращение Юпитера вокруг своей оси вызывает мощные ветры и вихри на его поверхности. По этой же причине сутки на Юпитере длятся всего 10 часов.

Сатурн широко известен своими кольцами, которые состоят из огромного количества кусков льда различного размера — от пыли­нок до глыб. Эта планета имеет самую низкую плотность среди всех планет Солнечной системы. Его небольшое ядро изо льда и камня окружено слоями металлического и жидкого водорода. В атмосфере Юпитера бушуют ветры, скорость которых достигает 1800 км/ч.

Уран и Нептун — более далекие и хуже изученные планеты. Они имеют более высокую плотность, чем Сатурн, поэтому на них больше веществ тяжелее водорода и гелия. Эти планеты имеют ядра диаметром 16 000 км, которые окружены мантиями, состоящими изо льда. Далее идут газовые оболочки, состоящие из водорода с примесью метана. Уран и Нептун так же, как и Сатурн, имеют спутники, но о них нам почти ничего не известно.

Плутон — самая далекая малая планета, не входящая в семейст­во газовых гигантов. Его размеры сопоставимы с размерами Луны. Температура на поверхности Плутона составляет всего 50 К, поэто­му все газы, кроме водорода и гелия, там выморожены. Считается, что поверхность планеты состоит из метанового льда. В 1978 г. был открыт спутник Плутона — Харон. Так же, как и Земля с Луной, Платон и Харон образуют двойную планетную систему. Интересно, что масса Харона составляет 1/10 массы Плутона, это самый высо­кий показатель в Солнечной системе.

Кометы, астероиды и метеоры. Помимо девяти крупных планет в Солнечной системе имеется огромное множество мелких спутни­ков, называемых астероидами, кометами и метеорами. Большинство из них находится в поясе астероидов, между орбитами Марса и

Юпитера.

Астероиды представляют собой малые планеты, имеющие в по­перечнике диаметр до 1000 км. Всего в астрономических каталогах зафиксировано более 6000 малых планет. Из них самой крупной является планета Церера. Сталкиваясь друг с другом, астероиды дробятся на метеориты.

Помимо астероидов, движущихся по орбитам, Солнечную сис­тему пересекают кометы. В переводе на русский слово «комета» означает «хвостатая звезда». Комета состоит из головы, небольшого плотного ядра и хвоста длиной в десятки миллионов километров. Ядра комет имеют размеры несколько километров и состоят из ка­менных и металлических образований, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов. Согласно современным данным, ко­меты являются побочными продуктами формирования планет-гигантов. Кометы живут сравнительно недолго: от нескольких сто­летий до нескольких тысячелетий, со временем они рассыпаются, оставляя после себя облака космической пыли.

Кроме астероидов и комет в межпланетном пространстве беспо­рядочно двигаются небольшие небесные тела, которые довольно часто попадают в земную атмосферу. Самые мелкие из них — ме­теоры - имеют массу от нескольких десятков килограммов до не­скольких граммов, более крупные — метеориты — достигают не­скольких десятков тонн. Большинство из них полностью сгорает в верхних слоях атмосферы на высоте 40—70 км, а самые крупные могут достигать земной поверхности, оставляя на ней кратеры.

Образование Солнечной системы

До настоящего времени вопрос о происхождении Солнечной системы не получил своего точного научного описания. Тем не ме­нее достоверно известно, что Солнечная система образовалась при­мерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце — звезда второго (или еще более позднего) поколения. Так что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скап­ливавшихся в газопылевых облаках.

Гипотеза X. Альвена и С. Аррениуса. На протяжении XX в. вы­двигался целый ряд противоречащих друг другу гипотез о происхо­ждении Солнца и Солнечной системы, из которых наиболее убеди­тельной и популярной стала гипотеза шведских астрономов X. Аль­вена и С. Аррениуса. Они исходили из предположения, что в при­роде существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. Для объяс­нения этого механизма они привлекают совокупность различных сил — гравитацию, магнитогидродинамику, электромагнетизм, плазменные процессы.

Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и планет из одного массива вещества в одном нераздельном процессе. Они считают, что сначала из газопылевого облака возникло первичное тело — звезда, а затем к нему из друго­го газопылевого облака, через которое по своей орбите двигалось Солнце, поступил материал для образования вторичных тел. Таким образом, к моменту, когда начали образовываться планеты, цен­тральное тело системы уже существовало. К такому выводу иссле­дователи пришли в результате многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов, Солнца и Земли. При этом были об­наружены отклонения в изотопном составе ряда элементов, содер­жащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного состава тех же элементов на Солнце. Это говорит о различном происхождении этих элементов. Отсюда следует, что основная масса вещества Сол­нечной системы поступила из одного газопылевого облака, и из него образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества, не превышающая 0,15 массы Солнца, с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила мате­риалом для формирования планет и метеоритов. Если бы масса это­го облака была больше, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Чтобы образовать планетную систему, звезда должна обладать рядом признаков:

• мощным магнитным полем, величина которого превышает определенное критическое значение;

• пространство в окрестностях звезды должно быть заполнено разреженной плазмой, создающей солнечный ветер.

Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженную намагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца вырывались про­туберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни мил­лионов километров и достигали орбиты современного Плутона. То­ки в них оценивались в сотни миллионов ампер и более. Это спо­собствовало стягиванию плазмы в узкие каналы. В них возникали разрывы, пробои, откуда разбегались мощные ударные волны, уп­лотнявшие плазму на пути их следования. Плазма сверхкороны бы­стро становилась неоднородной и неравномерной.

Когда молодое Солнце начало свое прохождение через газопы­левое облако, мощное гравитационное воздействие звезды начало притягивать поток газовых и пылевых частиц, послуживших мате­риалом для образования вторичных тел. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы вещества под действием гравита­ции падали к центральному телу. Но при этом они попадали в сверхкорону Солнца. Там они ионизировались, и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела. Таким образом, с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по химическому и весовому со ставу. В конечном счете, выделились три-четыре концентрически области, плотность частиц в которых примерно на семь порядков превышала их плотности в промежутках. Это объясняет тот факт что вблизи Солнца располагаются планеты земной группы, которые при относительно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5 г/см³), а планеты-гиганты — намного меньшие плотности (1-2 г/см³).. .

Сверхкорона, по мере накопления в ней выпадающего вещест­ва, начинала отставать в своем вращении от вращения центрально­го тела. Стремление выровнять угловые скорости тела и короны заставляли плазму вращаться быстрее. Но это происходило за счет замедления вращения центрального тела. Ускорение плазмы увели­чивало центробежные силы, оттесняя их от звезды. Между цен­тральным телом и плазмой образовалась область с очень низкой плотностью вещества. Таким образом, создалась благоприятная об­становка для конденсации нелетучих веществ путем их выпадения из плазмы в виде отдельных зерен. Эти зерна получали от плазмы импульс и, двигаясь по орбитам будущих планет, уносили с собой часть момента количества движения в Солнечной системе. Сегодня на долю планет, суммарная масса которых составляет только 0,1% массы всей системы, приходится 99% суммарного момента количе­ства движения.

Множественные соударения между зернами приводили к их аг­регации в большие группы. Затем эти зерна слипались в зародыше­вые ядра, к которым продолжали прилипать частицы, и они посте­пенно разрастались до крупных тел — планетезималий. Сталкиваясь друг с другом, планетезималий образовывали допланетные тела. Их первоначальное количество оценивается во множество миллионов. Образование планетезималий продолжалось десятки тысяч лет. Формирование же самих планет заняло от 10⁵ до 10⁸ лет. Столкновение планетезималий друг с другом привело к тому, что наиболее крупные из них начали еще более увеличиваться в размерах, вследствие чего и образовались планеты. А как только планетные тела оформились настолько, что возле них появилось достаточно сильное собственное магнитное поле, то начался процесс образования спутников, в миниатюре повторяющий то, что произошло при образовании самих планет.

Так, в теории Альвена и Аррениуса пояс астероидов — это струйный поток, в котором из-за нехватки выпавшего вещества процесс планетообразования прервался на стадии планетезималий. Метеориты и кометы, согласно данной модели, формировались на окраине Солнечной системы, за орбитой Плутона. В отдаленных от Солнца областях существовала слабая плазма. В ней механизм вы­падения вещества еще работал, но струйные потоки, в которых рож­даются планеты, образоваться уже не могли. Слипание выпавших там частиц привело к единственно возможному результату — обра­зованию кометных тел.