16.1. КОСМОГОНИЯ ПЛАНЕТ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Космогония изучает происхождение и развитие небесных объектов — галактик, звезд, Солнца и планет солнечной системы. Она использует данные астрономии, которые получаются с помощью мощных телескопов в разных диапазонах электромагнитных волн; приборов, вынесенных за пределы земной атмосферы; экспериментальных данных, полученных космическими станциями и при непосредственном посещении небесных тел исследовательскими автоматическими аппаратами. Астрономия изучает небесные объекты, каждый из которых находится на разной стадии эволюции. Сопоставляя данные наблюдений с физическими процессами, которые происходят при различных условиях или могут происходить (теорети-

чески), ученые пытаются представить весь эволюционный путь объекта. В космическом пространстве основной силой является гравитация, и потому основные космогонические гипотезы исходят из теории тяготения. Космогония, как и космология, пользуется при объяснении полученных данных результатами и теориями всех естественных наук. Космогония планет существенно больше использует новых данных, полученных в связи с освоением космического пространства человеком.

Планеты — это большие небесные тела, которые движутся вокруг Солнца и светят отраженным солнечным светом. Массы всех планет составляют всего 0,002 массы Солнца. В телескоп планеты видны как небольшие диски,

а звезды только точками. Невооруженным глазом видны 5 планет как светящиеся точки из-за большой удаленности от Земли. Почти все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, как и почти все спутники вокруг своих планет. Почти все планеты имеют незначительные наклоны плоскости орбит к плоскости эклиптики и малые эксцентриситеты (кроме орбит Плутона и некоторых малых планет). Скорости и периоды обращения, массы планет и расстояния определяются по законам Кеплера. Расстояния планет до Солнца составляют некоторую прогрессию, определяемую эмпирическим правилом Тициуса–Боде. Правило это состоит в следующем: если к каждому члену ряда: 0, 3, 6, 12, 24, 48, 96… прибавить по 4, то получим десятые доли средних расстояний планет от Солнца (Земле соответствует 10). Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) имеют меньшую плотность и больший размер

èвращаются вокруг своих осей быстрее, чем планеты земной группы. Кроме больших планет открыто несколько тысяч малых планет — астероидов, орбиты которых расположены в основном между орбитами Марса и Юпитера.

Идею эволюции ввел в науки о неживой природе французский зоолог Ж. граф Бюффон. Он считал, что материя, из которой возникли все планеты, была выброшена из недр Солнца ударом кометы. Небольшие куски солнечного вещества постепенно группировались в комки

èохлаждались. Бюффон даже ставил опыты с раскаленными шарами и заключил, что Земле потребовалось бы для охлаждения примерно 75 тыс. лет. Его идеи вызвали первую небулярную гипотезу происхождения планет (лат. nebula «туман, облако»).

Вопрос о возрасте Земли и незаметных в короткие промежутки времени изменениях, которые могут накапливаться на больших временных интервалах поставил в 1754 г. И.Кант. Поскольку не наблюдается сглаживания рельефа на Земле, он искал причины, противодействующие стремлению к равновесию, и выделил химические процессы внутри Земли, действие которых иногда проявляется в землетрясениях и вулканической деятельности. Эти процессы связаны с теплом внутри планеты, а внутреннее тепло зависит от космических сил. Так в естественнонаучных взглядах Канта соединились идеи Ньютона и Бюффона. В предисловии к своей книге «Общая естественная история и теория неба, или опыт об устройстве и механическом происхождении всего мироздания на основании ньютоновских принципов» (1755 г.) он написал: «Дайте мне материю, и я построю из нее мир!».

Солнечная система образовалась из космического облака, или «хаоса» — предположил Кант. Мировое пространство заполнено «инертной, бесформенной и неупорядоченной» материей, которая «стремится преобразоваться в более организованную путем естественного развития». Совокупное действие ньютоновского притяжения и сил отталкивания, которые ему пришлось ввести, привели Канта к мысли о возможности зарождения в хаосе круговых движений. Поэтому орбиты планет почти круговые. Образовавшись из сгущений, возникших в первичной туманности, планеты отдалялись от нее и от Солнца центробежной силой. Силу отталкивания он не определил, но привел пример отталкивания между кометными хвостами, состоя-

щими из разреженной материи. Кант не обошел вопрос о первотолчке. Он выделил роль химических сил, действующих между разреженными и разнородными элементами материи, полагая, что до образования плотной материи, в которой господствуют силы тяготения, основными были силы сцепления материи.

Считая, что Млечный Путь является проекцией на наш небесный свод, Кант искал причины, по которым «положение неподвижных звезд оказалось связанным с общей плоскостью». Млечный Путь для звезд он сравнивал с Зодиаком для солнечной системы и искал однотипные процессы для объяснения. Ему удалось представить структуру Вселенной, которую не предполагал и Ньютон: Вселенная есть иерархия самогравитирующих систем. Не имея данных о массах и расстояниях в космосе, Кант считал, что все системы должны иметь сходную структуру и в первом приближении описываться как пары взаимодействующих тяготеющих масс. Он указал, что наблюдения, направляемые интуицией теоретиков, могут открыть более глубокие закономерности, управляющие Вселенной. Впоследствии небулярную гипотезу поддержали и развили У.Гершель и П.Лаплас. Исследуя галактические туманности, У.Гершель сформулировал гипотезу об образовании звезд при медленном сгущении рассеянной газовой материи, из которой состоят открытые им многочисленные неправильные галактические туманности.

Гипотезу об образовании солнечной системы Лаплас представил в своей книге «Изложение системы мира» (1796 г.). Он воображал первичное Солнце звездой огромных размеров, превышающих радиус орбиты Юпитера. При медленном вращении этой материи происходили охлаждение и конденсация. По мере сжатия скорость вращения возрастала вследствие сохранения момента количества движения, тогда как центробежная сила в области экватора росла, и в этой области от первичного Солнца должно было отделиться газовое кольцо. Так, по Лапласу, из отделяющихся от первичного Солнца колец материи образовались планеты. Каждое кольцо разрывалось на несколько частей масс, конденсирующихся потом в планету. Спутники планет образовались из газовых колец, отделенных уже самими планетами. Лаплас оценил взаимные возмущения планет друг другом, которые накапливались в течение тысяче- летий, это так называемые вековые возмущения, которые могут изменить историю солнечной системы. Анализ этих возмущений привел Лагранжа (1776 г.) и Лапласа (1784 г.) к «теореме об устойчивости солнечной системы». Это означало, что большие оси эллипсов орбит не меняются. Небулярная гипотеза Канта–Лапласа оставалась первой ротационной гипотезой о возникновении солнечной системы вплоть до конца XIX в. Однако она не объясняла больших размеров орбит внешних планет-гигантов и медленности вращения Солнца, не отвечала на вопрос, почему момент количества движения планет почти в 29 раз больше момента количества движения Солнца, если солнечная система изолирована. Последнее обстоятельство, казалось, требовало ввести в солнечную систему вмешательство какой-то внешней силы.

Катастрофические гипотезы появились в XX в. Джинс, автор одной из них, предположил, что какая-то

звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала некие «приливные выступы», принявшие форму газовых струй, из которых и возникли планеты. Поэтому орбиты образовавшихся планет были сначала сильно вытянутыми, но изза огромного сопротивления пылевой среды между двумя звездами постепенно приближались к круговым. Недостатком гипотезы Джинса была уникальность образования планетной системы, так как близкое прохождение звезд столь редкое явление, что может случиться раз в 1017 лет. В 1935 г. Ресселл подсчитал момент количества движения приблизившейся к Солнцу звезды, он оказался на порядок меньше среднего момента количества движения планет по современным данным. Ему пришлось ввести еще одну гипотезу: Солнце в прошлом было двойной звездой, спутник Солнца вращался от него на расстоянии Урана или Нептуна, какая-то внешняя звезда столкнулась с ним, отбросила его за пределы солнечной системы и удалилась сама. Астроном и физик Н.Н.Парийский оценил возможности такого хода событий при разных скоростях сгустка, вырванного из Солнца, и оказалось, что только при скоростях от 400 до 500 км/с возможно получить орбиты для планет, но все они очень малы для нашей системы. Тем не менее, Джинс заложил основы теории гравитационной неустойчивости, которые дали ростки в последующих гипотезах.

Академик О.Ю.Шмидт, один из организаторов освоения Северного морского пути, отказался от изолированности солнечной системы и посчитал, что если «обратиться к ее движению в Галактике, то отпадет затруднение с моментом количества движения, так как Солнце могло захватить из Галактики материю, обладающую достаточным моментом». Считая, что на Землю падает примерно 1 т метеоритов за сутки, он вычислил, что для «вырастания» нашей планеты таким путем было бы необходимо около 7 млрд лет, тогда как согласно геологическим данным возраст земной коры составлял 3 млрд лет. Что же, кора может быть моложе внутренних областей планеты! При образовании планет из метеоритов, по гипотезе Шмидта, стало преобладать какоето направление вращения, и все планеты начали двигаться в одну сторону. Кроме того, все орбиты становились симметричными по всем направлениям, их эксцентриситеты приближались к нулю, и орбиты становились почти круговыми (причем это сильнее сказывалось на более массивных планетах). Расчеты Шмидта показали уменьшение периода вращения Солнца до 20 суток, тогда как он равен сейчас 25 суткам, что считается хорошим результатом.

К процессам, происходящим внутри Солнца, обратился академик В.Г.Фесенков, один из основоположников астрофизики. Образование планет происходило во время перехода от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому, что определялось температурными условиями. Условия равновесия требовали выброса массы Солнца, и этот выброс соответствовал расчетам английского астронома и математика Дж.Дарвина, сына Ч.Дарвина, и русского ученого математика и механика А.М.Ляпунова. Они рассчитали фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы. Гипотеза Фесенкова связала жизнь в солнечной системе в единое целое и избавила теорию планетообразования от внешних случайных факторов.

Выяснение природы планетарных туманностей, начатое Гершелем, имеет особое значение в планетной космогонии. Они возникают из отделившихся наружных оболочек красных гигантов, в то время как ядра этих звезд достаточно быстро, по космическим масштабам, превращаются в белые карлики. Эти чрезвычайно плотные маленькие звезды были известны давно, но только в последнюю четверть века стало ясно, как они «вызревают» внутри «нормальных» звезд при их эволюции.

Эволюцию разных моделей при разных начальных условиях рассчитывают теперь на ЭВМ. Расчеты показали, что начальная масса газопылевого комплекса, в котором образовалась Солнечная система, достигала 10 Мñ. Мы не знаем размеров и массы этого облака, считали от 0,3 Мñ, а верхние пределы определяли по-разному: Õîéë — 4 Ìñ, А.Камерон и М.Пайн — 2 Мñ.

При определенных значениях массы, плотности и температуры такой комплекс начинает сжиматься, возникающие неоднородности разрывают его на фрагменты, из которых при дальнейшем сжатии и образуются протозвезды. Солнце было Протозвездой около 5 109 лет назад. Центробежные силы выделяли экваториальную область, в ней возникали неустойчивые нестационарные потоки в газе

èпыли, и часть этого вещества была оторвана от самого Солнца, унеся с собой избыточный момент количества движения. Так образовался газопылевой диск в экваториальной плоскости Солнца. Этот диск рос, и в нем возникали условия для рождения планет. Во вращающемся и сжимающемся фрагменте, потерявшем часть вещества на образование диска, увеличивалась температура, росло давление, что препятствовало дальнейшему сжатию. Во внешних слоях пошли бурные процессы, вызывающие огромные токи в ионизованном газе и сильные магнитные поля. Когда температура достигла 106 К, пошли термо- ядерные реакции, и «загорелось» наше Солнце. На этот процесс потребовалось почти 108 ëåò.

Протопланетное облако к этому времени представляло собой кольцо, в котором при уплотнении пылинки слипались между собой. Солнце нагревало внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение, выгоняя солнечным ветром более легкие элементы в более дальние части кольца, где они «замерзали» (Ò = 50 К). Так происходило образование двух групп планет. Планеты земной группы образовались примерно за те же 100 млн лет. В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью. Это привело к неоднородности протекания химических процессов, которая усиливалась давлением солнечного излучения и корпускулярной радиации Солнца. В разных частях облака возникали неоднородности, что потом отразилось на составе образовавшихся планет. Химическая эволюция протекала тоже по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы

èих соединения, потом — летучие. Аккумуляция конденсатов в планеты и метеоритные тела началась еще до завершения процессов конденсации.

Агломерация твердых частиц и жидких капель в планетные тела связана, вероятно, с появлением первых конденсатов железа. Сгущение высокотемпературной фракции конденсатов вело к образованию ядер планет,

обогащенных железоникелевым сплавом. Вокруг них оседали магнезиально-силикатные породы, которые образовали первичные мантии. Поздние конденсаты — гидратированные силикаты, органические вещества и летучие соединения. Так формировались первичные планеты земной группы.

Происхождение регулярных спутников, вращающихся в направлении вращения планеты, объясняется по аналогии с образованием планет. Если же спутник вращается в другую сторону, то его происхождение связывают с захватом. Исследование образцов лунного грунта показало, что в период формирования Луна была разогрета до 1000 К. Видимо, это связано с падением на нее огромного числа метеоритов, что отражает и ее поверхность. Анализ структуры кристаллических пород приводит к выводу, что они когда-то были полностью расплавлены, а потом подверглись очень быстрому охлаждению. Присутствие базальтов свидетельствует об активной вулканической деятельности, которая почти прекратилась около 3 109 лет назад. Возраст пород находится в пределах (3,23–4,65) 109 лет, т.е. Луна образовалась почти одновременно с Землей.

В некотором смысле Галилей оказался провидцем, когда назвал обширные темные территории на Луне морями: когда-то лава вытекала через отверстия в коре и затапливала эти участки. Истечение лавы происходило почти 1 млрд лет, об этом стало известно из исследования лунных пород. Странно, что ее материал содержит сильно повышенное количество тугоплавких литофильных элементов и очень малое число летучих. Происхождение Луны весьма загадочно. Похоже, что она образовалась вблизи Солнца за счет самых ранних дометаллических конденсатов при высоких температурах. Странными оказались аномалии магнитного поля, которые сильно менялись от точки к точке. При изучении его со спутников было полу- чено значение, которое меньше земного в 1000 раз.

Образование Луны — в нескольких гипотезах. Одна основана на теории Джинса и Ляпунова — Земля вращалась очень быстро и сбросила часть своего вещества. Другая — на захвате Землей пролетавшего небесного тела. Наиболее правдоподобна гипотеза столкновения Земли с планетой, примерно в половину меньше ее (типа Марса), происшедшего под большим, «скользящим» углом, в результате которого образовалось огромное кольцо из обломков (железное ядро Земли при этом не пострадало), что и составило основу для Луны (железа на Луне очень мало).

Планеты-гиганты образовывались дольше. За 108 лет сформировались их ядра, потом они аккумулировали газ окружающего пространства и образовали свои протяженные атмосферы. Начальные температуры планетгигантов были высоки (у Юпитера — до 5000 К, у Сатурна — до 2000 К), что обеспечивалось распадом короткоживущих радиоактивных элементов и интенсивным падением метеоритов. Формирование более дальних планет шло еще медленнее. Сейчас обсуждается гипотеза об ином образовании планет внешней группы: они являются остывшими маленькими звездами, и остыли давно, вероятно, когда Солнце еще только начинало свою звездную жизнь.

О спутниках Юпитера и Сатурна обширные данные были получены с космических аппаратов «Пионер» и «Вояджер», которые передали на Землю великолепные изображения спутников, видимых с Земли слабыми пятнышками. В конце 80-х годов «Вояджер-2» провел аналогичное обследование и самых дальних объектов нашей солнечной системы. Более детально исследован спутник Юпитера Ио. Малые планеты и кометы считают образованными из вещества протопланетного облака, не вошедшего в планеты и их спутники. Существует гипотеза, что астероиды, кометы и метеориты — остатки рассыпавшейся в прошлом планеты Фаэтон, расположенной между Марсом и Юпитером.