1.6. Эволюция Солнечной системы
Планета Земля в Солнечной системе (да и не только в ней) занимает совершенно особое место. Именно на Земле процесс самоорганизации достиг высшей степени своего проявления, приведя к возникновению не только живой материи, но и разума. Именно на Земле оказалась обеспеченной уникальная совокупность условий, необходимых и достаточных для того, чтобы этот феномен состоялся.
Космическая, геологическая, химическая, наконец, биологическая эволюция Земли составили неразрывную цепочку, каждое звено которой с удивительной согласованностью дополняет все предыдущие, причем в их череде присутствуют все необходимые звенья и нет ни одного лишнего. Физико-химические и другие параметры Земли оказались как нельзя лучше «подобранными» для того, чтобы она могла стать, по образному выражению К. Э. Циолковского, колыбелью человечества.
Вопросами образования и эволюции Земли и других планет занимается наука космогония. Земля – планета Солнечной системы. Поэтому она развивалась в рамках эволюции Солнца и Солнечной системы, в которую помимо центральной звезды (рядового желтого карлика) входят девять планет, их спутники, малые планеты, кометы, метеорные тела, космическая пыль, т. е. все объекты, находящиеся под контролем гравитационного поля Солнца. Ориентировочные размеры Солнечной системы ранее определяли орбитой самой удаленной планеты Плутона (около 40 а. е., или 6·109 км), однако влияние Солнца простирается на гораздо большие расстояния, так что сегодня ученые более склонны определять размер Солнечной системы в 230 000 а. е., или 4·1013 км.
Некоторые характеристики планет Солнечной системы представляет следующая таблица:
Число малых планет – около 40 тысяч. Число комет – около 100 миллиардов. Космическая пыль и метеоры заполняют всё пространство, контролируемое гравитацией Солнца, но наибольшая концентрация этого вещества наблюдается внутри орбиты Земли. Возраст Солнечной системы – 5 млрд. лет.
Уже небольшой перечень параметров планет указывает на существование как минимум двух различных групп планет: планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планет-гигантов (Юпитер, Сатурн Уран, Нептун). Вне этих групп оказывается планета Плутон, имеющая характеристики, выпадающие за диапазоны параметров и первой и второй групп. Все планеты вращаются вокруг Солнца в одну сторону (против часовой стрелки, если смотреть со стороны Полярной звезды) и это движение происходит практически в одной плоскости. Значительные отклонения от этой общей плоскости, которая называется еще плоскостью Лапласа, наблюдаются лишь у Меркурия и Плутона. Все планеты (за исключением Венеры и Урана) имеют и вращение вокруг собственной оси, но в том же направлении, в котором они вращаются вокруг Солнца.
Следующая таблица «собственных» свойств планет еще более убеждает нас в существенном различии планет земной группы и планет гигантов:
Общая структура Солнечной системы была открыта в середине XVI в. польским астрономом Николаем Коперником (1473 – 1543). В начале XVII в. И. Кеплер открыл основные законы небесной механики, а в конце века И. Ньютон, сформулировав закон всемирного тяготения, практически завершил формирование классической теории движения планет и иных космических тел. С тех пор и по настоящее время уточнялись различные теории формирования Солнечной системы и ее эволюции – по мере накопления новых знаний о ней и возникновения более совершенных теорий.
Наиболее известны следующие гипотезы, уточнявшиеся или отклоненные в ходе дальнейшего развития науки (в хронологическом порядке):
– «ударная» гипотеза (1750) Жана Луи Леклерка – планеты сформировались из вещества, выброшенного из недр Солнца в результате удара в него крупной кометы; это вещество в дальнейшем охлаждалось, сконцентрировавшись в планеты на определенных орбитах или в кольцах астероидного пояса;
– «небулярная» гипотеза (1754) Иммануила Канта – создание Солнца и планет из облака космической пыли в результате действия сил притяжения;
– «гипотеза протозвезды» (1796) Пьера Симона Лапласа, согласно которой протозвезда радиуса более радиуса орбиты Юпитера сжимается под действием гравитационных сил, но по мере сжатия возрастает скорость вращения звезды и от области экватора отрывается газовое кольцо, из которого и формируется планета со спутниками; затем отрывается следующее кольцо и т. д.;
– катастрофические гипотезы (основанные на теории гравитационной неустойчивости);
– гипотеза «Солнце – двойная звезда» (1935) Генри Рессела. Согласно этой гипотезе звезда-спутник, находившаяся первоначально в районе орбит Урана или Нептуна, должна была быть отброшена за пределы Солнечной системы, оставив сгустки вещества, из которых и сформировались затем планеты. В этой гипотезе находили ответ на вопрос, почему момент Солнца в 29 раз меньше момента планет Солнечной системы;
– гипотеза о том, что громадный момент количества движения планет приобретен в результате движения Солнечной системы в Галактике (1940) О. Ю. Шмидта;
– гипотеза «внутренней активности» Солнца как основного фактора формирования планет (1960) В. Г. Фесенкова: переход от одного к другому типу реакций энерговыделения вызывает сброс массы вещества и момента количества движения звезды, что и объясняет выброс материи и формирование планет.
Современное представление о формировании Солнечной системы вбирает в себя многие положения этих гипотез. Считается, что звезда типа Солнца формируется из газопылевого облака, имеющего массу от 0,3 до 10 масс Солнца. Из такого облака возникает протозвезда, разогретая просто процессом сжатия. Солнце вступило в эту фазу около 5 млрд. лет назад. По мере нескомпенсированного сжатия звезды в экваториальной области гравитационной неустойчивости выделяется газопылевой диск, уносящий «избыток» момента количества движения. Через 100 млн. лет после начала сжатия начинаются ядерные реакции, энерговыделение которых стабилизирует звезду, температура Солнца при этом составляет около 10 млн. К. При этом внутренняя часть газопылевого кольца разогревается сильнее, вместе с воздействием на кольцо солнечного ветра (потока заряженных частиц, в основном протонов) такая ситуация способствует выносу легких элементов на периферию кольца, где они и конденсируются. Вследствие этого процесса планеты и разделяются на внутренние (земной группы), состоящие из тяжелых элементов, и внешние – более легкие (гиганты). Формирование тяжелых планет в газопылевом кольце проходило в течение почти 100 млн. лет. Таким образом, возраст планет земной группы около 4,5 млрд. лет. Планеты-гиганты сформировались позже, а на момент формирования тяжелых планет у них сформировалось только ядро. Дальнейшее гравитационное сжатие планет (неспособных зажечь ядерную реакцию синтеза, как на Солнце) привело к разогреву их центральной части и запуску реакций ядерного распада (там, где имелся подходящий материал). Интересное исключение представляет собой Юпитер, масса и состав которого подходят для того, чтобы зажечь реакцию типа солнечной. Его поэтому и называют иногда несостоявшейся звездой.