<<
>>

Как возникли планеты и много ли их?

Над воздушным океаном Без руля и без ветрил, Тихо плавают в тумане Хоры стройные светил. Средь полей необозримых Ходят в небе без следа Облаков неуловимых Волокнистые стада.

М.Ю.

Лермонтов

О том, что наша планета представляет собой шар, движущийся по круговой орбите вокруг Солнца, знали еще древние греки и, по-видимому, американские майя.

За 600 лет до начала нашей эры грек Пифагор уже представлял себе Землю в виде шара, а еще три века спустя Эратосфен вычислил длину экватора с ошибкой всего в 75 км.

Прошло еще почти три века и Клавдий Птоломей предложил геоцентрическую модель мира, в которой никто не сомневался еще почти полторы тысячи лет.

Только гений Николая Коперника перевернул мир в буквальном смысле с головы на ноги. Свое учение он изложил в сочинении «Об обращениях небесных сфер» (1543), которое запрещалось католической церковью до 1828 г. как еретическое.

Первой научной космогонической теорией происхождения Солнечной системы была теория Канта-Лапласа о происхождении Солнца и всей Солнечной системы из одного и того же первичного газопылевого облака.

Эта теория, с целым рядом уточнений, предложенная впервые почти 250 лет назад, сохраняется и по сей день. Хотя в своем первоначальном виде она имела целый ряд недостатков и противоречий. Основным из них была невозможность правильного предсказания распределения

момента количества движения между центральной звездой и планетной системой.

Простые вычисления показывают, что момент количества движения Солнца равен 5 • 1048 г • см2/с, а момент только одного Юпитера равен 2 • Ю50 г • см2/с (имеется в виду орбитальный момент).

Если сложить моменты всех планет, то оказывается, что их суммарный момент составляет более 99% всего момента Солнечной системы.

Теория Канта-Лапласа рассматривала сжатие газопылевого облака с начальной массой, несколько большей, чем масса Солнца, и размерами, превышающими в несколько раз диаметр всей Солнечной системы.

Внешние и внутренние области туманности двигались по галактическим траекториям вокруг центра галактики с различными скоростями. В соответствии с законами Кеплера разность галактических скоростей привела к закручиванию туманности и возникновению у нее момента относительно центра масс.

При сжатии этого облака под действием гравитационных сил его момент количества движения должен сохраняться. Это приводит к быстрому раскручиванию всего облака и возникновению центробежных сил, действующих против сил гравитации. В результате от сжимающейся туманности отделяются кольца, которые дают начало образованию планет, а потом и их спутников.

Однако такая модель не позволяет объяснить слишком большую разницу в моментах Солнца и планет. По этой теории, к Солнцу должна была бы перейти существенно большая доля полного момента системы, что привело бы к скорости его осевого вращения, большей в 50 раз, чем нынешняя.

Уже с середины XIX в. модель Канта-Лапласа стала подвергаться сильной критике со стороны астрономов и математиков.

В начале XX в. английский астроном Джеймс Хопвуд Джинс предложил вообще отказаться от идеи Канта и выдвинул свою теорию происхождения планет в результате прохождения мимо уже образовавшегося Солнца другой протозвезды с очень малой плотностью.

Это предположение Джинса снимало основную трудность теории Канта-Лапласа о неравномерном, по существу обратном распределении момента количества движения между центральной звездой и ее планетной системой.

Идея Джинса была очень популярной в первой половине прошлого века и усовершенствовалась трудами очень известных геофизиков как на Западе, так и у нас. К числу ее приверженцев принадлежал наш выдающийся ученый Отто Юльевич Шмидт. В конце 40-х гг. он был профессором Московского университета и читал нам на физфаке факультативный курс космогонии, где излагал свою теорию происхождения Земли.

Суть ее состояла в том, что около пяти миллиардов лет назад уже сконденсировавшееся Солнце медленно прошло через газопылевое облако и подхватило его с собой.

В таком случае никаких трудностей с вращательным моментом планет не возникает, так как начальный момент вещества облака относительно Солнца может быть каким угодно.

Потом эту теорию в 60-х гг. (уже после смерти Отто Юльевича) уточнял и развивал Английский астрофизик Литтельтон. В ее современном виде теория Шмидта- Литтельтона не встречает никаких серьезных противоречий с практикой астрофизических измерений, кроме, пожалуй, одного, но очень существенного: это теория образования одной уникальной планетной системы.

Вероятность прохождения какой-либо звезды в галактике через довольно плотное газопылевое облако не так мала, как столкновение или сближение двух звезд.

Я уже говорил, что столкновение звезд в галактике явление чрезвычайно редкое и происходит один раз в миллиард лет. Размеры газопылевого облака могут превосходить размеры звезд в десятки и сотни тысяч раз.

Так, например, диаметр Солнца — 700 тыс. км, а диаметр первичного газопылевого облака может быть существенно больше размеров всей Солнечной системы, а это почти 6 млрд км, т. е. в 8,5 тыс. раз больше. Следовательно, больше и вероятность таких столкновений.

Как мы помним, столкновения звезд в галактике происходят не чаще, чем один раз в миллиард лет. Если по тем же формулам газовых законов пересчитать частоту столкновения звезд с огромной газовой туманностью диаметром в 10 млрд км, то мы получим, что число таких столкновений во всей галактике составляет один раз в 104-105 лет.

За Ю10 лет существования галактики произошло примерно 105-106 таких столкновений. А так как всего звезд в галактике порядка 1011, то значительная их часть (от ста тысяч до миллиона) может иметь планетные системы. Не так уж и мало. Есть над чем задуматься при поисках планет, подобных Земле. По Джинсу выходило, что таких возможностей не более 10.

И все-таки в последнее время большинство астрофизиков вновь склоняются к старой доброй идее Канта.

Основные аргументы следующие.

Несмотря на существенно большую, чем в теории Джинса, вероятность образования планетных систем, теория Шмидта все-таки приводит к выводу о довольно случайном характере возникновения планетных систем, а стало быть, и нашего появления в этом мире.

Успехи астрофизики за последние полвека дали в руки ученых целый ряд очень серьезных аргументов в пользу теории вполне закономерного образования планетных систем вокруг рождающихся звезд.

По мере накопления данных о ширине спектральных линий в спектрах излучения звезд различных спектральных классов выяснилась одна очень интересная особенность.

По доплеровскому уширению линий в спектрах водорода и гелия оказалось возможным определить поверхностную скорость вращения звезд, а так как массы звезд астрономы умели определять давно, то оказалось возможным определить и их собственные моменты количества движения.

Анализ этих данных показал, что скорости вращения звезд сильно разнятся.

Оказалось, что быстрее всего вращаются звезды «ранних» спектральных классов О и В, а небольшие звезды спектральных классов от F до М вращаются очень медленно или их скорости вращения так малы, что их не удается измерить. Результаты этих наблюдений приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Скорость

вращения,

км/с

Процент звезд, скорость вращения которых попадает в заданный интервал

Спектральный

класс

О, В

А

F0-F2

F5-F8

G, К, М

0-50

0

22

30

80

100

50-100

0

24

50

20

0

100-150

0

22

15

0

0

150-200

1

22

4

0

0

200-250

3

9

1

0

0

250-300

18

1

0

0

0

300-500

78

0

0

0

0

Из таблицы видно, что «зрелые» звезды спектральных классов F5-M, куда попадает и наше Солнце (G2), вращаются очень медленно или не вращаются вовсе (с точностью до ошибки измерений, которая не превосходит несколько десятых км/с). Скорость вращения Солнца на экваторе равна 2 км/с.

Интересной особенностью вращения звезд вокруг своей оси является то, что их скорость вращения изменяется скачком при переходе к классу F5.

Возникает предположение, что у звезд поздних спектральных классов куда то девается первоначальный момент количества движения. Их что-то сильно тормозит.

Основные идеи для разрешения этого парадокса были высказаны в работах известного шведского физика, основоположника магнитной гидродинамики Ханнеса Альвена, который сформулировал условия о «вморожен- ности» магнитного поля в плазму и возможности электродинамического (пондеромоторного) взаимодействия между различными частями плазмы. За работы в области магнитогидродинамики в 1970 г. ему была присуждена Нобелевская премия, а Академия наук СССР наградила его золотой медалью Ломоносова — высшей научной наградой Академии.

Мы здесь не имеем возможности вникать в детали теории. Но суть разрешения парадокса с распределением момента состоит в том, что в результате действия центробежных сил на стадии отделения протопланетных сгустков от быстро вращающейся материнской звезды у нее уже существует магнитное поле, силовые линии которого связывают эти сгустки с материнской звездой. Возникает некое подобие пращи, которая раскручивается за счет момента материнской звезды, передавая его формирующимся планетным сгусткам. Возможно также и возникновение вторичных колец, точнее, спиралей, из которых формируются спутники планет. Чем больше момент звезды, тем быстрее она вращается, тем, следовательно, больше и ее магнитное поле. Это же относится и к формированию спутников у планет. У планет-гигантов вроде Юпитера и Сатурна число спутников значительно превышает число спутников у планет земной группы: Венера — 0, Земля — 1, Марс — 2, Юпитер — 16, Сатурн — 17, Уран — 15 и Нептун — 2.

Скачок в распределении моментов материнских звезд в спектральном классе F 5 находит свое объяснение в температурной зависимости возникновения механизма магнитогидродинамического взаимодействия между звездой и протопланетными сгустками.

В горячих молодых звездах магнитное поле не проникает глубоко под поверхность звезды из-за сильной ионизации водорода и не может обеспечить значительного магнитогидродинамического взаимодействия между звездой и ее протопланетной оболочкой.

При остывании звезды и переходе ее вдоль главной последовательности к более поздним спектральным классам степень ионизации водорода на поверхности уменьшается, но возникают конвективные потоки водорода внутрь звезды, где температура выше и, следовательно, выше степень ионизации.

Магнитное поле глубже проникает в недра звезды. При этом магнитные силовые линии «наматываются» на внешние оболочки звезды, усиливая полный магнитный поток между звездой и отслоившейся от нее оболочкой, которая под воздействием центробежной силы постепенно превращается в плоскую раскручивающуюся протопла- нетную спираль.

Эта улучшенная модель Канта-Лапласа, над разработкой которой потрудилось большое число астрофизиков различных стран, не связывает образование планетных систем ни с какими случайностями.

Образование не только планет, но и системы их спутников, эта модель связывает с естественным ходом эволюции звезд.

Модель академика Шмидта, в ее современном виде, вовсе не следует считать альтернативной. Работает и та, и другая, только число планет, образовавшихся в результате случайных столкновений звезд и газопылевых образований гораздо меньше, чем возникших путем закономерной эволюции звезд. А таких звезд в нашей галактике накопилось уже, по-видимому, несколько миллиардов.

И тем не менее есть два очень важных следствия, которые различны в этих двух гипотезах, но существенны для понимания того, как образовалась наша планетная система и что будет с ней и ее звездой в будущем.

Если все происходило так, как это предполагал Кант, то это значит, что и Солнце, и его планетная система образовались из одного и того же протопланетного вещества и они практически ровесники, а элементный состав их должен быть одинаковым или близким.

Если же Солнечная система образовалась так, как это предполагал Отто Юльевич Шмидт, то возраст Солнца и планет может сильно разниться. Солнце может быть существенно старше, чем его планетная система, и состав планет и Солнца может (но не обязательно должен) быть разным.

Оба этих обстоятельства очень существенны для понимания процессов эволюции как Солнца, так и планетной системы и у геофизиков, по-моему, пока нет единства взглядов на эти проблемы.

Изотопический символ

Рис. 5.1. Радиоактивная цепочка распада в семействе 238U.

Данная цепочка заканчивается изотопом свинца 208РЬ§2

Возраст нашей Земли как уже сформировавшейся планеты с твердой кристаллической оболочкой, называемой корой, геологи установили довольно точно, с ошибкой всего в 5-10 %.

Это было сделано по масспектроскопическим измерениям относительного содержания различных дочерних продуктов радиоактивного распада изотопов урана-238, урана-235 и тория-232.

Рассмотренные на рис. 5.1-5.3 цепочки радиоактивных превращений с известными периодами полураспадов приводят на конечной стадии к образованию различных изотопов свинца, что позволяет довольно точно учесть первоначальное содержание свинца в изучаемой породе, которое может не быть связано с радиоактивными цепоч-

ками урана, а было привнесено при конденсации коры из протовещества.

Кроме урана и тория, в земной коре присутствуют еще несколько радиоактивных элементов, которые также

Рис. 5.2. Радиоактивная цепочка распада в семействе 235U.

Данная цепочка заканчивается изотопом свинца 207Pbg2

используются для определения возраста горных пород и вместе с уран-ториевым методом дают хорошо сопоставимые результаты.

Исходные радиоактивные элементы, используемые для определения возраста древних пород, приведены в табл. 5.2.

Наиболее древние горные породы коры — граниты были обнаружены на Кольском полуострове. Их возраст определен в 3,3-3,4 млрд лет. Однако геологи считают, что это могут быть не самые древние первичные породы. Они могут представлять собой результат эволюционной переработки первичного вещества и их возраст указывает

лишь на время их кристаллизации. Не исключено, что тектонические процессы и ранний вулканизм вынесли эти породы на поверхность из мантии.

В Южной Атлантике имеется группа утесов, сложенных из основных пород, аналогичных тем, из которых

состоит мантия Земли. Их возраст составляет 4,5 млрд лет. Таким образом, 4,5 млрд лет — это минимальный возраст мантии.

К этому надо прибавить несколько сот миллионов лет, которые ушли на формирование земли из газопылевого облака. Таким образом, геологи оценивают возраст Земли в 4,8-5 млрд лет. В соответствии с теорией Канта Солнцу должно быть примерно столько же. 

<< | >>
Источник: Богданкевич О. В. Лекции по экологии. 2002

Еще по теме Как возникли планеты и много ли их?:

  1. КОСМОС ИСЛАМА
  2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ НАСТАВЛЕНИЙ ПО ПРАКТИКЕ ГУРУ-ЙОГИ ЛАМА ЧОДПА (По материалам книги Его Святейшества Далай-ламы XIV - Тензина Гьятсо "Союз Блаженства и Пустоты")
  3. Глава 4 Связи, которые соединяют: Китай идет в Европу
  4. ГЕОГРАФИЯ
  5. ГЛАВА ШЕСТАЯ ЦИНЬ ШИ-ХУАН БЭНЬ ЦЗИ - ОСНОВНЫЕ ЗАПИСИ [О ДЕЯНИЯХ] ЦИНЬ ШИ-ХУАНА1
  6. Глобальная продовольственная проблема
  7. Лекция 25. Структура (состав) населения мира:этнолингвистический и религиозный состав
  8. Глава 23 ГУМАНИТАРНАЯ ГЕОГРАФИЯ И ОБРАЗОВАНИЕ
  9. Морфологические и синтаксические нормы русского языка
  10. Универсализм механизмов и факторов эволюции
  11. Биосфера как космопланетарная геосистема Земли