Новый взгляд на происхождение планет и историю Солнечной Системы

 А. В. Багров Институт астрономии РАН г. Москва, abagrov@inasan.ru

"Верна или не верна эта гипотеза, этого я пока не решаю; я просто пользуюсь ей для цели, которой служат вообще все гипотезы: руководствуюсь ею при наблюдениях"             Генрих Вильгельм Ольберс

Классическая планетная космогония. Происхождение мира и его история - одна из самых интригующих тайн, волнующих человечество. Первые научные соображения о возникновении Солнца и его планетной системы были высказаны И. Кантом 250 лет назад. Похожую гипотезу спустя полстолетия предложил С. Лаплас, но за про­шедшие с тех пор два столетия космогоническая картина ясной не стала.

По сути дела, лишь одно положение гипотезы Канта-Лапласа не вызывает сомнений: все астрономы согласны, что Солнце и его пла­нетная система сформировались в результате конденсации протозвездного/протопланетного облака. Общепринятая космогония при­держивается сценария, более детально разработанного О. Шмидтом и группой его последователей. Согласно этому сценарию, быстрое сжа­тие облака привело к возникновению центрального светила - Солнца,  и примыкающего к нему вращающегося протопланетного диска. Под действием солнечного тепла легкие газы переместились из внут­ренних областей диска во внешние. Во внутренних частях протопланетного диска сформировались планеты земной группы, а во внешних планеты-гиганты, большую часть массы которых составляют именно газы. Даже этот простейший сценарий не удалось изложить на языке математической теории - требуемые для описания одних про­цессов условия противоречат условиям, необходимым для моделирования других.

 Кроме того, существует несколько наблюдательных фактов, которые современные гипотезы не в состоянии объяснить даже с самыми большими натяжками.

1. Масса всех планет Солнечной системы составляет 1 % от мас­сы Солнца, но угловой момент, приходящийся на планеты, составляет более 98 % момента всей Солнечной системы.

2. На самом раннем периоде формирования планетной системы прошла стадия интенсивной бомбардировки планет и астероидов от столкновения с космическими телами. Это было между 4,5 и 3,6 млрд лет назад. Последние 3 миллиарда лет частота столкновений невелика и постоянна.

3. Выпадающее на Землю метеоритное вещество очень разнообразно, но при этом имеет вид дифференцированных застывших рас­плавов.

Эти и другие сложные космогонические проблемы могут получить логическое объяснение в предлагаемой ниже концепции.

Будем исходить из того, что как Солнце, так и его планеты, про­изошли из одного протосолнечного-протопланетного облака. От того, из чего оно состояло, и какую температуру оно имело, будут в первую очередь зависеть наши выводы.

Звезды первого поколения и вещество протопланетного об­лака. Итак, первый вопрос: из какого вещества состояло протосолнечное облако? Для того, чтобы разобраться в нем, нам сначала нуж­но вернуться в далекое прошлое - во времена, когда во Вселенной еще не было звезд. После Большого Взрыва, от которого начинается история нашей Вселенной, все ее вещество состояло из облаков ато­марных водорода и гелия. Облака были разогреты до температур в десятки миллионов градусов, и потом они долго остывали. Несмотря на огромные массы этих облаков, их тяготение не могло преодолеть давления разогретого газа. Лишь по прошествии сотен миллионов лет температура облаков упала настолько, что тяготение некоторых из них преодолело давление газа и сжало их до размеров звезд. Тогда могли возникнуть только звезды «первого поколения», у которых массы были в десятки и сотни раз больше, чем масса нашего Солнца. Только в таких сверхмассивных звездах разогревавшийся при сжатии газ мог достичь температур и давлений, при которых могли идти ядерные реакции синтеза протонов.

Из-за большой массы таких звезд и большой интенсивности ядерных реакций в их недрах звезды первого поколения были коротко живущими. За каких-то несколько сотен тысяч лет весь водород в этих звездах полностью выгорал, и, лишенные источников поддержа­ния высоких внутренних температур, эти звезды проходили стадию катастрофического обрушения внешних слоев внутрь. Огромная ки­нетическая энергия такого «падения» расходовалась на синтез самых разных атомов всей таблицы Менделеева. Ядерные реакции синтеза тяжелых элементов идут с поглощением энергии, а при синтезе более легких, чем железо, элементов - с выделением энергии. В результате превалирования последних процессов вещество звезды приобретало огромную температуру, и звезда взрывалась. Практически все ее ве­щество рассеивалось по окрестностям, добавляя в водородно-гелиевые облака атомы других элементов.

Тяжелые элементы, разлетаясь после взрыва Сверхновой, могут соединяться друг с другом в пылинки. Попадая в газовые облака, эти пылинки начинают быстро охлаждать газ. В результате такого охлаж­дения в газовых облаках падает давление, и силы тяготения могут сжать облака в протозвездные сгустки.

Звезды второго поколения и их монополия на планетные системы. Массы Сверхновых звезд и выброшенного ими вещества настолько велики, что обогащенные пылью из одной массивной Сверхновой газовые облака могут иметь массу в тысячи масс Солнца. При сжатии таких облаков формируются тысячи звезд второго поко­ления. Они отличаются от звезд первого поколения тем, что имеют в своем составе не только водород и гелий, но уже и многие другие элементы.

Звезды второго поколения рождаются в огромных облаках большими группами в так называемых зонах звездообразования. Множество соседствующих друг с другом звезд имеют одинаковый возраст. Но они могут иметь разные начальные массы, и их эволюция будет проходить по-разному.

Наиболее массивные проживут недолго и станут в конце своей жизни Сверхновыми, и обогатят тяжелыми элементами окружающие межзвездные газовые облака. Те тоже начнут остывать, сжиматься и формировать новые звезды, - так происходит распространение зон звездообразования.

Менее массивные звезды живут долго, как наше Солнце - десят­ки миллиардов лет. А совсем «легкие» звезды могут даже не достичь уровня полноценной звезды, в которой водород со временем превра­щается в гелий. В них могут идти только реакции синтеза гелия из редких изотопов водорода - дейтерия и трития. Такие звезды имеют совсем небольшую температуру и очень малую светимость, поэтому выглядят они как маленькие звездочки темно-красного цвета и называются «коричневыми карликами». Такие звезды очень трудно на­блюдать, но похоже, что половина звезд в Галактике - как раз коричневые карлики.

Ни водород, ни гелий ни при каких условиях не могут образовать в межзвездной среде одиночных устойчивых тел малой массы, похожих на планеты. Поэтому возле звезд первого поколения не мог­ло возникнуть планетных систем. Только из вещества более тяжелых химических элементов могут формироваться планеты, поэтому планетные системы могут рождаться лишь возле звезд второго поко­ления. Отсюда следует однозначное заключение: протосолнечное облако состояло из водорода и гелия, обогащенных тяжелыми элемен­тами в виде пыли и молекул летучих соединений.

Температура протопланетного облака и перераспределение момента между протозвездой и протопланетным диском. Ответ на второй вопрос, какова была температура протосолнечного облака, связан с той формой, в которой в облаке существуют тяжелые эле­менты, - с космической пылью. Пылинки легко нагреваются ударами атомов и молекул окружающих их газов, отбирая у них тепло. Сами же пылинки быстро остывают, излучая свое тепло в космос. Так что благодаря пыли газопылевые облака довольно быстро остывают поч­ти до температуры окружающей Вселенной, которая сейчас составля­ет около 3 градусов по абсолютной шкале (это минус 270 градусов по привычной для нас шкале Цельсия). Протозвездные облака, из кото­рых могут рождаться звезды с планетами, должны быть очень холод­ными и иметь температуру всего несколько градусов.

Давление газа в остывающем облаке быстро падает. В какой-то момент сила тяготения становится больше, чем противодействующая ему сила газового давления, и вещество облака начинает сжиматься к центру масс облака.

Вращение облака замедляет его сжатие, и уже на стадии начального сжатия оно начинает принимать уплощенную форму. Если мо­мент вращения достаточно велик, то сжатие облака совсем остановится благодаря действию центробежных сил.

Хотя вращение принявшего форму диска остановит его даль­нейшее сжатие, эволюция облака не прекратится. Столкновения между молекулами будут приводить к тому, что одни из них будут терять скорость и приблизятся к центру диска, а другие - приобретут скорость и удалятся от него. Этот медленный процесс приводит к тому, что в центре туманности собирается вещество без вращательного момента, а вещество, сохранившее практически весь момент вращения туманности, сохранится в диске. Помимо этого, те же самые вза­имные столкновения атомов, молекул и пылинок приведут к сильному упорядочиванию их движения: диск станет очень тонким, а все частицы в нем будут двигаться по круговым орбитам со скоростями, определяемыми расстоянием от центра туманности и накопившейся в нем массой.

Это - очень важный момент предлагаемой гипотезы. Смысл его заключается в том, что происходит не передача момента от звезды к планетам, а формирование звезды из лишенного момента вещества. Формирование звезды из медленно поступающего в центр диска веще­ства занимает много времени - намного больше, чем формирование планет из сконцентрированного в протопланетном диске материала.

Формирование вещества протопланетного диска из вещества межзвездной среды. Следующий шаг в нашей космогонической кар­тине связан непосредственно с формированием планет в протопла­нетном диске. Нам уже ясно, что диск был плоским очень холодным образованием, состоящим из пыли и газа. А могли ли быть в нем кам­ни и метеоритные тела?

Разлетающиеся из Сверхновой звезды или вылетающие из крас­ных гигантов отдельные атомы или молекулы одного сорта, сталкиваясь друг с другом, образуют микрокристаллы одного сорта. Об­ласть, в которой такие микрокристаллы могут образоваться, довольно мала: вблизи звезды велика температура и пылинки испаряются, а вдали от нее - велики расстояния между атомами, и перестают проис­ходить столкновения, приводящие к росту кристаллов. Поэтому раз­меры успевающих вырасти кристаллов крайне невелики - от тысяч­ных долей до единиц микронов в диаметре.

Соединяясь в межзвездной среде в большие группы, рожденные вблизи звезд микрокристаллы могут формировать причудливые по форме и химическому составу пылинки.

Размер пылинок не может увеличиваться неограниченно: не так уж много вещества в межзвездной среде! Во всяком случае, космиче­ские пылинки, собранные в стратосфере Земли специальными ловуш­ками, имеют микронные размеры и предсказанный при теоретическом моделировании вид. Следовательно, никакого «метеоритного» вещест­ва не могло быть ни в межзвездной среде, ни в протопланетном облаке.

По мере сжатия облака, в нем повышается плотность и давление, но температура практически не растет. Пыль, присутствующая в дис­ке, продолжает эффективно охлаждать диск до характерных для меж­звездной среды 30-40 градусов Кельвина (то есть -240 °С). Все газо­образные вещества в нем существуют в виде паров очень низкой кон­центрации, а когда их плотность достигает определенных для каждого вещества значений, пары конденсируются.

В число самых быстро вымерзающих газов входит водяной пар. Пары воды конденсируются на пылинках, образуя привычные для нас снежинки. Точно также и в верхних разреженных слоях земной атмо­сферы, где температуры держатся у отметки -50 °С, водяные пары остаются газом, а в нижних слоях из-за большой плотности водяных паров они конденсируются в снежинки разных размеров — от мель­чайших ледяных иголочек до огромных пушистых снежинок санти­метровых размеров. В протопланетном диске снежинки также должны различаться по размерам, поскольку концентрации паров меняют­ся по радиусу диска. Кроме того, на ледяные снежинки должны на­мерзать углекислый газ, метан, аммиак и прочие соединения, которые в обычных земных условиях легко испаряются и называются «летучими соединениями» или просто — «летучими».

В центре диска постепенно собиралось вещество, которое со временем должно превратиться в звезду, но поначалу это вещество еще не имело высокой температуры и не могло своим тепловым излу­чением нагревать диск. Сильно вымороженное вещество диска обла­дало энергией, достаточной для ухода от плоскости диска не более, чем на несколько сотен километров. По сравнению с размерами диска (десятки миллиардов километров) эта толщина - ничтожна. Даже ес­ли бы эта книга была напечатана на тончайшей папиросной бумаге, ее толщина по сравнению с размером страницы была бы в тысячи раз больше, чем относительная толщина диска.

         Формирование планетезималей и планет на дозвездной стадии эволюции облака. В тонком протопланетном диске все частицы - молекулы газов, снежинки и пылинки - движутся по круговым «кеплеровским» орбитам. Соседние частицы, двигающиеся по близким орбитам, имеют ничтожную взаимную скорость, поэтому при столк­новениях снежинки будут слипаться, а рост снежинок — увеличивать вероятность их столкновений.

Все снежинки в диске движутся в окружении газа. Водород и ге­лий составляют 98 % массы диска. Существующие космогонические расчеты показывают, что в газовом диске, имеющем разную скорость вращения на разных радиусах, возникает трение между слоями, при­водящее к рассеиванию энергии вращения. Вследствие этого вещество диска постепенно приближается к его центру. Легкие снежинки, увлекаемые газом, тоже должны постепенно «опускаться». А комки снега, если их размеры превышают метр, газ уже не увлекает, и они движутся по «своим» орбитам, собирая все снежинки, которые газ доставляет к ним из внешних зон. Благодаря этому механизму на круговых орбитах должно сформироваться великое множество небольших снежных комьев - планетезималей.

Под действием взаимного притяжения планетезимали должны сближаться, а окружающий газ при этом должен их притормаживать и выравнивать их скорости. Столкновения планетезималей между собой должны происходить только с небольшими скоростями, что при­водит к эффективному их соединению. Планеты, находящиеся на внутренних орбитах в протопланетном диске, сформируются быстро — за несколько сотен тысяч лет, а планетам на внешних орбитах потребуется намного больше времени, поскольку скорости их движения (и скорость сбора вещества из окрестностей) в сотни раз меньше. Ко­гда внутренние планеты будут уже полностью сформированы, во внешних частях диска еще останется множество отдельных планетезималей, не захваченных медленно растущими соседними планетами. Все они будут находиться на круговых орбитах, лежащих в плоскости протопланетного диска.

Что же должны представлять собой получившиеся планеты? Все планеты должны находиться на круговых орбитах, лежащих в одной плоскости, и вращаться в том же направлении, что и цен­тральная звезда.

Из-за низкой температуры протопланетного облака даже легкий водород мог быть захвачен притяжением планет. Не только гигантские внешние планеты, но и сравнительно небольшие внутренние планеты должны были иметь мощные атмосферы.

Во время быстрого своего формирования планеты должны были накопить в себе значительное количество радиоактивных элементов, которые родились при взрыве Сверхновой и вошли в состав пылинок. Энергия радиоактивного распада должна была нагревать недра планет, так как из-за больших размеров планет выход тепла наружу совсем незначителен. Такое состояние имеет до сих пор наша собствен­ная планета: внутренние части Земли разогреты до нескольких тысяч градусов, а на ее поверхности во многих местах сохраняется темпера­тура выше точки замерзания воды.

Планета размером с Землю должна была очень быстро прогреться. Разогрев планеты привел сначала к таянию образовавших ее снегов, а потом и прогреву ее твердого вещества до температуры, при которой недра должны были расплавиться, а расплавленное вещество расслоиться в соответствии с плотностью расплавов. В самом центре планеты должно было образоваться железное ядро, а во внешние час­ти планеты должны были «всплыть» силикатные породы. Летучие вещества могли оставаться только у поверхности планеты или входить в состав ее атмосферы.

К тому времени, когда центральное сгущение облака превратится в звезду, планетная система возле него будет уже сформирована. Начало ядерных реакций в звезде приведет к ее интенсивному разогреву и сбросу непрогретых внешних частей. Взрывное выметание вещества звезды и сильное световое давление ее излучения очень быстро выталкивают в межзвездное пространство не успевшее собраться в планетезимали вещество.

С момента становления центрального сгущения звездой процесс формирования планет прекращается. На этой последней, заключи­тельной стадии планетной космогонии происходит быстрый разогрев атмосфер внутренних планет излучением центральной звезды, в ре­зультате которого эти атмосферы частично или полностью утрачива­ют водород и гелий. Что касается планетезималей на далеких от звез­ды орбитах, то их эволюция будет долгой: из-за крайне незначитель­ного нагрева поверхностный снежный слой за миллиарды лет потеряет летучие соединения, и планетезимали станут похожи на гигантские шарики мороженого, покрытые толстым пористым слоем тугоплавкой пыли. Пылевой слой сильно поглощает свет (и очень плохо проводит тепло), поэтому это будут очень темные тела.

Межзвездные скитальцы и разрушение планеты Ольберса (Фаэтона). Не всем планетам, сформировавшимся вместе со своей звездой, суждено оставаться возле нее вечно. В зонах звездообразова­ния расстояние между звездами заметно меньше, чем в других частях галактики. При близких прохождениях одной звезды мимо другой ее гравитационное воздействие может привести к отрыву от родитель­ской звезды планет с внешних орбит, которые становятся межзвезд­ными «скитальцами».

История нашей собственной Солнечной системы круто изменилась после того, как такой «скиталец» 4,5 миллиарда лет назад нару­шил спокойную эволюцию протосолнечной туманности, в которой уже успели сформироваться крупные планеты. Прямое столкновение скитальца с одной из них (получившей имя Фаэтон) привело к полно­му разрушению всей планеты, так как кинетическая энергия скиталь­ца оказалась больше, чем гравитационная энергия планеты.

Теории столкновения планет на скорости в сотню километров в секунду нет. Можно только попытаться разобраться в процессах ударного взаимодействия, опираясь на известные физические законы и представления о строении планет.

Удар по планете из расплавленного вещества, окруженной тонким слоем затвердевшей коры, должен был вызвать целую цепь физи­ческих явлений. В результате удара должно было произойти испаре­ние вещества в месте соприкосновения планеты и ударника, причем почти вся кинетическая энергия столкновения превращается в энер­гию пара, состоящего, в основном, из испарившегося вещества удар­ника. Сначала давление паров должно вызвать разрушение вещества планеты на отдельные фрагменты, а потом расширение парового об­лака — привести к их разлету за пределы притяжения распавшейся планеты.

Появление пояса астероидов и формирование планетезималей второго поколения. Наиболее крупные фрагменты должны были получиться из тугоплавкого ядра планеты, и давление взрывных газов не могло сильно раскидать в стороны такие фрагменты. Проще гово­ря, большая часть фрагментов планетного ядра должна была остаться на орбитах, близких к орбите бывшей планеты. Остальные части раз­рушенной планеты разлетались в разные стороны с разными скоро­стями, сталкиваясь друг с другом и с другими планетами, и падая на протосолнце.

Разлетающиеся фрагменты (дифференцированного вещества!) в своем подавляющем большинстве пребывали в расплавленном со­стоянии, прежде чем застыли в твердые тела. Жидкие тела принимали причудливые формы, которые всегда вызывают интерес у всех, кто смотрит на поведение вылитой в невесомости воды. Удерживаемые от разрывов силами поверхностного натяжения, огромные капли враща­ются, колышутся, переливаются, завораживая зрителя своими таинст­венными движениями. Этот опыт всегда с удовольствием показывают космонавты, рассказывая о своеобразных условиях невесомости в космическом полете. Нетрудно вообразить, как такая жидкая «капля» застывает в какой-то момент, сохраняя на века свою форму. И совсем тогда не странно узнавать такие формы на фотографиях астероидов, полученных космическими аппаратами.

Не следует забывать, что перед столкновением со скитальцем вещество планеты было подвержено огромному давлению, из-за ко­торого даже в расплавленном металлическом ядре было растворено много газа. После взрыва планеты внутреннее давление могло разо­рвать на мелкие части небольшие фрагменты (как взрываются вулка­нические бомбы, выброшенные из земных вулканов), или «вспенить» более крупные. Крупные фрагменты и остывали, конечно, довольно медленно, долго оставаясь вязкими телами.

Разлетаясь от места взрыва с разными, но относительно неболь­шими скоростями, фрагменты погибшей планеты сталкивались между собой. Столкновения вязких тел не могли привести к их разрушению, как не разрушатся при столкновении два комка теста или пластилина. Даже образовав в месте удара вмятины («кратеры»), слившиеся фраг­менты не раздробятся на «кучу камней».

Период взаимных столкновений должен быть относительно ко­ротким. На стадии разлета фрагментов частота соударений должна была быть максимальной, но, рассеиваясь в пространстве, фрагменты расходились друг от друга и больше уже не приближались. Орбиты современных астероидов нигде между собой не пересекаются.

Мелкие фрагменты и частицы сконденсированных паров испа­рившегося при взрыве планеты вещества должны были приобрести наибольшие скорости разлета. Двигаясь с большими скоростями, многие из них могли удалиться в периферийные части протопланетного диска. Разорванные на множество мелких частиц, такие фрагменты летели плотным роем, нагребая на себя снежинки, сохранив­шиеся в диске и не успевшие объединиться в планетезимали.

Частицы роя, двигаясь по очень близким орбитам и имея ничтожную скорость относительно друг друга, должны были со време­нем сблизиться под действием собственного тяготения и слиться в единое тело. Можно еще предположить, что перед слипанием каждый комок был похож на круглый снежок, и слипались они подобно виноградинам в грозди. Объединенное тело могло быть похоже на «груду снежков» разного размера, связанную слабым взаимным притяжени­ем, хотя с поверхности оно могло быть покрыто слоем снега, собран­ного им уже после соединения.

Некоторые выводы, доступные для прямой проверки. По своему основному составу - снег из смерзшихся газов и пылинок - это тело было планетезималью, подобной многим пребывающим на внешних орбитах. Только два фактора - но очень существенных! -отличали его от этих планетезималей. Во-первых, новые тела содер­жали в себе тугоплавкие фрагменты, прошедшие дифференциацию и плавление в родительском теле, чего просто не могло быть в планете-зималях, образовавшихся из вещества протопланетного облака. А во-вторых, новые планетезимали (назовем их «планетезималями второго поколения» - в отличие от «первого», изначального) находились не на круговых, а на эллиптичных орбитах.

Благодаря второму из отличий планетезимали второго поколения оказываются на орбитах, менее устойчивых к гравитационным воздействиям больших планет, чем оставшиеся на круговых орбитах планетезимали первого поколения. Следовательно, на кометные ор­биты по большей части должны попадать планетезимали второго по­коления. Если удастся доказать, что большинство наблюдаемых комет после распада оставляют на своих орбитах освободившиеся из ледяного плена камни и металлические слитки, то это будет важным свидетельством в пользу описанной космогонической гипотезы. Специальные наблюдения метеоров, которые проводятся нами с 2002 года, должны раскрыть эту тайну.

Другим серьезным доказательством может стать исследование химического состава астероидов приборами космических зондов. Ес­ли окажется, что большинство из астероидов Главного пояса сложе­ны из железа и его сплавов, то это откроет не только источники сырья для освоения космоса и строительства космических поселений, но и явится свидетельством ключевого этапа эволюции Солнечной системы - разрушения одной из ее планет.

А третьим аргументом в пользу новой космогонии стало бы об­наружение «космических скитальцев». Такой скиталец, даже пролетев вблизи Солнца, может не проявить кометных свойств, так как ско­рость его движения должна быть велика, а скорость прогрева толстой пылевой коры - наоборот, очень мала. Скиталец будет выглядеть как очень темный астероид с параболической орбитой. Расстояние в 1 млрд километров (радиус орбиты Юпитера) он пролетит всего за 3 месяца, так что обнаружить подобное тело очень и очень непросто. Возможно, такой межзвездный скиталец будет обнаружен постоянно действующими системами, занятыми поиском и каталогизацией асте­роидов Главного пояса.

Помимо того, что обнаружение межзвездного скитальца впервые даст астрономам возможность прямого изучения планет иных звезд­ных систем, оно заставит иначе взглянуть на проблему астероидной опасности. Если большой скиталец погубил целую планету, то даже маленький скиталец, совершенно неизвестно откуда летящий и тем­ный до невидимости, может представлять реальную угрозу для нашей цивилизации. Может быть, и прошлые катастрофы в истории Земли были связаны со столкновениями не с астероидами, а с межзвездными скитальцами?

НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ СОВРЕМЕННОЙ АСТРОФИЗИКИ И ПРОЕКТ МЕЖПЛАНЕТНОЙ СОЛНЕЧНОЙ    СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ

¹ В. М. Григорьев,¹ П. Г. Папушев,^г С. А. Чупраков,

Материалы предоставлены Обсерваторией Новосибирского государственного университета.

Использование материалов только в образовательных целях

Источник

Примечание: Выделение синим цветом в конце статьи, было сделано мной специально, в свете многочисленных обсуждений на "Оке-Планеты" по поводу ПХ. На мой взгляд приведенная в статье гипотеза говорит о том, что все же не стоит обвинять официальную науку в "закостенелости" априори.

Al_Magn