§ 4.14. Современные представления о происхождении Солнечной системы

Понятие о космогонии. Вопросы происхождения и эволюции небесных тел изучаются особым разделом астрономической науки, называемым космогонией. Космогонические проблемы имеют большое значение для развития научного мировоззрения в целом, и естественно, что они интересуют не только астрономов. Вместе с тем космогонические проблемы относятся к числу наиболее трудных астрономических задач. И в самом деле, то, что мы сейчас наблюдаем, — это моментальный снимок Вселенной. Можно определить с помощью этого снимка, какова она сейчас, но гораздо труднее судить о ее прошлом и будущем. И все-таки за последнее время удалось многое узнать о происхождении и развитии небесных тел. Для решения космогонических проблем использовались два основных подхода. Первый подход является чисто теоретическим: исходя из общих законов физики можно определить, какие именно условия должны были существовать в прошлом, чтобы некоторое небесное тело приобрело, именно те характеристики, которыми оно сейчас обладает, какой путь развития оно должно было пройти. Второй подход наблюдательный: сравнивая характеристики небесных тел, находящихся в разных стадиях развития, можно установить, в какой последовательности эти стадии сменяли друг друга. Второй подход можно применять, конечно, только к объектам многочисленным, таким как звезды, звездные скопления, газовые туманности, галактики.

Гипотезы Канта, Лапласа и Джинса. В XVIII в. в результате успехов ньютоновской механики установилось представление о Вселенной как о неизменной системе космических тел, управляемой точными законами природы. В этой системе не было места для божественного произвола, за исключением начального момента — «акта творения». Считалось, что сложный механизм Вселенной был запущен один раз («начальный толчок»), а дальше уже он «шел» сам собой без каких-либо изменений. Еще ранее Декарт (1644) впервые высказал предположение, что Солнечная система образовалась из облака газа и пыли. Аналогичную гипотезу впоследствии развивали Бюффон (1749) и Кант (1755). Они предполагали, что в центре облака возникло Солнце, в периферийных частях — планеты. Эта картина, по-видимому, в общих чертах правильна, но в то время она не поддавалась детальной разработке, так как не существовало еще атомной теории, термодинамики, кинетической теории газов, сведений о космическом обилии элементов и многих других необходимых данных.

В 1796 г. Лаплас высказал предположение, что в процессе образования планет может играть большую роль вращение первичной туманности. Он полагал, что газ, выброшенный из сжимающейся туманности, впоследствии конденсируется в планеты. В современных космогонических представлениях сохранились определенные элементы гипотез Канта и Лапласа.

В Солнечной системе 98 % момента импульса принадлежит плане­там и только 2 % Солнцу. А если момент импульса отнести к единице массы (эта величина называется удельным угловым моментом), то различие получается уже не в 50, а в 50000 раз. Гипотезы Канта и Лапласа в их классической форме этого объяснить не могли. В самом деле, в первичной туманности перед началом сжатия все элементы равноправны и имеют одинаковые угловые скорости. Английский ученый Джинс в начале нынешнего столетия предложил другую космогоническую гипотезу, которая как будто бы позволяла обойти эту трудность. В гипотезе Джинса предполагается, что Солнце, как и другие звезды, сформировалось без планетной системы, а планетная система появилась только в результате катастрофы: другая звезда прошла рядом с Солнцем настолько близко, что вырвала из него часть вещества. В результате конденсации этого вещества образовались планеты.

Можно показать, что вероятность достаточно близкого прохождения двух звезд очень мала, и за время существования Галактики в ней могло образоваться лишь очень небольшое число планетных систем, может быть, даже всего одна — наша Солнечная система. Этот вывод сам по себе заставлял усомниться в правильности гипотезы Джинса, однако его, строго говоря, нельзя рассматривать как решительное возражение. Более тщательное рассмотрение гипотезы Джинса позволило выявить другие аргументы, которые доказывают ее несостоятельность. Расчет показывает, что для образования Солнечной системы было бы необходимо, чтобы Солнце и другая звезда встретились со скоростью около 5 000 км/с, а это гораздо больше, чем параболическая скорость в Галактике (300 км/с). В Галактике звезд со скоростями, большими параболической, очень мало.

Спектральный анализ показывает, что содержание лития и дейтерия на Солнце гораздо меньше, чем на Земле. Литий и дейтерий «выгорают» в результате ядерных реакций, и если на планетах их больше, то это означает, что планетное вещество отделилось от солнечного еще до того, как в последнем начались ядерные реакции. Наконец, был рассмотрен вопрос о конденсации газового волокна, вырванного из недр Солнца. Температура газа в таком волокне должна быть очень высокой, несколько сотен тысяч Кельвинов. Внутри Солнца газовое давление уравновешивается весом вышележащих слоев, а если газ с такой температурой будет выброшен наружу, то он быстро рассеется, если только еще быстрее не остынет. Было подсчитано, что для разлета выброшенного газа будет достаточно нескольких часов, а для остывания необходимо несколько месяцев.

Современные представления о происхождении и ранней эволюции Солнечной системы. Систематической разработкой теории образования планет занимался О.Ю. Шмидт. Представления о происхождении и ранней эволюции Солнечной системы до сих пор не приобрели характера законченной теории. Тем не менее основные черты «сценария», по которому развертывались события во время зарождения Солнца и планет, уже во многом определились. Можно выделить несколько этапов.

1. Уплотнение облака межзвездного вещества, состоящего из молекул (Н₂, Н₂О, ОН и др.) и пыли. Возможно, что это уплотнение началось в результате взрыва сверхновой звезды под действием ударной волны, которая распространилась от нее во все стороны. Продукты этого взрыва проникли в межзвездную пыль, которая вошла впоследствии в состав углистых хондритов. Следы этих продуктов обнаруживаются при их тонком химическом и изотопном анализе.

2. Если в некотором объеме, заполненном газом и пылью, масса веще­ства по каким-то причинам превзойдет определенную критическую величину, то оно начинает сжиматься под действием силы тяжести. Это явление называется гравитационным коллапсом. Когда наиболее плотные участки облака с массами порядка звездных достигают критического предела, они начинают сжиматься. Обла­ко распадается на фрагменты, один из которых впоследствии порождает Солнце и Солнечную систему. В центре сжимающегося фрагмента образуется сгущение пыли и газа, которое является ядром аккреции. Процесс аккреции — это захват окружающей разреженной среды, приток которой постепенно увеличивает массу ядра.

3. Когда масса центрального сгущения достигает примерно 0,1 солнечной массы, вещество становится непрозрачным, температура возрастает и пыль испаряется. Это проис­ходит через 10⁴—10⁵ лет после начала сжатия фрагмента. Вскоре после испарения пыли происходит диссоциация молекулярного водорода. При этом центральное сгущение сжимается, образуя газовую протозвезду (Протосолнце). Формирование протозвезды происходит очень быстро, за время порядка 10-100 лет.

Аккреция межзвездного вещества Протосолнцем продолжается, его масса и ра­диус увеличиваются. Еще примерно через 10⁵ лет масса достигает современного уровня, а радиус становится примерно в 100 раз больше современного. Приток межзвездного вещества прекращается. Начинается стадия гравитационного сжатия Протосолнца. В течение этого периода уже существует дискообразная газопыле­вая протопланетная туманность (ППТ), центром которой является Протосолнце.

4. Следующий период занимает около 10⁸ лет. Продолжается гравитационное сжатие Протосолнца. Размеры его уменьшаются, приближаясь к современному. Солнечный ветер (намного более сильный, чем в современную эпоху) удаляет газ из внутренней части ППТ.

Пылевое вещество ППТ все более концентрируется к некоторой средней плос­кости. Пылинки все чаще сталкиваются, появляются все более крупные частицы, идет процесс аккумуляции (роста) твердых тел. Происходит преимущественный рост больших тел за счет малых. Наиболее крупные тела, подобные астероидам, — это планетезимали, зародыши планет.

Наконец формируются несколько особо крупных тел. Они становятся ядрами аккреции, вокруг которых происходит формирование планет земной группы.

Рост Земли до современных размеров продолжался, по-видимому, около 10⁸ лет, хотя есть оценки и с более коротким временным масштабом (~ 10⁵ лет). Период аккреции в истории планет земной группы был, вероятно, самым бурным временем. На поверхности планет обрушивались огромные глыбы планетезималей, образовывались гигантские кратеры, часть вещества выбрасывалась в пространство, материал поверхностей непрерывно перерабатывался. Последняя волна «бомбар­дировки» прошла через полмиллиарда лет после образования ППТ, но наиболее интенсивной она была в первые 10⁸ лет. Согласно некоторым моделям процесс аккреции был неоднородным в том смысле, что вначале шло накопление тяжелых и менее тугоплавких элементов (железо), а силикатные мантии планет образовались позже. В картине образования планет много и других неоднозначностей. Не все согласны, например, с приведенным выше описанием процесса образования планет земной группы. Альтернативная гипотеза предполагает, что их родоначальниками были крупные протопланеты (подобные Юпитеру или Сатурну), которые потеряли газовую оболочку из-за приливного взаимодействия с Солнцем. Восстановить пра­вильно картину событий, которые происходили 4,5 млрд лет назад, очень трудно. Но это не безнадежная задача. Планетная космогония все ближе подходит к ее ре­шению, объединяя данные, полученные из наблюдений межзвездной среды и очень молодых звезд, из анализа состава и структуры метеоритов, состава планетных атмосфер и т. д.

В результате наблюдений молодых звезд в инфракрасной области спектра около многих из них были обнаружены образования, напоминающие ППТ. Качественно эти наблюдения не противоречат описанному сценарию.