Жанр: Энциклопедия
СТО ВЕЛИКИХ тайн вселенной
...м
движении.
Далеко не сразу люди осознали , что облик
звезды
обман
Ойъемт Относительные %°то1? Солнечной размеры мяя. ,;„. системы (приближение) Д!ММ
Тр. Масса (откосит Земля)
^-—^-^ ^——--""^ 1398 343000
Солнца
Меркурий 0 58 4,8 0,1
Венера 0 108, 12,3 0.8
Земля 0 150 12.7 1
Марс о 229 6,8 0,1
Юпитер { -\ 783 143 317,8
Сатурн /^~^\ 1437<^———^> 123 95.2
-—- 2885 Урай Q ————— 52.4 14.5
'—' 4530 Н оптуй ґ~\ 50,& 17,2
Плутон , , (w0 3,1 0,002
В таблице приведены данные по планетам, а рядом представлены рисунки,
на которых показаны относительные размеры планет. Знак "минус" перед значениями периодов вращения Венеры и Урана указывает на то, что эти планеты
вращаются в обратном направлении.
Рис.78.
232 В . ДЕМИН
чив. На самом деле планеты — массивные шары, состоящее
из горных пород, металлов и газов, и светят они отраженным
солнечным, а не собственным светом. С каждым веком все
более совершенными становились наблюдения с помощью телескопов и других хитроумных приборов, вроде спектрографа. Они позволили непрерывно увеличивать общий массив
научных данных о строении и природе больших и малых
спутников Солнца.
Во все века сохранялся стойкий интерес к вопросу: откуда что
взялось? как и когда появились во Вселенной Солнце и его семья?
в какой последовательности? и сколько еще тысячелетий будут
они являть себя миру на земном небосклоне? По существу, лишь
чуть больше три столетия ответы на поставленные вопросы стали даваться, исходя из опытного естествознания и скрупулезных
математических расчетов. И с самого начала в центре внимания
ученых и читающей публики оказались космогонические гипотезы о происхождении Солнечной системы. Для того, чтобы
такие гипотезы не противоречили научным данным, они должны объяснять следующее:
1) почему орбиты всех планет лежат практически в плоскости
солнечного экватора, 2) почему планеты движутся вокруг Солнца по орбитам, близким к круговым, 3) почему направление обращения вокруг Солнца одинаково для всех планет и совпадает с
направлением вращения Солнца и собственным вращением планет
вокруг осей, 4) почему 98% массы Солнечной системы приходится
на Солнце и лишь 2% на планеты, тогда как планеты обладают
98% момента количества движения всей Солнечной системы, 5)
почему планеты делятся на две группы, резко различающиеся
между собой средней плотностью?
И все же гипотез, удовлетворяющих вышеперечисленным
требованиям, оказалось слишком много. Среди них есть вихревые, объясняющие происхождение планет и других космических объектов на основе теории вихреобразных движений,
якобы доминирующих в Космосе. В пользу таких концепций,
восходящих еще к знаменитому французскому мыслителю Рене
Декарту (1596—1650), говорят сегодня и спиральные галактики, и торсионные (скрученные) поля, и другие спиралевидные феномены. Поэтому вихревые подходы
не утратили
своего значения и в наши дни.
Начиная с XVIII века достаточное распространение получили катастрофические гипотезы происхождения небесных тел.
Так, знаменитый в прошлом французский естествоиспытатель
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ 233
Жорж Бюффон (1707—1788) считал, что Земля и планеты образовались в результате столкновения Солнца с кометой. Катастрофические гипотезы, хотя и не имеют всеобщей поддержки, продолжали обосновываться в XX веке. К наиболее известным их
авторам относятся Дж. Джине и И. Великовский.
Самыми популярными, однако же, оказались эволюционные гипотезы (рис. 79). Исторически первой в их далеко не
ограниченном ряду оказалась гипотеза крупнейшего немецкого философа И. Канта. Он предполагал, что первоначально мировое пространство было заполнено холодным рассеянным веществом в виде пылевого облака. Постепенно, под
воздействием сил тяготения пылинки стали слипаться и образовывать плотные сгустки, которые после длительного периода разогревания превратились в знакомые
небесные тела.
Спустя четыре десятилетия П.С. Лаплас
(1749—1827) предложил
еще одну небулярную гипотезу по, так сказать,
диаметрально противоположной схеме. Согласно Лапласу, Солнце первоначально представляло собой огромную медленно вращающуюся
раскаленную туманность.
Силы тяготения заставляли увеличивать скорость этой колоссальной
огненной массы, которая
от этого постепенно
сплющивалась. Далее
вокруг протосолнца образовалось гигантское
огненное кольцо; в процессе охлаждения оно
Рис.79.
распалось на отдельные
сгустки. Из них в конечном итоге образовались все планеты и их
спутники. Хотя после обнародования классических космогонических гипотез Канта и Лапласа на протяжении более чем двух
веков было предложено еще несколько десятков возможных объяснений, все же именно две первые доминировали в науке до
234 В ДЕМИН
последнего времени и даже, несмотря на свою альтернативность,
фигурировали как нечто единое целое, именуясь небулярной
гипотезой Канта—Лапласа.
Относительно неизбежного вопроса: откуда же в Космосе
взялось первичное вещество —• строительный материал для
планет и Солнца — возможны различные ответы:
1) планеты образуются из того же газо-пылевого облака,
что и Солнце (Кант); 2) это облако было захвачено Солнцем
при его обращении вокруг центра Галактики (О. Ю. Шмидт);
и 3) оно отделилось от Солнца в процессе его эволюции (Лаплас, Джине и др.).
Многим отечественным ученым сегодня наиболее вероятным представляется первый вариант. Большую роль в его
разработке сыграли труды О. Ю. Шмидта, который был крупным математиком и дал математическое обоснование целому
ряду вопросов (например, распределение планет по расстояниям от Солнца, направление осевого вращения планет и
др.). Работы О. Ю. Шмзздта успешно продолжены его учениками и последователями.
Как же представляется общая схема развития нашей планетной системы, исходя из предположения, что планеты и Солнце
образовались из газо-пылевого облака? Предполагается, что
около пяти миллиардов лет назад в таком облаке, пронизанном
магнитными силовыми линиями, образовалось сгущение —
протосолнце, которое медленно сжималось. Другая часть облака с массой примерно в десять раз меньшей медленно вращалась
вокруг него. В результате столкновений атомов, молекул и частиц пыли туманность постепенно сплющивалась и разогревалась. Так вокруг протосолнца образовался протяженный диск,
пронизанный магнитными силовыми линиями. В значительной
его части происходило интенсивное конвективно-турбулентное
перемешивание вещества. Это благоприятствовало быстрому
перераспределению энергии, освобождающейся при гравитационном сжатии облака. В результате этого газо-пылевой диск
существенно охлаждался.
Под действием светового давления легкие химические элементы водород и гелий
выметались
из близких окрестностей
Солнца. И, наоборот, попадая на пылинки, световые лучи
тормозили их движение вокруг Солнца. При этом пылевые
частицы теряли свой орбитальный момент количества движения и приближались к Солнцу. Такой механизм торможения
срабатывает даже в случае, если размеры частицы достигают
нескольких метров. В конечном итоге это и привело к существенному различию в химическом составе планет, их разделению на две группы.
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ 235
После достижения
критической
плотности пылевой диск
распался на отдельные сгущения. Далее в результате взаимных столкновений происходило слипание отдельных пылинок и образование твердых тел, для которых американский
геолог Т. Чемберлин еще в 1901 году ввел название
планетезимали
. По оценкам B.C. Сафронова, превращение системы
сгущений пыли в рой твердых тел продолжалось всего 10 000
лет на расстоянии Земли от Солнца и около 1 000 000 лет на
расстоянии Юпитера. При этом масса планетезималей в области планет земной группы была значительно меньше, чем в
области планет-гигантов.
Все это время протосолнце проявляло очень высокую активность. При мощных вспышках оно выбрасывало потоки
заряженных частиц; двигаясь вдоль магнитных силовых линий, они переносили момент количества движения от Солйца
к протопланетному облаку. Кроме того, благодаря столкновениям высокоэнергичных легких частиц (протонов и нейтронов) с веществом протопланетного облака, происходили определенные ядерные реакции. Именно таким путем и образовался большой избыток легких химических элементов — лития, бериллия и бора, которых в земной коре и метеоритах
значительно больш&, чем в атмосфере Солнца. В результате
взаимных, столкновений планетезималий происходил рост
одних и дробление других. Со временем орбиты крупнейших
из них приближались к круговым, а сами они превращались
в зародыши планет, объединяя все окружающее вещество.
Расчеты показывают, что рост Земли до современных размеров продолжался всего 100 миллионов лет.
Выпадание отдельных сгущений на Землю и ее сжатие
привели к постепенному разогреву ее недр. На момент
сформирования Земли температура в ее центре не превышала
800 °К, на поверхности 300 °К, а на глубине 300—500 км —
около 1500 °К. Со временем все большую роль здесь играли
процессы радиоактивного распада, при которых выделялось
значительное количество энергии. В результате этого отдельные области земных недр разогрелись до температуры плавления. Наступила продолжительная фаза гравитационной дифференциации вещества: тяжелые химические элементы и соединения опускались вниз, легкие — поднимались вверх. Этот
начальный этап формирования земной коры продолжался
около 1 миллиарда лет.
На ранней стадии своего развития протоземля была окружена облаком небольших спутников, радиусы которых дости
236 В.ДЕМИН
гали 100 км. Со временем из них на расстоянии около 10
земных радиусов (60 000 км) сформировалась Луна. Одновременно началось ее медленное удаление ог Земли, которое продолжается и теперь. Оно сопровождается уменьшением скорости вращения Земли вокруг своей оси. Безусловно, современная планетная космогония встречается еще со многими трудностями. Приведенная здесь схема развития Земли (аналогично формировались и другие планеты) — лишь одна из возможных гипотез, детально разъясняющих, как именно планеты и Солнце образовались из одного газопылевого облака и
что сами планеты сформировались из роя холодных и твердых
тел^.
Существенно отличается от описанной выше
холодной
модели образования Солнечной системы — концепция известного шведского астрофизика; лауреата Нобелевской премии Ханнеса Альвена. Он строит свою гипотезу, опираясь
на теорию космической плазмы. Кроме того, Альвен считает,
что невозможно понять механизм образования планет без
одновременного уяснения процесса образования их спутников. Исходя из данного принципа, он приходит к выводу, что
история эволюции Солнечной системы может быть описана с
помощью введения пяти стадий развития, частично
перекрывающихся во времени.
1. Ближайшая к нам стадия — в течение последних 4 миллиардов лет — медленная эволюция первичных планет, спутников и астероидов, приведшая к современному состоянию
всех этих тел в Солнечной системе. При исследовании этой,
позднейшей фазы эволюции (постаккреционной эволюции),
подготавливается базис для реконструкции состояния, возникшего в результате более ранних процессов.
2. Предшествующая рассмотренной стадии — аккреционная эволюция сконденсировавшихся частиц, движущихся по
кеплеровским орбитам и образовывающих планетезимали,
которые в результате продолжающейся аккреции увеличиваются в размерах. Эти планетезимали являются зародышевыми предшественниками тех массивных тел, которые в настоящее время имеются в Солнечной системе. Тем самым реконструируются химические и динамические свойства совокупности
первичных твердых частиц.
См.- Климишин И.А. Астрономия наших дней. М., 1976. С. 450—453.
См.: Альвен X. Космическая плазма. М., 1983.
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ 237
3. Для возникновения движения твердых частиц по-кеплеровским орбитам вокруг Солнца и протопланет необходимо,
чтобы на стадии эволюции, предшествующей аккреции, произошел перенос углового момента от этих центральных тел к
окружающей среде.
4. Стадия локализации газа и пыли, формирующая среду
вокруг намагниченных центральных тел, в тех областях, где
позднее благодаря процессам аккреции возникают планеты и
группы спутников.
5. Формирование Солнца — первого центрального тела,
образовывающегося путем аккреции из первичного облака,
из которого впоследствии возникла вся Солнечная система.
Следующий шаг, который делает в анализе Альвен, —
попытка определить, какие именно процессы активно протекали на различных стадиях эволюции, или по крайней мере
привести примеры процессов, заслуживающих более пристального изучения. В данной области науки, как, впрочем, и в
других областях, очень трудно полностью обойтись без спекулятивных догадок, но, высказывая эти догадки, необходимо
всегда сохранять тесный контакт с физической реальностью.
Иначе старый миф попросту заменится на новый.
Прежде всего важно осознать, что в момент образования
Солнечной системы условия в нашей части космического пространства во многих отношениях отличались от сегодняшних, но при этом были справедливы те же самые общие законы
физики. Твердые тела, включая мелкие частицы и пылинки,
двигались тогда по кеплеровским орбитам, подобным теперешним. В космическом же пространстве находилась плазма,
параметры которой наверняка отличались от современных,
но это отличие вовсе не было таким уж кардинальным.
В согласии с изложенными выше принципами Альвен предпринимает попытку реконструировать позднейшую стадию
эволюции планет и спутников. Он считает: есть достаточно
веские причины полагать, что в течение последних 4 миллиардов лет ни химический состав, ни элементы орбит планет и
спутников существенно не изменились. На поверхности Земли и некоторых других небесных тел происходила медленная
геологическая эволюция, а что касается элементов их орбит,
то главные их параметры испытывали так называемые
вековые изменения
, представляющие собой периодические вариации в довольно узких пределах значений. Здесь имеются два
исключения: приливные эффекты изменили орбиты Луны и
Тритона — спутника планеты Нептун. Почти во всех других
238 В. ДЕМИН
отношениях Солнечная система 4 миллиарда лет назад выглядела абсолютно так же, как и сегодня.
Датирование с помощью радиоактивных изотопов показало, что этому долгому и устойчивому периоду предшествовал другой (продлившийся, по всей вероятности, несколько
десятков или сотню миллионов лет), во время которого сформировалась Солнечная система. Вещество, из которого сейчас
состоят планеты и спутники, собралось воедино из некоторого раннего зародышевого или
планетезимального
состояния, когда оно было рассеяно в виде большого числа малых
частиц. Последние двигались вокруг Солнца по кеплеровским орбитам, но при этом сталкивались друг с другом, и в
результате в процессе аккреции возникли теперешние небесные тела. Кратеры, которые мы наблюдаем на поверхности
Луны и других тел, представляют наглядные свидетельства
ливня
планетезималей, под воздействием которого эти тела
выросли до своих современных размеров.
И действительно, сравнивая различные фотографии Луны,
Меркурия, Марса и Фобоса, спутников планет-гигантов,
полученные во время космических полетов, мы обнаруживаем, что кратерная структура их поверхностей настолько одинакова, что можно заключить следующее: все эти твердые
тела развивались сходным образом и в некоторых отношениях
соответствуют различным стадиям одного и того же процесса
эволюции. Этот факт делает возможной реконструкцию истории Земли. По Альвену, Земля должна была пройти через
стадию чрезвычайно небольшого тела, по размерам подобного, к примеру, Фобосу — самому малому из известных к настоящему времени небесных тел. На поверхности Фобоса имеется ряд кратеров, образовавшихся в результате падения планетезималей. Когда Фобос достиг своего теперешнего размера, все планетезимали в окружающем его космическом пространстве оказались исчерпанными. Для Земли же, однако,
это состояние было лишь промежуточным этапом: дождь планетезималей продолжался, и Земля росла все больше и больше.
Когда мы смотрим на Луну, то видим перед собой как бы
моментальный снимок Земли
в том возрасте, когда она нарастила за счет аккреции только 1% своей теперешней массы.
Меркурий и Марс соответствуют более поздним этапам
детства
Земли, когда масса ее составляла 4%, и, затем, 10%
современного значения. Из этих
фотографий
можно заключить. что ранняя история Земли была довольно монотонной —
это непрерывный дождь планетезималей. Следующий вывод:
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ 234
когда планетное тело достигает размеров Марса, оно начинает удерживать — или наращивать путем аккреции — некоторую атмосферу; кратеры на его поверхности постепенно
выветриваются и изменяются под воздействием других геологических явлений. Эти процессы становятся все более отчетливо выраженными по мере роста тела, и когда оно достигает
размеров Земли или Венеры, геологическая эволюция к тому
времени стирает с его поверхности все свидетельства аккреции планетезималей.
Картина планетезимального состояния, полученная Альвеном, коренным образом отличается от лапласовского. Планетезимали фактически движутся по сильно эксцентричным и
наклонным орбитам, а вовсе не по круговым орбитам лапласовского диска, по поводу которого некоторые космологи
утверждают даже, что он есть не что иное, как чрезвычайно
тонкий слой частиц, подобный кольцам Сатурна. Эти различия существенны для понимания процесса аккреции планет и
их спутников, но они не менее существенны для следующего
шага назад во времени — для реконструкции процесса аккреции планетезималей из частиц, сформировавшихся в плазме или захваченных ею.
Одна из центральных проблем во всех попытках
реконструировать происхождение планетезимального состояния состоит в ответе на вопрос: каким образом частицы
попали на орбиту? Этот процесс должен быть связан с переносом углового момента от вращающегося центрального тела —
Солнца или планеты — к окружающим его планетезималям.
На основе научно достоверных аргументов, заимствованных
из различных областей знания, Альвен доказывает, что в
современных условиях существует плазменный механизм, реализующий перенос углового момента от центрального тела
к окружающей его плазме. В свободно вращающейся плазме
устанавливается равновесие между основными действующими на нее силами, т. е. между гравитацией, центробежной
силой и электромагнитными силами. Они уравновешивают
друг друга таким образом, что в плазме силе тяготения совместно противостоят центробежная сила и магнитогидродинамические силы.
Что будет происходить в такой свободно вращающейся
плазме с частицами, появляющимися в результате конденсации или захвата? Оказывается, когда эти частицы достаточно велики, чтобы двигаться независимо от магнитного поля,
они будут образовывать тела, обращающиеся по кеплеровс
240 В.ДЕМИН
ким эллиптическим орбитам с эксцентриситетом е = 1/3. Если в
одной и той же области пространства возникнет целый ряд
таких тел, то они будут взаимодействовать друг с другом
посредством, к примеру, соударений. Окончательный итог
этого процесса состоит в следующем: сконденсированные тела
будут двигаться по круговым орбитам, причем их расстояние
до центрального тела будет составлять 2/3 расстояния, на
котором сконденсировалась свободно вращающаяся плазма.
В итоге Альвен формулирует важные законы перехода от
состояния свободно вращающейся плазмы в состояние кеплеровского движения;
1. На первой стадии возникают твердые тела, вращающиеся по эллиптическим орбитам с е = '/.
2. На заключительной стадии эксцентриситет орбит
уменьшается. _
3. Имеется некоторый общий коэффициент сокращения,
равный 2/3.
К сожалению, в концепции Альвена (как, впрочем, и в
любых других космогонических гипотезах) невозможно проверить полученные результаты с помощью наблюдательных
данных, относящихся к современной эпохе, поскольку при
теперешних условиях в Солнечной системе вряд ли можно
ожидать наличия подобной конденсации. ,
Российский геолог академик Н.А. Шило внес важное уточнение в
горячую
гипотезу происхождения Солнечной системы. Ученый считает, что она образовалась из горячего спиралевидного облака, которое превышало в диаметре современную Солнечную систему и вращалось против часовой стрелки. Оно, в свою очередь, могло возникнуть в рукаве Галактики в условиях сжатия, неустойчивости и развития сильных
газовых вихрей. В центре протосолнечного облака — спирали первого порядка — образовалось ядро, которое вобрало в
себя основную массу (более 98 %) всего вещества спирали. На
ее витках, где скапливалось остальное вещество, возникали
местные завихрения — протопланетные спирали второго
порядка; их ядра впоследствии преобразовались в планеты.
На спиралях второго порядка, в свою очередь, формировались более мелкие вихри, или спирали третьего порядка, со
своими ядрами — будущими спутниками планет. В соответствии с направлением вращения всего облака спутники в
основном приобрели движение, согласное с вращением планет и Солнца, возникшего из центрального ядра.
Такая модель образования Солнечной системы снимает
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
2 4 1
противоречия в распределении массы и момента количества
движения между Солнцем, планетами и их спутниками. Смутившая академика Шмидта разница между ними определилась неодинаковой угловой скоростью вращения ядра спирали первого порядка и ее ветвей, на которых образовались
спирали второго и третьего порядков с протопланетными и
протоспутниковыми ядрами. Вспомним, что даже и ныне у
Солнца, а также, вероятно, и у планет-гигантов угловая
скорость внешних газовых слоев больше, чем внутренних. В
свете этого находит объяснение и сильный рост удельного
вращательного момента по мере удаления планет от Солнца.
По-видимому, тут сказалось различие угловых скоростей
витков спирали первого порядка, различие масс ядер в спиралях второго и третьего порядков, а также движение сложных
вихрей со своими частными моментами количества движения,
наконец, различие в запасах тепловой энергии.
Модель Н.А. Шило объясняет и сосредоточение спутников
в средней части планетного роя — у Юпитера и Сатурна.
Ближе к Солнцу спутники или вообще не возникали (Меркурий, Венера), или их сформировалось мало (Земля, Марс).
Центральное ядро отбирало вещество, удаленное от протопланетных ядер спиралей второго порядка, не позволяло возникнуть там спиралям третьего порядка. В некотором же удалении, на витках спирали первого порядка, гравитационное
влияние было слабее, поэтому в сгустках протопланетного
вещества скапливались достаточно большие массы, развива, лись сильные вихревые движения — они формировали спирали второго порядка, чьи ядра затем превратились в планетыгиганты. На витках этих спиралей вихревые движения пре. образовывались в спирали третьего порядка, ядра которых
стали потом планетными спутниками. На самых удаленных
витках спирали первого порядка гравитационное поле центрального ядра было еще больше ослаблено. Здесь, вероятно, и
термический режим оказался не столь мощным, что возбуждало менее сложные вихревые движения, и спутников формировалось меньше. Видимо, в зоне образования Плутона скорости были настолько малы, что на самом последнем витке спирали первого порядка происходило рассеивание вещества за
пределы солнечной системы.
Гипотеза Н.А. Шило объясняет разброс плотностей и масс
планет. Можно допустить, что концентрация протопланетного вещества в ядрах спиралей второго и третьего
порядков шла при участии развивавшихся в вихрях центро
242 В.ДЕМИН
бежных сил. Силы притяжения ядер проявлялись на фоне мощных закручивающих движений. Подобные условия образования планет допускают и начальную дифференциацию протопланетного вещества. Это упрощает понимание механизма
формирования внутренних сфер планет и истолкование их
химического состава. Вероятно, протопланетное вещество
было не холодным, как считал академик Шмидт, а горячим.
Тепловой режим (по крайней мере Земли) до сих пор связывают с распадом радиоактивных элементов. Но они в достаточных количествах есть только в самых кислых породах. А
тех недостаточно, чтобы обеспечить наблюдаемые тепломассообменные процессы даже в литосферных слоях Земли. Еще
труднее объяснить тепловой режим планет, внутренние сферы
которых состоят из водорода или других легких элементов, а
тем более спутников. Но если принять во внимание сильные
вихревые движения нагретого вещества, энергия которого
перешла в планеты или спутники в виде тепла и кинетической
энергии движения, то путь для разрешения противоречий
открывается.
Природные спирали — это своего рода застывшие вихревые движения, возбуждаемые неоднородными структурами
силовых полей в различных средах, широко распространены.
Они наблюдаются в том числе и в Космосе в виде звездных
скоплений или туманностей. Они характерны для газовых и
жидких сред, которые подчиняются законам Ньютона. Подобные спирали наблюдаются даже в гранитоидных массивах. В общем, вихри и спирали — это форма проявления
турбулентных процессов, которые всегда преобладают над
другими видами движения. Даже само Солнце находится внутри одного из спиральных витков нашей Галактики. А его
активность вызывается турбулентностью, сопровождаемой
спиралевидными движениями, они зарождаются с определенной периодичностью в глубинах светила.
Необходимо объяснить также преобразование спирального движения в кольцевое, переход спиралей в кольца. Представляется, что при потере системой некоторого количества
энергии подобный процесс совершенно закономерен, ибо ведет к энергетически выгодным структурам. Это стадия, так
сказать, распада спиралей и торможения вихревых движений, наступающая в период энергетичес
...Закладка в соц.сетях
