Глава 17. Солнечный замок в рукаве млечного пути

Как же возник наш прекрасный космический дом – Солнечная система и ее жемчужина – планета Земля? Многое здесь еще не совсем ясно, и забавным парадоксом выглядит то, что ученые гораздо четче представляют себе эволюцию Вселенной в целом, чем конкретные физические механизмы образования нашей планеты.

История возникновения нашего солнечного космического дома содержит множество жгучих загадок и будущих открытий. Например, непонятно, почему вся энергия вращения Солнечной системы сосредоточена в планетах, ведь практически вся ее масса заключается в Солнце.

Впрочем, астрономы в последнее время сильно воспряли духом, надеясь, что новые поколения космических астрофизических лабораторий, оборудованных уникальными приборами, позволят прояснить большинство неясных моментов в эволюции нашего мира. Ведь уже сейчас непрерывно поступающие удивительные космические данные позволили возродить или отбросить десятки разнообразных космогонических теорий, давая ответы на поразительные загадки мироздания. Следует верить, что потребуется всего несколько десятков лет, чтобы ученые начали представлять себе общие контуры нашего мира.

Астрономы древности полагали, что Вселенная и Солнечная система существовали вечно и будут существовать еще столько же в неизменном виде. С появлением христианства возраст Солнечной системы значительно уменьшился. Джордано Бруно первым предположил, что звезды, подобно Солнцу, окружены планетными системами, которые непрерывно рождаются и умирают. В 1745 году французский ученый Жорж Бюффон высказал гипотезу, что планеты образовались из вещества, выброшенного из Солнца после столкновения Солнца с кометой. А первую научную теорию, исходя из общих умозрительных соображений, выдвинул немецкий философ Иммануил Кант. Однако настоящее развитие она получила в трудах французского математика Пьера Симона Лапласа, объяснившего образование Солнечной системы с помощью небесной механики Ньютона.

Кант в 1755 году впервые изложил идею о возникновении Солнечной системы из облака холодных пылинок, находящихся в хаотическом движении. Планеты, по Канту, формируются из того же газопылевого облака, что и Солнце. В 1796 году Лаплас описал образование Солнца и Солнечной системы из медленно вращающейся раскаленной газовой туманности. Под действием гравитации центральная часть Солнца сжималась, скорость его вращения увеличивалась, поэтому оно приобретало сплюснутую форму. Сгустки отделялись от протосолнца и затем охлаждались. Вещество, из которого образовались планеты, первоначально, по Лапласу, находилось в горячем расплавленном состоянии. Так возникла знаменитая космогоническая теория Канта – Лапласа о происхождении нашей планетной системы, но прошли века, и ученым стало ясно, что Земля, скорее всего, никогда не представляла собой раскаленное газовое облако.

Была предложено много новых теорий. К примеру, рассматривалось прохождение вблизи Солнца иной звезды, притяжение которой вызвало выброс солнечного вещества, сформировавшего планеты. Или же предполагается, что Солнце вначале было двойной звездой. Вторую звезду разорвало силами гравитации при тесном сближении с другой, третьей звездой. Как вариант двойной звездной системы высказываются предположения, что вторая звезда прошла весь путь эволюции и взорвалась как сверхновая, сбросив всю оболочку. Из остатков этой оболочки и образовалась планетная система.

В сороковых годах прошлого века академик Отто Шмидт предположил, что Солнце захватило при обращении вокруг Галактики облако пыли. Из вещества этого огромного холодного пылевого облака сформировались холодные плотные допланетные тела – планетезимали, развившиеся впоследствии в полноценные планеты. Эти и элементы многих других теорий активно использует современная космогония.

В начале всех космогонических сценариев предполагается наличие газопылевой туманности. По чистой случайности или в силу действия каких-либо внешних факторов (вспышек сверхновых, других звезд и туманностей) отдельные области этой туманности оказываются плотнее окружающего их вещества и, следовательно, обладают большей массой. Тут в действие вступает сила тяготения, и окружающая материя начинает устремляться к этим центрам повышенной плотности, масса которых все возрастает. В конечном итоге материя в области каждого такого центра уплотняется настолько, что в результате гравитационного сжатия температура повышается до уровня запуска ядерных реакций – загорается звезда. Сегодня астрономы наблюдают в нашей Галактике достаточно много подобных центров формирования звезд.

В целом остаточное газопылевое облако вокруг формирующейся звезды ведет себя хаотично, и частицы материи движутся внутри него во всех направлениях. И тут, опять же по чистой случайности, может оказаться, что большая часть газа и пыли оказываются «закрученными» в одну сторону. Соответственно, газопылевое облако вокруг формирующейся звезды начинает вращаться наподобие своеобразной космической карусели. В итоге, после завершения сжатия газопылевого «волчка», большая часть его массы оказывается сосредоточенной в центре (где впоследствии сформируется звезда), а незначительная периферийная масса облака оказывается распределенной в экваториальной плоскости вращения протозвезды вокруг собственной оси. Происходит это в результате «сплющивания» остатков распыленного раскрученного вещества под действием центробежной силы. Из вещества этого остаточного диска в дальнейшем и сформировалась Земля вместе с остальными планетами.

Итак, мы дошли до самого интересного места в истории мироздания, когда в окружающем новорожденную звезду – Солнце – газопылевом диске начали формироваться сгустки материи. Подобно снежным комам, катящимся с горы, они в свою очередь стали служить центрами притяжения для распыленного вокруг вещества. Затем околосолнечное вещество расслоилось в кольца и собралось в сгустки на определенных орбитах, из которых в конечном итоге и возникли планеты.

Размеры появившихся планет в первую очередь зависели от расстояния до Солнца. На небольшом удалении от светила из-за высокой температуры все летучие легкоплавкие вещества испарились в окружающее космическое пространство, не имея возможности сконденсироваться в жидкое или твердое состояние. В результате ближние планеты земного типа оказались небольшими и относительно плотными из-за преобладания в их составе тяжелых химических элементов – в Солнечной системе к этой категории относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс.

Вообще, этот период в эволюции Солнечной системы выглядит очень загадочно. Ведь такой сценарий предсказывает образование еще, как минимум, десятка планет размером с Марс. Их отсутствие можно объяснить тем, что эти первичные планеты попросту рассыпались во взаимных соударениях и под действием гравитационных сил.

После этого часть их вещества осела на успешно сформировавшихся планетах, а часть вещества оказалась на периферии Солнечной системы под воздействием мощного гравитационного поля Юпитера. Таким образом, в нашей Солнечной системе, скорее всего, до сих пор кружится на большом удалении от светила значительная масса протопланетных тел.

Вообще, подобные столкновения на ранней стадии формирования Солнечной системы были явлением распространенным. Это, кстати, объясняет и еще одну загадку Солнечной системы. Угловые скорости вращения планет вокруг собственной оси (иными словами, продолжительность солнечных «суток» на планетах) варьируют в весьма широких пределах. В случае Венеры наблюдается уникальное явление обратного суточного вращения: эта планета вращается в противоположную по сравнению со всеми прочими планетами сторону. Такое отличие трудно увязать с размеренным, упорядоченным формированием планетной системы. Однако если предположить, что итоговое собственное вращение планеты вокруг оси сложилось в результате суммы импульсов, полученных ею в результате мощных соударений с другими протопланетами, все становится на свои места.

На большем удалении от молодого Солнца на ранней стадии формирования планетной системы было не так жарко, там сформировались планеты иного типа. Достаточно низкие температуры не препятствовали конденсации и кристаллизации относительно легких химических элементов, в результате чего родились сверхмассивные твердокристаллические ядра из скальных пород и льда. Обладая мощным гравитационным полем, они захватили из окрестных газопылевых скоплений значительные объемы легких и летучих веществ – гелия и водорода, образовавших их океаны и/ или атмосферу, – и стали еще массивнее (планеты земного типа с их слабым гравитационным полем на это оказались не способны).

К категории так называемых газовых гигантов нашей Солнечной системы относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. При огромных по сравнению с планетами земного типа размерах эти планеты характеризуются очень низкой средней плотностью вещества. Плотность Сатурна, например, вообще ниже плотности воды, так что, если бы нашелся океан сопоставимых с этой планетой размеров, Сатурн плавал бы в нем, как поплавок. Тем не менее, согласно современным гипотезам, внутри этих газожидкостных гигантов все-таки есть достаточно массивное плотное ядро из твердого вещества, напоминающее собой планету земного типа и образовавшееся аналогичным образом.

Особый случай представляет собой Плутон, недавно исключенный из почетного списка «настоящих» планет Солнечной системы. По размеру он сопоставим с планетами земной группы и представляет собой, по сути, огромную глыбу льда летучих элементов. Долгое время ученые считали Плутон не то курьезным недоразумением, не то захваченным Солнечной системой инородным телом. Однако открытие далеко за Плутоном так называемого пояса Койпера, подобного поясу астероидов, – еще одного пояса малых планет, многие из которых вполне сравнимы по размерам и массе с Плутоном, двигаясь по очень вытянутым, «неправильным» орбитам, – заставило астрофизиков пересмотреть свои взгляды. Расположенный за орбитой Нептуна пояс Койпера – неиссякаемый основной источник комет, залетающих в окрестности Солнца. Согласно современным взглядам, Плутон, скорее всего, представляет собой все-таки самое крупное небесное тело пояса Койпера – зародыш так и не сформировавшейся крупной планеты, вращающийся среди миллионов других «осколков» Солнечной системы.

Такая картина формирования планетной системы хорошо объясняет многие наблюдаемые характеристики Солнечной системы: небольшие размеры, тяжелый элементный состав и конденсированное состояние внутренних планет; большие размеры, легкий элементный состав и жидкостно-газообразное состояние внешних планет; единое направление движения планет по орбитам вокруг Солнца.

Не так давно астрономами были получены первые доказательства существования планетных систем у других звезд и выяснены некоторые их характеристики. Благодаря этому сегодня мы точно знаем о том, что за пределами Солнечной системы планет существует гораздо больше, чем внутри нее; сейчас уже известно свыше сотни планет и звездных систем. Однако лишь отдельные планетные системы похожи на наш космический дом. Во всех остальных, судя по всему, планеты движутся вокруг своей звезды по сильно вытянутым эллиптическим траекториям, в то время как в нашей Солнечной системе орбиты всех планет, за исключением Плутона, приближаются к круговым. Кроме того, в большинстве этих систем все планеты обращаются вокруг звезд на расстояниях, не превышающих радиус орбиты Меркурия. У некоторых планет период обращения вокруг их солнца и вовсе составляет всего несколько земных суток.

Вот тут и выяснилось, что, как давно подозревали некоторые астрономы, наша Солнечная система довольно необычна по своему строению. И прежде всего, конечно же, надо обратить внимание на центральное тело нашего небольшого космического мира – дневную звезду по имени Солнце.