Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл

Важная при изложении таких моделей идея — то, что состав Земли и других планет земной группы (это внутренние планеты Солнечной системы — Меркурий, Венера, Земля, Марс) зависит от пропорций основных минералов, найденных в хондритах. Яркий пример — железо: хорошо известные различия в плотности планет земной группы можно практически полностью объяснить различным содержанием железа в них. В хондритах много зерен железа, однако их количество в разных хондритах отличается. Согласно таким моделям, Земля намного тяжелее Марса, потому что ее хондритоподобные строительные блоки содержали больше железа. Точно так же и другие различия между внутренними планетами можно понять, если оперировать различными количествами компонентов хондритов. Несомненно, это чересчур упрощенное описание того, что происходило в реальности, однако это не отменяет важности хондритов как хорошей отправной точки для понимания состава Земли и других планет. Разные планеты в итоге включали разное количество тех или иных составляющих этих метеоритов.

Но даже если метеориты дают хорошее представление о химическом составе Земли, они мало что говорят нам о процессе формирования планет. Что заставило сформироваться нашу планету 4,5 миллиарда лет назад? Кое-что можно узнать по метеоритам, однако большая часть сведений исходит из других источников, особенно из астрономических теорий и наблюдений.

В 1990 году НАСА запустило ныне знаменитый космический телескоп «Хаббл». Несмотря на то, что поначалу обнаружились проблемы с оптикой, с ними в конце концов справились, и с тех пор аппарат отправлял четкие потрясающие фотографии других далеких миров. Среди самых захватывающих объектов — исполинские облака в местах, которые мы привыкли считать «космической пустотой». Эти облака были хорошо известны астрономам и до запуска «Хаббла», однако снимки космического телескопа особенно красивы. На них видны огромные, неправильные, клочковатые, хаотичные, а иногда даже грозные на вид облака из газа и пыли. Оказывается, в этих повергающих наблюдателя в трепет областях зарождаются новые звезды и планеты.

С помощью телескопов, подобных «Хабблу», астрономы смогли непосредственно наблюдать за образованием звезд в межзвездных облаках. Другие астрономические наблюдения показывают, что у многих звезд есть обращающиеся вокруг планеты. (Эти наблюдения трудны, и до сих пор астрономы находили планеты гораздо крупнее Земли. Тем не менее, с 1995 года уже обнаружены сотни экзопланет, и большинство ученых полагает, что обнаружение маленьких землеподобных планет у других звезд — всего лишь вопрос времени и совершенствования технологий). Таким образом, имеющиеся факты заставляют предположить, что системы, подобные Солнечной, вполне обычны, и что материал, из которого состоят Солнце и планеты, когда-то был частью межзвездного газопылевого облака, похожего на те, что наблюдает «Хаббл». Прямые наблюдения показывают, что основными компонентами этих облаков являются водород (самый распространенный элемент во Вселенной) и гелий. Однако они включают и другие вещества — в частности, множество твердых «пылевых» частиц: микроскопические кристаллики замерзших соединений, содержащих водород (например, метана, аммиака и обычной воды); крохотные частички глины; зерна некоторых других минералов, имеющихся и на Земле.

Но каким образом это гигантское облако превращается в звезды и планеты? Прежде всего следует заметить, что межзвездные облака неоднородны: они хаотичны, и в одних областях содержится больше материи, чем в других. Эти плотные области — сами по себе или из-за какого-то внешнего фактора — начинают притягивать к себе материал из других мест. Как только процесс гравитационного притяжения начался, он делается самоподдерживающимся: чем плотнее становится центральная область, тем сильнее притяжение. Вскоре какая-то часть рассеянного облака превращается в очень плотное и очень горячее центральное тело — будущую звезду, вокруг которой вращается диск из оставшегося более холодного вещества — материала для формирования планет. Межзвездные облака так велики, что даже из одной их части может образоваться сразу несколько звездных систем.

Данные, полученные из некоторых метеоритов, позволяют предположить, что спусковым крючком для гравитационного коллапса, который привел к формированию нашей Солнечной системы, была вспышка недалекой сверхновой. Сверхновые — это взрывающиеся звезды, и, хотя астрономы выделяют несколько их типов, все они гораздо крупнее Солнца. Когда у массивной звезды заканчивается топливо в ядре, происходит катастрофа: центральная область нагревается до такой высокой температуры и сжимается до такого высокого давления, что в результате термоядерной реакции происходит гигантский взрыв, который буквально разрывает звезду на части и выбрасывает ее внешние слои в космос. Этот взрыв также порождает гигантские ударные волны, распространяющиеся наружу: они могут сжимать достаточно плотные части межзвездного облака и запускать процесс формирования звезд и планет.

По оценкам астрономов, во Вселенной примерно каждую секунду происходит взрыв сверхновой. Даже если вы читаете достаточно быстро, с момента, как вы начали читать этот абзац, во Вселенной взорвалось примерно полдюжины сверхновых. Однако Вселенная обширна, и даже при таком их количестве взрывы сверхновых в окрестностях Солнечной системы относительно редки. Последний случай, когда взрыв был виден невооруженным взглядом (но при этом происходил все равно очень далеко), произошел в 1604 году. Когда сверхновые появляются, они внезапно загораются на небе, словно новые звезды, затем ярко светятся несколько недель или месяцев, а после постепенно исчезают. Китайские астрономы фиксировали появление сверхновых почти две тысячи лет назад (хотя они и не представляли, что это такое).

Всплеск энергии, сопровождающий взрыв сверхновой, запускает ядерные реакции, которые создают множество радиоактивных изотопов. Они, как и другое вещество взорвавшейся звезды, выбрасываются в космос. Физики-ядерщики детально рассчитали, какие изотопы и в каких количествах производятся при таких взрывах. Примечательно, что минеральные зерна в некоторых хондритах содержат следы этих изотопов. Эти зерна, которые (как указывают другие факты) сформировались в диске вокруг зарождающегося Солнца, очевидно, по мере своего роста захватили материал сверхновой. Некоторые радиоактивные изотопы, которые они содержат, распадаются так быстро, что их бы не наблюдалось (они бы полностью распались), если бы между взрывом и образованием минералов прошло больше нескольких миллионов лет. Метеориты говорят, что недалекий взрыв сверхновой выбросил свои продукты в газопылевое облако незадолго до того, как начала формироваться Солнечная система. Возможно (и даже вероятно), что ударная волна от этого взрыва стала спусковым механизмом для гравитационного коллапса, который быстро привел к образованию нашего Солнца, хондритов, планет и в конечном итоге нас самих.

Компьютерное моделирование показывает, что как только в какой-то части межзвездного облака начинается коллапс, то стремительно формируется плоский вращающийся диск материи с протозвездой (в нашем случае с протосолнцем) в центре. Когда материя, окружающая протозвезду, начинает сжиматься в диск, она нагревается до высоких температур — настолько высоких, что из межзвездного облака испаряются все или почти все пылевые частицы. Наблюдения подтверждают эти теоретические выкладки: астрономы обнаружили диски из газа и твердых частиц,