Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых - Айзек Азимов

Гипотеза туманности, выглядевшая весьма разумно, была популярной в течение почти всего XIX в. Хотя, честно говоря, трудно понять, почему кольцо вещества должно было сгуститься именно в планету, а не в пояс астероидов или просто рассеяться в космосе? Более того, планеты Солнечной системы заключают в себе 98 % всего углового момента системы, тогда как само Солнце только 2 %. Астрономы не могли убедительно объяснить то, как всю эту уйму углового момента втиснуть в маленькие кольца вещества, отделившегося от сгущающегося облака.

В результате гипотеза туманности была сильно скомпрометирована и в последующие 50 лет наибольшее признание получили теории катастроф (с их собственными нерешенными проблемами).

В 1944 г. немецкий астроном Карл Вейцзеккер (р. 1912) создал модификацию гипотезы туманности. Он предположил, что облако вращается не плавно, как цельное тело, а турбулентно, образуя ряд завихрений. По мере того как облако уплотнялось, все более и более напоминая хлебную булку, эти вихри становились все крупнее, и, чем были крупнее, тем дальше они располагались от центра. Когда соседние вихри входили в соприкосновение, материя одного сталкивалась с материей другого и отдельные сгустки вещества стремились соединиться. Постепенно накапливаясь в местах соединений, эти сгустки становились все крупнее, и в конце концов из них сформировались планеты, при этом каждая последующая оказалась от Солнца в два раза дальше, чем предыдущая. Теория Вейцзеккера легко объясняла формирование планет, устранив главную трудность — превращение планет из газовых колец. А как обстояло дело со столь прихотливым распределением углового момента в Солнечной системе?

Здесь теорию Вейцзеккера быстро подправили, призвав на помощь электромагнитное поле Солнца и те изменения, которые испытывало это поле в связи с уплотнением.

Теперь можно понять переход углового момента от массивного Солнца в центре системы к маленьким планетам на периферии. Астрономы уверены, что заполучили теперь массу ценнейших деталей, связанных с формированием планетных систем.

Но отчего все-таки планеты такие разные по размеру и своим свойствам?

Будь Солнце звездой первого поколения, состоящей целиком из водорода и гелия, планеты выглядели бы почти близнецами. Облако-прародитель имело бы исключительно водородно-гелиевый состав, а значит, и планеты должны иметь такой же состав, как и Солнце.

(Гелий и водород — первый в виде отдельных атомов, второй — двухатомных молекул — в дальнейшем не соединяются и остаются газами вплоть до очень низких температур.

Единственное, что могло бы удержать их вместе, — это силы гравитации).

Вообразим себе сгущающееся водородно-гелиевое облако. Это — постоянное противоборство (сродни перетягиванию каната) между силами гравитации, которые стремятся удержать массу, и свободным хаотическим движением атомов и молекул, стремящихся высвободить эту массу и рассеять ее в пространстве. Чем больше масса сгущающегося вещества и чем она плотнее, тем сильнее гравитация и тем туже в ее обручах стягивается тело. Чем холоднее масса, тем медленнее произвольное движение атомов и молекул и меньше их тенденция к рассеиванию, тем туже опять-таки будет стягиваться небесное тело.

Образовавшемуся Солнцу не представляло никакого труда сохранять свою целостность, поскольку оно заключает в себе 99 % всей массы Солнечной системы. И хотя это газовый шар, готовый развеяться, будь для того благоприятный момент, даже после того, как в нем зажглась ядерная реакция и он стал очень горячим, страшно усилив энергию рассеивания, чрезвычайно мощное гравитационное поле Солнца без труда удерживало его структуру.

Планеты, построенные из гораздо меньших водородно-гелиевых масс, испытывали при образовании гораздо большие трудности.

Представим себе планеты, складывающиеся на различных расстояниях от развивающегося Солнца, одни очень близко, другие далеко. Все они растут очень медленно, их гравитационного поля едва хватает для перекрытия силы рассеивания. Но когда планеты укрупнились, их постоянно растущая гравитация начинает легко подавлять тенденцию к рассеиванию, планета начинает расти все быстрее и быстрее (как снежный ком).

Наконец планеты становятся вполне осязаемым телом из водорода и гелия, приобретающим по мере сгущения довольно высокую температуру в центре. Конечно же, температура и давление в центрах планет никак не соизмеримы с тем, что испытывает в своем центре громадное Солнце. Поэтому ни в одной из планет не может начаться ядерная реакция и ни одна из них не станет маленькой звездой.

Тем не менее планеты стали достаточно крупными телами, чтобы удержать свою структуру, несмотря на то что высокие температуры в их глубинах способствуют увеличению сил рассеивания. К счастью для планет, их вещество плохо проводит тепло, поэтому, хотя они довольно горячи в центре, поверхность их остается холодной, а ведь именно на поверхности беспрепятственное рассеивание могло бы обернуться наибольшим ущербом.

Вероятно, планеты в основном уже завершили свое формирование, когда сгущающееся Солнце достигло температуры ядерной реакции и вспыхнуло.

Когда это произошло, началось воздействие двух новых факторов:

1) Солнце начало излучать радиацию, которая нагревала поверхность вновь образованных планет;

2) Солнце во всех направлениях посылало солнечный ветер.

Нагревание поверхности планет усиливало стремление к рассеиванию, проявлявшемуся на поверхности наиболее сильно; облака водорода и гелия поднялись над планетами. Солнечный ветер уносил их прочь.

Естественно, эти два эффекта были особенно ощутимы вблизи Солнца, менее ощутимы с увеличением расстояния.

Планеты, возникшие рядом с Солнцем, испытывали наибольшую тенденцию к испарению и подвергались сильнейшему «выдуву» массы солнечным ветром. Поэтому соседствующие с Солнцем планеты сильно потеряли в своей массе. По мере того как они «худели», их гравитационные поля теряли свою интенсивность, зато набирали силу и ускорялись испарение и выдувание. В конце концов ближайшие к Солнцу планеты полностью растаяли.

На большем удалении от светила нагрев и выдув слабели, и планеты, обладавшие относительно крупной массой, выжили. Спутники этих планет, если они были, могли не выжить из-за чрезмерной слабости их гравитационного поля.

Итак, если Солнце было бы звездой первого поколения, оно имело бы несколько планет, по удаленности и общему химическому составу аналогичных таким газовым гигантам, как Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, и ничего более.

Не было бы планет, на которых могли бы существовать люди, как не было бы и материи, из которой образовались бы живые ткани. Планеты, кружащие вокруг звезды первого поколения, были бы, как мы знаем, абсолютно мертвы.

ОБРАЗОВАНИЕ ЗЕМЛИ

Солнце — звезда второго поколения благодаря существованию сверхновых. Это значит, что межзвездное облако, из которого оно вышло, состояло из четырех групп веществ.

Во-первых, это водород с гелием, составлявшие 97 % массы первоначального облака (хотя это облако второго поколения).

Во-вторых, это те тяжелые элементы, которые лишь ненамного тяжелее водорода и гелия, — углерод, азот и кислород (последний из них самый распространенный). Они соединились с водородом, образовав соответственно метан, аммиак и воду. Из этой триады первой замерзает вода, образуя лед.

При дальнейшем понижении температуры замерзает аммиак, потом метан, также по виду напоминающие лед. При той низкой температуре, при которой планеты приобретали первоначальный облик, все эти три соединения (вместе с другими им подобными, но более редкими) существовали, по-видимому, в замерзшем состоянии, и их обычно называют льдами.

В-третьих, это еще более тяжелые элементы: алюминий, магний, кремний, железо и никель. Первые три из них (вместе с другими, менее распространенными элементами), соединяясь с кислородом, образуют силикаты. Силикатами «вымощены» каменистые части Земли.

В-четвертых, это атомы железа и никеля, которые также могут участвовать в образовании силикатов, но часто они достаточно обильны, чтобы соединяться в относительно чистом виде с меньшими количествами других веществ. Это — металлы.

На первый взгляд может показаться, что из первоначального облака, состоящего на 97 % из водорода и гелия и незначительного количества тяжелых элементов, вряд ли можно «вылепить» такую планету, как Земля.

Напрасно мы связались со звездой второго поколения, лучше иметь дело со звездой первого поколения. Однако общая масса Солнечной системы в 343 600 раз больше массы Земли, и если даже 3 % этой общей массы — тяжелые элементы, то их хватит на 10 000 таких планет, как Земля, и еще останется.

Конечно, свыше 99 % тяжелых элементов заключено в Солнце, но вся, вместе взятая, материя планет, обращающаяся вокруг Солнца, — это 448 масс Земли. И если хотя бы 3 % из этой общей массы — тяжелые элементы, то все-таки имеющихся тяжелых элементов достаточно, чтобы построить более тринадцати планет размером с Землю.