Планеты и жизнь - Лев Мухин

Из колец впоследствии образовались планеты и спутники.

Такова в самых общих чертах гипотеза Канта — Лапласа. Эта схема хорошо объясняла, почему все планеты движутся в одном направлении и в одной плоскости. Вот поэтому в течение долгого времени теория Канта — Лапласа было общепринятой.

Однако эта стройная теория имела свои слабые стороны, которые отчетливо проявились к середине XIX века. В 1859 году Максвелл математически доказал, что превращение кольца в планету невозможно. Дополнительно к этому оказалось, что Солнце и планеты по схеме Канта — Лапласа должны вращаться совсем не так, как это происходит в действительности.

Здесь речь идет о так называемом угловом моменте вращающегося тела, который определяет полное количество вращательного движения. Оказалось, что Солнце обладает лишь 2 процентами от общего углового момента солнечной системы, а около 98 процентов приходится на долю планет-гигантов.

Почему львиная доля углового момента приходится именно на планеты, хотя их общая масса составляет около 0,001 массы Солнца? С этой задачей теория Канта — Лапласа справиться не могла.

Естественно, что ученые стали искать другие возможные пути возникновения нашей солнечной системы.

Появились идеи о так называемом катастрофическом образовании солнечной системы (здесь намеренно дается достаточно подробный исторический материал, чтобы читателю яснее стала грандиозная сложность проблемы образования солнечной системы).

Итак, гипотезы, связанные с катастрофой. Предположим, что миллиарды лет назад какая-то массивная звезда прошла сравнительно недалеко от молодого Солнца.

Что же могло произойти во время такого сближения?

Подобно океанским приливам, происходящим в системе Земля — Луна, приближение массивной звезды вызывало грандиозные приливы в огненной атмосфере Солнца. Высота этих приливов достигала многих тысяч километров. И, наконец, в точке максимального сближения произошла великая космическая катастрофа. Огромный поток вещества вырвался из Солнца и образовал сигарообразную нить раскаленного газа, которая впоследствии распалась на капли, подобно тому как облако пара, остывая, образует отдельные капли воды. Конечно, некоторая часть потока могла быть захвачена проходящей звездой, но часть вещества осталась в сфере гравитационного воздействия Солнца, и именно из этой части и образовались планеты.

Теорию катастроф обычно связывают с именем знаменитого английского астронома Д. Джинса, однако еще раньше профессор Т. Чемберлин выдвинул планетезимальную гипотезу, согласно которой крупные сгустки вещества выбрасывались во время извержений с поверхности Солнца, усиливающихся при сближении с другой звездой.

Выброшенное из Солнца вещество быстро остывало.

Из него возникало большое число отдельных тел, планетезималей, двигающихся независимо друг от друга по самостоятельным орбитам вокруг Солнца. Затем при столкновениях этих тел возникали зародыши планет, еще более крупные тела, которые притягивали к себе другие планетезимали, и в конце концов образовались планеты.

Таковы в двух словах основные идеи, заложенные в теорию катастроф.

Но и здесь ученым пришлось столкнуться с фатальными препятствиями. Объяснить существующее в солнечной системе распределение углового момента можно, лишь предположив, что Солнце и звезда не прошли рядом, на расстоянии двух-трех миллионов километров друг от друга, а столкнулись! Возможно ли это?

В принципе да. Но вероятность такого события ничтожна. И тогда, если мы будем стоять на позиции теории катастроф, наша солнечная система представляет редчайшее исключение во Вселенной.

Сэр Д. Джине вычислил вероятность столкновения одной звезды с другой и нашел, что каждая звезда «имеет право» на столкновение один раз за 6·1017 лет, а возраст Вселенной «всего» около 1010 лет.

Эти цифры, конечно, сильный, но не решающий аргумент против теории катастроф. Вряд ли позиция, согласно которой маловероятное явление исключается из сферы рассмотрения, логична. Либо мы должны найти более приемлемое и правдоподобное объяснение какому-либо событию, либо любая, даже крайне невероятная гипотеза имеет право на существование и должна играть роль рабочей модели.

К счастью, появились более реалистичные гипотезы образования солнечной системы, чем теория извержений.

Это обстоятельство вселяет в нас надежду, что планетные системы не столь редкое, как это следовало из теории катастроф, явление во Вселенной.

Начало новому направлению в планетной космогонии было положено исследованиями советских ученых и в особенности работами школы академика О. Шмидта.

Значительный вклад в новую теорию был внесен также известным шведским физиком Г. Альвеном и английским астрофизиком Ф. Хойлом, о котором говорилось выше в связи с гипотезой о космических эпидемиях.

В известной мере новые теории явились возвращением к схеме Канта — Лапласа. Но если теория Канта — Лапласа основывалась главным образом на законах механики, то новые теории впитали в себя все современные достижения астрофизики и электродинамики, что в конечном результате дало возможность устранить классический парадокс, связанный с распределением углового момента в солнечной системе.

Но мне в очередной раз придется огорчить читателя.

Даже сегодня существует как минимум пять более или менее «равноправных» теорий (заметим, именно теорий) происхождения солнечной системы.

Поэтому будет полезным в ущерб строгости попытаться дать некоторую общую «синтетическую» картину образования Солнца и планет. Конечно, такой подход допускает определенный произвол (что, впрочем, в известной мере отражает состояние проблемы). Однако для нас важно иметь общую картину развития неорганического и органического мира. Поэтому мы перейдем к основным этапам истории Солнца и планет, как сегодня представляет себе этот процесс большинство ученых.

Мы вернемся на пять миллиардов лет назад и посмотрим, что же происходило с вращающейся шаровой туманностью. Правда, в отличие от горячей туманности Канта и Лапласа, наша туманность холодная.

При вращении туманность постепенно сплющивалась и превращалась в диск с шарообразным утолщением в центре.

В начальную эпоху и температура и плотность вещества в туманности были очень низки, но с течением времени плотность ее центральной части увеличивалась, пока в середине диска не зажглось молодое Солнце — протосолнце. Размер первичной туманности был порядка нескольких световых лет.

Необходимо обратить внимание на одно очень важное обстоятельство: по всей видимости, молодое Солнце имело собственное магнитное поле. Если силовые линии этого поля проходили через диск, то обязательно должна была существовать электромагнитная связь между протосолнцем и диском.

Именно в результате этой связи движение протозвезды будет тормозиться, а диск начнет медленно удаляться от ее поверхности. Именно таким образом вещество диска, которое впоследствии превратится в планеты, и уносит от Солнца львиную долю вращательного момента.

Так новая теория (ее разработал Хойл) успешно разрешила казавшуюся несколько десятилетий назад непреодолимой трудность старых гипотез.

Предполагается, что весь этот процесс начался 4,5−5 миллиардов лет назад. Молодое Солнце было тогда гораздо больше, чем сейчас. Оно постепенно сжималось под действием собственного гравитационного поля, и, когда радиус протосолнца стал равным приблизительно 10 сегодняшним, внутренняя температура повысилась настолько, что начались ядерные реакции сгорания дейтерия.

Несколько раньше, еще до ядерных реакций, на начальных стадиях сжатия наступает резкое увеличение температуры и светимости Солнца. Температура наружных слоев протозвезды достигает 50 тысяч градусов, а светимость увеличивается в 400 раз.

Все эти процессы описываются изящными уравнениями, но интереснее то обстоятельство, что они находят свое подтверждение и в наблюдательных астрономических, фактах. Сейчас в окрестностях туманности Ориона видно резкое увеличение светимости протозвезды. Звезды, находящиеся в такой стадии развития, принято называть звездами типа Τ Тельца.

После стадии Τ Тельца светимость протосолнца уменьшилась, и Солнце, как говорят астрофизики, вступило на главную последовательность, то есть стало стабильной звездой, а вернее, почти стабильной. Светимость Солнца в это время составляла около 60 процентов от современного. За счет выгорания ядерного топлива и почти незаметного сжатия светимость Солнца все время увеличивалась.

Все эти факты имеют очень большое значение для правильного понимания проблемы происхождения жизни на Земле.

Посмотрим на дальнейшую эволюцию той части первичной туманности, из которой образовались планеты.