Тайны Вселенной - Валерий Демин

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 Солнца 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 больше, 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 oК, на поверхности 300 oК, а на глубине 300–500 км — около 1500 oК. 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 достигали 100 км. Со временем из них на расстоянии около 10 земных радиусов (60 000 км) сформировалась Луна. Одновременно началось ее медленное удаление от 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.[41]

Существенно отличается от описанной выше «холодной» модели образования Солнечной системы — концепция известного шведского астрофизика, лауреата Нобелевской премии Ханнеса Альвена.[42] 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.

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 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: 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.