Лев Мухин - В нашей галактике
Каким образом из газа и пылинок протопланетной туманности образовались планеты?
Ну как ответить на этот вопрос, если даже, по мнению специалистов, некоторые работы, написанные на эту тему сегодня, имеют определенное сходство с произведениями средневековых алхимиков. Тем не менее, поскольку все-таки именно этот вопрос главный, я попытаюсь представить читателю короткий сценарий рождения планет, основанный главным образом на работах школы замечательного советского ученого академика О. Шмидта.
Итак, на орбитах вокруг Солнца вращаются многие миллиарды пылинок. Из-за сил тяготения они опускаются к экваториальной плоскости. Одни частицы крупнее, другие помельче. Крупные частицы при своем падении «захватывают» мелкие и поэтому увеличиваются в размерах. Таким образом пылевой слой становится плоским, и вокруг Солнца образуются кольцевые зоны наподобие колец Сатурна. Механизм, по которому частицы слипаются, аналогичен механизму «холодной сварки», хорошо известному металловедам. Именно по этому механизму микронные частицы за 1000 лет вырастают до размеров около одного сантиметра. В других моделях частицы растут до размеров футбольного мяча, то есть их радиус около 20 сантиметров. Итак, пылевой слой становится плоским, и, по выражению Г. Ривса, «множество тел беззаботно движутся по орбитам и без конца сталкиваются друг с другом, как лихо мчащиеся машины на деревенских ярмарках».
Давайте попробуем рассмотреть на примере образования Земли, что же происходило дальше. Мы с вами знаем, что астрономы называют одной астрономической единицей расстояние от Земли до Солнца. Это около 150 миллионов километров. Так вот, вокруг Солнца на земной орбите вращалась кольцевая зона частиц толщиной примерно в половину астрономической единицы. Советский ученый В. Сафронов показал, что в такой кольцевой зоне большее тело в силу своего гравитационного поля будет захватывать меньшие тела. «Деньги идут к деньгам» — меланхолически заметил по этому поводу Ривс. Земля, таким образом, «рождается», по Сафронову, за 100 миллионов лет. Планеты-гиганты, по всей видимости, за значительно больший промежуток времени.
Здесь важно отметить одно обстоятельство, которое нам понадобится в дальнейшем. За время в 100 миллионов лет на орбите Земли вырастали тела километровых размеров, а на самых последних стадиях образования она сталкивалась с телами, размеры которых достигали десятков километров. Ясно, что подобные столкновения, да еще со скоростями порядка десяти километров в секунду, не могли не повлиять на историю развития нашей планеты. Об этом попозже, а сейчас подведем краткий итог запутанной и в общем-то малоутешительной на сегодняшний день истории образования нашей Солнечной системы. В этой истории сегодня более или менее понятно лишь общее направление некоторых физических процессов.
Пройдет еще немало времени, пока планетная космогония достигнет уровня однозначности и определенности других отраслей астрофизики. Несомненно, что сейчас это наиболее драматическая часть науки о небе. Но все-таки попробуем (отдавая себе отчет, что это только один из возможных сценариев) нарисовать исторический путь развития нашей Солнечной системы.
Итак, когда-то в Галактике плавало облако. Анализ изотопов алюминия и магния в метеоритах неопровержимо доказывает, что где-то неподалеку от этого облака взорвалась сверхновая звезда. При таких взрывах образуется коротко живущий изотоп алюминия, который затем превращается в магний. Поэтому, анализируя химический и изотопный состав метеоритов, ученые и пришли к выводу о взрыве сверхновой.
Ударная волна от этого чудовищного взрыва дошла до облака и нарушила равновесие в нем, облако начало сжиматься. В результате сжатия через десятки миллионов лет в центре облака зажглось Солнце. Весь этот процесс мы описывали в предыдущей главе.
Параллельно с образованием нашей звезды в облаке шли процессы рождения пылевого диска. Частички в диске росли от микронных размеров до величины футбольного мяча и вращались вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Ясно, что все они не могли быть одинакового размера. И большие тела за счет гравитационного взаимодействия притягивали к себе другие и объединялись с меньшими. Так начиналось образование планет.
Как долго длились эти процессы, непонятно; здесь полное расхождение между авторами различных моделей. Но мне больше нравится сотня миллионов лет Сафронова. И вот почему. Если принять слишком короткий промежуток времени для образования планет, тогда мы будем иметь на ранних стадиях их развития слишком высокую температуру. А это кажется очень и очень маловероятным.
Итак, прошло сто миллионов лет, и наше бесформенное облако превратилось в стройную систему из центрального светила — Солнца и девяти планет, многих спутников планет, комет, астероидов и метеоритов. На этом можно было бы закончить рассказ о мытарствах планетной космогонии, но экскурсия по «дому моделей» была по необходимости очень беглой и в известной степени поверхностной. А мне бы не хотелось, чтобы у читателя осталось очень мрачное впечатление от этой главы. Поэтому я коротко расскажу еще об одной модели, построенной не физиками, а математиками, членом-корреспондентом АН СССР Т. Энеевым и Н. Козловым.
Она отвечает на ряд важных вопросов, а другие модели на эти вопросы ответить не могут. Например, почему Венера и Уран имеют обратное вращение? Почему различен наклон осей вращения различных планет? Теория Энеева и Козлова помогает решить и ряд других принципиальных задач.
Суть теории состоит в следующем. Плоский прото-планетный диск уже сформировался. Он состоит из большого числа тел — газопылевых сгущений, вращающихся вокруг Солнца. Если два таких тела близко подходят друг к другу, они объединяются. Мы видим, что в концепции Энеева и Козлова отсутствует понятие зародыша. Просто при тесном сближении пара тел всегда объединяется. Этот процесс происходит в кольцевых зонах сгущения, на которые разбивается диск в процессе своей эволюции. За время, примерно равное 10 тысячам лет, процесс объединения тел заканчивается, и в результате рождаются огромные шаровые образования — протопланеты, которые гораздо больше современных планет. А что же дальше? Под воздействием собственного гравитационного поля они «схлопываются» до нормальных, нынешних размеров.
Мне кажется, что именно этот момент, требующий дополнительного обоснования, и является недоработанной частью теории. Тем не менее новая теория привлекательна своей «чистотой»: она не нуждается ни в каких дополнительных начальных условиях, легко и непринужденно объясняя ряд труднейших вопросов, связанных с особенностями поведения планет Солнечной системы. И все-таки, перед тем как перейти к рассказу о семье Солнца, а мы начнем этот рассказ с того, как исследуют планеты, я прошу запомнить читателя лишь одну вещь — многие вопросы, поставленные в этой главе, на которые должна давать ответ любая, правильная по-настоящему теория, сегодня остаются без ответа.
Глава III
Взгляд с Земли
Последним великим астрономом, наблюдавшим небо без помощи телескопов, был знатный датский дворянин Тихо Браге. Он был современником Джордано Бруно, но судьба его была гораздо более удачной, чем судьба великого Ноланца.
Тихо Браге провел довольно бурную молодость. Он дрался на дуэли и в результате носил на переносице протез из золота и серебра, так как во время дуэли лишился носа — весьма заметной части человеческого лица.
Слава Тихо Браге как астронома связана, в частности, с его наблюдениями новой звезды, появившейся на небе в созвездии Кассиопеи в 1572 году. Заметим, что эта вспышка поколебала веру многих образованных людей того времени в учение Аристотеля, утверждавшего, что все неизменно в этом мире. Тихо Браге проводил тщательные измерения положения «новой» звезды на небе, изменения ее яркости и цвета и в 1573 году опубликовал книгу о своих наблюдениях, хотя поначалу сильно сомневался, совместимо ли это с его дворянским достоинством.
Король Дании Фредерик отдал в распоряжение Тихо Браге небольшой островок Хвен неподалеку от Копенгагена, где Браге и выстроил себе обсерваторию, обсерваторию без телескопа, «дворец астрономии», как он назвал свое детище. Это была одна из первых обсерваторий в Европе, оборудованная новыми измерительными инструментами для определения положения светил на небе и расстояний между ними. Браге сам изобретал эти инструменты, квадранты и секстанты, а искусный механик швед И. Бюрги изготавливал их.
Но что можно было сделать в астрономии до изобретения телескопа? Лишь наблюдать то, что видит глаз человека, да увеличивать точность измерения положения планет и звезд.
Браге вел многолетние и систематические наблюдения. Он составил впервые после Гиппарха и Птолемея каталог, который почти сто лет оставался самым лучшим и надежным справочником для любого астронома. Он непрерывно занимался определением положения Луны и планет, и здесь также его данные были лучшими для своего времени.
