Путешествие в космос - Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых

Образование планет

Мы видели, как звезда (или две звезды, или скопление звезд) может развиться благодаря простому сжатию первоначально рассеянного межзвездного облака.

Но как отдельная звезда, подобная нашему Солнцу, оказывается окруженной планетами— телами слишком миниатюрными, чтобы превратиться в звезду?

В объяснение выдвигалось два рода теорий: 1) катастрофа и 2) эволюция. В теориях катастрофы звезды образуются как таковые в единственном числе или со звездой-компаньоном без какого-либо планетного окружения. Каждая звезда может прожить (как правило, так и бывает) всю жизнь в главной последовательности, потом она раздуется в красный гигант и наконец коллапсирует. И все это время она существует без планет. Однако может произойти чрезвычайное событие: другая звезда может приблизиться и пройти рядом. Огромная сила тяготения, возникшая между ними, вырвет у обеих часть вещества, которое и разовьется в семейство планет, возможно, вокруг каждой из них. Может случиться, что одна из звезд парной системы взорвется как сверхновая с такой силой, что от нее останутся лишь обломки, которые будут захвачены звездой-компаньоном и станут планетами. В обоих случаях (как и в других возможных) планеты моложе, много моложе звезд, вокруг которых они кружат.

Подобные катастрофы, должно быть, чрезвычайно редки, и если теории катастроф верны, то планеты в самом деле представляют собой феномен необыкновенный. Таких планетных систем, как наша Солнечная, может быть, горстка на всю Галактику.

Согласно эволюционным теориям, звезды и планеты образовались в результате одного и того же процесса и, следовательно, их возраст одинаков. Например, все члены нашей Солнечной системы — от Солнца в ее центре до самых отдаленных комет — возникли одновременно, т. е. они ровесники. Кроме того, из этих теорий вытекает, что большинство звезд, если не все, имеет планетные системы.

Какой же из этих двух групп теорий отдать предпочтение?

Трудно сказать. В данном случае невозможно сделать вывод на основе реальных наблюдений. До сих пор нам не удавалось изучать образование звезд с достаточно близкого расстояния, чтобы судить, образуются ли при этом планеты, и если да, то каким образом. Не можем мы и достаточно четко установить, часто ли встречаются планетные системы (свидетельство об эволюционном происхождении) или очень редко (свидетельство о катастрофе).

Об этом можно только спорить.

Что касается самих теорий, то оказалось, что и теории катастроф, и эволюционные теории (в том виде, как они существовали до 40-х годов) имели крупные недостатки.

И недостатки эти были столь серьезны, что здравомыслящие астрономы были вынуждены отвергнуть и ту и другую группу теорий. И то сказать, все выдвигавшиеся теории имели такие изъяны, что единственный вывод, к которому, веря им, можно было прийти относительно Солнечной системы, это то, что ее не существует.

Но в 40-х годах новые версии эволюционной теории как-то подправили худшие ее стороны и удовлетворительный сценарий возникновения Солнечной системы был составлен.

Итак, сосредоточимся на эволюционном варианте, первые версии которого, как мы помним, были выдвинуты Кантом и Лапласом во второй половине 1700-х годов в виде гипотезы туманности.

Гипотеза туманности включает одно свойство, называемое «угловым моментом». Межзвездное облако, сгустившееся в Солнце, первоначально вращалось очень медленно, и угловой момент был мерой количества этого вращения. Это количество зависит как от скорости вращения, так и от среднего удаления всех частей объекта от оси вращения.

Согласно известному закону физики, общее количество углового момента в замкнутой системе (системе, ни с чем вне себя не взаимодействующей) должно оставаться постоянным.

По мере сгущения межзвездного облака среднее удаление всех его частей от оси вращения все время сокращалось.

Чтобы компенсировать это сокращение и поддерживать общий угловой момент на одном уровне, скорость вращения должна постоянно увеличиваться.

Скорость вращения сгущавшегося облака увеличивалась, нараставшая центробежная сила наибольшей была на экваторе; облако, бывшее изначально шаровидным, все более и более уплощалось, становясь похожим на блин. Наконец экваториальный выступ стал выдаваться настолько, что от него оторвалось кольцо вещества. Это кольцо вещества сгустилось в планету. Облако стало меньше, но продолжало вращаться еще быстрее, пока от него не отделилось новое кольцо вещества. И так до тех пор, пока не образовались все планеты. Кольца вещества, сгущаясь, тоже вращались с возрастающей скоростью и отбрасывали свои более мелкие кольца, которые становились спутниками.

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.

<<<Назад Страница 32 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz