Планетная космогония
Теперь
рассмотрим проблемы планетной космогонии, т. е. проблемы образования планет и
планетных систем, на примере нашей Солнечной системы. Надо ответить на
несколько непростых вопросов. Как образовались планеты Солнечной системы и
почему? Насколько распространены планетные системы во Вселенной? Распространены
ли во Вселенной системы, подобные Солнечной, с планетами, подобными Земле?
Решение
этих проблем можно начать с рассмотрения стадий рождения звезд. На начавшееся
спонтанно сжатие газового облака и на дальнейшую судьбу звезды оказывают
влияние, кроме тяготения, еще много факторов. Один из важнейших — возникающий
во вращающемся газово-пылевом диске момент количества движения (вращательный
момент). При сжатии диска во много раз момент вращения сохраняется неизменным,
а момент инерции уменьшается пропорционально квадрату степени сжатия, и,
значит, во столько же раз должна возрасти скорость вращения.
Высокая
скорость вращения препятствует сжатию в сферу. По этой причине большинство
галактик имеют дискообразную форму, но звезды, как правило, — более
шары, чем какое-либо другое тело, они
как-то умудряются избавляться от своего момента. Следует отметить, что сейчас
установлено совершенно точно, что вдоль оси вращения звезды они несимметричны —
в верхней части вытянуты, а в нижней сплюснуты. Наблюдения за газовыми дисками
(туманностями) указывают на два возможных варианта сценария: первый — образование
двойных звезд; второй — образование планетных систем. В первом случае момент
вращения облака переходит в момент вращения звезд вокруг общего центра тяжести;
во втором — передается планетам, вращающимся вокруг центральной звезды. В нашей
Солнечной системе на планеты приходится всего 0,13% массы, но у них
сосредоточен почти весь вращательный момент системы — примерно 98%, что пока
убедительно не удалось объяснить никому.
Двойные
звезды удалось получить в компьютерных моделях, пути их образования довольно
ясны, и наблюдения показали, что по крайней мере 70% всех звезд — двойные или
еще большей кратности — тройные, четверные и т. д. (максимум, что наблюдалось,
— семерная).
Существование
планет надежно, прямыми наблюдениями, удалось на начало 2006 г. доказать у
более чем ста звезд в нашем ближайшем окружении. Это, как правило, планеты, превосходящие по массе Юпитер, но можно
предполагать, что большинство одиночных звезд (которых в нашей Галактике
многие миллиарды) должны иметь планетные системы и среди них должны быть (могут
быть) и планеты, подобные Земле.
Относительно
механизма образования планетных систем (конкретнее — нашей Солнечной системы)
до сих пор нет окончательно сформированного мнения. Есть довольно продуктивные
современные гипотезы и теории, восходящие к небулярной
(из газопылевого облака, из
туманности, ибо
nebula это
с лат. — туман) гипотезе Канта и
Лапласа. Это теории Ф. Мультона и Т. Чембер-лена, Дж. Койпера, X.
Альвена, Ф. Хойла, О. Шмидта, С. Всехсвятского и др. Но ни одна из них не может
объяснить всех фактов,
относящихся к планетам. В настоящее время можно считать достаточно точно
установленными следующие два положения:
- Планеты образовались приблизительно
одновременно с Солнцем из материала того же газо-пылевого облака. - Образование планет происходило из
холодной материи, и планеты никогда не проходили через стадию полного
расплавления (хотя расплавление большей части вещества на ранних стадиях жизни
некоторых планет вероятно).
Исходя
из этих положений, строятся основные теории образования и начальной эволюции
планет. В общих чертах их образование началось в газо-пылевом или
про-топланетном (допланетном) облаке. Протопланетные облака должны были иметь
или принять уплощенную, дискообразную форму, поскольку траектории (орбиты) планет
практически лежат в одной плоскости. Допланетное облако значительно превышало
пределы самой далекой из планет — Плутона, который удален почти на 40 а. е. (а.
е. — астрономическая единица, равна среднему расстоянию Земли от Солнца — 149,5
млн км). Планеты образовались из твердых тел — планетезималей.
Планетезима-ли (англ. planetesimal от
planet —
планета, infinitesimal —
бесконечно малая величина) — название мелких твердых частичек, так называемых допланетных тел, образовавшихся в
допланетном облаке в результате конденсации вещества, согласно космогонической
гипотезе американских асторономов Ф. Мультона и Т. Чемберлена. Первоначальный
состав облака был свойственен обычным меж-
звездным
туманностям — 99% газа (водород и гелий) и 1% пыли. В результате гравитационного
коллапса газа и пыли к центральной части облака образовалось протосол-нце
(протозвезда в других случаях), температура которого первоначально была десятки
тысяч градусов. Это способствовало испарению пылевых частиц из протосолнца.
Про-топланетное облако, в основном с газовой составляющей, оказалось
подверженным вихревому движению газов. Облако остывало, в нем вновь появились
твердые частички пыли. Через какое-то время в нем образовался тонкий пылевой
диск, который начал расслаиваться на отдельные сгущения. В облаке участились
столкновения и слипания отдельных пылинок, вот только на этом этапе началось
образование планетезималей. По мере возрастания масс планетезималей и
достижения ими километрового размера, у них появилась способность удерживать
близ-находящиеся частички за счет тяготения. Далее уже происходило образование
планет.
Образование
планетезималей длилось, согласно расчетам, десятки тысяч лет. Образование
протопланетных тел из планетезималей длилось несколько сот миллионов лет. В
протопланетном рое протезималей их было несколько размеров. Больше мелких,
меньше средних, крупных, таких, как Луна или Меркурий, совсем немного —
единицы. Со временем орбиты крупнейших тел стали приближаться к круговым, а
сами они становились центрами притяжения всего окружающего их вещества,
явившись зародышами планет. Все это длилось около 100 млн лет.
В
нашей Солнечной системе сейчас насчитывают 9 больших планет (все настойчивее
заявляют астрономы об открытии 10-й планеты, названия которой пока нет, но
предварительно говорят Плуто либо Цербер). Из них 4 планеты образуют «земную группу» — Меркурий, Ве-
нера, Земля и Марс. Эти планеты имеют
твердую оболочку и медленно вращаются вокруг своей оси. Наибольшая из этих
планет наша Земля. Группу планет-гигантов также
составляют 4 планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. 9-ю планету, Плутон,
обычно рассматривают отдельно от других, поскольку по своим характеристикам она
относится, скорее, к планетам земной группы. Особенность ей придает необычная
форма ее орбиты — сильно вытянутый эллипс. В результате Плутон периодически
подходит к Солнцу даже ближе, чем Нептун, поскольку заходит внутрь его орбиты. Американский астроном
Дж. Койпер, открывший знаменитый пояс астероидов Койпера, высказал даже
гипотезу в середине XX века,
что Плутон — астероид. Масса Плутона всего 0,002 массы Земли.
Далее,
к Солнечной планетной системе относится большое число так называемых «малых
планет», или астероидов, расположенных в основном между Марсом и Юпитером, а
также значительное число относительно «крупных» малых планет (200-500
километров диаметром), расположенных за Нептуном, в поясе Койпера. К Солнечной
системе относится множество комет, образующих так называемое облако Оорта, расположенное за орбитой
Плутона, и многочисленные спутники больших планет.
Планеты земной группы расположены
ближе к Солнцу и представляют собой твердые шары, состоящие в основном из
силикатов с относительно тонкими газовыми атмосферами. По-видимому, у всех этих
планет присутствует железное или железно-никелевое ядро различного размера
(относительно наибольшее у Меркурия). Атмосферы планет сильно различаются по
плотности и составу. У Меркурия примерно на 10 порядков менее плотная, чем
земная, атмосфера состоит в основном из
гелия,
поставляемого солнечным ветром; у Марса и Венеры преобладающим компонентом
(свыше 95%) атмосферы является углекислый газ, а вот плотность атмосферы Марса
в 160 раз меньше, чем Земли, а Венеры — в 90 раз больше.
Земля
единственная из всех планет обладает кислородной атмосферой и гидросферой —
жидкой водой на поверхности. Не исключено,
что когда-то жидкая вода была и на Марсе, а сейчас она присутствует в
виде захороненного под пылью льда.
Внутреннее строение планет изучено весьма слабо. Больше
всего мы знаем о Земле, о которой дальше будет сказано особо. Модели внутреннего строения для остальных планет земной
группы строятся по аналогии с Землей.
Планеты-гиганты представляют
собой огромные газовые шары, возможно, чаще всего жидкие, т. е. не имеющие
твердой поверхности, как у планет земной группы. Из-за своих больших масс и
достаточной удаленности от Солнца, гиганты удержали почти полностью легкие
газы, преобладавшие в протопланетном облаке, — водород и гелий, из которых и
состоят, в основном, их необычайно мощные атмосферы. В горячих глубоких недрах
планет-гигантов (до 20 тыс. градусов), вероятно, все же присутствуют твердые ядра, составляющие очень небольшую
часть каждой планеты по массе.
Причина
различий в строении планет земной группы и планет-гигантов, не исключено,
связана с их расстоянием от Солнца. Так, самая удаленная планета земной группы
— Марс, находится всего в 1,52 а. е. от Солнца, тогда как ближайший гигант —
Юпитер, в 5,20 а. е. Вблизи Солнца большая часть легких газов из атмосфер
планет была «выметена» солнечным излучением в более далекие области, в открытое
космическое пространство.