§2. Вихревая теория образования Солнечной системы

И. Кант, всю свою жизнь преподававший в Кенигсбергском университете, в 1755 г. в свой работе «Всеобщая естественная история и теория неба» развил первую научную гипотезу об образовании Солнечной системы из холодной пылевой материи, опираясь на закон всемирного тяготения. И хотя его идея саморазвития сгущений материи к центру тяжести с последующей консолидацией в тела планет и Солнца вскоре была заменена представлениями Лапласа, принципиальная картина мира была предвосхищена И. Кантом с удивительной прозорливостью. Первоначально холодная материя в ходе гравитационного сжатия разогревалась, и по этой причине планеты так же, как и Солнце после аккреции, были огненно-жидкими. Конечно, позднее стало ясно, что с позиции механики неустойчивость в системе мира Канта не могла возникнуть без воздействия внешних сил. Лишь в начале ХХ века с открытием радиоактивности было доказано, что Земля и планеты никогда не находились в расплавленном состоянии. Тем не менее со времен Н. Коперника идеи Канта явились самым крупным вкладом в естествознание, глубоким проникновением в глубины мироздания. Потрясенный величием построенного материального и нравственного мира человека, Кант писал: «Две вещи наполняют душу всегда новым и все более сильным удивлением и благоговением, чем чаще и продолжительнее мы размышляем о них, – звездное небо надо мной и нравственный закон внутри меня». Эти слова, представляющие квинтэссенцию всей философии великого мыслителя, были начертаны на его надгробии.

По гипотезе Лапласа (1769 г.), раскаленная, медленно вращающаяся туманность, сжимаясь, формировала протосолнце, а когда на экваторе сила тяжести уравнивалась с центробежной силой, от нее происходило последовательное отделение гигантских колец материи. Эти кольца, сгущаясь, формировали на соответствующих орбитах планеты и их спутники. Гипотеза Лапласа, объединенная с представлениями Канта, просуществовала более 100 лет и сыграла большую роль в развитии естествознания. Она дала начало геотектонической контракционной гипотезе, впервые сформулированной Эли де Бомоном в 1855 г.

Вместе с тем гипотеза Канта-Лапласа не могла объяснить перераспределение момента количества движения между Солнцем и планетами, на долю которых его приходится более 98%. Напомним, что момент количества движения М равен произведению момента инерции на угловую скорость вращения тела: М = I = mVR, где I = ²/₅ mR; m, R – соответственно масса и радиус планеты; V – линейная скорость движения точки на поверхности.

Расчеты показали, что если вернуть Солнцу утраченные моменты количества движения, т.е. уронить все планеты на его поверхность, то и в этом случае скорость его вращения была бы недостаточной, чтобы породить систему колец с соответствующими орбитами девяти известных планет и их спутников. С другой стороны, внутри каждого кольца, согласно закону постоянства количества движения, никакими внутренними силами системы величина М не может быть изменена. Иными словами, без внешних сил планетарные сгущения внутри колец сами по себе образовываться не могут. Примером тому являются известные кольца у планет-гигантов – Сатурна, Урана, Нептуна, вещество в которых равномерно распределено по окружности и не консолидируется в сгущения.

В наше время разрабатывались гипотезы катастрофического направления, в основе которых лежит предположение о случайном захвате холодного пылегазового облака проходящим Солнцем – уже готовой звездой (гипотеза О. Шмидта, 1944). Однако такие гипотезы вступают в противоречие с выводами наблюдательной астрономии об эволюционном, а не катастрофическом пути формирования звездных и сопутствующих им планетных систем. Большинство современных исследователей отдают все же предпочтение кантовской концепции одновременного образования планет и Солнца. Предпочтительность этой концепции очевидна после рассмотрения схемы эволюции звезд.

В. Рудник и Э. Соботович (1984) предприняли, пожалуй, одну из наиболее успешных попыток реконструкции ранней истории формирования Солнечной системы, опираясь главным образом на материалы изотопной космохимии. Однако и они при построении модели эволюции материнского протосолнечного облака не преодолели общую тенденцию конструирования изолированной звезды. Поэтому предполагаемая ими общая масса туманности, равная одной-двум солнечным массам, явно недостаточна для начала процесса звездообразования. Размеры же протосолнечного облака, по этой гипотезе, не выходят за пределы афелия Плутона. Это не соответствует современным представлениям об эволюции звезды и не оставляет места для неизбежного изменения радиуса первоначальных планет в ходе общего сжатия закручивающейся туманности вокруг центра масс, где консолидировалось вещество протосолнца.

При оценке первоначальной массы материнского облака мы также ни в коей мере не можем рассчитать его плотность из наблюдаемой массы вещества в Солнечной системе. При наличии протосолнца она составила бы не более 210^-9 кг/м³. Этого недостаточно для формирования планет. В межзвездном пространстве довольно часто наблюдаются туманности с массой газа в одну солнечную массу, размером около 1 пк и с температурой в десятки градусов Кельвина. Но в таких облаках, согласно критерию Джинса (1902), вещество не может сжаться до звездообразования, так как газовое давление внутри облака уравновешено собственной силой тяжести. Критерий Джинса выполняется в газопылевых комплексах массой 10³ – 10⁴ М₀ и размером 10 – 100 пк, с температурой в десятки градусов Кельвина. Только в таких гигантских туманностях возможно развитие гравитационной неустойчивости. Наблюдательная астрономия полностью подтверждает этот вывод.

Глобулы – прообразы нашего протосолнца – наблюдаются не единично и изолированно, а большими группами в больших межзвездных туманностях (например, упоминавшаяся уже туманность Лагуны в созвездии Стрельца (рис. 111)). Размеры глобул 1 – 2 пк, плотность вещества в ней достигает 20 – 200 частиц/м³ (при средней плотности межзвездной среды 10^-7 частиц/м³). Таким образом, мы должны признать, что Солнце формировалось как одна из звезд огромной газопылевой туманности, простиравшейся на десятки парсек. В окрестности Солнца на расстоянии 100 пк, сегодня известно более 7000 звезд. Ближайшая к нам звезда – -Центавра – расположена всего в 1,33 пк. Она могла возникнуть в пределах одной глобулы с Солнцем. Удивительно, что масса, светимость, температура, спектр и, следовательно, возраст этой звезды примерно такие же, как и у нашего светила!

Критерий Джинса для глобул может выполняться и без воздействия внешних сил. Но поскольку изотопная космохимия свидетельствует об обогащении туманности новыми элементами (Рудник, Соботович, 1984), необходимо принять возможность взрыва сверхновой в окрестности этой туманности, усилившей гравитационную неустойчивость и ускорившей процесс звездообразования. Глобулы сами по себе имели различные размеры и массу. Это предопределило дальнейший путь их эволюции. В крупных глобулах могли возникнуть массивные звезды или группы звезд, в меньших, подобно нашей, возникли две неоднородности – большая, давшая жизнь созвездию -Центавра, и меньшая – нашей Солнечной системе. В этой меньшей части глобулы лишь немного не хватило массы для возникновения двойной звезды Солнце – Юпитер, ибо последний со своими 16 спутниками, четыре из которых (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто) подобны планетам, представляет почти готовую Солнечную систему.

Предполагается, что в начальной стадии сжатия протозвезды возникающее по мере сжатия тепло отводится инфракрасным излучением. В противном случае газовое противодавление остановит этот процесс. Отсюда мощное инфракрасное излучение является характерным показателем зарождающейся протозвезды. Оно обычно наблюдается в газопылевых комплексах. При дальнейшем сжатии и росте температуры, как показывают расчеты (Дагаев и др., 1983), протозвезда становится все более непрозрачной для инфракрасного излучения, и это происходит, когда ее радиус станет равным R  10⁵R₀. Из приведенного следует, что в начальной стадии сжатия размеры протозвезды далеко, примерно в 10 раз, выходят за пределы размеров Солнечной системы (6 млрд. км), что соответствует расстоянию в 0,01 пк. Когда размеры протозвезды достигают значения R = 10³R₀, т.е. орбиты Юпитера, светимость ее становится в 400 раз выше современной. На этом этапе включается конвективный процесс переноса глубинного тепла к поверхности. Звезда характеризуется неустойчивостью блеска (перемен­ные типа Т-Тельца). Это объясняется тем, что внутри протозвезды еще не созданы термодинамические условия запуска термоядерных реакций синтеза гелия из водорода. Согласно расчетам, последующее сжатие с R = 10³R₀ до R = 1R₀ происходит за 20 млн. лет. Оно осуществляется уже в условиях начавшейся термоядерной реакции, в результате чего протозвезда переходит с дозвездного на звездный путь эволюции и выходит на главную последовательность диаграммы спектр-свети­мость Герцшпрунга-Рессела.

Все вышеизложенное позволяет существенно корректировать наши представления о формировании Солнечной системы.

Совершенно ясно, что в стадии существования протозвезды с преобладанием термохимических процессов внутри и инфракрасным излучением вследствие гигантского радиуса говорить о формировании планет ее по периферии не приходится. С другой стороны, нельзя исключить возможного возмущающего влияния со стороны аналогичной и даже большей по массе системы одновременно формировавшихся протозвезд в -Центавра. Это, несомненно, дочерние образования, принадлежащие одной глобуле.

Ускорение вращения протозвезды вследствие прогрессивного уменьшения ее радиуса было неизбежно. Однако термохимические процессы, господствовавшие в этот период внутри объекта, уже должны были создать нечто вроде гигантского жидкого ядра. Поэтому в конце инфракрасной стадии протозвезда могла уже иметь мощное магнитное поле, намного превышавшее напряженность современного магнитного поля Юпитера, вследствие значительно большей скорости осевого вращения протозвезды. Когда радиус этого еще, в сущности, дозвездного объекта, а фактически гигантской планеты, сократился до размеров орбиты Юпитера и начался процесс термоядерного разогрева, секторное магнитное поле протозвезды должно было сообщить соответствующий крутильный момент количества движения масс пылегазового материала выше уровня равновесия сил гравитационного сжатия и газового противодавления: Р_газ = Р_гравит. Этот уровень должен был следовать за сжимающейся протозвездой. За ним следовала и оставшаяся невычерпанной протосолнцем внешняя протопланетарная часть материнской туманности. Выше этого уровня пылегазовое вещество туманности находилось вне сильного гравитационного влияния протозвезды и закручивалось в планетарные вихри секторным магнитным полем. В этом аспекте интересно узнать, что же представляет собой орбита Меркурия, фиксирующая наинизшие положения планетарного сгустка пылегазового облака, находящегося вне зоны гравитационного вовлечения вещества массой протозвезды, и когда она могла возникнуть?

Со стадии дозвездного существования инфракрасное тепловое противодавление было эффективным далеко за пределами современного радиуса Солнечной системы. Однако с переходом на звездный путь развития, вызванный прогрессирующим сжатием вещества и, следовательно, уменьшением радиуса протозвезды с образованием ее в компактную массу, должен был возникнуть предел, ниже которого приливные силы звезды разрушают любое планетарное образование. Это так называемый предел Роша.

Формирование ближайших к Солнцу планет не лимитировалось пределом Роша. Они располагались значительно дальше него.

Учитывая тот факт, что свои параметры Солнце приобрело уже в начальной стадии своего существования как звезды, а Меркурий мог приобрести свою плотность лишь сформировавшись в планетное тело, можно заключить, что образование его как планеты могло начаться после завершения инфракрасной стадии развития протосолнца и уменьшения его радиуса до размеров, близких к современным. Этот вывод должен быть распространен и на другие планеты Солнечной системы. Народившаяся звезда, несомненно, ускорила акт планетообразования, хотя бы за счет значительного расширения объемов конденсации пылегазового материала в потоке усилившегося солнечного ветра.

Рис. 112. Вихревая модель образования

Солнечной системы (по Шило, 1989)

Большие моменты количества движения у планет Солнечной системы, их разная скорость осевого вращения указывают на вращательный характер пылегазового комплекса и существенно неоднородное распределение масс вещества вдоль радиуса системы. В соответствии с вихревой моделью, предложенной академиком Н.А. Шило (1989), могли возникнуть спирали различных порядков и уровней со своими ядрами, внутри которых формировались планеты и их спутники (рис. 112). Такая модель снимает противоречия в различии моментов количества движения планет и Сол­нца. Несовпадение плоскости орбит Меркурия и Венеры с плоскостью других планет объясняется неодинаковой угловой скоростью вращения ядер спирали первого порядка и ее ветвей, на которых образовывались спирали второго и треть­его порядков с протопланетными и протоспутниковыми ядрами вещества. Согласно этой модели, отсутствие спутников у ближних к Солнцу планет (Меркурия и Венеры) и их лимитированное количество у Земли и Марса объясняется сильным гравитационным влиянием центрального протосолнечного ядра, которое легко отбирало вещество, удаленное от протопланетных ядер спиралей второго порядка. Спирали третьего порядка у этих близких к центральной массе планет могли возникнуть лишь у Земли и Марса – с ограниченным количеством вещества. Планеты-гиганты возникли за пределами сильного гравитационного влияния протосолнца. Поэтому здесь могли появиться мощные сгущения вещества на спирали не только первого, но и второго порядка. Формирование многочисленных спутников планет-гигантов происходило уже под влиянием их масс, а не протосолнца.

В своем развитии Солнце прошло через несколько стадий – протозвезды инфракрасного класса, неустойчивой звезды переменного блеска типа Т-Тельца, красного спектрального класса с температурой поверхности 3500 К, оранжевого спектрального класса с температурой 5000 К и, наконец, современной – стадии желтого спектрального класса с температурой 6000 К.

На всех стадиях, особенно в начальный неустойчивый период своей активности, Солнце неизбежно испускало той или иной силы звездные ветры, которые могли создавать динамические температурные и химические аномалии в окружающем пылегазовом облаке. Это способствовало образованию различных размеров агломераций метеоритов и астероидов, обогащению новыми элементами, в том числе и короткоживущими радиоактивными, которые в дальнейшем сыграли большую роль в эволюции планет.

Вследствие уменьшения температуры пылегазового облака по мере удаления от протозвезды, а в дальнейшем молодой звезды оранжевого спектрального класса ближайшая к светилу область вещества обеднялась летучими и обогащалась силикатами и тугоплавкими металлами. На орбитах планет-гигантов вещество в большей степени было обогащенно замерзшими газами, акклюдированной на пылинках водой. Поэтому внешние планеты оказались в большей степени обогащены летучими элементами, в том числе водородом и гелием. Однако представлять эти планеты в виде гигантских водородных шаров, как это принято в большинстве работ, вряд ли правомочно. Во-первых, трудно представить, каким образом легчайший газ мог консолидироваться в самые большие и массивные тела. Во-вторых, многие спутники планет-гигантов, как видно на прекрасных снимках американских межпланетных станций, состоят из каменного материала, подобного земным породам или метеоритам. Возникает вопрос: как соотнести водородный состав планеты с силикатным составом ее спутников?

И, наконец, в-третьих, длительное горячее дыхание молодой звезды неизбежно должно было вымести значительную часть легчайшего водорода и гелия за пределы системы еще задолго до их аккреции в планетных и других агломерациях.

Все имеющиеся данные свидетельствуют о принципиальном единстве химического состава вещества во всех телах и объектах Солнечной сиситемы. Привлечение различных равновесных диаграмм для водорода, других элементов с целью доказательства водородного состава планет-гигантов, безусловно, интересно и нужно. Однако они, конечно, не решают проблему, а еще больше усложняют.