§ 10. 3. Происхождение планетных и звездных систем
Появление планетных и звездных систем удобнее всего рассматривать
на примере Солнечной системы, центральным телом которой является
звезда класса G2 , представляющая собой вращающийся раскаленный
газовый шар. Возле центрального тела, на различных расстояниях от него
располагаются 9 планет, наибольшая из которых - Юпитер - имеет массу в
1040 раз меньшую массы Солнца. Планеты двигаются вокруг Солнца в
направлении его вращения по эллиптическим орбитам, плоскости которых
тяготеют в экваториальной плоскости Солнца. Вращение Солнца и
обращение планет обязано мощному полю тяготения центрального тела.
Поскольку Солнце, и окружающие его планеты растут, то совершенно
очевидно, что Солнечная система не всегда была такой, какой она
выглядит сегодня. И так как масса Солнца намного больше масс планет,
можно сделать заключение, что было время, когда планет, обращающихся
вокруг нашей звезды, не существовало и прото-Солнце само было
небольшим телом планетных размеров.
Большой разброс масс по величине и рост массы каждого тела неиз-
бежно приводят к мысли о том, что процесс формирования Солнечной
системы был очень длительным. А так как зародыши тел могут
формироваться и, как правило, формируются вне сферы влияния цент-
рального тела, то основным механизмом образования таких ассоциаций,
как Солнечная система, является захват спутников, попавших в сферу
влияния Солнца или другого центрального тела. Явление захвата - это
случайный процесс, поэтому формирование Солнечной или планетной
системы (например, системы Юпитера) имеет вероятностную природу,
исключающую однозначные сценарии. Нынешний состав и строение
Солнечной системы могли быть совершенно другими, она могла состоять
из иного числа тел (спутников) и иных размеров. В этой связи любая
попытка ретроспективного восстановления картины образования
Солнечной системы также будет вероятностной.
Исходя из того, что Юпитер - самая крупная планета Солнечной сис-
темы, она была захвачена прото-Солнцем, по всей вероятности, раньше
других планет. Если пользоваться гравитационной шкалой времени (§ 6.6),
возраст Юпитера составляет 2920 млн. лет, т.е. он моложе Солнца на
580 млн. лет. Однако нельзя определенно сказать, когда произошел захват.
Поскольку возраст - это величина условная, то процесс захвата мог
произойти в более ранний срок, чем 2920 млн. лет назад, или же в более
позднее время. Все зависит от того, какая масса была у прото-Юпитера во
время захвата. Можно однако думать, что она была небольшой, так как
захват небесных тел происходит гораздо чаще хотя бы потому, что малых
тел в Галактике гораздо больше больших.
Если захват прото-Юпитера произошел на рубеже 2,92 млрд. лет
назад, то логично считать, что само прото-Солнце в ту пору имело возраст
580 млн. лет; его масса была равна 5,25·1021 г , а диаметр - 150 км при
плотности 3 г/см3; это тело астероидных размеров, превратившееся со
временем в Солнце.
Результат численного сопоставления, возможно, неожиданный, но
вполне закономерный. Из наблюдений известно, что некоторые астероиды
имеют спутников и такие системы вполне можно рассматривать как
аналогию прото-Солнца и его спутника прото-Юпитера.Через 290 млн. лет
масса Юпитера сравняется с массой современного Солнца. Таким образом,
Солнечная система может превратиться сначала в двойную звездную
систему (Солнце-Юпитер), а затем в тройную систему (Солнце-Юпитер-
Сатурн).
Астероидное прото-Солнце могло захватить прото-Юпитер на орбиту
относительно небольшого размера. В этом случае эволюция системы
Солнце-Юпитер не могла осуществляться иначе, как путем увеличения
начальных размеров орбиты Юпитера аналогично тому, как увеличивается
орбита Луны. Захват Юпитера Солнцем мог произойти и в более поздние
сроки, когда он имел планетные размеры. Такой вариант тоже возможен,
так как в Галактике существуют одиночные (бродячие) планеты. Но и в
этом случае размеры орбиты Юпитера все равно должны увеличиваться по
мере роста массы Солнце – Юпитер.
Если бы орбиты спутников в большинстве случаев не увеличивались,
невозможно было бы существование планетных систем, двойных звезд и
звезд с невидимыми спутниками, невозможна была бы регенерация насе-
ления Галактики. Из-за редких случаев падения спутников на центральные
тела, происходило бы неуклонное сокращение населения Галактики, а
звезды были бы одиночными. Однако как показывают наблюдения [114],
звезды не любят одиночества. Они имеют либо невидимых спутников,
либо входят в системы двойных или тройных звезд. Известны [114]
несколько систем из 5 звезд и одна звездная система из 6 компонентов.
Планеты Солнечной системы, как и Юпитер, были захвачены
Солнцем. Захват происходил не одновременно и, вероятнее всего, в
порядке убывания масс планет: вслед за Юпитером был захвачен Сатурн,
затем - Нептун и Уран. Остальные планеты были захвачены еще позже,
при этом совершенно очевидно, что массы планет, пополнявших
Солнечную систему, и их орбиты были меньше современных. Возможно, в
истории Солнечной системы были спутники, которые не согласовались с
движениями и орбитами ранее захваченных крупных планет; такие
спутники выбрасывались за пределы Солнечной системы, как это
происходит иногда с кометами.
Захваченные Солнцем спутники оставались в Солнечной системе и
перерастали в современные планеты только в том случае, если они
попадали на устойчивые орбиты, положение которых определялось
первыми наиболее массивными спутниками (Юпитер, Сатурн). О
существовании таких орбит свидетельствует современное правило
Тициуса-Боде. Поскольку существует это правило, то вполне определенно
можно говорить, что орбиты, располагающиеся между орбитами
современных планет Солнечной системы, являются неустойчивыми.
Примером неустойчивой орбиты может служить почти круговая орбита
кометы Швассмана-Вахмана I, обращающейся вокруг Солнца на
расстоянии ~ 6 астрономических единиц (за орбитой Юпитера). Комета
Швассмана-Вахмана I - это типичный зародыш планеты с весьма
неопределенным будущим. Подвергаясь возмущениям от Юпитера и
Сатурна, эта комета, вероятно, изменит свою орбиту и станет спутником
Юпитера или Сатурна или будет выброшена за пределы Солнечной
системы.
Обмен кометами и астероидами Солнечной системы с космическими
(бродячими) кометами и астероидами - обычное явление. И пока Солнце
растет, им захватывается больше малых тел, чем выбрасывается из сферы
его влияния. Многие из них становятся спутниками планет. Так обра-
зовались планетные системы Юпитера, Сатурна, Урана. Спутники возле
других планет также появились в результате захвата в разное время
первоначально малых тел - астероидов или комет. Более крупные спутни-
ки планет были захвачены, вероятно, раньше малых. В этом плане боль-
шинство внешних спутников Юпитера и Сатурна, а также марсианские
спутники Фобос и Деймос были захвачены относительно недавно.
Отсутствие спутников у Меркурия и Венеры обусловлено их бли-
зостью к Солнцу, которое своим мощным полем сужает сферу захвата
малых тел. По этой же причине Земля имеет всего один спутник, а Марс
только два. Кроме того, у Марса масса примерно в 10 раз меньше, чем у
Земли и этот факт также не способствует приобретению Марсом большего
числа спутников. В данном случае действует статистическое правило: чем
больше масса тела и чем дальше оно расположено от центрального тела,
тем большее число спутников оно может иметь.
Взрывные процессы и мощное корпускулярное излучение ограничи-
вают время существования звезд массой 50 М☼. Массу равную 50
солнечных масс Солнце приобретает через ~ 390 млн. лет. Но еще раньше
Солнце перестает играть организующую роль по той причине, что в
будущем Солнечная система - это двойная звездная система, в которой все
большую роль будет играть Юпитер. Уже сейчас солнечные циклы
связаны с периодом обращения Юпитера. В дальнейшем с ним окажутся
связанными вспышечные и взрывные явления на Солнце. Эти процессы
притормозят рост Солнца и масса Юпитера может сравняться с массой
Солнца. При изменении соотношения масс Солнца и Юпитера изменятся
орбиты всех планет (особенно это видно при равенстве масс), а многие из
них будут выброшены за пределы Солнечной системы. Не исключено, что
за пределами двойной системы Юпитер-Солнце окажется планетная
система Сатурна со всеми ее спутниками.
Вследствие распада звездных систем и последующего роста их компо-
нент (планет и звезд) образуются новые звездные системы и, так
называемые ассоциации звезд - разбегающиеся от места распада звезды -
на которые обратил внимание В.А. Амбарцумян.
Оказавшись за пределами бывшей Солнечной системы, Сатурн прев-
ратится в звезду, а его спутники станут планетами новой звездной системы
- системы Сатурна. Таким образом, оказывается, что зародыши звездных
систем возникают в структуре ранее существовавших звездных систем.
Наряду с этим, планетные системы, как и стадии развития звездных
систем, могут возникать в межзвездном пространстве на базе одиночных
тел (планет и астероидов), в том числе выбрасываемых за пределы
звездных систем при взрывах массивных звезд, имеющих спутников.
Было ли наше Солнце когда-то в составе материнской звездной систе-
мы или зародилось и развивалось в межзвездном пространстве, остается
неясным. В то же время проблема далекой истории Солнца не
принципиальная. Для понимания эволюции небесных тел достаточно
иметь вероятностный ретрогноз.
Продолжая вероятностный прогноз развития Сатурна, следует отме-
тить, что его отрыв от Солнечной системы может быть не окончательным.
Сатурн со своими спутниками может вращаться вокруг оставшейся пары
Юпитер-Солнце. Именно по такой схеме устроена тройная система Кас-
тора в созвездии Близнецов, причем все три компонента Кастора - спект-
рально-двойные звезды.
Планетная система Сатурна интересна еще и тем, что ее спутник Дио-
на, расположенный на четвертой орбите Сатурна, имеет массу 1,03·1024 г,
соотношение которой с массой Сатурна аналогично для пары Земля-
Солнце. Не исключено, что развитие Дионы может стать похожим на
развитие Земли, а на Дионе через несколько миллионов лет разовьется
жизнь. Этот пример показывает, что жизнь во Вселенной - явление более
распространенное, по сравнению с тем, что предсказывают кантовские
гипотезы и ортодоксальная космология.
Описанный сценарий распада Солнечной системы может не состоять-
ся; он может быть иным, если Солнце взорвется (явление сверхновой). От
взрывной волны и ослабления поля тяжести нынешние планеты будут
разбросаны. Некоторые из них окажутся одиночными со своими
спутниками, а некоторые сгруппируются в пары и тройки. В любом случае
будет продолжаться распад масс, захват спутников, превращение их в
звезды. Круговорот материи в природе будет продолжаться вечно.
§ 10. 4. Место Земли на диаграмме Герцшпрунга-Рессела
Кроме массы, звезды имеют еще ряд важных характеристик: свети-
мость, показатель цвета, спектральный класс, поверхностная и внутренняя
температуры, абсолютная звездная величина и др. Характеристики звезд
связаны между собой. Связи эти проявились еще в начале ХХ в., когда Э.
Герцшпрунг (1905 г.) и Г. Рессел (1913 г.) стали наносить на график
”спектральный класс-светимость” сведения о светимостях звезд,
накопленные к тому времени. Звезды группировались на отдельных
площадях графика и в зоне вытянутой полосы. Позже график, названный
диаграммой Герцшпрунга-Рассела, пополнялся новыми сведениями.
Диаграмма в современном виде схематически представлена на рис. 10.3 (в
пределах прямоугольника). Поскольку абсолютная звездная величина и
светимость однозначно связаны, график на рис. 10.3 называют также
диаграммой спектр-светимость.
Основная масса звезд (~ 85% ) располагается на диаграмме в относи-
тельно узкой полосе, называемой главной последовательностью. Вверху
главной последовательности располагаются белые и голубые гиганты -
звезды большой массы и большой светимости. Спектральные классы этих
звезд - О, А, В. Вдоль главной последовательности (сверху вниз)
светимости и массы звезд уменьшаются. В нижней части главной
последовательности (правый нижний угол диаграммы) располагаются
звезды с малой массой и малой светимостью, их относят к спектральным
классам К и М. Эти звезды получили название красных карликов. Они
составляют многочисленную группу звезд в Галактике. Звезды с еще
меньшей светимостью и массой (М < 0,08 М☼) называют коричневыми
карликами.
Анализ распределения звезд по массе показывает, что красные и
коричневые карлики - самая многочисленная группа звезд в Галактике.
Этот факт противоречит кантовским гипотезам, так как при конденсации
газа и пыли должны были формироваться гораздо чаще массивные
звезды, а не звезды малых масс.
В правом верхнем углу диаграммы Герцшпрунга-Рессела расположе-
ны звезды-гиганты, их немного в Галактике, но благодаря их большой
светимости они легко обнаруживаются. Из-за красного цвета и большой
светимости эти звезды называют красными гигантами.
Рис. 10. 3. Направление эволюции небесных тел и положение планет на диаг-
рамме Герцшпрунга-Рессела: 1 – постепенные переходы небесных тел от одного класс-
са к другому; 2 – спонтанные переходы по мере развития звезд, вызванные нестаци-
онарными процессами.
В нижней левой части диаграммы расположены белые карлики. Тем-
пература их поверхности достигает 10-12 тыс. градусов при относительно
небольшой светимости. Такое соотношение температуры и светимости
объясняется малыми размерами белых карликов. Отдельные звезды этого
класса имеют радиусы планетных размеров при массе равной солнечной.
Очевидно, что белые карлики имеют большие плотности, достигающие
сотен тонн в 1 см3. Этих звезд относительно много в Галактике (до 10%).
После открытия диаграммы Герцшпрунга-Рессела стало ясно, что
расположение на ней звезд, в том числе главной последовательности,
обусловлено эволюцией звездного населения Галактики. А поскольку
теория образования звезд базировалась на кантовских концепциях,
предполагалось, что сначала из газа и пыли образуются красные гиганты -
звезды с малой плотностью, унаследованной от газо-пылевой туманности.
Сжимаясь, такая звезда становилась белым или голубым гигантом, а затем
эволюционирует с потерей массы вдоль главной последовательности
(сверху вниз) по направлению к красным и белым карликам.
Теорию эволюции звезд вдоль главной последовательности с потерей
массы развивали В.Г. Фесенков и А.Г. Масевич. И хотя попытки создания
такой теории оказались неудачными, теория базировалась на здоровой
идее: чтобы возникла непрерывная главная последовательность в ходе
эволюции звезд, изменение их характеристик должно быть постепенным.
Когда была осознана огромная роль ядерных реакций в звездах (рабо-
ты Г. Бете, Г. Гамова, С. Чандрасекара и М. Шварацшильда) взгляды на
эволюцию звезд существенно изменились. В частности, М. Шварцшильд
предложил идею о переходе массивных звезд главной последовательности
в класс красных гигантов. Поскольку переход спонтанный (взрыв с
появлением в этой области белых карликов), на диаграмме Герцшпрунга-
Рессела (рис. 10.3) сплошная лента главной последовательности
прерывается и образуются изолированные группы красных гигантов и
белых карликов. Идея М. Шварцшильда оказалась верной, она была
подтверждена наблюдениями и повсеместно принята. Приемлема она и для
концепции растущих небесных тел. Однако привлечение ядерных реакций
для объяснения эволюции звезд, несмотря на отдельные корректные
положения, не могло объяснить существование самой главной
последовательности, ибо кантовские гипотезы возникновения звезд из
газо-пылевых облаков предусматривают образование звезд различных
масс, которые должны размещаться по всей площади диаграммы или же
изолированными группами, но не в виде сплошной ленты.
Непрерывная полоса звезд главной последовательности существует
потому, что характеристики звезд по мере их эволюции (роста)
изменяются плавно. Увеличивая свою массу, зародыш звезды (планета),
проходя стадии развития красных карликов, желтых и белых звезд,
движется вверх по главной последовательности и при благоприятных
условиях становится голубым гигантом. Далее неминуемый взрыв
приводит звезду в группу красных гигантов. После того, как продукты
взрыва рассеются, от бывшего гиганта может остаться плотное ядро -
белый карлик.
На рис. 10.3 обычная диаграмма Герцшпрунга-Рессела дополнена
кривой линией, показывающей направление эволюции небесных тел.
Сплошной участок кривой отражает постепенное изменение характеристик
звезд, а штриховой участок - спонтанные переходы. Кроме того,
диаграмма дополнена планетной стадией развития звезд. Планетная стадия
развития выходит за пределы обычной диаграммы Герцшпрунга-Рессела,
так ка планеты - не светящиеся тела.
В кантовских гипотезах развитие звезд искусственно отрывалось от
эволюции планет и этот разрыв отражала обычная диаграмма спектр-
светимость. Природа же едина и на этом единстве основывается концепция
роста небесных тел, поэтому планетная эволюция вписывается в
диаграмму Герцшпрунга-Рессела.
Поскольку Земля нахоится на планетной стадии развития звезд, то ее
место определяется самым нижним участком главной последовательности,
лежащей за пределами обычной диаграммы спектр-светимость. Сама
возможность такого дополнения диаграммы группой планет позволяет
говорить о том, что диаграммы Герцшпрунга-Рессела только отчасти
обусловлена эволюцией звезд; существование диаграммы предопре-
деляется более фундаментальным явлением - общей эволюцией небесных
тел, а в конечном счете - кругооборотом материи в природе.
Как уже говорилось, резкого отличия планет от звезд не существует и
это отражает дополненная диаграмма Герцшпрунга-Рессела (рис. 10.3). В
этой связи у планет должны появляться наиболее важные свойства звезд в
редуцированном виде. И хотя Земля - несветящееся тело, она излучает
энергию. В геофизике эта энергия определяется тепловым потоком из
недр. Глобальная мощность тепловых (энергетических) потерь является
такой же характеристикой, как и светимость для звезд. В табл. 10.1
приведены энергетические потери в единицу времени для некоторых
планет в сравнении с Солнцем и звездой Ван Маанена (белым карликом).
Литературные данные в табл. 10.1 дополнены производными (вычис-
ленными) величинами.
Табл. 10.1 содержит также солнечные постоянные для планет,
характеризующие энергию, получаемую планетами от Солнца. В
сравнении с излучением эти данные свидетельствуют о том, что Земля и
Луна теряют внутренней энергии значительно меньше, чем получают ее от
Солнца. Для Юпитера и Сатурна внутренние энергетические потери в
несколько раз больше, чем поступление энергии от Солнца. Излучение
внутренней энергии - это типичная звездная функция, и она присуща всем
небесным телам, в том числе Луне, Земле, Юпитеру и Сатурну. Для
Юпитера светимость уже настолько велика, что для ее объяснения иногда
привлекаются [333] ядерные реакции типа
1Н1 + n ® 1H2 + g, (10.5)
где g - квант энергии, трансформирующейся в инфракрасное и радиоиз-
лучение Юпитера.
На Марсе величина тепловых потерь непосредственно не измерялась,
но ее можно предсказать, так как ”светимость” Марса должна иметь
величину, определяемую тепловым потоком из недр меньшим, чем у
Земли, но большим, чем у Луны. Тепловые потоки на поверхностях планет
связаны с внутренними температурами. Поэтому, теоретические значения
внутренних температур Юпитера, Земли и Луны оказались [351, с.18] на
продолжении температурной зависимости в недрах красных карликов и
желтых звезд. Таким образом, ”светимости” планет, их внутренняя
температура и положение на диаграмме Герцшпрунга-Рессела обуслов-
лены единой схемой развития планет и звезд, постепенным перерастанием
меньших небесных тел в большие.
Общность развития небесных тел прослеживается не только между
планетами и звездами, но и в самой группе планет. Так, на планетах зем-
ной группы отчетливо выделяются два типа коры: океанический и конти-
нентальный. При подсчетах площадей коры на различных планетах оказа-
лось, что океанская кора занимает тем большую площадь, чем массивнее
планета [281]. Для Венеры, Марса, Меркурия и Луны площади океаннской
коры соответственно составляют 60, 35, 23 и 17%. Причем для Венеры и
Земли доля площадей океанской коры практически одна и та же.
Отмеченные соотношения для океанической коры и континентальной
коры - это одновременно приблизительные данные о площадях
океанической коры древних эпох земного шара, когда Земля имела
соответствующие размеры (массу). Уменьшение доли океанических
площадей земной коры в глубь эпох обусловлено конечной (предельной)
деформативностью континентальных участков корового слоя, обеспе-
чивавшей относительно небольшие приращения поверхности для тел
меньших размеров. Увеличение поверхности Земли и планет по экспоненте
приводило ко все большим разрывам сплошности коры, что и выразилось в
уменьшении доли океанической коры для Марса, Меркурия и Луны.
Изучение поверхностей планет с помощью космических аппаратов
принесло массу сведений о разрывных дислокациях и растяжениях в корах
планет и их спутников [131, 234, 332, 444]. Дислокаций и признаков
растяжений в коре особенно много на Венере [332, с.27]: «Как показали
измерения советских станций серии ”Венера”, равнины имеют
базальтовый состав, но следов тектоники плит не обнаружено. Земля с ее
океаническими хребтами, желобами островных дуг и трансформными
разломами стала представляться каким-то ”космическим уникумом”». Как
было показано (§ 2.2), тектоники плит на Земле не существует. В этом
смысле Земля не является ”уникумом”, она - самое обычное растущее
космическое тело.
На Марсе, как и следовало ожидать, тектоника плит менее интенсив-
ная, чем на Земле и Венере, но как и на Венере в коре Марса преобладают
структуры растяжения и различных типов разрывные нарушения. По
свидетельству В. Г. Каца с соавторами [131, с.72] ”На снимках
поверхности Марса не обнаружено достаточно убедительных признаков
проявления сжимающихся усилий”. Далее следует вывод: ”Признаков
настоящих складчатых структур, связанных с условиями сжатия, здесь не
обнаружено”. Зато на Марсе имеются отдельные системы рифтовых и
рифтоподобных структур спрединга. Наиболее крупные из них - это
экваториальные рифтовые пояса Копрат (протяженностью более 4000 км)
и Касэй длиной более 2000 км. В рифтовом поясе Копрат, наряду с
типичными гребенками, прослеживаются все переходы от эмбриональных
до развития форм рифтогенеза.
Структуры растяжения кор существуют не только на планетах, но и на
спутниках планет. Это, прежде всего, кратеры, цирки и округлые моря,
обнаруженные на всех небесных телах. Специфический глобальный рифт
обнаружен на Миранде (спутник Урана), отчего край ее диска получился
ущербным. Известна также [444] зонально-возрастная структура ледяной
поверхности Ганимеда (спутник Юпитера), свидетельствующая о
разрастании его поверхности. Разрастание здесь настолько очевидно, что
мысль об увеличении объема Ганимеда высказали исследователи [444]
далекие от проблем растущей Земли.
Одним из общих признаков увеличения поверхностей (объемов) пла-
нет и спутников является малая распространенность кратеров на равнинах
- морских бассейнах,- представляющих структуры растяжения и
новообразованные участки поверхности. Кратерные структуры здесь
относительно редки, так как они уничтожаются в результате
деструктивных коровых процессов и не успевают возникать из-за
молодости (недавнего возникновения) морских бассейнов). Базальтовое
ложе морей планет и спутников и структуры растяжения в морских
регионах свидетельствуют о росте небесных тел, общности их развития и
причастности к диаграмме Герцшпрунга-Рессела.
Чат КОБ
30.11.2011, 15:36
Линейный вид
