Растущая Земля: из планет в звёзды (стр. 60 )

f Мо

gR = –––––––––––– (10.4)

R²ехр(v / 3с)

Как известно, в ньютоновском поле тяготения спутник обращается по замкнутому эллипсу. Если же напряженность поля убывает более быстро, например, по формуле (10.4), то спутник будет медленно удаляться от центрального тела по спирали, раскручивающейся с малым шагом. С учетом того, что эффект формулы (10.4), приливные силы, вихревое воздействие и вращающий момент L слагаются, спутники должны, как правило, удаляться от центральных тел. Исключение из этого правила составляют те случаи, когда сопротивление движению в вакууме больше суммарного вращающегося момента рассматриваемой парной системы или пары тел в более сложной звездной системе.

В пределах Солнечной системы известны как случаи удаления спутников от центральных тел, так и их приближение. Удаление спутника от центрального тела надежно установлено для системы Земля - Луна, в которой Луна удаляется [442] от Земли со скоростью 3,7 ± 0,2 см/год. Обычно считают, что этот эффект обусловлен приливными силами. Однако ожидаемое замедление вращения Земли, которое должны вызывать

228 Глава 10. Земля среди небесных тел .

приливные силы, примерно в два раза меньше расчетного. Но именно так должно быть, если вращение Земли подпитывается собственным вихревым полем тяжести и ее движением по орбите вследствие эффекта, анало-гичного явлению Магнуса (рис. 10.1). В любом случае взаимодействия тел в Солнечной системе оказываются намного сложнее трактовок этих взаимодействий в ньютоновской теории.

Существование скрытых воздействий подтверждает поведение марсианских спутников Фобоса и Деймоса. По оценкам И. С. Шкловского Фобос, имеющий период обращения 7 час. 30 мин., ускоряется и доложен упасть на Марс через 10-20 млн. лет. У Деймоса, имеющего обращение 30 час. 18 мин., такого эффекта не наблюдается. Различие поведения двух спутников можно объяснить тем, что для Деймоса все эффекты, способствующие вращению, слагаются, тогда как Фобос тормозят приливные воздействия и вихревое поле из-за того, что период его обращения меньше периода вращения Марса (24 час. 37 мин.). Силы, тормозящие обращение Фобоса, оказываются больше вращающих. Если бы Фобос обращался в обратном направлении, эффект его торможения проявился бы еще заметнее.

Следует еще раз отметить, что эффекты от скрытых воздействий очень малы, поэтому их чрезвычайно трудно наблюдать. Однако существование скрытых воздействий на протяжении сотен миллионов лет приводит к значительным изменениям в планетных и звездных системах.

§ 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

§ 10. 3. Происхождение планетных и звездных систем 229

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

230 Глава 10. Земля среди небесных тел .

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,

§ 10. 3. Происхождение планетных и звездных систем 231