Глава XIII. РОЛЬ МАССЫ В ЭВОЛЮЦИИ ПРОТОВЕЩЕСТВА
§1. Планетный тип эволюции протовещества
Начавшаяся, на рубеже мезозойской и кайнозойской эр, спонтанная дегидратация внутрипланетарного вещества и океанизация Земли, явились не только важнейшей вехой в ее геологической истории, но и выражением одного из фундаментальных свойств, видимо, присущих планетарным системам в финале их эволюции (Орлёнок, 1980, 1985).
Обзор современного геологического состояния планет Солнечной системы показывает существование тесной связи их внутренней активности с массой.
Чем больше масса планеты, тем раньше начинается дегидратация, длительней и интенсивней ее финальный всплеск. Так, в условиях Земли дегидратация и вынос на поверхность свободной воды начались 3,9 млрд. лет назад. Океанизация же наступила лишь в последние 50 – 60 млн. лет жизни планеты, и продолжительность ее для Земли определяется всего 120 – 140 млн. лет, т. е. немногим более 2% от всего периода ее геологической активности.
На планетах с массой меньше земной (на порядок и более) продолжительность и интенсивность океанизации будут невелики. Например, на Меркурии (М = 3,3×1026 г), Луне (М = 7,3×1025 г) и Марсе (М = 6,4×1026 г) дегидратация, начавшись одновременно с началом геологической активности, закончилась много раньше полной выработкой протовещества в центральной активной зоне планет и, конечно, не имела таких масштабов, как на Земле. Исключение, возможно, составляет Венера, имевшая массу, сравнимую с земной (М = 4,8×1027 г, у Земли 5,97×1027 г). Примерно 350 млн. лет назад на ней вполне могли существовать морские и океанические бассейны, которые постепенно испарились после перехода Солнца в стадию горячей звезды желтого спектрального класса.
Что же касается метеоритов и астероидов, имеющих ничтожную в сравнении с планетой массу – от 1,4×1021 г (Церера) до нескольких килограммов и даже граммов, – то из-за отсутствия соответствующих термодинамических условий внутри этих тел ни о какой внутренней активности здесь не может быть и речи.
Для того чтобы понять причины различной внутренней активности космических объектов больших и малых масс, обратимся к данным физики высоких давлений и температур.
При нормальном давлении и температуре вещество характеризуется большим разнообразием химических и физических свойств, так как атомы и молекулы пребывают в равновесном состоянии и отличаются множественностью комбинаций их взаимного расположения. При повышении температуры происходит освобождение энергии атомов и молекул и ускорение обмена электронами верхних оболочек атомов. По мере роста температуры и давления уменьшается физическое и химическое разнообразие вещества. При сжатии вещества до значений 106 – 108 атм, какие реализуются в недрах больших планет (Земли и Юпитера соответственно), электронные оболочки атомов деформируются и электроны становятся все менее связанными с определенным атомом. Происходит частичная металлизация вещества. Наружные электронные оболочки атомов вещества при давлениях 108 атм отрываются, а внутренние уплотняются, что приводит к сглаживанию химических свойств вещества. Следовательно, при высоких давлениях и температуре химический потенциал протовещества планет уменьшается. Это накладывает серьезные ограничения на возможность термохимической дифференциации в широком объеме планетных недр. Химическая активность вещества становится возможной лишь в зонах, где давление меньше 106 атм, а температура – 104 К. В условиях Земли это могут быть верхние зоны внешнего жидкого ядра, а не вся его область, как обычно предполагается.
При дальнейшем повышении давления до 1012 атм (1017 Па) вещество приводится в состояние, когда термодинамически выгодными оказываются ядерные реакции захвата электронов ядрами с одновременным испусканием нейтрино. Такие условия сжатия реализуются на Солнце.
Таким образом, термодинамический режим в недрах планет и звезд обусловлен прежде всего давлением и температурой, которые, в свою очередь, полностью определяются величиной первоначальной массы астрономического тела.
Окружающий нас мир – это прежде всего иерархия масс вещества – от элементарных частиц до макрообъектов с гигантскими астрономическими массами. Существование иерархии масс обусловлено наличием определенной связи между элементами вещества, не дающей им распасться. Для того чтобы разрушить эту связь, надо преодолеть энергию взаимодействия между элементами массы, будь то ядро или атом, планета или звезда.
Известно четыре вида фундаментальных взаимодействий – сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Последнее является наиболее универсальным, т. е. существует как в макро-, так и в микротелах. Для тел же огромных астрономических масс гравитационное взаимодействие приобретает решающее значение. Вместе с тем на уровне ядерных и атомных систем, а также малых масс (метеориты, кометы, астероиды) этот вид взаимодействия не играет сколько-нибудь существенной роли.
Следует также отметить, что все четыре вида фундаментальных взаимодействий, существующих в микромире, превосходят радиус 10‑15 м, а их длительность – 10-8-10-23 с. Радиус действия гравитационных и электромагнитных взаимодействий не ограничен. Поэтому они проявляют себя в астрономических масштабах как в пространстве, так и во времени.
В своем анализе обстановки на других планетах мы должны исходить прежде всего из того, что нам известно по Земле. Так, показателем внутренней геологической активности планет является наличие у них атмосферы. Но источником ее может быть только вулканизм. Однако мощный вулканизм не может существовать без развитого жидкого ядра и астеносферы. Наличие жидкого ядра, в свою очередь, генерирует у вращающейся планеты мощное магнитное поле. Отсутствие такового у геологически активной Венеры объясняется тем, что у нее нет осевого вращения. Планета давно остановила свое вращение, впрочем, как и Меркурий, под действием сильного приливного торможения со стороны гигантской массы Солнца.
С другой стороны, отсутствие у быстро вращающегося Марса соответствующего по напряженности магнитного поля свидетельствует об отсутствии у него жидкого ядра. Соответственно нет здесь и вулканизма и плотной атмосферы. Геологическая жизнь давно угасла на этой планете. То же самое можно сказать и о недрах Меркурия и Луны. Все это – трупы планет, некогда испытавших, хотя и краткую, геологическую активность, в финале которой произошла микроокеанизация. Следы былого присутствия воды хорошо фиксируются на фотоснимках Марса (Кауфман, 1982), предполагаются по характеру выветривания пород на Венере. На Луне следы водной деятельности, видимо, замаскированы лавовыми извержениями.
Источником воды на планетах являются термохимические процессы взаимодействия дигидритов и пероксидов металлов (Кесарев, 1976) с участием различных катализаторов (карбидов, сульфидов, нитридов металлов и их окислов) в зоне внешнего ядра, где вследствие сжатия реализуются необходимые для запуска термохимического реактора термодинамические условия – температура и давление, равные соответственно 3000 К и 1,5 млн. атм: МеН2 + МеО2 ® МеО + Ме + Н2О. Известно (Семененко, 1975), что при уменьшении давления происходит бурная диссоциация гидритов: МеН2 ® Ме+Н2. Потоки водорода, взаимодействуя с окислами металлов, а также с кремнеземом в верхах кислородно-силикатной оболочки, продуцируют главнейший планетарный продукт – воду:
SiO2 + H2 ® SiO + H2O + Q;
MeO2 + H2 ® MeO + H2O + Q.
Карбиды, нитриды, фосфиды металлов, взаимодействуя с водой, образуют вулканические дымы, формирующие атмосферу планеты: Ме3С + 3Н2О ® СН4 + 3МеО + Н2 + Q и т. д.
По мере подъема внешней границы жидкого ядра и вовлечения в термохимическую переработку все более высоких горизонтов оболочки, вследствие прогрессивного уменьшения давления, повышения химического потенциала протовещества его разложение будет идти более интенсивно. Существует, возможно, критический порог глубин, выше и ниже которого указанные реакции идут менее интенсивно. Достижение этого порога может быть одной из причин усиления дегидратации в условиях Земли на рубеже мезозой – кайнозой. Однако нельзя исключить и другой фактор – постепенное накопление под подошвой литосферы, а точнее, на глубине 100 – 200 км (вследствие теплоизолирующего влияния верхней каменной оболочки), избытков тепла и летучих веществ, выносимых из зоны внешнего ядра.
Альтернативное допущение разогрева астеносферы за счет повышенной концентрации здесь радиоактивных элементов не подтверждается вулканизмом. В лавах и газах вулканов, корни которых, как правило, лежат в пределах астеносферных глубин, не отмечается повышения радиоактивности. С другой стороны, значительная (на несколько порядков) повышенная концентрация радиоактивных веществ в коре не приводит к ее аномальному разогреву.
Вместе с тем имеются многочисленные геологические данные о раннем (более 3,5 млрд. лет назад) крупномасштабном образовании изверженных гранитоидов, базальтов, формировании различных метаморфических пород. Этот факт трудно объяснить только развитием термодинамических процессов. На ранней Земле, планетах и Солнце, видимо, значительную роль сыграл распад короткоживущих изотопов 26Al, 10Be, 36Cl, 227Nb и др. с периодом полураспада 106 – 108 лет (Войткевич, 1979; Рудник, Соботович, 1984). Благодаря их большой концентрации в первые сотни миллионов лет на небольших глубинах могли возникнуть многочисленные очаги расплавов, которые и послужили источниками образования ранней коры. С вымиранием изотопов основным источником вулканизма становятся термодинамически обусловленные процессы распада протовещества на уровне внешнего ядра. В этом плане представляется необъяснимым предположение о существовании ледяных комет и астероидов, малых ледяных спутников планет, термодинамика которых исключает какую-либо возможность их внутренней активности и, следовательно, производства воды. Это тела, где возможна лишь поверхностная активность за счет взаимодействия с солнечным излучением (при близком пролете от Солнца) и с падающими метеоритами. Возникающая при этом молекулярная вода будет немедленно диссоциирована под воздействием солнечного излучения, как это имеет место в атмосфере Земли. Однако возможно небольшое акклюдирование воды на пылеватых частицах и замерзших газах вдали от Солнца. При пролете вблизи светила они будут быстро испаряться, образуя светящиеся хвосты, хорошо видимые в ночном небе.
Теперь обратимся к планетам-гигантам – Юпитеру, Сатурну, Урану и Нептуну, имеющим, соответственно, массы 1,9×1030 г, 5,5×1029 г, 8,4×1028 г и 1,0×1029 г. Столь огромные в сравнении с земной массы должны создавать в недрах планет более высокие давления и температуры. Расчеты показывают, что, например, у Юпитера давление в центре достигает 8×107 атм, а температура 2,5×104 К (Хаббард, 1987). Несколько меньше, но такого же порядка величины должны быть и на других планетах-гигантах (Жарков, 1978).
Согласно существующим представлениям, вошедшим в учебники астрономии, все планеты-гиганты сложены преимущественно водородом и гелием. Однако, несмотря на длительную разработку этой концепции, в ней по-прежнему остается много неясного и противоречивого. Например, как объяснить тот факт, что спутники этих «водородных» планет сложены таким же каменным материалом, что и планеты земной группы? Это хорошо видно из расчетов их средней плотности и на фотографиях с космических аппаратов (Кауфман, 1982). Более того, на спутнике Юпитера Ио обнаружено семь действующих вулканов, а на других – Ганимеде и Европе – поверхность покрыта мощным слоем льда. Это ясные следы криогенизации, эквивалентные земной океанизации, возникающие в условиях дефицита солнечного тепла. Если же обратиться к оценке состава первичного материнского облака, из которого формировалась Солнечная система, то, согласно современной гетерогенно-полихронной концепции, оно было физически и химически весьма разнородно и содержало крупные разновозрастные реликтовые фрагменты ранее разрушившихся звездных систем. Все планеты должны были иметь зародыши, ядра конденсации, состоящие из тяжелых металлических фрагментов, вокруг которых лавинообразно наращивался пылегазовый материал облака. Поэтому совершенно непонятна причина конденсации легчайшего водорода в гигантскую массу Юпитера или Сатурна. Юпитер со своими 16 спутниками – это, по существу, еще одна Солнечная система, которой лишь случайно не хватило немного массы, чтобы «царь планет» зажегся второй звездой.
Если быть последовательными и исходить из универсальности химического состава вещества Солнечной системы, то было бы логичнее и плодотворнее выводить модель внутреннего строения и эволюции планет-гигантов по образцу Земли.
Внешний облик планет-гигантов находится в полном соответствии с их массой. Они обладают мощной и плотной атмосферой, сильным магнитным полем. Все это указывает на наличие мощного вулканизма и обширного жидкого ядра. Ниже (табл. XIII.1) приведены радиусы твердого тела рассматриваемых планет и мощности их атмосферы, рассчитанные исходя из единства состава протовещества Солнечной системы (Кесарев, 1976):
Таблица XIII.1
Радиусы твердого тела планет и мощности
их атмосфер (по Кесареву, 1976)
Планета | Радиус твердого | Радиус, км | Средняя плот- | |
тела, км | атмосферы | общий | ность, г/см3 | |
Сатурн | 20765 | 37000 | 57765 | 5,85 |
Юпитер | 40420 | 29265 | 69685 | 6,84 |
Нептун | 16300 | 6575 | 22875 | 5,60 |
Уран | 15580 | 8520 | 24100 | 5,55 |
В какой стадии эволюции в сравнении с Землей находятся в настоящее время эти планеты?
Мощная и плотная атмосфера на Юпитере, Сатурне, Уране, Нептуне при продолжающемся исключительно активном вулканизме должна была создать парниковый эффект на твердой поверхности планет. Поэтому она может быть раскалена, подобно венерианской, до нескольких сот градусов Цельсия. В этих условиях вся выносимая вулканами вода, полностью испаряясь, переходит в атмосферу. И действительно, наряду с водородом и гелием в верхних слоях атмосферы Юпитера обнаружены водяной пар, метан, аммиак, т. е. состав газов аналогичен глубинным газам Земли.
Вероятно, такие же условия существовали на ранней Земле, когда Солнце пребывало в стадии менее горячей звезды – красного спектрального класса. Отсутствие на ранней Земле достаточно больших количеств свободной воды или пребывание ее в виде ледяных покровов (из-за холодного Солнца) при интенсивном вулканизме неизбежно должно было привести к образованию мощной углекислой атмосферы. Вымывание углекислоты из атмосферы начинается с появлением на поверхности планеты морских бассейнов, в которых она связывается в карбонатную систему. Древнейшие карбонатные породы Земли имеют возраст 3,9 млрд. лет, следовательно, такой же возраст должны иметь и первые моря на нашей планете.
Разница в составе атмосфер Юпитера и Земли обусловлена не их принципиально различным строением, а тем, что земная атмосфера при наличии океана и мощного солнечного излучения эволюционирует дальше юпитерианской. Фотолиз на Юпитере ограничен, поэтому водород, аммиак, метан верхних слоев относительно стабильны. Следует ожидать, однако, что нижние слои атмосфер планет-гигантов более разнообразны по составу. В целом же необходимо признать, что наличие СО2, других вулканических дымов в атмосферах планет служит показателем отсутствия на их поверхности свободной воды. В будущем, по мере ослабления парникового эффекта и остывания поверхности, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун должны испытать мощную криогенизацию: многокилометровые покровы льда надолго закроют поверхность этих планет. Но поскольку запасы протовещества по массе на этих планетах значительно превосходят земные, то финальный этап криогенизации наступит на них значительно позже, чем океанизация на Земле.
§2. Звездный (солнечный) тип эволюции протовещества
С единых позиций универсальности вещества при разнообразии масс мы должны подходить к проблеме строения и эволюции Солнца и звезд с массой, близкой солнечной. Современное состояние этого астрономического объекта также находится в полном соответствии с его гигантской массой, равной 2×1033 г и заключающей более 99% всей массы вещества Солнечной системы. В центре такой массы развивается давление в сотни миллиардов атмосфер, а температура достигает более 15 млн. градусов Кельвина. Пусковой температурой, с которой термохимические реакции перерастают в реакции термоядерного синтеза, является, как известно, температура 10 млн. градусов Кельвина. С этого момента тело вступает на звездный путь эволюции.
Концепция полностью водородного состава Солнца была выведена из анализа звездных атмосфер. Их преимущественно водородный состав был перенесен и на весь объем Светила. В этой модели мы встречаемся с теми же трудностями, что и при реконструкции истории планет. Не ясно, как и почему произошла фрагментация гетерогенного по составу материнского облака на газовую и твердомонолитную фракции и каким образом легчайший газ водород был сконденсирован в самую большую массу, в то время как на строительство планет пошел более тяжелый железокаменный материал? Механизм конденсации центральной и периферийных масс был неизбежно общим. Различным было лишь количество вещества, заключенное в области гравитационного захвата каждой из спиралей (см. гл. XV), т. е. конденсация главной массы системы происходила по тем же законам, что и конденсация планет, особенно на начальной стадии аккреции.
Центром конденсации быстро вращающейся туманности стали наиболее крупные и массивные фрагменты реликтового материала преимущественно металлического состава, обедненные радиоактивными элементами. Они образовали гигантское металлическое ядро будущей звезды, которое стало центром стремительной аккреции газопылевой фракции небулярного облака. Вращение прототуманности и растущего зародыша не должно было быть большим. В противном случае центробежные силы, уравновешивая силы гравитационного притяжения, помешали бы конденсации масс. Так, при несоблюдении неравенства Пуанкаре w < 2pGr, где w – угловая скорость вращения тела; r – средняя плотность вещества, конденсация не состоится совсем. По этой же причине физически никак не обосновывается конденсация в звездную массу легчайшего водорода. Так, по закону Стокса, железные частицы материнского облака будут падать на поверхность ядра в миллионы раз быстрее силикатных и тем более газовых.
После образования крупного металлического ядра, масса которого во много раз превышала массу Земли, процесс гравитационного захвата частиц неизбежно принял лавинообразный характер. Первоначально он сопровождался выделением большого количества тепла при столкновении особенно крупных частиц с поверхностью массивного ядра, достаточного для расплава формирующейся оболочки. По мере вычерпывания материнского облака в главном витке спирали туманности размеры падающих частиц и их масса постепенно уменьшались. Вместе с ними уменьшалась и кинетическая энергия захватываемых частиц, поэтому верхние слои протосолнца формировались холодными.
Таким образом, первоначальная структура протосолнца мало чем отличалась от современного Юпитера, кроме, конечно, размеров. Над мощным металлическим ядром располагалась зона расплава, перекрытая холодной внешней оболочкой. По мере возрастания гравитационного сжатия, происходившего не только за счет наращивания массы, но и благодаря уменьшению угловой скорости вращения протосолнца за счет роста радиуса и тормозящего эффекта магнитного поля, появившегося одновременно с образованием внешнего жидкого ядра, возникли благоприятные условия для запуска термохимического реактора взаимодействия дигидритов и пероксидов металлов. Процесс этот термодинамически был возможен лишь на внешней границе расплава или даже в верхней оболочке. Он должен был инициировать мощный вулканизм. Горячая газовая атмосфера на десятки тысяч километров простиралась над поверхностью протосолнца. По мере возрастания гравитационного сжатия и роста температуры за атомный порог 10 млн. градусов Кельвина химические процессы стали перерастать в термоядерные. Как известно, наиболее вероятна в термодинамических условиях протосолнца реакция превращения четырех ядер атомов водорода в гелий с выделением энергии, реакция протон-протонного (РР) цикла:
4Н ® 4Не + 28,5 Мэв.
Только за счет гравитационного сжатия время активной жизни Солнца было бы не более 30 – 40 млн. лет. Однако в последние годы стало известно, что кроме протон-протонной реакции при более низких температурах порядка 1×106 К могут идти реакции протонов с ядрами легких элементов – дейтерия, лития, бериллия и бора – типа
6Li + 1H ® 3Не + 4Не. Поэтому на самых ранних стадиях существования Солнца, когда температура под действием силы тяжести в сжимающейся звезде достигла 1 млн. градусов Кельвина, первые ядерные реакции начинались на легких ядрах. По мере их выгорания и теперь уже более быстрого роста температуры до атомного порога 10 млн. градусов Кельвина включаются реакции РР-цикла.
Если исходить из гипотезы полностью водородного состава Солнца, то при наблюдаемой энергии излучения время активной жизни его составит:
лет,
где М0 = 2×1030 кг, I0 = 4×1026 Вт.
Этот вывод, кстати, приводимый в учебниках, явно неприемлем, так как продолжительность излучения светила оказывается сравнима или даже больше времени существования самой Метагалактики. Кроме того, полная расчетная мощность излучения водородного Солнца оказывается много выше наблюдаемой (3×1027 Вт против 4×1026 Вт). Это значит, что кроме водорода вещество Солнца содержит значительное количество других элементов, не участвующих напрямую в реакции ядерного синтеза, – это металлическое ядро, различные катализаторы и др. Если же исходить из представлений об универсальности строения протовещества Солнечной системы, тогда количество водорода в общей массе протосолнца должно быть не более 2% (Кесарев, 1976). В этом случае масса Н2 будет 4×1031 г и при наблюдаемой мощности излучения 4×1041 эрг/год его продолжительность составит 4×109 лет. Возраст Солнца сегодня оценивается в 5×109 лет. Спрашивается, как соотнести эти цифры? Почему светило не погасло?
Дело в том, что Солнце, как мы видели, не сразу стало звездой. Первые примерно 500 млн. лет ушли на формирование туманности, аккрецию массы, запуск и развитие термохимических реакций и краткую протопланетную стадию развития. Переход термохимической реакции в термоядерную также произошел не сразу и не повсеместно в гигантской массе протосолнца.
Само время протон-протонного цикла занимает не менее 1 млн. лет. Постепенное вовлечение в него все больших масс вещества сопровождалось нагреванием и последующим проплавлением всей вышележащей плотной оболочки с постепенным замещением холодной газовой атмосферы горячей плазменной за счет выносимого к поверхности все большего количества лучистой энергии. В ходе этого процесса Солнце из протопланетной стадии стало переходить в протозвездную стадию развития. В ходе эволюции оно неизбежно должно было пройти по меньшей мере три стадии – красного спектрального класса с температурой поверхности 3500 К, оранжевого спектрального класса с температурой 5000 К и, наконец, современную стадию – желтого спектрального класса с температурой поверхности 6000 К. Мы уже говорили, что смена последней стадии предположительно произошла 350 млн. лет назад в карбоновый период, вызвав на Земле повсеместное бурное развитие наземного растительного мира. Таким образом, из своих 5 млрд. лет жизни Солнце первые примерно 500 млн. лет находилось в дозвездной стадии. Значит, ему остается пребывать в стадии светящейся звезды около нескольких сот миллионов лет. Такова характерная продолжительность жизни звезд-карликов, к каковым относится наше светило. Вот уж действительно: звездами не рождаются, а становятся, и путь этого становления довольно долог.
Остановимся еще на одном принципиальном вопросе – о месте, где возможны ядерные реакции. Распространенно мнение, что они идут в центре звезды, некоторые авторы (Кесарев, 1976) предполагают их зарождение в атмосфере звезды. Если быть последовательным, то, согласно изложенной здесь схеме эволюции протосолнца, широкомасштабные термоядерные реакции стационарного характера не могут идти ни в ядре, ни в атмосфере звезды. Ядро состоит из металлов и поэтому не содержит необходимого количества водорода, а в верхних слоях оболочки и в атмосфере Солнца давление еще невелико. Поэтому температура здесь много ниже атомного порога 10 млн. градусов. Следовательно, существует термодинамически обусловленная зона между ядром и оболочкой звезды, где давление обеспечивает необходимый атомный порог (107 К) и выше. Этим замечанием мы еще раз хотим подчеркнуть мысль о том, что между планетой и звездой, особенно на начальной стадии, лежит не пропасть, а «всего лишь» различие масс!
Тем не менее внеатмосферные исследования с американского спутника «OSO-7» обнаружили во время ярких вспышек на Солнце признаки ядерных реакций образования дейтерия из протонов и нейтронов и аннигиляцию электронов с позитронами. Вероятно, не следует придавать этому атмосферному синтезу большого значения. Он носит ограниченный (например, спикулами) и эпизодический характер. В противном случае атмосфера Солнца в результате всеобъемлющих ядерных реакций давно бы расширилась, достигнув орбиты Земли.
Гравитационная энергия в теле с массой около 0,02 солнечной в состоянии инициировать термоядерные процессы экзотермического характера. В телах меньшей массы термохимические процессы не переходят в ядерные вследствие недостаточности гравитационной энергии сжатия.
Рис. 109. Энергетика космических тел в зависимости от их массы |
Таким образом, чем больше исходная масса амфотерного тела, тем выше его энергетический потенциал. Поэтому энергетическое состояние космических объектов в общем виде можно записать в функции массы: Е = f(М). Уравнение хорошо иллюстрирует рис. 109, где по горизонтальной оси отложены значения масс, характерные для метеоритов, астероидов, комет, планет и звезд, а по вертикали – их относительная энергетическая активность. Эта функция зависит от времени и от количества прореагировавшего вещества.
Каково будущее Солнечной системы? Не приходится сомневаться, что ее дальнейшая история всецело зависит от продолжительности звездного этапа активности светила. Если на начальном этапе аккреции мы видим много общего в становлении планет и Солнца, то в дальнейшем, с запуском в одной системе термохимического, а в другой – термоядерного реакторов их пути эволюции и финал становятся существенно различными.
По мере выработки протовещества и финальной океанизации (криогенизации – для внешних планет) внутренняя активность планет будет падать и они постепенно превратятся в обезвоженные, холодные, безжизненные тела.
По мере выработки протовещества на Солнце, где стационарность энергоизлучения поддерживается равенством сил гравитационного сжатия F0 и газового противодавления Р0, направленного из центра:
F0 = Р0 – сила F0 превысит силу Р0 и равенство их нарушится: F0 >> Р0. Больше не сдерживаемые газовым давлением верхние оболочки звезды под действием силы тяжести рухнут на металлическое ядро – возникнет коллапс звезды. В результате понизившаяся было температура вновь повысится до 108 К, а внешняя газовая оболочка вместе с остатками испарившейся твердой оболочки расширится до орбиты Земли. В центре системы обнажится горячее белое ядро Солнца – белый карлик. Энергетика коллапсирующей звезды столь велика, что ударная волна взрыва может обратить в космическую пыль всю планетную систему. Начнется ли в дальнейшем акт нового творения – мы никогда не узнаем. Можно лишь напомнить, что, по современным данным изотопных исследований метеоритов (Рудник, Соботович, 1984), наше Солнце – звезда третьего поколения. Это значит, что наша система построена из осколков прошлых миров.
Таким образом, если исходить из представлений о единстве химического состава протовещества во всех объектах Солнечной системы и окружающем космическом пространстве, то намечаются два пути его развития – звездный и планетный. В основе каждого из них лежат не различия химического состава исходных космических образований, а различие масс.
Особенности термодинамики недр планетных тел способствуют развитию лишь термохимических процессов разложения протовещества. В массивных протозвездных телах вследствие более высоких давлений и температур термохимические реакции на определенном этапе перерастают в термоядерные.
Как было установлено (Орлёнок, 1980, 1985), одной из интересных особенностей планетного типа развития протовещества является спонтанная (т. е. не зависящая от внешних условий) дегидратация недр, наступающая в финале эволюции системы. Внешним проявлением этого процесса будет океанизация – в условиях, близких к земным, или криогенизация поверхности удаленных от Солнца планет и их наиболее крупных спутников, на которых возможен запуск термохимического реактора.
Видимо, идет близкий к протопланетной форме процесс эволюции в начальной стадии развития звезд с массой, близкой к солнечной и меньше ее. До запуска термоядерного реактора синтеза на легких элементах при температуре в недрах протозвезды меньше 107 К неизбежен первоначальный запуск термохимического реактора, которым вслед за сжатием и начинается разогрев протозвездных недр выше центрального металлического ядра.
Лишь после того как эти реакции, давление и начавшийся синтез на легких элементах запустят реакции протон-протонного цикла и они примут всеобъемлющий, стационарный характер, эволюция протовещества переходит на звездный путь развития. Следовательно, планеты не становятся звездами вследствие недостатка сконцентрированных в них масс вещества. Вот почему Земля не стала звездой. Но, как мы знаем, Юпитеру, например, не хватило немного до 0,02 М0, чтобы стать звездой. Это, по существу, несостоявшаяся вторая звездная система рядом с Солнечной.
И, наконец, можно было бы выделить еще один тип эволюции протовещества – кометный, объединяя под этим названием системы малой массы. Сюда входят также метеориты, небольшие астероиды и спутники планет. В таких системах РТ-условия внутри их тел практически не отличаются от термодинамики на поверхности и, следовательно, температура недр не превышает несколько десятков градусов Кельвина.
Некоторые изменения ударного и термохимического характера на малых телах отмечены лишь на их поверхности – за счет столкновения с метеорным веществом, нагревания солнечным теплом и т. д. Поэтому правильнее было бы говорить не о кометном типе эволюции протовещества, а о кометном типе его состояния. Правда, газопылевые кометные льды в конце концов распадаются, но это не меняет существа вопроса.
