Глава XV. Ранняя история солнечной системы (стр. 2 )

Судя по многочисленным кратерам различного диаметра (от долей метра до десятков километров), наблюдаемых на планетах и их спутниках, в поясе астероидов сохранилась лишь малая часть их первоначальной гигантской массы.

Какую же информацию дают нам астероиды и метеориты о составе первичного вещества небулярного облака?

Все известные метеориты в зависимости от состава разделяются на три основных класса: каменные, железокаменные и железные. Наибольшее распространение – 85% из общего числа известных – имеют каменные метеориты, подразделяющиеся на хондриты и ахондриты и состоящие преимущественно из силикатных минералов. Железные метеориты встречаются значительно реже (6%), они состоят из никелистого железа. Железокаменные метеориты (1,5%) сложены силикатным материалом и никелистым железом. Они подразделяются на мезосидериты и палласиты. Первые состоят преимущественно из силикатов с рассеянными по всему объему зернами никелистого железа. Вторые – преимущественно из железоникелевого сплава с вкраплением зерен силикатов, в основном оливина.

Большинство из 70 обнаруженных в метеоритах минералов встречается в земной коре и, как правило, характерно для глубинных магматических пород. Как мы увидим дальше, верхи земной коры представляют собой сильно измененное и переработанное первичное вещество.

Наиболее примитивны по составу хондриты. Хондры – это сферические образования разного диаметра (от долей миллиметра до нескольких миллиметров), представленные силикатом или стеклом, они имеют высокую плотность – 3,5 г/см3. Подобных образований на Земле нет. Они могли возникнуть в условиях высокотемпературной части прототуманности путем конденсации и последующего слипания тугоплавкой фракции вещества или кинетически – путем соударения с другими частицами вещества.

Особым типом хондритов являются углистые хондриты. Это черные и серовато-темные камни, представленные мелкозернистой массой с вкрапленными хондрами. В них обнаружены органические соединения. Замечательно, что химический состав углекислых хондритов оказался наиболее близок химическому составу нелетучей части вещества в атмосфере Солнца. Это значит, что в формировании массы протосолнца значительная роль принадлежит углистым хондритам.

Другая, большая, группа метеоритов – ахондриты – имеет иную природу. Это массивные кристаллические образования, лишенные хондр, подобны земным изверженным магматическим породам. Они представляют собой фрагменты более крупных родительских тел – типа крупных астероидов, испытавших некоторую химическую дифференциацию.

Металлическая фаза железных метеоритов, по современным представлениям, возникла в условиях высоких температур и давлений – до 100 тыс. атм. Такое давление реализуется в планетных телах радиусом порядка 2000 км. Однако возможно формирование железной фазы в высокотемпературной части протосолнечного облака с последующим слипанием конденсата.

Нельзя также исключить и реликтовый характер части железных метеоритов – как фрагментов звездного или планетного вещества от прошлых систем, находившихся в межзвездном пылегазовом облаке. В пользу такого заключения свидетельствуют изотопные аномалии некоторых элементов (Рудник, Соботович, 1984).

Третья группа факторов, позволяющих приоткрыть завесу над тайной первичного состава досолнечного небулярного облака, основывается на данных изучения изотопного состава элементов, слагающих вещество Солнечной системы.

Самым сильным доказательством того, что Солнце – звезда по меньшей мере второго поколения, является широкое распространение на Земле и в Солнечной системе (на метеоритах), Луне тяжелых элементов трансуранового ряда, а также самого урана, тория и др. Их образование возможно лишь в конце жизни звезды при взрыве так называемой сверхновой. По современным представлениям, сверхновые – это старые звезды, содержащие большое количество тяжелых элементов. Следовательно, протосолнечная газопылевая туманность включала в себя вещество какой-то разрушившейся звездной системы. Она пребывала в относительно устойчивом равновесии до того, как испытала мощное облучение звездным ветром сверхновой, взорвавшейся в ее окрестностях. Наличие в веществе различных тел Солнечной системы изотопных аномалий продуктов распада других, более короткоживущих элементов позволяет предположить, что до финального взрыва сверхновая в процессе своей эволюции и нуклеосинтеза неоднократно коллапсировала и за счет последовательно сбрасываемых оболочек пополняла веществом пылегазовую туманность. При этом в результате возникшей неустойчивости отдельные частицы могли сближаться, образуя более крупные фрагменты, что до финального взрыва поддерживало относительную устойчивость этой туманности.

Таким образом, материнское досолнечное облако представляло собой сложную систему из пылевого, газового материала и более крупных фрагментов типа метеоритов древнего возраста и вещества сверхновой, ассимилированной туманностью в более позднее время. Это гетерогенное разновозрастное вещество и явилось исходным материалом для построения Солнечной системы.

§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 = Iw = 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.