Мыслящая Вселенная

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПЛАНЕТ

Происхождение и эволюция планет для проблемы внеземных цивилизаций являются одними из самых главных. К сожалению, сегодня мы не имеем полной ясности по данному вопросу. На первый взгляд это парадоксально, поскольку планеты находятся почти рядом по сравнению со звездами. Более того, на одной из них мы живем. Тем не менее мы знаем значительно больше о происхождении и эволюции звезд, чем планет. Главная причина такого парадоксального положения состоит в том, что планеты (за исключением планет нашей Солнечной системы) мы пока что не могли наблюдать. А жизнь звезд мы поняли потому, что можем наблюдать ее на разных этапах их эволюции. Мы наблюдаем не жизнь одной звезды (для этого нам не хватит ни своей жизни, ни жизни нашей цивилизации), а одновременно жизни многих звезд, часть из которых рождается, часть находится в цветущем, а часть — в преклонном возрасте. Из этих наблюдений несложно нарисовать картину жизни одной звезды от ее рождения до ее смерти, что выше и было сделано. О планетах этого сказать мы не можем. Так что же сегодня мы знаем о происхождении планет?

Образование планет является частью процесса образования звезд или же очень тесно связано с ним. Как известно, звезды рождаются не поодиночке, а сразу целыми коллективами, скоплениями. Исходным материалом является облако межзвездной среды. Масса такого облака очень большая, она превышает в много тысяч раз массу Солнца. Чтобы такое облако начало сжиматься, необходимо, чтобы его плотность была больше некоторой критической величины. Способствовать увеличению плотности облака могут некоторые процессы, которые приведут к уплотнению вещества облака. Одним из таких процессов могут быть ударные волны, образующиеся при взрывах Сверхновых звезд, если они происходят не очень далеко от облака. Если бы все вещество облака сконденсировалось в один комок, то образовалась бы звезда-гигант, каких не бывает. Этого не происходит потому, что сжимающееся облако по мере своего сжатия распадается на более мелкие кусочки, сгустки, из которых впоследствии образуются звезды и планеты. Фундаментальными характеристиками тела являются его размер, форма и масса. Но когда речь идет о вращающемся теле, то такой фундаментальной характеристикой является его момент количества движения. Он определяется массой тела, его скоростью и удалением центра массы тела от точки, вокруг которой оно вращается. Если умножить эти три характеристики, то получим момент количества движения. Если данное облако межзвездной среды, имеющее определенный момент количества движения, является изолированным, то его момент должен сохраняться постоянным. Если облако распадается на отдельные сгустки, то сумма моментов количества движения всех сгустков, образовавшихся из облака, должна быть равна моменту количества движения изначального облака. Если же облако не изолированно, то часть своего момента количества движения оно может передавать другому телу, с которым оно взаимодействует. Естественно, оно может не только передавать, но и получать определенный момент количества движения от этого тела. Проиллюстрируем распределение количества движения на примере Солнечной планетной системы. Если массу всей Солнечной планетной системы принять за 100 %, то масса Солнца составляет 98 %, а массы всех планет составляют всего 2 %. В то же время момент количества движения Солнечной системы распределен так: 98 % его связано с движением планет по своим орбитам, и только 2 % вносит самое массивное в этой системе Солнце. Звезды вращаются с различными скоростями. Скорости вращения некоторых звезд в 200 раз больше скорости вращения Солнца. Но оказалось, что звезда изменяет скорость своего вращения в процессе своей эволюции не непрерывно, а в определенный момент этой эволюции скорость меняется скачком. Момент количества движения звезды с изменением скорости ее вращения будет также меняться. Быстрее вращаются массивные звезды. Малые звезды вращаются медленнее. Если звезда в процессе своей эволюции проходит момент, когда температура ее поверхности составляет около 6 тысяч градусов, скорость ее вращения резко (практически скачком) уменьшается. В этот «момент» происходит следующее: от звезды отделяются «куски» и уносят с собой часть ее момента количества движения. Поэтому звезда после этого вращается медленнее. Это можно проиллюстрировать на примере Солнечной системы. Если бы планеты составляли с Солнцем единое тело, то оно должно было бы вращаться со скоростью в 50 раз большей, чем сейчас, когда планеты являются самостоятельными объектами. Открытие того факта, что горячие звезды вращаются значительно быстрее холодных карликовых звезд, говорит о том, что у последних должны быть планетные системы.

Следовательно, образование планет можно представить себе следующим образом. Уже было сказано, что облако межзвездной среды сжимается (конденсируется) под действием силы гравитации только в том случае, если его плотность больше некоторой критической величины. Пока она остается меньше этой величины, сжатия не происходит. Поэтому только незначительная часть таких облаков, масса которых во много тысяч раз больше массы Солнца, испытывает гравитационное сжатие. Первоначальному уплотнению облака способствуют ударные волны и другие процессы, способные стимулировать звездообразование. На некотором этапе это очень массивное облако распадается на куски, сгустки. Каждый из таких сгустков является строительным материалом для создания звездной планетной системы, состоящей из центральной звезды и вращающихся вокруг нее планет. В самом начале вращательный момент такого сгустка очень большой, поскольку составляющий его газ быстро и беспорядочно движется. В результате этого движения газа сгусток приобретает форму диска, радиус которого в десятки раз больше расстояния между Землей и Солнцем. Далее этот довольно плоский диск видоизменяется: в нем образуются отдельные кольца, состоящие из газа. Затем каждое из образованных колец постепенно превращается в большой газовый сгусток. Именно из этих сгустков впоследствии образуются планеты, поэтому их назвали «газовыми протоплане-тами». Но пока что это не планеты, а огромные облака. Если бы такое облако находилось на месте Земли, то оно касалось бы Солнца. Далее эти облака-протопланеты сжимаются, температура газа растет. В центре облака она может достигнуть 3–4 тысяч градусов. Вещество внутри становится жидким. На более поздней стадии эволюции туманности в центральной ее части образовалась центральная звезда системы.

Анализ эволюции облака межзвездного газа показывает, что не может из него образоваться одна звезда (без планет или без другой парной ей звезды), потому что должен сохраниться постоянным, неизменным вращательный момент облака. Это было бы возможно в том случае, если бы вращательный момент первичного облака был очень мал. Но если такие облака и есть, то их очень мало, не более 10 %. Основные же в конце концов должны эволюционировать или в двойные звезды, или в планетные системы (со звездой в центре). Специалисты приходят к выводу, что примерно пятая часть звезд имеет планетные системы. И.С. Шкловский разделяет эту точку зрения: «Развитие современной наблюдательной астрономии естественно приводит к выводу о множественности планетных систем во Вселенной».

НАША ГАЛАКТИКА

Многие из нас наблюдали на небе Млечный Путь — пересекающую звездное небо неярко светящуюся полосу. Он кажется нам где-то там, далеко. На самом деле наша планета находится внутри этого семейства звезд. Млечный Путь — это наша Галактика.

Первым из астрономов нашего времени, кто понял, что Млечный Путь не просто большое скопление звезд, а единая звездная система, был английский астроном Уильям Гершель (1738–1822). С помощью изготовленных им телескопов он проводил систематические обозрения звездного неба, исследовал звездные скопления, двойные звезды и туманности. Обобщив полученные данные, ученый убедился в том, что на небе можно наметить большой круг, который рассекает все небо на две равные части таким образом, что если приближаться к нему с любой стороны, то число звезд, которые попадают в поле зрения телескопа, неуклонно возрастает, а на самом круге число звезд становится наибольшим. Этот круг был назван галактическим экватором. Именно вдоль этого круга — галактического экватора стелется Млечный Путь. Эта светящаяся полоса звезд опоясывает небо.

Гершель пришел к выводу, что семейство звезд — Млечный Путь представляет собой диск, своего рода толстый блин, внутри которого находится и Земля. Однако доказательство этого было получено только в 1920-е годы, когда ученые обнаружили объекты, не входящие в нашу Галактику. Именно в это время было установлено, что спиралеобразные и некоторые другие туманности также являются звездными системами. Но эти системы находятся на огромных расстояниях от нас. По своему строению и размерам они сравнимы с нашей Галактикой. Но все эти системы-галактики (а их множество) очень разнообразны по форме и составу звезд.

То, что Земля находится внутри Галактики, для наблюдения звезд и хорошо и плохо. Хорошо потому, что облегчает исследование звезд, ведь все составные части Галактики у нас прямо «под рукой», во всяком случае, значительно ближе, чем составные части других галактик. Плохо же потому, что затрудняет исследование нашей же Галактики, ее строения. Его было бы легче исследовать, если бы можно было взглянуть на нее извне, как мы смотрим на другие галактики. Ясно, что легче составить план стеклянного сооружения, если его рассматривать извне, нежели если находишься внутри одной из ячеек этого сооружения. Проведенные разными астрономами исследования позволили составить достаточно детальную картину устройства нашей Галактики. Форма Галактики напоминает круглый сильно сжатый диск. Галактика имеет плоскость симметрии, которая разделяет ее на две равные части. Ось симметрии проходит через центр диска — Галактики. Она перпендикулярна к плоскости симметрии. В отличие от обычного диска, у Галактики нет четко очерченной границы. В Галактике звезды располагаются тем теснее, чем ближе данное место к плоскости симметрии Галактики. В самом центре Галактики плотность звезд максимальна. Здесь на каждый кубический парсек приходится несколько десятков звезд. Плотность звезд в центральной части Галактики в несколько сотен раз больше, чем в окрестностях Солнца. По мере удаления от оси и плоскости симметрии плотность звезд падает. Особенно она уменьшается при удалении от плоскости симметрии. Вид Галактики сбоку и сверху изображен на рисунках 1 и 2 соответственно.

Граница Галактики размыта. Поэтому точно определить ее можно только в том случае, если задать плотность звезд, которая характерна за пределами Галактики. Ученые договорились считать границей Галактики те места, где одна звезда приходится на 1000 кубических парсек пространства. Тогда диаметр Галактики приблизительно равен 30 000 пс, а толщина Галактики — 2500 пс. Из соотношения этих размеров видно, что Галактика является действительно сильно сжатой системой, поскольку ее диаметр в двадцать раз больше ее толщины. Можно сравнить размеры Галактики с размерами Солнечной системы. Свет проходит всю Солнечную систему за 12 часов, тогда как всю Галактику он проходит за сто тысяч лет.

Что касается Солнца, то оно находится практически полностью в плоскости симметрии Галактики. Но от центра Галактики Солнце находится далеко, на расстоянии около 10 000 пс. Это ближе к ее границе, чем к центру.

Количество звезд в Галактике огромно — оно превосходит сто миллиардов.

При измерении в спектрах звезд линий поглощения был обнаружен межзвездный газ. Это поглощение вызывалось межзвездным кальцием и межзвездным натрием. Как образуются эти линии? Кальций и натрий заполняют все пространство между наблюдателем и звездой, и через них проходит свет от звезд. Поскольку эти натрий и кальций никак не связаны со звездами, то линии поглощения, создаваемые ими, одинаковые для всех звезд. Кроме того, лучевая скорость, определенная по линиям межзвездного кальция и натрия, очень отличается от лучевой скорости, которая получается по линиям спектра, принадлежащим самой звезде.

Вначале в межзвездном газе обнаружили натрий и кальций. Затем обнаружили кислород, титан и другие элементы. Были обнаружены и некоторые молекулярные соединения: циан СN, углеводород СН и другие.

Плотность межзвездного газа определяется по интенсивности его линий. Измерения показали, что эта плотность очень мала.

Рис. 1. Млечный Путь (вид нашей Галактики сбоку)

В самом центре Галактики плотность межзвездного газа должна быть наибольшей. Но и здесь имеется всего по одному атому в объеме 10 000 см3. Сравним с плотностью воздуха в обычных земных условиях, которая составляет 2,71019 молекул на один кубический сантиметр.

Больше всего в межзвездном газе водорода. Но длительное время его не удавалось обнаружить. Это связано с особенностями физического строения атома водорода, а также с характером поля излучения в Галактике. Дело в том, что плотность излучения в Галактике очень мала. Это обусловлено большими расстояниями между звездами. Для сравнения укажем, что если убрать излучение Солнца, отраженный свет от Луны, все планеты и вообще все источники

света на Земле, то остается примерно такое же излучение, как в Галактике. Это излучение исходит от звезд. А раз мало излучения, мало фотонов (квантов), то и мала вероятность того, что они поглотятся атомами и молекулами межзвездного газа. Тем более что этих атомов и молекул также очень мало. Есть еще одно ограничение — это энергия кванта. Она должна быть определенной для того, чтобы ее поглотил атом или молекула. Если энергия кванта велика, то атом ионизируется, то есть энергия кванта уходит на отрыв от атома орбитального электрона. Если же энергия кванта невелика и ее не хватает на отрыв электрона от атома, то атом поглощает эту энергию, в результате чего атом возбуждается. Это значит, что орбитальный электрон покидает свое постоянное стабильное место и переходит на другую орбиту. Такой атом уже не стабилен, а возбужден. Он со временем может вернуться в стабильное, устойчивое состояние, но для этого ему надо избавиться от той энергии, которую он поглотил. Иными словами, при переходе в свое устойчивое, основное состояние атом должен из-