Р.Ровинский

Развивающаяся Вселенная


Universe 3.3 Universe 3.4 Contents Home Page

 

3.3 Солнечная система как "малая часть звездной пыли"
[Продолжение]

Вернемся к рассматриваемой модели. Она рисует такую захватывающую воображение картину, предшествовавшую образованию планет. Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженную замагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца вырывались протуберанцы, эти плазменные токовые выбросы, формируемые с участием магнитных полей. Но в те времена выбросы имели протяженность порядка нескольких миллиардов километров, они достигали орбиты Плутона. Токи в них оцениваются величинами в сотни миллионов ампер. При таких токах идут процессы пинчевания – стягивания плазмы в узкие каналы. Поэтому плазма сверхкороны обладала волокнистой структурой. С токовыми каналами-шнурами связаны многочисленные неустойчивости, образование двойных зарядовых слоев, прерывающих токи и магнитные силовые линии. В местах разрывов временами возникали электрические пробои, сопровождавшиеся взрывами, они вытесняли плазму и создавали области глубочайшего вакуума, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути своего следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и крайне неравновесной. На фоне мощных магнитодинамических и других плазменных процессов гравитационные эффекты теряли ведущую роль. Любая модель образования планетной системы не может игнорировать эти эффекты.

Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частички вещества под действием гравитации ускоренно падали к центральному телу. Они практически не взаимодействовали с разреженной плазмой короны. Но на пути их скорость увеличивалась до критического значения vkp, при котором кинетическая энергия частицы Еk становилась равной энергии ионизации вещества Еi = eVi (е -заряд электрона, а Vi - потенциал ионизации материала частицы). Тогда частица ионизовывалась, обретала электрический заряд, что сразу же меняло характер ее взаимодействия с плазмой. Заряженная частица энергично тормозилась в плазме и захватывалась волоконной структурой. Критическая скорость, при которой совершается захват частицы, определяется соотношением:

vkp = (2eVi / ma)1/2 ,

где ma – масса частицы сорта "а". Из соотношения видно, что в процессе захвата частиц происходит некоторая их дифференциация из-за различия в скоростях vkp. А различие в скоростях возникает из-за различия масс и различия химической природы частиц, выражающегося в данном случае через потенциал ионизации Vi. Соответственно торможение и захват частицы в зависимости от ее скорости произойдет на разных расстояниях от центрального тела, то есть с самого начала имелись предпосылки для дифференциации допланетного облака по химическому и весовому составу частиц. В конечном счете выделились три-четыре концентрические области, плотности частиц в которых примерно на 7 порядков превышали их плотности в промежутках.

Существование критической скорости, по достижению которой нейтральная частица, движущаяся ускоренно в разреженной плазме, скачком ионизуется, подтверждено лабораторными экспериментами. Оценочные расчеты показывают, что предлагаемый "механизм выпадения вещества" способен обеспечить накопление необходимого для образования планет его количества за сравнительно короткий срок, порядка ста миллионов лет. Так что предложенный Альвеном и Аррениусом путь образования протопланетной массы вещества конкурентоспособен по отношению к другим предлагаемым сегодня механизмам. Например, по отношению к предполагаемому образованию планет около звезды из изначально возникающего около нее газопылевого диска. В дальнейшем в образовавшемся в результате выпадения вещества протопланетном облаке протекали два важных процесса: шла передача момента количества движения от центрального тела в сверхкорону, а из плазмы выпадали (конденсировались) зерна нелетучих веществ. В рассматриваемой модели эти процессы описываются так. Магнитные поля и токовые шнуры стали "приводными ремнями", через которые момент количества движения центрального тела передавался в плазму. Ранее Хойл и Викрамасингх разработали магнитодинамический механизм передачи момента количества движения от Солнца в протопланетное облако. В их теории плазма облака предполагалась однородной, с "вмороженными" в нее магнитными силовыми линиями. Авторы рассматриваемой нами гипотезы показали, что такие исходные посылки недостаточны и основанная на них теория в лучшем случае может рассматриваться как "первое приближение". В предлагаемой ими новой модели развивается "второе приближение", в упрощенном изложении выглядящее так.

Сверхкорона, по мере накопления в ней выпадающего вещества, начинает отставать в своем вращении от вращения центрального тела. Различие угловых скоростей вращения порождает взаимодействие магнитного поля звезды с плазмой, известное как процесс изоротации Ферраро. Этот процесс возникает в результате стремления к выравниванию угловых скоростей взаимодействующих объектов, он заставляет плазму вращаться быстрее, а центральное тело замедлять скорость своего вращения. Ускорение плазмы увеличивает центробежные силы, оттесняя ее от звезды. Между центральным телом и плазмой образуется область с очень низкой плотностью вещества, и одновременно, из-за разделения в этом пространстве зарядов, в нем возникает двойной зарядовый слой, прерывающий магнитные силовые линии звезды. Тем самым прерывается процесс изоротации. Возникает временное квазиустойчивое состояние, определяемое условием равенства гравитационной и центробежной сил. Такое состояние благоприятствует процессу конденсации нелетучих веществ путем их выпадения из плазмы в виде отдельных зерен. Достигнув определенной массы, зерно получает от плазмы импульс и далее движется по кеплеровской орбите, унося с собой часть момента количества движения. В результате сверхкорона опять начинает отставать от вращения звезды, вновь возникает процесс изоротации, он ведет к передаче новой порции момента количества движения от звезды в плазму и т. д.

Выпавшие зерна, захватив часть момента количества движения, следуют вокруг Солнца по пересекающимся эллиптическим орбитам. Множественные неупругие соударения, происходящие между ними в поле тяготения центрального тела, сопровождаются обобщением кеплеровских орбит большой группы таких частиц. Их эллиптические орбиты превращаются в почти круговые, лежащие в плоскости эклиптики. Теория предсказывает, что движение большого числа сталкивающихся частиц в ньютоновском поле тяготения, в конечном счете, приводит к образованию самосжимающихся струйных потоков, имеющих форму тороидов. Струйный поток захватывает все частицы, которые с ним сталкиваются, эти частицы включаются в поток, внутри которого их скорости быстро уравниваются с его внутренней скоростью. Затем, при участии магнитных сил, электрической поляризации и статических зарядов частиц, происходит слипание зерен в зародышевые ядра. К ядрам продолжают прилипать частицы, что позволяет им со временем разрастись до крупных тел, называемых планетезималями, а объединение последних создает планеты. Как только планетное тело оформится настолько, что у него появляется достаточно сильное собственное магнитное поле, начинается процесс образования спутников, в миниатюре повторяющий то, что произошло при образовании планет возле Солнца. Процесс "слипания" зерен получил название аккреции. В начале 40-х годов О.Ю.Шмидт разработал математическую теорию аккреции и прочно ввел в обиход представление об этом процессе как об основе "холодного" способа образования планет Солнечной системы. Эта математическая разработка не потеряла своей актуальности и в наши дни.

Как правило, вторичные тела образуются в состоянии резонанса друг с другом и с первичным телом. На это указывает распространенность в Солнечной системе резонансных структур, характеризуемых соизмеримостью периодов их обращения вокруг Солнца и вращения вокруг своих осей. Резонансным же структурам присуща высокая устойчивость, стабилизирующая Солнечную систему в целом на очень длительные промежутки времени.

Модель Альвена и Аррениуса с общих подходов шаг за шагом объясняет основные процессы образования и особенности устройства Солнечной системы. В ее контексте пояс астероидов – это струйный поток, в котором из-за нехватки выпавшего вещества процесс планетообразования прервался на стадии образования планетеземалий. Кольца у крупных планет – остаточные струйные потоки, оказавшиеся слишком близко к первичному телу и попавшие внутрь так называемого предела Роша, где гравитационные силы могучего "хозяина" столь велики, что не позволяют образоваться устойчивому компактному вторичному телу. Метеориты и кометы, согласно модели, формировались на окраине Солнечной системы, за орбитой Плутона. В удаленных от Солнца областях плазма суперкороны была слишком разреженной, в ней механизм выпадения вещества еще работал, но струйные потоки, способные породить планеты, не могли образоваться. Слипание выпавших там частиц привело к единственно возможному результату, к образованию кометных тел. В 1950 году известный голландский астроном Оорт высказал на основании наблюдательных данных предположение, что на периферии Солнечной системы существует могучий резервуар кометных тел. Случайные возмущения вырывают из него одиночные кометы, движущиеся по вытянутым орбитам вокруг Солнца. К 1981 году это предположение было уточнено и дополнено, теперь оно выглядит так. В Солнечной системе существует два кометных облака, называемых именем Оорта. Внутреннее облако удалено от Солнца примерно на две тысячи а.е., в нем содержится порядка 1013-1014 кометных тел. На удалении от Солнца порядка 104-105 а.е. расположено внешнее облако Оорта, в котором запасено комет на два-три порядка меньше, чем во внутреннем «банке». Здесь проходит граница, отделяющая Солнечную систему от межзвездного пространства. Между облаками расположена разделительная зона, в которой кометы отсутствуют. Не вдаваясь в обсуждение этой пока еще гипотезы, отметим, что облака Оорта хорошо вписываются в модель Альвена и Аррениуса.

А как обстоит дело с приложением основополагающей идеи о едином процессе образования вторичных тел возле первичного применительно к появлению спутников возле планет? Здесь выявляются трудности, носящие двойственный характер. По отношению к планетам земной группы гипотеза не может объяснить, почему спутником Земли стала Луна, а спутниками Марса – Фобос и Деймос. В своей книге Альвен и Аррениус посвятили специальную главу загадке происхождения Луны. В отличие от Меркурия и Венеры, у которых слабые собственные магнитные поля, магнитное поле Земли достаточно сильное, чтобы около нее, согласно гипотезе, образовалась планетная система из пяти маленьких спутников. Вместо них спутником Земли стала планетоподобная Луна. Авторы выдвинули предположение, что формирование Луны началось в своем струйном потоке, где она образовывалась как полноценная планета. Но близость этого струйного потока к более мощному земному струйному потоку привела к их взаимодействию, завершившемуся захватом протолуны протоземлей и их формированием в совместном процессе. Вторжение протолуны в околоземное пространство прервало процесс формирования "естественной" спутниковой системы Земли и вместо нее появилось сообщество планеты с планетоподобным спутником. Вряд ли нарисованную картину можно признать убедительной. Существует несколько других гипотез о происхождении Луны, их я коснусь несколько позже. К сказанному остается добавить еще одну загадку происхождения спутников у планет земной группы – загадку спутников Марса. С точки зрения гипотезы Альвена и Аррениуса, суть этой загадки в том, что магнитное поле Марса слишком слабое, чтобы около этой планеты могли появиться какие бы то ни было спутники. Предположение же о захвате Марсом двух астероидов выглядит правдоподобно, но наталкивается на трудности объяснения такого события, пока не преодоленные.

Спутниковые системы планет-гигантов хорошо развиты и укладываются в гипотезу Альвена – Аррениуса. В последние годы благодаря усовершенствованию наземных методов наблюдений и, особенно, благодаря космическим аппаратам "Вояджер", побывавшим в непосредственной близости от этих планет, на Землю поступил мощный поток новых сведений о них и их спутниках. Открыты новые спутники у Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Уточнены химические составы планет и выявлены определенные отличия, говорящие о том, что химическая дифференциация протопланетного облака носила более сложный характер, чем предполагали раньше. Получены сведения о разнообразии химических составов и рельефов у наиболее крупных спутников планет и многое другое. Обработка поступивших материалов еще не завершена и подводить итоги рано. Но некоторые заключения, указывающие на определенную структурную общность, как спутниковых систем, так и Солнечной системы как целого, можно отметить. Во-первых, во всех случаях максимумы концентрации летучих веществ (водорода и гелия) приходятся на само первичное тело, будь то Солнце, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, и на периферийную часть системы. На некотором удалении от первичного тела отмечается минимум концентрации летучих веществ и в нем расположены наиболее плотные планеты или спутники. Во-вторых, на долю первичного тела всегда приходится более 98% общей массы системы. В-третьих, имеются признаки того, что планетные и спутниковые тела образовались в процессе аккреции частиц вплоть до окончательного оформления планеты (спутника).

Изучение внутренних планетных систем только начинается. Результаты, полученные до настоящего времени, в целом не противоречат допущению о существовании единого механизма образования вторичных тел около первичных. Но модель Альвена-Аррениуса выдвигает определенные требования к параметрам молодого Солнца – его размерам, величине магнитного поля и другим. Так, механизм передачи момента количества движения от Солнца к протопланетному облаку мог функционировать при условии, что магнитный момент Солнца превышал 6,5 * 1038 Гс * см3. Это очень большая величина и при современных размерах Солнца ему соответствует напряженность магнитного поля у поверхности, во много раз превосходящая все разумные пределы. Выход из затруднения состоит в допущении, что радиус молодого Солнца в период, когда около него формировались планеты, был примерно в 15 раз больше теперешнего, тогда напряженность магнитного поля у поверхности снизится до приемлемого значения. Возможно ли естественным путем обосновать такие размеры молодого Солнца? Оказывается, можно. Независимо от конкретного механизма образования звезды в темном газопылевом облаке, сразу после завершения ее формирования наступает недолгая стадия выгорания дейтерия. Браун и Кокс, исходя из предположения, что протосолнце содержало такую же долю дейтерия, которая наблюдается в Космосе, оценили продолжительность его выгорания примерно в 200 миллионов лет. Выгорание дейтерия сопровождается сильным расширением звезды, по расчетам радиус Солнца достигал примерно 1012 см, что в 16 раз превышает его современное значение. Это как раз то, что необходимо для оправдания рассматриваемой модели.

Авторы излагаемой гипотезы имели свое оригинальное мнение и о процессе образования звезд, в частности, Солнца. Они отвергают широко распространенную гипотезу об их образовании в результате гравитационного коллапса, развивающегося в фракционирующем темном облаке. "Несмотря на интенсивные поиски, - пишут они, - все еще не найдены какие-либо наблюдательные данные, которые подтвердили бы это мнение. Таким образом, "общепринятая" теория может оказаться одной из сотни недоказанных догм, которые составляют значительную часть современной астрофизики". Взамен коллапса предлагается магнитогидродинамическая модель сжатия части облака в протозвезду. Темное облако находится в ионизованном состоянии и обладает магнитным полем. Наблюдаемые в нем волоконные структуры, в которых идет процесс звездообразования, объясняются протеканием токов вдоль магнитных силовых линий. Сжатие волоконных структур вызывается пинч-эффектом, способным образовать газопылевые ядра, зародыши будущих звезд.

Согласно модели Альвена-Аррениуса, планеты земной группы образовались на стадии выгорания дейтерия. Им была передана незначительная доля момента количества движения, и период вращения Солнца практически не изменился. Затем начали формироваться планеты-гиганты, и им Солнце передало не менее 97% своего количества движения. При этом Солнце перешло в состояние изоротации с Юпитером, то есть его период вращения стал равным периоду вращения Юпитера вокруг Солнца, в настоящее время равному 12 годам. После завершения периода выгорания дейтерия Солнце сжалось до современного своего размера и увеличило угловую скорость вращения тоже до современного значения, период его вращения составил примерно 26 земных суток. После чего, по-видимому, никаких серьезных изменений ни в массе, ни в скорости вращения Солнца больше не происходило.

Теорию Альвена и Аррениуса нельзя считать завершенной, в ней сохраняется немало нерешенных проблем. Сами авторы оценивают свою модель как качественную или, в лучшем случае, полуколичественную теорию. Она не является общепризнанной, как не является общепризнанной и любая другая разрабатываемая сегодня теория происхождения Солнечной системы. Но предлагаемая модель образования Солнечной системы содержит идеи и механизмы сложнейшего процесса рождения планетной системы, которые нельзя игнорировать при разработке любой теории возникновения и эволюции планет около звезды.

Подведем итоги. Пока наука не может доказательно утверждать, что образование планетных систем около некоторых звезд является закономерным процессом, этапом локального структурообразования во Вселенной. Тем не менее, существуют достаточно убедительные косвенные данные, на основании которых космологи берут на себя смелость утверждать, что, по крайней мере, в определенной части нашей Галактики, в ближайших окрестностях Солнца, планетные системы существуют или появляются около молодых звезд в заметном количестве. Дополнительный довод в пользу такого мнения высказан известным астрофизиком И.С.Шкловским [37]. Исходя из иных, чем Альвен и Аррениус, предпосылок об образовании звезд и планетных систем, он обратил внимание на тот факт, что все горячие звезды, температура поверхности которых превышает 7000 К, имеют высокие скорости вращения, от 100 до 500 км/с. По мере перехода ко все более холодным звездам на определенном температурном рубеже наблюдается внезапный резкий спад скорости вращения. Звезды класса желтых карликов (Солнце принадлежит к их числу), температура поверхности у которых порядка 6000 К, имеют аномально низкие скорости вращения, почти равные нулю. Например, скорость вращения Солнца составляет всего 2 км/с. Шкловский считал, что физические условия вблизи горячих звезд препятствуют образованию возле них протопланетного облака, поскольку весь необходимый для этого материал "выдувается" мощным излучением возникшей молодой звезды. У желтых и красных карликов этого не происходит, низкие скорости их вращения могут быть результатом передачи не менее 97% первоначального момента количества движения в протопланетное облако. Если такое предположение верно, то наука получит точный адрес для поиска планетных систем. Тогда появится возможность оценить распространенность планетных систем в Галактике.

Несмотря на известную незавершенность, рассмотренная модель наглядно показывает, что решение проблемы образования Солнечной системы на современном уровне требует учета присутствующих магнитных полей, плазменного состояния вещества, эффектов взаимодействия магнитных полей с плазмой, магнитогидродинамических и газодинамических процессов, химических взаимодействий элементов в протопланетном облаке. Хотя сегодняшние представления о взаимном участии всех перечисленных процессов в образовании Солнечной системы еще далеки от завершенности, складывается уверенность в том, что образование планетных систем носит закономерный характер, что оно протекает в общем потоке структурной самоорганизации Вселенной. Локальные структуры формируются при участии двух противоположных, но взаимосвязанных механизмов: фракционирования крупных неорганизованных образований, таких как газопылевые облака, и аккреции мелких частиц вещества с образованием более крупных высокоорганизованных объектов, развивающихся затем как цельное естественное тело. Необходимое условие совместного действия этих механизмов – значительная неравновесность среды, в которой появляются организованные структуры.

Только признав, что планетная система формируется как единое целое, в общем процессе, можно понять и объяснить наблюдаемую взаимную пригнанность элементов и высочайшую устойчивость системы в целом. Но у локальных ее элементов, таких как планеты, появляется определенная автономность, индивидуальность развития. В основе индивидуальности лежат исходные условия, при которых формировалась планета - ее местоположение относительно центрального тела, размеры, физико-химические особенности, динамические характеристики. Для нас особенно важно понять, как возникли в ходе образования и развития Земли условия, сделавшие ее единственной планетой Солнечной системы, на которой появились и существуют развитые формы жизни, породившие разум.

Universe 3.3 Universe 3.4 Contents Home Page


Ваши отзывы, мнения и предложения могут быть отправлены автору по адресу:
remrovinsky@yahoo.com