Развивающаяся Вселенная

В последние два десятилетия ХХ века появились надежные данные о том, что у многих звезд в радиусе примерно 70 пс от Солнца имеются планеты или газопылевые диски, из которых в принципе могут образовываться планеты. Начиная с 1983 года американский спутник ИРАС, заслуги которого отмечались нами в связи с его вкладом в "горячую модель" образования галактик, обнаружил примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, избыточное инфракрасное излучение. Специалисты связывают этот факт с присутствием около таких звезд пылевых дисков, содержащих мелкие твердые частицы. Наземные исследования этих звезд подтвердили такие предположения. Так, наземным инструментом подробно исследовано обнаруженное спутником ИРАС пылевое облако около звезды b-Живописца. Это молодая звезда, ее возраст оценивается в несколько десятков миллионов лет. Она удалена от Солнца на расстояние в 17 парсек, ее масса примерно вдвое превышает солнечную. Предварительные оценки показывают, что газопылевой диск около звезды имеет протяженность около 600 миллионов километров. Возможно, что этот диск знаменует начальный этап формирования планетной системы, хотя не исключены и другие трактовки феномена.

Начиная с 1987 года, стали поступать сведения об открытии крупных планет типа Юпитера около многих звезд. Эти открытия получены благодаря использованию метода прецизионного измерения периодических «блужданий» звезды около своей траектории под воздействием вращающегося вокруг нее крупного спутника. По сообщению журнала “New Scientist” к 1987 году канадские астрономы Б.Кемпбелл, Г.Уокер и С.Янг сообщили результаты своих многолетних измерений траекторных блужданий у 16 звезд. Обработка наблюдательных данных показала, что у 10 из 16 исследованных звезд изменения скорости указывают на наличие около них планетных спутников, масса каждой из которых превышает массу Юпитера, но не более, чем в 5 раз. Еще у 2 звезд обнаружены неизвестные ранее звездные спутники, а у остальных 4 звезд определенных результатов получить не удалось. Наиболее вероятное существование планетных систем отмечено у e Эридана и g Цефея. Первая из этих звезд – ближайший к Солнцу кандидат на обладание планетами, она удалена от нас на 11 световых лет (около 4 парсек). Измеренные вариации скорости показали, что их источником служит планета с массой в 2 ё 5 раз превышающей массу Юпитера. Эта методика не позволяет обнаруживать около звезды мелкие планеты типа Земли и можно только предполагать, что существование спутника типа Юпитера по аналогии с Солнечной системой указывает на большую вероятность наличия там и более мелких планет. Список звезд, подозреваемых в обладании планетными спутниками, дополняется Проксимой Центавра, 70 Змееносца, 61 Лебедя, Барнара, Лаланда 21185, a Лиры, a Южной Рыбы и ряда других.

Метод измерения «блужданий» звезды имеет серьезный недостаток. Оценка массы планеты на основании полученных данных зависит от наклона плоскости орбиты спутника по отношению к углу зрения наблюдателя. Но этот угол наблюдателю неизвестен. В 1995 году Джеф Марси и Пол Батлер, исследовали пылевое облако около звезды № 53 в созвездии Рака. Внутри этого облака методом измерения «блужданий» звезды была обнаружена юпитероподобная планета. Поскольку орбита планеты лежала в плоскости пылевого диска, астрономам удалось определить угол ее наклона по отношению к лучу зрения. Этим было обеспечено надежное определение массы открытой планеты. Оказалось, что она в 1,9 раза превосходит массу Юпитера.

В самое последнее время разработаны два новых метода, обеспечивающих в отдельных случаях обнаружение крупной планеты около звезды прямыми наблюдениями. Каждым из этих методов было обнаружено по одной планете. Таким образом, охота за планетами приобретает все более крупные масштабы. К настоящему времени общее число открытых планет достигает 30. Но пока речь идет только о планетах типа Юпитера, а прямых данных о существовании планетных систем около звезд не имеется. Мы находимся лишь в самом начале поиска внесолнечных планет, и впереди предстоит нелегкая работа. Один из серьезных вопросов в этом плане – могут ли существовать планеты около двойных или тройных звезд? На этот счет существуют серьезные сомнения. Между тем, одиночные звезды типа нашего Солнца встречаются не так уж часто. По оценкам женевских астрономов А.Дюкенуа и М.Майера, одиночными бывают не более 20% из числа таких звезд. Это обстоятельство резко сокращает число звезд, около которых возможно образование планетных систем.

С другой стороны, оптимизм по поводу распространенности планетных систем внушает факт недавнего обнаружения у одного из пульсаров (нейтронной звезды) трех планет с массами от 0,2 до 4 земных масс, удаленных от звезды на расстояния от 0,19 до 0,47 астрономических единиц. Это уже пример внесолнечной планетной системы, правда, с совершенно непонятными условиями на планетах.

О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, нет общепризнанных заключений. Солнечная система, по оценкам, образовалась примерно 4,6 ± 0,1 миллиардов лет назад, то есть примерно 7 миллиардов лет спустя после появления звезд первого поколения. Так что Солнце – звезда второго или еще более позднего поколения, возникшая на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущих поколений. Это обстоятельство дало повод Фаулеру назвать Солнечную систему "малой частью звездной пыли". О происхождении Солнечной системы и ее исторической эволюции наука знает меньше того минимума, который необходим для построения теории планетообразования. От первых научных гипотез, выдвинутых примерно 250 лет назад, до наших дней предложено большое число разных моделей происхождения и развития Солнечной системы, но ни одна из них не удостоилась перевода в ранг общепризнанной теории. Большинство из выдвигавшихся ранее гипотез сегодня представляют лишь исторический интерес, с их содержанием и вкладом в развитие научной мысли можно познакомиться, например, в [33, 34].

Отсутствие общепризнанной версии происхождения планетной системы объяснимо. Прежде всего, единственность объекта наблюдения исключает применение сравнительного анализа и заставляет решать непростую задачу восстановления истории системы на основании одних только знаний о ее сегодняшнем состоянии. Пример противоположной ситуации – разработка теории эволюции звезд. Были накоплены обширные данные о современном состоянии звезд разных классов, находящихся на разных стадиях своего развития, от их рождения до финала жизненного пути. Статистическая обработка этих данных создала основу для последующих теоретических обобщений. Не удивительно, что о рождении и развитии далеких от нас звезд астрономия знает существенно больше, чем о происхождении и развитии Солнечной системы, места нашего обитания.

Далее, Солнечная система – очень сложное природное образование, сочетающее разнообразие входящих в ее состав элементов с высочайшей устойчивостью системы как целого. В 1979 году астроном и популяризатор астрономических знаний Бронштэн писал:

"Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по своим размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, 9 больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. В настоящее время (1979) нам известны 34 спутника, 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела – Солнца" [35].

Жизнеспособная модель происхождения Солнечной системы должна естественным образом объяснить появление в ней вращательного момента, особенности его распределения между звездой и планетами, механизм сохранения устойчивости, а также следующие важнейшие особенности:

•     Момент количества движения, характеризующий вращение тел, неравномерно распределен между центральным телом и планетами. На долю планет, суммарная масса которых составляет менее 2% от массы всей системы, приходится примерно 97% суммарного момента количества движения.
•     По своим физико-химическим характеристикам планеты делятся на две совершенно непохожие группы, к которым можно условно добавить еще одну – группу малых планет или астероидов. В ближайших окрестностях Солнца размещаются планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля, Марс. При относительно малых размерах они обладают относительно высокими плотностями, от 3 до 5,5 г/см³. Химический состав планет этой группы принципиально иной, чем у Солнца. Так, Солнце на 93,5% состоит из водорода, на 6,4% - из гелия и только на 0,1% - из элементов, более тяжелых, чем гелий. Планеты же земной группы в основном составлены из кислорода, кремния, железа и других тяжелых элементов, водород и гелий включены в их состав в ничтожных количествах. Меркурий и Венера не имеют спутников, Земля имеет крупный планетоподобный спутник Луну, у Марса два небольших астероидоподобных спутника – Фобос и Деймос. В более отдаленной от Солнца области расположены планеты–гиганты, составляющие вторую группу: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Их плотности всего лишь порядка 1 ё 2 г/см³, а химический состав близок к солнечному. Вокруг этих планет роятся многочисленные спутники (только у Юпитера, например, по неполным данным их 16), образуя вместе с планетой миниатюрные копии солнечной системы. Кроме того, около них обнаружены кольца, особенно хорошо различимые у Сатурна. Между Марсом и Юпитером существует кольцо астероидов, диаметры которых не превышают 1000 километров. Большинство астероидов не имеют правильной формы и скорее напоминают крупные обломки, чем планеты. На краю планетной системы особняком располагается небольшая планета Плутон со спутником Хароном.
•     Орбиты всех планет, включая астероиды, почти круговые и с небольшими отклонениями все они лежат в плоскости, проходящей через солнечный экватор (плоскость эклиптики). Планеты движутся по орбитам в прямом направлении, совпадающем с направлением вращения Солнца вокруг своей оси. Как правило, они и вокруг своей оси вращаются в прямом направлении. Исключение составляют Уран и Венера, которые вращаются (первый – быстро, вторая – медленно) в обратном направлении. Оси вращения планет обычно немного наклонены к перпендикуляру, проведенному к плоскости орбиты. Уран и здесь составляет исключение, его ось почти лежит в плоскости орбиты. Немало отклонений от "правил" у спутников планет, входящих в системы планет-гигантов.
•     Расстояния планет от Солнца подчиняется закономерности, первоначально выраженной эмпирической формулой Тициуса-Боде, которая связывает расстояние планеты от Солнца с ее порядковым номером в последовательности планет. Начиная с 40-х годов, получены математические закономерности для расстояний в интерпретациях К.Вейцзеккера (1942 г.), О.Ю. Шмидта (1947 г.), В.Г.Фесенкова (1951 г.) и некоторые другие.
•     Помимо планет в систему включаются метеоры, метеориты и кометы в значительных количествах.

Накопление фактических данных о Солнечной системе еще далеко от завершения. Поток свежей информации резко возрос в последние десятилетия, после того, как началось исследование планет, комет и межпланетного пространства с применением автоматических и пилотируемых космических аппаратов. Характер поступающей информации подчас принципиально меняет многие ранее сложившиеся представления о Солнечной системе в целом и об ее отдельных элементах. Сегодня Солнечная система во многом видится нам не такой, как, например, 30 лет назад. И нет гарантии того, что завтра она не предстанет перед нами в еще одном новом облике. Продолжающееся накопление новых сведений о Солнце и его планетах вынуждает к осторожности в выводах и обобщениях.

В свете сказанного понятно, почему многочисленные космологические гипотезы о происхождении Солнечной системы, выдвигавшиеся до середины нашего века, не справились с объяснением всей совокупности наблюдательных фактов и не привели к созданию общепризнанной теории планетообразования, в частности, к теории образования Солнечной системы. Лишь в самое последнее время начали намечаться пути более успешного подхода к этой проблеме. Создатели современных гипотез исходят из того, что невозможно построить удовлетворительную модель нашей планетной системы, опираясь, как это было в прошлом, только на действие гравитации или, тем более, прибегая к гипотезам об уникальных космических катастрофах. В качестве примера, иллюстрирующего содержание новых подходов, остановимся на модели образования Солнечной системы, разработанной астрофизиками шведского происхождения, лауреатом Нобелевской премии Х.Альвеном и профессором Г.Аррениусом [36].

Авторы модели поставили перед собой задачу построить общую теорию образования вторичных тел (планет, спутников) около первичного тела (звезды, планеты). Они исходили из постулата, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае, когда планеты-спутники образуются около планеты. Для раскрытия такого механизма необходимо учесть вклад в процесс совокупности различных сил: гравитацию, магнитогидродинамику, электро-магнетизм, плазменные процессы. Это диктуется наличием в Природе соответствующих сил и неизбежностью их прямого участия в образовании планет, спутников планет, и более мелких небесных тел, объяснить совместное образование которых только за счет гравитационного сжатия протопланетного газопылевого сгустка невозможно. Любая гипотеза, основанная на допущении только о гравитационном сжатии, является заведомо ошибочной.

Приступая к изложению исходных предпосылок своей гипотезы, Альвен и Аррениус выделяют в самостоятельную задачу вопрос о механизме образования самого центрального тела: к моменту, когда начали образовываться планеты, оно уже существовало в своем начальном облике. Только после его оформления начал протекать процесс образования планет. Центральное тело должно обладать магнитным полем, уровень которого превышает некое критическое значение, а пространство в его окрестности заполнено разреженной плазмой. Эти два требования обязательны, без их выполнения процесс планетообразования невозможен.

Первое из требований не содержит каких-либо ограничивающих посылок, так как существование магнитного поля около вращающейся звезды – дело обычное. Солнце имеет дипольный момент и, вполне вероятно, имело его в своем далеком прошлом. Не исключено, что тот дипольный момент превышал теперешний. Что же касается плазмы, то ее источником служила гигантская корона молодого Солнца. В настоящее время Солнце обладает короной более скромных размеров, средняя плотность заряженных частиц в ней оценивается значениями от 10² до 10⁸ см^–3. Космические аппараты обнаруживают, что планеты земной группы практически погружены в разреженную атмосферу Солнца, а недавно открытый солнечный ветер доносит частицы от звезды до дальних планет. Вполне приемлемо допущение, что корона молодого Солнца распространялась гораздо дальше современной орбиты Плутона, то есть дальше 40 астрономических единиц (а.е.). За астрономическую единицу принято расстояние от Солнца до Земли, равное примерно 150 миллионам километров. Этой единицей удобно пользоваться при оценках расстояний, прежде всего внутри Солнечной системы. Обширная сверхкорона молодого Солнца активно взаимодействовала с его магнитным полем.

Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и планет из одного массива вещества, в одном процессе. Ведь такое допущение не работает в случае образования спутников возле планет, чем нарушается исходный постулат о едином механизме образования вторичных тел возле первичного. Выдвигается другое предположение, сводящееся к тому, что сначала возникает из газопылевого облака первичное тело, затем к нему извне, из "бесконечности", поступает материал для образования вторичных тел. Мощное гравитационное притяжение центрального тела захватывает поток газовых и пылевых частиц, создавая условия для образования вторичных тел.

О том, что такие исходные посылки не беспочвенны, говорят недавно завершенные многолетние исследования изотопного состава вещества Солнца, метеоритов и Земли. Оказалось, что в метеоритах обнаруживаются два различных изотопных состава одних и тех же элементов, что говорит о различном термоядерном происхождении этих элементов. Отсюда следует вывод, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из резервуара (то есть из газопылевого облака) с одним изотопным составом элементов и из этого вещества образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества с другим изотопным составом поступила из другого резервуара (из другого газопылевого облака) и она послужила материалом для формирования метеоритов и частично планет. Смешение двух составных частей со схожим химическим, но разным изотопным составом произошло, по оценкам, не позже, чем примерно 4,5 миллиарда лет назад, что совпадает с оценкой возраста Солнечной системы. При разработке своей модели авторы гипотезы не знали этих фактов, говорящих в их пользу.