Историческое землеведение. Палеогеография

Гипотезы происхождения Солнечной системы. Как образовалось Солнце

КОСМОГОНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСТОРИЧЕСКОГО ЗЕМЛЕВЕДЕНИЯ

Космогонические гипотезы. Вопросы происхождения миров занимали умы людей на протяжении всей истории разумного человечества, однако, лишь около 300 лет назад они стали приобретать более ли менее правдоподобное содержание — более ранние космогонические взгляды представляют сейчас, скорее, исторический и фольклорный интерес.

Одной из наиболее значимых для развития мировой науки гипотез происхождения Солнечной системы и Земли явилась «небулярная» гипотеза. Ее автор — знаменитый естествоиспытатель И. Кант (1724-1804) утверждал, что Вселенная сначала заполнялась твердым холодным материалом, пребывавшем в первозданном хаосе. Лишь мгновение этот хаос был неподвижен, потом в действие вступила сила тяготения, хаос стал подвижным, частицы слипались, соударялись, приобретали вращение. Так из единого сгустка материи образовались Солнце и планеты.

П.-С. Лаплас (1749-1827) уточнил эту гипотезу, заменив пыльный хаос на газовый, причем газовая туманность изначально вращалась и была раскаленной. Так, впервые родились два взгляда на первичное состояние вещества в галактике — холодное разогревающееся или горячее остывающее, которые в различных модификациях существуют и в настоящее время.

Обе гипотезы господствовали до конца XIX века, когда вскрылось физическое противоречие — 99 % массы вещества Солнечной системы сосредоточено в Солнце, и 1 % — в планетах, тогда как 98 % момента количества движения (К = г • mv)! сосредоточено в планетах. Это противоречит условию общности системы, которое постулировали и Кант и Лаплас: максимум момента количества движения должен был быть у Солнца.

Английский астроном Д. Джине модифицировал гипотезу Ж.Л. Леклерка де Бюффона (1750 г.) о том, что некая звезда (у Бюффона — комета), пролетая мимо Солнца, притянула от него к себе огромный объем газа. Из этого газа, якобы, и возникли планеты. В дальнейшем оказалось, что эта гипотеза не выдерживает критики, во-первых, из-за принятия процесса образования Солнечной системы исключительным, случайным, а не закономерным, и, во-вторых, из-за неверных расчетов — при их уточнении оказалось, что вся масса должна была или упасть обратно на Солнце, или уйти в пространство.

Со временем стали возникать более сложные гипотезы. В них простое механическое перемещение вещества стало заменяться развитием (синтезом) вещества в самой Солнечной системе, равно как и за ее пределами. Распространение получила гипотеза О.Ю. Шмидта — образование Земли и других планет из холодной межзвездной метеоритной пыли, захваченной существовавшим уже тогда Солнцем. Здесь, во-первых, объясняются разные моменты количества движения (различное происхождение Солнца и планет), а во-вторых, подчеркивается универсальный характер образования планетных систем.

Гипотеза Шмидта очень долгое время господствовала, по крайней мере, в отечественной науке. Она и сейчас с некоторыми модификациями, касающимися син- хрониости образования Солнца и планет и механизма передата момента количества движения, считается базовой схемой образования Солнечной системы и планет.

Современные космогонические представления. Образование Солнца. Согласно современным представлениям, Вселенная родилась вследствие Большого Взрыва (или всплеска "физического вакуума" — состояния физических полей, при котором вообще не существует реальных частиц) между 14 и 18 млрд. лет назад (в дальнейшем — л.н.). После чего в пространстве, разогретом до миллионов градусов, происходили термоядерные реакции, образовывались многие химические элементы, а вещество собиралось в звезды. Наиболее массивные из них взрывались, превращаясь на короткое время в сверхновые. При этом синтезировались тяжелые химические элементы.

Сбрасываемое при взрывах сверхновых звезд ионизированное вещество (плазма) рассеивалось в межзвездном пространстве, расширялось, охлаждалось и образовывало гигантские газопылевые облака. Они были неустойчивыми, и под влиянием взрывов других, удаленных от них звезд, уплотнялись под воздействием собственных гравитационных полей. При сжатии такое облако вновь разогревалось в своем центре, и там возникала молодая звезда нового поколения. По другим представлениям, звезда в центре газопылевого скопления продолжала существовать независимо от газопылевого облака, сохранившись после взрыва сверхновой — своей непосредственной предшественницы.

И вот задолго до образования Солнечной системы в результате одного из таких взрывов в нашей Галактике возникло протопланетное облако с массой в 100 ООО раз больше, чем у Солнца и диаметром в 1016 диаметров Солнца. Температура его не превышала -100 —253°С, т.е. оно было холодным. Состав вещества облака был близок к составу углистых хондритов — метеоритов, содержащих сложные соединения углерода. 4,6-5 млрд. лет назад поблизости произошел еще один взрыв сверхновой, что послужило толчком для сжатия этого облака. Оно уплотнилось и стало разогреваться: всего за время около 15 миллионов лет его температура в центре поднялась до 1600°С.

Этот процесс, который получил название "звёздной аккреции", привел к образованию протозвезды. Сжатие и повышение температуры в ней продолжалось, Однако, господствовавшая вначале диффузная передача тепла от внутренних слоев к внешнему заменилась конвекцией, которая "отсасывала" из ядра протозвезды излишнюю энергию. Как только температуры в центре превысили значение 10-15 миллионов градусов, в ядре начались ядерные реакции превращения водорода в гелий, накапливающийся в ядре протозвезды. Конвекционные токи приостановились. Про- тозвезда превратилась в звезду, в данном случае — в наше Солнце. "Момент" этого превращения ознаменовался выходом звезды на очередной —наиболее длительный этап развития — "главную последовательность", характеризующуюся обратной связью между величиной звезды и температурой, т.е. постепенным снижением температуры и увеличением размеров звезды (этот этап типичен для большинства звезд). От начала аккреции протосолнца прошло всего около 50 млн. лет.

В современном состоянии Солнце находится на главной последовательности. Гравитационное давление уравновешивается тепловым давлением газа, в результате чего сжатия звезды почти не происходит: 90 % энергии поставляет звезде сгорание водорода, и только 10 % — сжатие изотермического ядра. Вместе они реализуются в виде солнечной радиации.

В то же время, нахождение Солнца на главной последовательности, столь благоприятное для нашей жизни, не вечно. Наблюдения за звездами старше Солнца показали, что через 10,5 млрд. лет после начала звездной аккреции горение водорода переходит в верхние слои водородного слоя. Градиент температур становится больше адиабатического, устанавливается неустойчивая стратификация, вновь возобновляется конвекция. Она как бы взрывает звезду изнутри, после чего звезда переходит в ранг красного гиганта, а затем, по мере выгорания гелия в ядре и в звездных слоях (через 10,9 млрд. лет от начала аккреции), ярко вспыхивая, сбрасывает остатки водородной оболочки и превращается в белого карлика. Его диаметр составляет всего около 700 км, а ядро состоит из кристаллического газа с плотностью около 10000 т/см3. Сначала оно еще горит, но потом гаснет, и белый карлик превращается в чёрный — "астрономический труп". В дальнейшем, если масса звезды больше массы Солнца на величину менее, чем в 10 раз, то вместо черного карлика образуется нейтронная звезда, а если более чем в 10 раз, то черная дыра, поглощающая любую неосторожно подошедшую к ней энергию. Современное Солнце уже прошло большую часть пути по главной последовательности.