Возникновение Солнечной системы и Земли

Как ни странно, происхождение Солнца и планет мы сегодня представляем себе менее подробно, чем происхождение Вселенной. Формирование Солнечной системы было сложным комплексом механических, тепловых, электромагнитных, оптических, ядерных, химических процессов, каждый из которых играл ключевую роль в свой черед.

Планеты не могли образоваться из вещества Солнца или других звезд: у них слишком разный химический и изотопный состав со звездами. Кроме того, звезды находятся в слишком хрупком равновесии: попытка быстро изъять из звезды сколько-нибудь значительное количество вещества приведет к ее быстрому расширению, препятствующему формированию планет или их зародышей. Поэтому теории, согласно которым планетная система образуется из газов, выброшенных Солнцем, проходящей звездой или сталкивающимися звездами, можно исключить из рассмотрения. Такой была, например, первая (1749 г.) космогоническая теория Ж. де Бюффона, который полагал, что Земля и планеты сформировались из куска солнечного вещества, вырванного из нашего светила скользящим ударом огромной кометы.

Более правдоподобными представляются небулярные модели формирования Солнца и планет путем сжатия газовой или пылевой туманности (небулы). Первые такие модели были предложены в XVIII веке математиком и механиком П.С. Лапласом и философом И. Кантом.

Лаплас начал с предположения о том, что некогда существовала горячая, медленно вращавшаяся газовая туманность. По мере остывания она сжималась. При этом скорость вращения туманности, в соответствии с законом сохранения момента импульса (п. 2.2.2), возросла, и центробежные

силы оторвали от нее ряд колец. Вещество колец под действием гравитационных сил собралось в компактные планеты, а из центральной части туманности сформировалось Солнце. Этот процесс, по мысли Лапласа, мог повторяться в меньших масштабах, приводя к образованию спутников планет и кольца Сатурна.

Кант, в отличие от Лапласа, полагал первичную туманность холодным облаком пыли. Его рассуждения отличались умозрительностью: он был философ, а не механик. Однако и Лаплас избегал подробных расчетов, может быть, потому, что понимал проблемы своей космогонии. К середине XIX века две довольно разные модели слились в представлении ученых в «небулярную гипотезу Канта–Ла­п­ла­са».

Первая из двух принципиальных проблем, с которыми столкнулся еще Лаплас, — это знаменитая проблема распределения момента импульса. Заключается она в том, что планеты, обладающие в сумме 0,13% массы Солнечной системы, несут 99,5% ее момента импульса (то есть количества вращательного движения). Если бы космогоническая история развивалась по Лапласу, эти две цифры должны были бы совпадать. Другими словами, Солнце сейчас вращается слишком медленно (оно делает один оборот вокруг своей оси примерно за 25 суток). Поэтому любая теория происхождения Солнечной системы из сгущающейся туманности должна включать механизм передачи «лишнего» момента импульса от Солнца планетам или межзвездной среде. Небесная механика не смогла предложить такого механизма, если не считать отвергнутых представлений о столкновении Солнца с другими небесными телами.

Вторая животрепещущая проблема космогонии заключается в том, что газовые кольца, тем более горячие, никак не могли сконденсироваться в компактные планетные тела. По всем законам термодинамики и газодинамики они должны были рассеяться в пространстве. Отсюда вытекает, что образование планет шло не сразу из газовых облаков, а через какие-то промежуточные этапы. И опять чистая механика не смогла предложить правдоподобного механизма конденсации.

Заметное продвижение вперед началось лишь в середине XX века, когда было осознано, что происхождение Солнечной системы — это не задача механики, а комплексная проблема, требующая согласованной работы представителей самых разных научных дисциплин. Большая заслуга в этом принадлежит математику и геофизику О. Ю. Шмидту, который организовал такие комплексные исследования в руководимом им институте. Шмидт предложил свою модель, в которой планеты формировались не из газового облака, а из метеоритного роя. Как показали расчеты, благодаря столкновениям метеоритов между собой и силам взаимного притяжения, они постепенно слипаются в большие массы — зародыши планет.

Шмидт полагал, что метеоритный рой был захвачен Солнцем при прохождении через одно из газопылевых облаков Галактики. Однако

вероятность такого события весьма мала, поэтому требовался более убедительный вариант появления в окрестности Солнца множества твердых тел. Выход был найден в представлениях о том, что газ, по мере остывания, конденсировался в твердые частички вроде снега, которые затем могли по тому же механизму расти. Ввиду торможения твердых пылинок окружающим газом, они должны были очень быстро собраться в тонком слое вблизи экваториальной плоскости туманности. Это, в свою очередь, способствует дальнейшему росту и слипанию пылинок и образованию планетезималей — первичных твердых фрагментов, которые затем объединялись в протопланеты.

Тем временем начались термоядерные реакции в молодом Солнце. Солнечное тепло испарило легкие летучие компоненты из ближайших окрестностей нашей звезды, благодаря чему четыре ближайшие к Солнцу планеты, в том числе наша Земля, состоят из плотных скальных пород. Четыре более удаленные планеты представляют собой гигантские шары из водорода, гелия, метана и аммиака. Состав девятой планеты, далекого Плутона, пока остается загадкой.

Солнечное излучение начало ионизовать газ в окрестностях Солнца. Возникавшие заряженные частицы взаимодействовали с магнитным полем Солнца и, как показал Ф. Хойл, за счет этого могли эффективно отбирать момент импульса у Солнца, тормозя его вращение. Давление солнечных лучей выметало это вещество из Солнечной системы. Этот механизм потери молодым Солнцем большей части своего вращательного движения представляется сейчас наиболее вероятным.

Планетезимали притягивались друг к другу, сталкивались, разрушались и слипались при столкновениях. Моделирование этих процессов на компьютере показывает, что современное распределение планет в Солнечной системе не случайно. Подобно животным, каждая планета требует определенной территории. Моделирование рисует картину почти дарвиновской конкуренции: «естественный отбор» благоприятствует тем телам, которые быстрее всего росли вначале. Они были способны ускорять свой рост за счет поглощения более мелких тел. В конце концов, этот процесс завершился образованием современных планет.