Дальнейшее усложнение вещества во Вселенной

 

Хотя появление крупномасштабных структур во Вселенной привело к образованию множества разновидностей галактик и звезд, среди которых есть совершенно уникальные объекты, все же с точки зрения дальнейшей эволюции Вселенной особое значение имело появление звезд – красных гигантов. Именно в красных гигантах в результате процессов звездного нуклеосинтеза появилось большинство элементов таблицы Менделеева. При этом химические элементы попадали в межзвездное пространство не только при превращении красного гиганта в новую или сверхновую звезду. За время своего активного существования красный гигант отдает в межзвездную среду ежегодно не менее 10^-4 – 10^-5 масс Солнца. Поэтому, как было отмечено выше, звезды второго поколения с самого начала содержат в своем составе примесь тяжелых элементов.

Появление тяжелых элементов в составе звезды дало толчок новым усложнениям вещества: образованию планет и появлению на некоторых из них жизни и, возможно, разума. Поэтому образование планет стало следующим этапом в эволюции Вселенной.

Образование Солнечной системы

 

Как и в случае с эволюцией Вселенной, современное естествознание не дает точного описания этого процесса. Но современная наука решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия дает серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Около 40 планет у солнцеподобных звезд уже открыто. Кроме того, примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обнаружено избыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые являются начальным этапом формирования планетных систем.

Ищут планеты с помощью измерения периодических изменений скорости движения звезд. Изменения скорости объясняются возмущением движения звезды под действием гравитационно связанного с ней тела, размеры которого много меньше, чем у звезды. Таким образом можно сделать вывод о наличии у ряда звезд планетных спутников с массой, большей чем у Юпитера. В этом случае, по аналогии с Солнечной системой, можно с большой вероятностью говорить о наличии у этих звезд более мелких планет.

К сожалению, о механизме образования планет, как и об образовании Солнечной системы, также нет общепризнанных заключений. Вообще сегодня мы больше знаем о происхождении и эволюции звезд, чем о происхождении собственной планетной системы, что неудивительно: звезд много, а достоверно известная нам планетная система – одна. О более ранних космогонических гипотезах уже говорилось выше. На протяжении XX в. выдвигался целый ряд противоречащих друг другу концепций. Это связано с тем, что накопление информации о Солнечной системе еще далеко до завершения. Сегодня мы видим ее совершенно иначе, чем даже тридцать лет назад. И нет гарантии, что завтра не появятся какие-то новые факты, которые перевернут все наши представления об эволюции Солнечной системы.

Однако достоверно известно, что наша Солнечная система образовалась примерно 5 млрд лет назад, причем Солнце – звезда второго (или еще более позднего) поколения. Это означает, что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых облаках.

Дальнейший ход событий изложен в целом ряде гипотез, среди которых наибольшей популярностью пользуется гипотеза шведских астрономов X. Альвена и Г. Аррениуса. Они исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого объясняется совокупностью различных сил (гравитацией, магнитогидродинамикой, электромагнетизмом, плазменными процессами) и проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников.

Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и планет из одного массива вещества, в одном нераздельном процессе. Они считают, что сначала из газопылевого облака возникло первичное тело – звезда, а затем к нему из другого газопылевого облака, через которое по своей орбите двигалось Солнце, поступил материал для образования вторичных тел. Таким образом, к моменту, когда начали образовываться планеты, центральное тело системы уже существовало.

Для такого утверждения есть достаточные основания. После обобщения результатов многолетних исследований вещества метеоритов, Солнца и Земли были обнаружены отклонения в изотопном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного состава тех же элементов на Солнце, что свидетельствует об их различном происхождении. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из одного газопылевого облака и из него образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества, не превышающая 0,15 массы Солнца, с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила материалом для формирования планет и метеоритов. Если бы масса этого облака была больше, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Чтобы образовать планетную систему, звезда должна обладать рядом признаков:

– мощным магнитным полем, величина которого превышает определенное критическое значение;

– пространство в окрестностях звезды должно быть заполнено разреженной плазмой, создающей солнечный ветер.

Солнце имеет магнитное поле. Источником же плазмы служит корона молодого Солнца. Сегодня она меньше, чем раньше. Но даже сейчас планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) практически погружены в разреженную атмосферу Солнца, а солнечный ветер доносит ее частицы и к более далеким планетам. Так что, возможно, корона молодого Солнца распространялась до современной орбиты Плутона.

Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженную намагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца вырывались протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни миллионов километров и достигали орбиты современного Плутона. Сила тока в них достигала нескольких сотен миллионов ампер и больше, что способствовало стягиванию плазмы в узкие каналы. В этих каналах возникали разрывы, пробои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и неравномерной.

Когда молодое Солнце начало свое прохождение через газопылевое облако, мощное гравитационное поле звезды начало притягивать поток газовых и пылевых частиц, послуживших материалом для образования вторичных тел. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы вещества под действием гравитации падали к центральному телу, но при этом они попадали в сверхкорону Солнца. Там они ионизировались и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела. Таким образом, с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по химическому и весовому составу. В конечном счете выделились три-четыре концентрические области, плотности частиц в которых примерно на 7 порядков превышали их плотности в промежутках. Этим объясняется тот факт, что вблизи Солнца располагаются планеты, которые при относительно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5 г/см³), а планеты-гиганты имеют намного меньшие плотности (1–2 г/см³).

Существование критической скорости, по достижению которой нейтральная частица, движущаяся ускоренно в разреженной плазме, скачком ионизируется, подтверждается лабораторными экспериментами. Оценочные расчеты показывают, что подобный механизм способен обеспечить накопление необходимого для образования планет вещества за сравнительно короткое время (порядка ста миллионов лет).

Сверхкорона, по мере накопления в ней выпадающего вещества, начинает отставать в своем вращении от вращения центрального тела. Стремление выровнять угловые скорости тела и короны заставляет плазму вращаться быстрее. Но это происходит за счет замедления вращения центрального тела. Ускорение плазмы увеличивает центробежные силы, оттесняя их от звезды. Между центральным телом и плазмой образуется область очень низкой плотности вещества. Создается благоприятная обстановка для конденсации нелетучих веществ путем их выпадения из плазмы в виде отдельных зерен. Зерна получают от плазмы импульс и, двигаясь по орбитам будущих планет, уносят с собой часть момента количества движения в Солнечной системе. Сегодня на долю планет, суммарная масса которых составляет только 0,1% массы всей системы, приходится 99% суммарного момента количества движения.

Выпавшие зерна, захватив часть момента количества движения, следуют по пересекающимся эллиптическим орбитам. Множественные столкновения между зернами приводят к их объединению в большие группы и превращению их орбит почти в круговые, лежащие в плоскости эклиптики. В конце концов частицы собираются в струйный поток, имеющий форму тороида (кольца), захватывающий все частицы, которые с ним сталкиваются, и уравнивающий их скорость со своей. Затем эти зерна слипаются в зародышевые ядра, к ним продолжают притягиваться частицы, и постепенно они разрастаются до крупных тел – планетезималий. Взаимное объединение последних образует планеты. А как только планетные тела оформляются настолько, что возле них появляется достаточно сильное собственное магнитное поле, начинается процесс образования спутников, в миниатюре повторяющий то, что произошло при образовании самих планет около Солнца.

Так, в этой теории, пояс астероидов – это струйный поток, в котором из-за нехватки выпавшего вещества процесс планетообразования прервался на стадии планетезималий. Кольца у крупных планет – это остаточные струйные потоки, оказавшиеся слишком близко к первичному ядру и попавшие внутрь так называемого предела Роша, где гравитационные силы «хозяина» так велики, что не позволяют образоваться устойчивому вторичному телу.

Метеориты и кометы, согласно данной модели, формировались на окраине Солнечной системы, за орбитой Плутона. В отдаленных от Солнца областях существовала слабая плазма. В ней механизм выпадения вещества еще работал, но струйные потоки, в которых рождаются планеты, образоваться уже не могли. Слипание выпавших там частиц привело к единственно возможному результату – образованию кометных тел.

Сегодня уже есть уникальные сведения, подтверждающие данную теорию. Они получены с помощью американских спутников «Вояджеров» при исследовании Юпитера, Сатурна и Урана. Поэтому мы можем уверенно говорить о наличии общих характерных особенностей как у этих далеких планет, так и у Солнечной системы в целом:

– выявлена закономерность в распределении вещества по химическому составу: максимум концентрации летучих веществ (водород, гелий) всегда приходится на первичное тело и на периферийную часть системы. На некотором удалении от центрального тела располагается минимум летучих веществ. В Солнечной системе этот минимум заполнен самыми плотными планетами земной группы;

– во всех случаях на долю первичного тела приходится более 98% общей массы системы;

– имеются наглядные признаки, указывающие на повсеместное образование планетных тел путем аккреции – слипания частиц во все более крупные тела, вплоть до окончательного оформления в планету (спутник).

Итак, эволюция Вселенной привела к образованию планет, а на отдельных из них могли появиться жизнь и разум. Происходит это в местах нахождения разнообразных химических элементов, где протекают процессы их объединения в молекулы, сложность которых может нарастать до очень высоких уровней. Причину, заставляющую атомы объединяться в молекулы, наука знает достаточно хорошо. В основе этих процессов – химические силы, за которыми скрывается одна из фундаментальных сил природы – электромагнитное взаимодействие. Процессы соединения атомов в молекулы широко распространены во Вселенной. В межзвездной среде, где концентрация вещества ничтожно мала, тем не менее обнаруживаются молекулы водорода. Там же встречаются мельчайшие пылинки, в их основе – кристаллики льда или углерода с примесью гидратов различных соединений. Молекулярный водород вместе с гелием образует газопылевые облака. Но самое интересное, с чем столкнулись исследователи, – это присутствие в космосе неожиданно большого разнообразия органических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы аминокислот. Подсчитано, что в межзвездных облаках существует более 50 видов органических молекул. Еще удивительнее, что органические молекулы находятся во внешних оболочках некоторых не очень горячих звезд и в образованиях, температура которых незначительно отличается от температуры абсолютного нуля. Так что синтез молекул, в том числе и органических, – распространенное и вполне обыденное явление в космосе. Правда, наука пока не может с уверенностью объяснить конкретные пути протекания такого синтеза.

В связи с этим возникает вопрос, способно ли усложнение вещества достигнуть самых высоких уровней вне планет, в межзвездной среде или в оболочках не очень горячих звезд? Иначе говоря, возможна ли там жизнь? Существует ли жизнь на других планетах, возникших у далеких от нас звезд? Эта тема неоднократно обыгрывалась в научно-фантастических произведениях, но современная наука не позволяет дать на этот вопрос ни положительного, ни отрицательного ответа. Пока мы знаем только один вариант жизни в космосе – на Земле, хотя вопрос о том, одиноки ли мы во Вселенной, волнует не только ученых, но и обычных людей.