Жак Поль – Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты (страница 11)
Достаточно ли это веская причина, чтобы придавать особое значение нашему уголку Вселенной? Бернар Ле Бовье де Фонтенель опубликовал в 1686 году рассуждение «Беседы о множественности миров» и положил начало нескончаемой дискуссии о существовании внеземной жизни. В наши дни все больше астрофизиков склоняются к мнению, что на других планетах могут существовать разные формы жизни. Как и американский ученый Карл Саган, многие считают, что обратная вероятность – «мы одни во Вселенной» – никогда не сможет быть доказана, в силу древней мудрости, что отсутствие доказательств не является доказательством отсутствия.
Но тем не менее крошечный уголок космоса, где эволюционирует Земля, заслуживает усиленного внимания. События, которые происходили во время формирования нашей Солнечной системы, на самом деле представляют собой замечательный пример того, каким образом могли образоваться иные планетные системы, которые астрофизики не устают открывать вокруг многочисленных звезд Млечного Пути.
4,57 миллиарда лет назад
Рождение Солнца
Фрагмент молекулярного облака на окраине Млечного Пути, сжимаясь, начал уплотняться. Этот сгусток вещества стал нашим Солнцем. Вокруг него начал вращаться диск, из которого образовались все другие тела Солнечной системы.
Ланиакея, локальное сверхскопление, представляет собой один из узлов гигантской космической сети. Он удерживает вместе более десяти тысяч галактик. На его окраине расположена скромная галактическая группа – Местная группа, состоящая из примерно шестидесяти членов. Млечный Путь – один из самых заметных из них. Уже более четырех миллиарда лет назад массивное гало из темной материи сформировало в этом звездном острове посреди пустоты тонкий диск из звезд и газа, в основном водорода, с небольшой примесью гелия и щепоткой других элементов. В основном этот газ имеет очень малую плотность (менее одного атома на кубический сантиметр), однако местами он сконцентрирован в большие и существенно более плотные туманности. Молекулы и частицы пыли делают непрозрачными эти облака из пыли и молекул, одно из которых некогда плавало на окраине Млечного Пути.
Внутри этого облака, как и везде в пространстве, действовала гравитация. Неожиданно, по причинам до сих пор до конца не ясным, весьма значительный кусок облака неожиданно начал сжиматься, проваливаться сам в себя. Может быть, по нему прошла одна из волн плотности, которая сформировала специфическую структуру спиральных рукавов Млечного Пути? Или по нему промчалась ударная волна от взрыва близкой массивной звезды? Но как бы там ни было огромный облачный пузырь сжался под влиянием собственного веса и превратился в зародыш звезды, внутри которой гравитационная энергия перерождалась в тепловую. Сжатие пузыря закончилось, когда температура в его центре поднялась до уровня, на котором в водородной плазме начинаются циклы термоядерных реакций.
В недрах протозвезды высвободилось огромное количество энергии, которое было выброшено в пространство в виде света. Звезда родилась…
Это был довольно банальный эпизод в наблюдаемой Вселенной, где в секунду рождаются тысячи звезд, однако для человечества этот случай стал решающим, поскольку эта звезда стала впоследствии известна под именем Солнце. Из того же облака сформировались и другие звезды, сестры Солнца. Со временем их собственные движения разнесли их далеко друг от друга.
Перед окончательным сжатием протозвезда – будущее Солнце – окружила себя нимбом из газа и пыли. Излучение звезды, родившейся в центре этой туманности, способствовало тому, что туманность распалась на мириады отдельных тел, которые стали слипаться в более крупные образования. Именно из одного из них возникнет будущая Земля… Это сценарий, в который астрофизики XXI века с помощью современных знаний превратили старую гипотезу солнечной туманности, дорогую сердцу философов века Просвещения.
☛ СМ. ТАКЖЕ
Большой взрыв (Начало расширения)
Формирование диска Млечного Пути (8,8 миллиарда лет назад)
Ланиакея, наше сверхскопление (6,8 миллиарда лет назад)
Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)
Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)
Ударная волна сотрясает Магелланово Облако (–166 000)
4,57 миллиарда лет назад
Солнце – атомная электростанция
В сердцевине юного Солнца создались условия, необходимые для поддержания циклических ядерных реакций. Энергии, выделяющейся при этом, должно хватить на миллиарды лет сияния.
Юное Солнце, сжимаясь в плотный комок газа, постепенно нагрелось до температур столь высоких, что атомы (в основном водородные) потеряли свои электронные оболочки. Внутри звезды образовалась плазма из атомных ядер (по большей части протонов) и свободных электронов. Плазма – четвертое состояние материи, первые три из которых нам хорошо известны: твердое, жидкое, газообразное. В нашем непосредственном окружении плазма встречается весьма редко. На Земле она образуется лишь при некоторых природных явлениях (высокотемпературное пламя, молния) или в промышленности (газоразрядная лампа).
А Солнце в основном состоит из плазмы. Жарче всего в его центре: пятнадцать миллионов градусов. Там же, в ядре, наблюдается и самая высокая плотность: более ста граммов на кубический сантиметр. Температура и плотность в ядре звезды столь высоки, что происходят непрерывные ядерные реакции протон-протонного цикла. В 1939 году американский физик немецкого происхождения Ханс Бете описал три стадии этого цикла:
• первая стадия: в очень горячей и плотной среде частицы приобретают огромную энергию, и протоны сталкиваются друг с другом. Оба несут положительный заряд, но преодолевают взаимное отталкивание за счет туннельного эффекта – это свойство субатомного мира открыл в 1928 году американский физик русского происхождения Георгий Гамов. Два протона оказываются настолько близки друг к другу, что сильное взаимодействие «склеивает» их. Но это вновь образованное ядро немедленно развалилось, если бы не слабое взаимодействие. Оно превращает один из протонов в нейтрон и создает стабильное ядро дейтерия;
• вторая стадия: встреча дейтерия и другого протона, приводящая к формированию ядра гелия-3 (два протона и один нейтрон);
• третья стадия: два ядра гелия-3 слипаются друг с другом, образуя гелий-4 (два протона и два нейтрона) и одновременно испуская два протона.
Цикл завершается довольно быстро: в его начале мы имеем четыре ядра водорода, в конце – одно ядро гелия-4. Оно менее массивно, чем четыре соединенных протона, но в силу действия уравнения, связывающего массу и энергию и записываемого известной формулой
☛ СМ. ТАКЖЕ
Рождение Солнца (4,57 миллиарда лет назад)
4,57 миллиарда лет назад
Образование планет
Частицы пыли, которые носились в околосолнечном диске, слиплись в тысячи планетоидов по нескольку километров в диаметре каждый – и они постепенно увеличивались в ходе столкновений и объединений.
Вещество околосолнечной туманности, быстро вращавшееся вокруг Солнца в процессе его образования, сформировало плоский диск, толщина которого увеличивалась по мере удаления от центра. Диск в основном состоял из водорода и гелия, но в нем были и микроскопические твердые пылинки. Астрофизики считают, что диск делился на две области – на расстоянии около пяти астрономических единиц от Солнца в нем начинали доминировать ледяные частицы. Астрономическая единица (а. е.) – единица измерения расстояний в Солнечной системе, равная 149,6 миллиона километров. На периферии диска его температура была слишком низкой, чтобы там могла существовать жидкая вода.
Присутствовавшие в диске частички пыли постепенно слипались друг с другом, примерно так же, как они слипаются в пылевые клубки у нас под кроватью. Когда размеры пылевых клубков доходили до нескольких метров, в действие вступала гравитация – она помогала создавать тела размером более километра. Самые массивные из планетоидов притягивали к себе все, что оказывалось в зоне их гравитационного воздействия. Этот процесс приводил к образованию зародышей планет, масса которых росла по мере удаления от Солнца.
За «ледяной границей» зародыши планет были достаточно массивными (в несколько масс Земли), чтобы притянуть к себе газ из диска и окружить себя атмосферой из водорода и гелия. Из таких протопланет возникли газовые гиганты с массой в сотни земных масс – Юпитер и Сатурн. Газовые оболочки других планетоидов рассеялись; возникли гигантские образования из скал и твердых летучих льдов, с массой примерно в пятнадцать земных и с разреженной атмосферой из гелия и водорода – Уран и Нептун.
В промежутке между Солнцем и ледяной границей, в среде, откуда почти весь газ был вытеснен солнечным излучением, зародыши планет то и дело сталкивались, вращаясь по вытянутым и пересекающимся друг с другом орбитам. Взаимодействия планетоидов заканчивались либо их слиянием, либо выбрасыванием одного из них за границы Солнечной системы – будто камень вылетел из пращи. В результате во внутренней части системы, в порядке удаления от Солнца, остались только четыре планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Астрофизики называют их теллурическими, то есть планетами земного типа: как и Земля, они созданы из камня и металла. Они гораздо меньше гигантов с окраин Солнечной системы, но и заметно плотнее. Сейчас исследователи активно ищут планеты земного типа вокруг других звезд. И нашли их уже довольно много – в частности благодаря данным, полученным космическим телескопом «Кеплер» с 2009 по 2018 год.