Солнечная система и протопланеты. Глизе 581
Оказавшись за самой последней стеной нашего космического дома — гелиосферой Солнечной системы, оглянемся назад и задумаемся о том, что же представляет из себя эта уникальная планетная структура и как она возникла на берегу звездного острова Млечного Пути.
Достаточно мимолетного взгляда на нашу Солнечную систему, чтобы увидеть, что она состоит из двух семейств мало похожих друг на друга планет. Ближайшие к Солнцу четыре планеты образуют так называемую земную группу. Орбиты Земли и Венеры — почти точные окружности, в центре которых находится Солнце. А вот у Меркурия и Марса орбиты сильно вытянуты в эллипсы, в одном из фокусов которого располагается наше светило. Планеты земной группы совершенно по-разному вращаются вокруг своей оси, делая один оборот от 24 ч (Земля) до 243 венерианских суток.
Солнечная система
За последней землеподобной планетой Марсом начинается таинственный пояс астероидов, считающийся своеобразной границей между внутренними и внешними мирами. После главного пояса астероидов вдалеке от центрального светила начинаются орбиты четырех колоссальных газовых планет-гигантов, или, как говорят астрономы, газгигов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Чем же отличаются семейства планет земной группы, газовых гигантов и ледяных колоссов?
Современные астрономические наблюдения позволяют нам уверенно утверждать, что все сестры и братья нашей планеты устроены в общем-то практически одинаково. В центре каждой планеты из земной группы обязательно находится массивное железное ядро в расплавленном состоянии.
Возможно, здесь исключением выступает только Венера — ее центральная часть в силу пока еще неясных обстоятельств тверда. Внутренние планеты отличаются сравнительно малыми размерами и массами. Так, самая массивная из них — Земля — в 330 тыс. раз легче Солнца. В то же время планеты земной группы довольно плотные, их удельный вес более чем пять раз превышает аналогичный показатель газовых гигантов.
У внутренних планет есть атмосферы: от довольно плотной у Венеры до практически несущественной у Меркурия. После Венеры по плотности своего облачного одеяла следует Земля, а затем — Марс, причем атмосфера Красной планеты очень разряженная. Атмосферы землеподобных планет состоят из относительно тяжелых газов (двуокиси водорода, углекислого газа, водяных паров, азота и кислорода). Внутренние планеты имеют и сходный химический состав (из соединений кремния и железа или силикатов).
Все земноподобные планеты, кроме Венеры, обладают собственными магнитными полями, весьма заметными у Земли и средними у Меркурия и Марса. На всю земную группу планет приходится всего три спутника: Луна у Земли и два миниатюрных у Марса. Эти тела описывают сложные орбиты в пространстве, вращаясь вокруг планет и вместе с ними вокруг Солнца (как и планеты, можно считать спутниками нашего светила).
Атмосферы газовых гигантов в основном состоят из легчайших газов — водорода и гелия. А Уран и Нептун еще содержат метан с аммиаком, включая их различные легкие соединения. Все другие элементы представлены в сравнительно малых количествах. Строение газовых гигантов таково, что с увеличением их массы растет толщина атмосферы, поэтому самой мощной атмосферой обладает Юпитер, за ним следуют Сатурн и близкие по своим параметрам Уран и Нептун, которых иногда называют газовыми братьями.
Поскольку газовые гиганты в основном состоят из атмосферы, они вращаются послойно: быстрее всего на экваторе и медленнее всего в приполярных широтах. Такое неравномерное вращение сильно меняет форму планет, сжимая их у полюсов, это можно заметить даже в простой телескоп. Кстати, и Солнце как газовый шар вращается слоями с периодом в 25-35 земных суток.
Подавляющее число естественных спутников планет Солнечной системы относятся к газовым гигантам и лишь три — к земной группе. Астрономы насчитывают 68 сателлитов, но точное их количество пока еще не известно. Так, у Юпитера открыто 17 лун у Сатурна — 18, у Урана — 21 и у Нептуна — 8. Кроме спутников каждый из газовых гигантов имеет еще и кольца, состоящие из мелких частиц, вращающихся вблизи их экваториальных плоскостей, Правда, с Земли можно рассмотреть только кольца Сатурна, а у остальных они еле видны в непосредственной близости.
В истории астрономической науки пионером космогонии — учения о происхождении небесных тел — считается французский ученый Бюффон. который еще в 1745 году высказал мысль, что все известные планеты возникли из солнечного вещества, выброшенного после столкновения Солнца с кометой. Первую научную теорию, исходя из общих соображений, выдвинул немецкий философ Эммануил Кант. Но настоящее развитие она получила в работах французского математика Пьера-Симона Лапласа, объяснившего образование Солнечной системы с помощью небесной механики Ньютона.
Наша перенаселенная Солнечная система
Знаменитая космогоническая теория Канта — Лапласа, в деталях описывающая происхождение нашей планетной системы, долго считалась непревзойденным плодом человеческого разума, но прошли века, и ученым стало ясно, что Земля, скорее всего, никогда не была в раскаленном газовом состоянии…
В начале начал всех космогонических сценариев происхождения Солнечной системы предполагается, что в данной области Млечного Пути лежало обширное облако пыли и газа (газопылевая туманность). По чистой случайности или в силу действия каких-либо внешних факторов (вспышек сверхновых, других звезд и туманностей) отдельные части этого пыльного облака начали уплотняться, в нем возникли всяческие течения и вихри.
В конечном итоге после завершения сжатия этой колоссальной газопылевой «юлы» большая часть массы оказывается сосредоточенной в центре формирования звездного светила, а незначительная периферийная масса распределяется в экваториальной плоскости оси вращения протозвезды. Здесь еще много неясного, но, скорее всего, это происходит в результате «сплющивания» центробежными силами раскрученного протопланетного вещества, из которого и сформировалась наша и другие планеты.
Для образовавшихся массивных сгущений в действие вступили силы всемирного тяготения. Все последующее в чем-то набирающие объемы снежные комья. Газ и пыль устремились к этим своеобразным гравиконцентратам — и их масса начала быстро возрастать. Прошли сотни миллионолетий, и в центре самого крупного «комка» вещество уплотнилось настолько, что под чудовищным давлением сил тяготения температура повысилась до уровня запуска ядерных реакций — и загорелась звезда.
Сейчас астрофизики нашли уже много подобных «звездных ясель», в которых непрерывно вспыхивают новорожденные светила. Правда, еще далеко не все ясно, как развивались события в самом интересном месте истории мироздания, когда в окружающем новорожденную звезду (Солнце) газопылевом диске начали формироваться сгустки материи. Подобно снежным комам, катящимся с горы, они начинают служить центрами накопления рассеянного вокруг вещества. В дальнейшем околосолнечное вещество должно как-то расслаиваться в кольца, собираясь в сгустки на определенных орбитах будущих планет. Размеры появившихся небесных тел в первую очередь зависели от расстояния до Солнца.
Вблизи светила из-за высокой температуры все летучие легкоплавкие вещества должны были бы испариться в окружающее космическое пространство, не конденсируясь в жидкую или газообразную фазу. Именно таким образом внутренние планеты земного типа принимают вид сравнительно небольших и относительно плотных сфероидов с преобладанием в их составе тяжелых элементов. В нашей солнечной семье подобными небесными телами являются Меркурий, Венера, Земля и Марс, а также их луны и многочисленные астероиды. Вполне возможно, что к данному типу принадлежат и некоторые из карликовых планет.
Протопланеты
Много астрономических тайн и загадок связано с эпохой формирования Солнечной системы. Например, почему у планет такие разные сутки — скорости вращения вокруг собственной оси? А у Венеры наблюдается вообще уникальное явление — обратное суточное вращение, не совпадающее по направлению со всеми другими планетами? Некоторые планетологи считают, что причиной стал сильный удар или их серия со стороны каких-то очень крупных небесных тел (протопланет), что в конечном итоге и изменило вращение планеты вокруг оси.
В середине XX века была очень популярна теория академика Отто Юльевича Шмидта, который считал, что Солнце возникло как одиночное светило, но в своем обращении вокруг галактического центра встретило и захватило облако пыли и газа. В дальнейшем гравитационные поля Солнца и неоднородностей этого холодного облака сформировали протопланетные плотные тела планетезимали. с течением времени развившиеся в полноценные планеты. Эти данные и элементы многих других теорий активно использует современная космогония.
Перейдем теперь на более «высокие» орбиты, расположенные вдалеке от жара лучей молодого Солнца. Естественно предположить, что здесь должны сформироваться планеты совершенно иного вида. Достаточно низкая температура не будет препятствовать ни конденсации, ни кристаллизации легких химических элементов, порождая массивные скальные и ледяные кристаллические ядра. Их сверхмощное притяжение позволило захватить из пылегазовой протопланетной среды колоссальные объемы легких газов, в первую очередь водорода и гелия, скапливающихся в моря и океаны, а также образующих атмосферу. Испепеляющее дыхание нашего светила выжигало ближний космос от газов и пыли, отбрасывая их на периферию Солнечной системы.
Вот и сегодня космическая среда, в которой вращаются газовые гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, существенно отличается от околоземного космоса, будучи насыщенной различными элементами.
Таким образом, на периферии Солнечной системы возникли планеты-гиганты, способные удержать на себе колоссальные газовые оболочки. Вначале у них сформировались ядра, а затем из окружающей газопылевой среды выросла оболочка из водорода и гелия. При этом скорость роста газовых гигантов напрямую зависела от их изначальных масс. Так, Юпитер рос десятки миллионов лет, а Сатурн — сотни миллионов. Одновременно с ростом у планет-гигантов возникли собственные газопылевые диски, из которых сформировались их многочисленные спутники и кольца.
Подобный космогонический сценарий во многом удовлетворительно объясняет целый ряд наблюдаемых характеристик Солнечной системы: ее сравнительную компактность, состав превалирующих химических элементов, соотношение твердых планет и газгигов, внутреннее строение небесных тел, траектории их движения в едином направлении вокруг Солнца.
Много миллиардов лет назад Солнце было буквально закутано в обширную пыльную вуаль, состоявшую из песчинок графита, похожего по составу на грифель в простом карандаше, и кремния в виде тончайшего песка, покрывающего морские и речные пляжи. Возможно, изредка попадались окислы железа, напоминающие частички ржавчины, смерзшиеся с метаном, аммиаком и прочими углеводородами, горящими ярким пламенем в наших кухонных плитах. Непрерывные столкновения подобных частичек образовывали все более крупные фрагменты, достигающие диаметра нескольких сантиметров, одновременно рассеивая их по колоссальным дискам астероидных поясов вокруг Солнца.
Эпоха рождения планетной системы (художественная реконструкция)
Астрономы всегда мечтали хоть краем глаза заглянуть в удивительнейшую эпоху рождения нашей планетной системы и ее населения. Почти до конца прошлого века раннюю историю создания природой нашего космического дома приходилось изучать лишь на основе косвенных данных. И только потом стали широко доступны наблюдения невидимых ранее газопылевых дисков, вращающихся вокруг многих молодых солнцеподобных звезд.
Солнечная эра Тельца
Ближайшие к нашему светилу планеты обрели свой окончательный вид в раскаленном дыхании солнечной плазмы, в отличие от дальних планет, практически не ощущающих порывов солнечного ветра. Астрофизики считают, что новорожденное светило излучало световую энергию совсем иначе, чем сейчас, переживая эру своей бурной активности. В тот период Солнце стремительно теряло массу, уносимую раскаленным солнечным ветром, так что всего за десяток миллионолетий она уменьшилась чуть ли не вдвое. Ученые весьма поэтично называют этот период эрой Тельца по имени звезды, переживающей сходные метаморфозы в созвездии Тельца.
Расчеты астрофизиков показывают, что гравитационное воздействие делало эти кольца внутренне неустойчивыми, и поэтому составляющие их камешки и песчинки объединялись в большие тела типа метеоров, метеоритов и астероидов. В современную эпоху эти и подобные им небесные тела заполняют все пространство между Марсом и Юпитером, причем многие из них имеют километровые размеры. Нестабильной оказалась и сама система астероидов. Процесс объединения и укрупнения продолжался многие сотни миллионов лет, пока не возникли зародыши будущих планет. Как только вес зародыша планеты достигнет нескольких масс Земли, он приобретает способность формировать собственную атмосферу. Газовые гиганты Юпитер, Сатурн, Нептун и Уран очень быстро за сотни лет увеличили свою массу в десятки раз путем захвата газов из окружающего межпланетного пространства.
Именно так в центре Солнечной системы сформировалась наша планета, рост которой продолжался сотни миллионов лет, за это время ее недра прогрелись до нескольких тысяч градусов под давлением внешних слоев. Все это сопровождалось падением крупных метеоритов и образованием кратеров, выплескивающих гигантские потоки лавы. Постепенно температура в центре Земли достигла 5 тыс. °С — это современное состояние недр нашей планеты.
В своем отрочестве, после череды бурных солнечных циклов, наша система состояла из планет, астероидов и прочих обломков космического «строительного мусора», вращающихся по сложным, запутанным орбитам. Все это приводило к колоссальным планетарным камнепадам, что миллиарды лет назад было обычным явлением для Земли и других внутренних планет. О тех ужасных временах непрерывной каменной бомбардировки до сих пор напоминает поверхность тех небесных тел Солнечной системы, которые, как Луна, Марс и Меркурий, практически лишены атмосферы. А на Земле и Венере бурные вулканические процессы и воздействие атмосферы практически полностью уничтожили признаки подобных событий, и геологи указывают только на следы отдельных, сравнительно недавно возникших кратеров.
Астрономы предсказывают, что где-то через 4 млрд лет «солнечное горючее» начнет заканчиваться и из-за недостатка водородного топлива термоядерные реакции в центре нашего светила постепенно будут приостанавливаться. При этом равновесие между раздувающими и сжимающими силами нарушится в пользу последних и внешние слои сдвинутся к ядру. От такого сжатия концентрация остатков водорода значительно повысится и ядерные реакции усилятся настолько, что ядро начнет расширяться. Астрофизики предсказывают, что затем Солнце неминуемо в 100 раз увеличится в диаметре и превратится в красного гиганта и орбиты первых трех планет — Меркурия, Венеры и Земли — окажутся внутри атмосферы звезды. Если сердцевина красного гиганта очень горячая, то температура оболочки сравнительно небольшая, в пределах 3 тыс. °С, что и придает этим звездным телам красноватый цвет.
Инопланетная система
Не так давно астрономы получили первые доказательства существования инопланетных систем и выяснили некоторые их характеристики. Таким образом, на настоящий момент известны свыше сотни планет, входящих в разнообразные звездные системы.
Инопланетная система
Ближайшее звездное окружение Солнечной системы
В звездной топке красного гиганта горит не водород, а скопившийся от предыдущих ядерных реакций гелий с образованием неустойчивых изотопов бериллия, превращающихся в углерод при бомбардировке их теми же ядрами гелия.
Скорее всего, именно на этом этапе должно произойти полное разрушение нашей планеты и, конечно, исчезновение на ней любой жизни. Ведь, попав в огненные вихри плазмы солнечной атмосферы, оболочка Земли полностью испарится.
Именно на этом этапе должно произойти полное разрушение нашей планеты и, конечно, исчезновение на ней любой жизни. Ведь, попав в огненные вихри плазмы солнечной атмосферы, оболочка Земли полностью испарится. Есть ли выход из этой страшной кончины человеческой цивилизации? Конечно же, самым простым представляется звездная экспансия людей, постепенно расселяющихся по планетным системам других звезд. Многие ученые предсказывают, что подобный «звездный путь человечества» начнется уже в следующем тысячелетии и последний человек покинет Землю за сотни миллионов лет до «солнечного конца света».
И все же пока еще астрономам и астрофизикам не удалось зафиксировать важнейшие этапы выделения сгущений будущих планет из протопланетного облака. Здесь надо не просто построить картину протопланетного диска, но и сопоставить в ней моменты возгорания центрального светила. К тому же предстоит решить и еще одну не менее грандиозную задачу — проследить процесс выделения протосолнечной туманности из исходного роя родительских молекулярных облаков, рассеянных по всей Галактике. Однако лишь отдельные планетные системы похожи на наш космический дом.
В подавляющем большинстве чужие планеты вращаются вокруг своих звезд по сильно вытянутым траекториям, в то время как орбиты всех планет Солнечной системы, за исключением Плутона, близки к круговым. Кроме того, почему-то все открытые планеты движутся очень близко к своим светилам, наподобие нашего Меркурия. А некоторые из них почти касаются верхних слоев звездных атмосфер с периодом обращения всего несколько земных суток. Трудно даже представить себе, что творится на поверхности этих небесных тел с годом в несколько земных суток, опаляемых языками звездной плазмы…
Это интересно
Глизе 581 — это инопланетная система, открытая в 2005 году. Широко известна тремя планетами, гипотетически пригодными для белковой жизни. Всего у красного карлика Глизе 581, входящего в сотню ближайших звезд, известно шесть экзопланет. Наиболее интересна первая из открытых планет Глизе 581 с, не только входящая в «зону жизни», но и обладающая вполне «земными» параметрами — ускорение свободного падения лишь вполовину больше земного, а температура колеблется от нескольких градусов мороза до 40 °С тепла. Остальные планеты больше напоминают Венеру и «горячие юпитеры» — газовые гиганты с раскаленной атмосферой, поэтому вхождение некоторых из них в пояс жизни достаточно условно.
