Реферат: Возникновение и эволюция Вселенной

По астрономии

На тему: «Возникновениеи эволюция вселенной»

Павленко Ярослава

МОУ СОШ №16

11 А класс

План

1.Инфляционная теория возникновения Вселенной

2.Богословная теория возникновения Вселенной

3.Возникновение и эволюция звезд

4. Возникновение и эволюция планет

  Узнав о теории Большоговзрыва, я задал себе вопрос, откуда же взялось то, что взорвалось?

  Вопрос о происхожденииВселенной со всеми ее известными и пока неведомыми свойствами испокон вековволнует человека. Но только  в ХХ  веке, после обнаружения космологическогорасширения, вопрос об эволюции Вселенной стал понемногу прояснятся. Последниенаучные данные позволили сделать вывод, что наша Вселенная родилась 15миллионов лет назад в результате Большого взрыва. Но что именно взорвалось втот момент и что, собственно, существовало до Большого взрыва, по-прежнемуоставалось загадкой. Созданная в ХХ веке инфляционная теория появления нашегомир позволила существенно продвинутся в разрешении этих вопросов, общая картинапервых мгновений Вселенной сегодня уже неплохо прорисована, хотя многиепроблемы еще ждут своего часа.

     До начала прошлого векабыло всего два взгляда на  происхождение нашей Вселенной. Ученые полагали, чтоона вечна  и неизменна, а богословы говорили, что Мир сотворен и у него  будетконец. Двадцатый век, разрушив очень многое из того, что было создано впредыдущие тысячелетия, сумел дать свои ответы на большинство вопросов,занимавших умы ученых прошлого. И быть может, одним из величайших достиженийушедшего века  является прояснение вопроса о том, как возникла Вселенная, в котороймы живем, и какие существуют гипотезы по поводу ее будущего. Простойастрономический факт — расширение нашей Вселенной — привел к полному пересмотрувсех космогонических концепций и разработке новой физики — физики возникающих иисчезающих миров. Всего 70 лет назад Эдвин Хаббл обнаружил, что свет от болеедалеких галактик «краснее» света от более близких. Причем скорость разбеганияоказалась пропорциональна расстоянию от Земли (закон расширения Хаббла).Обнаружить это удалось благодаря эффекту Доплера (зависимости длины волны светаот скорости источника света). Поскольку более далекие галактики кажутся более«красными», то предположили, что и удаляются они с большей скоростью. Кстати,разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Ближайшиеот нас звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами иобразуют устойчивые структуры. Причем в каком направлении ни посмотри,скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью, и может показаться,что наша Галактика является центром Вселенной, однако это не так. Где бы нинаходился наблюдатель, он будет везде видеть все ту же картину — все галактикиразбегаются от него. Но такой разлет вещества обязан иметь начало. Значит, всегалактики должны были родиться в одной точке. Расчеты показывают, что произошлоэто примерно 15 млрд. лет назад. В момент такого взрыва температура была оченьбольшой, и должно было появиться очень много квантов света. Конечно, современем все остывает, а кванты разлетаются по возникающему пространству, ноотзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней. Первоеподтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономыР. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение стемпературой около 3° по шкале Кельвина (–270°С). Именно это открытие,неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имелместо и поначалу Вселенная была очень горячей. Теория Большого взрыва позволилаобъяснить множество проблем, стоявших перед космологией. Но, к сожалению, аможет, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов. В частности: Чтобыло до Большого взрыва? Почему наше пространство имеет нулевую кривизну иверна геометрия Евклида, которую изучают в школе? Если теория Большого взрывасправедлива, то отчего нынешние размеры нашей Вселенной гораздо больше предсказываемоготеорией 1 сантиметра? Почему Вселенная на удивление однородна, в то время какпри любом взрыве вещество разлетается в разные стороны крайне неравномерно? Что привело к начальному нагреву Вселеннойдо невообразимой температуры более 10 13 К?

Все это указывало на то, что теория Большого взрыванеполна. Долгое время казалось, что продвинуться далее уже невозможно. Толькочетверть века назад благодаря работам российских физиков Э. Глинера и А.Старобинского, а также американца А.Гуса было описано новое явление — сверхбыстроеинфляционное расширение Вселенной. Описание этого явления основывается на хорошоизученных разделах теоретической физики — общей теории относительностиЭйнштейна и квантовой теории поля. Сегодня считается общепринятым, что именнотакой период, получивший название «инфляция», предшествовал Большому взрыву.

При попытке дать представление о сущности начальногопериода жизни Вселенной приходится оперировать такими сверхмалыми и сверхбольшимичислами, что наше воображение с трудом их воспринимает. Попробуемвоспользоваться некоей аналогией, чтобы понять суть процесса инфляции.

Представим себе покрытый снегом горный склон, вкоторый вкраплены разнородные мелкие предметы — камешки, ветки и кусочки льда.Кто-то, находящийся на вершине этого склона, сделал небольшой снежок и пустилего катиться с горы. Двигаясь вниз, снежок увеличивается в размерах, так как нанего налипают новые слои снега со всеми включениями. И чем больше размерснежка, тем быстрее он будет увеличиваться. Очень скоро из маленького снежка онпревратится в огромный ком. Если склон заканчивается пропастью, то он полетит внее со все более увеличивающейся скоростью. Достигнув дна, ком ударится о дно пропастии его составные части разлетятся во все стороны (кстати, часть кинетическойэнергии кома при этом пойдет на нагрев окружающей среды и разлетающегосяснега).

 Теперь опишем основные положения теории, используяприведенную аналогию. Прежде всего физикам пришлось ввести гипотетическое поле,которое было названо «инфлатонным» (от слова «инфляция»). Это поле заполнялособой все пространство (в нашем случае — снег на склоне). Благодаря случайнымколебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственныхобластях и в различные моменты времени. Ничего существенного не происходило,пока случайно не образовалась однородная конфигурация этого поля размером более10 -33см.Что же касается наблюдаемой нами Вселенной, то она в первые мгновения своейжизни, по-видимому, имела размер 10 -27 см. Предполагается, что на таких масштабах ужесправедливы основные законы физики, известные нам сегодня, поэтому можно предсказатьдальнейшее поведение системы. Оказывается, что сразу после этогопространственная область, занятая флуктуацией (от лат. fluctuatio —«колебание», случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений),начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремитсязанять положение, в котором его энергия минимальна (снежный ком покатился). Такое расширение продолжается всего 10 -35 секунды, но этого времени оказывается достаточно для того, чтобыдиаметр Вселенной возрос как минимум в 10 27 рази к окончанию инфляционного периода наша Вселенная приобрела размер примерно 1см. Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии —дальше падать некуда. При этом накопившаясякинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц,иначе говоря, происходит нагрев Вселенной. Как раз этот момент и называетсясегодня Большим взрывом.

Гора, о которой говорилось выше, может иметь оченьсложный рельеф—несколько разных минимумов, долины внизу и всякие холмы и кочки.Снежные комья (будущие вселенные) непрерывно рождаются наверху горы за счетфлуктуаций поля. Каждый ком может скатиться в любой из минимумов, породив приэтом свою вселенную со специфическими параметрами. Причем вселенные могутсущественно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной удивительнейшимобразом приспособлены к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. Другимвселенным, возможно, повезло меньше.

Еще раз хотелось бы подчеркнуть, что описанный процессрождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты.Тем не менее у всякого человека, впервые знакомящегося с инфляционныммеханизмом, описанным выше, возникает немало вопросов.

Сегодня наша Вселенная состоит из большого числазвезд, не говоря уж о скрытой массе. И может показаться, что полная энергия имасса Вселенной огромны. И совершенно непонятно, как это все могло поместитьсяв первоначальном объеме                10-99см3. Однако во Вселенной существуетне только материя, но и гравитационное поле. Известно, что энергия последнего отрицательнаи, как оказалось, в нашей Вселенной энергия гравитации в точности компенсируетэнергию, заключенную в частицах, планетах, звездах и прочих массивных объектах.Таким образом, закон сохранения энергии прекрасно выполняется, и суммарнаяэнергия и масса нашей Вселенной практически равны нулю. Именно этообстоятельство отчасти объясняет, почему зарождающаяся Вселенная тут же послепоявления не превратилась в огромную черную дыру. Ее суммарная масса быласовершенно микроскопична, и вначале просто нечему было коллапсировать. И толькона более поздних стадиях развития появились локальные сгустки материи,способные создавать вблизи себя такие гравитационные поля, из которых не можетвырваться даже свет. Соответственно, и частиц, из которых «сделаны» звезды, на начальнойстадии развития просто не существовало. Элементарные частицы начали рождаться втот период развития Вселенной, когда инфлатонное поле достигло минимума потенциальнойэнергии и начался Большой взрыв.

Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась соскоростью, существенно большей скорости света, однако это нисколько не противоречиттеории относительности Эйнштейна. Быстрее света не могут двигаться лишь материальныетела, а в данном случае двигалась воображаемая, нематериальная граница тойобласти, где рождалась Вселенная (примером сверхсветового движения являетсяперемещение светового пятна по поверхности Луны при быстром вращенииосвещающего ее лазера).

Причем окружающая среда совсем не сопротивляласьрасширению области пространства, охваченного все более быстро разрастающимсяинфлатонным полем, поскольку ее как бы не существует для возникающего Мира.Общая теория относительности утверждает, что физическая картина, которую видитнаблюдатель, зависит от того, где он находится и как движется. Так вот, описаннаявыше картина справедлива для «наблюдателя», находящегося внутри этой области.Причем этот наблюдатель никогда не узнает, что происходит вне той области пространства,где он находится. Другой «наблюдатель», смотрящий на эту область снаружи,никакого расширения вовсе не обнаружит. В лучшем случае он увидит лишьнебольшую искорку, которая по его часам исчезнет почти мгновенно. Даже самое изощренноевоображение отказывается воспринимать такую картину. И все-таки она,по-видимому, верна. По крайней мере, так считают современные ученые, черпаяуверенность в уже открытых законах Природы, правильность которых многократно проверена.

Надо сказать, что это инфлатонное поле и сейчаспродолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, внутренние наблюдатели,не в состоянии этого увидеть — ведь для нас маленькая область превратилась вколоссальную Вселенную, границ которой не может достигнуть даже свет.

Итак, сразу после окончания инфляции гипотетическийвнутренний наблюдатель увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде материальныхчастиц и фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить внутреннийнаблюдатель, перевести в массу частиц, то мы получим примерно 10 80 кг. Расстояниямежду частицами быстро увеличиваются из-за всеобщего расширения. Гравитационныесилы притяжения между частицами уменьшают их скорость, поэтому расширениеВселенной после завершения инфляционного периода постепенно замедляется.

Сразу после рождения Вселенная продолжала расти иохлаждаться. При этом охлаждение происходило в том числе и благодаря банальномурасширению пространства. Электромагнитное излучение характеризуется длинойволны, которую можно связать с температурой — чем больше средняя длина волныизлучения, тем меньше температура. Но если пространство расширяется, то будут увеличиватьсяи расстояние между двумя «горбами» волны, и, следовательно, ее длина. Значит, врасширяющемся пространстве и температура излучения должна уменьшаться. Что иподтверждает крайне низкая температура современного реликтового излучения.

 По мере расширения меняется и состав материи,наполняющей наш мир. Кварки объединяются в протоны и нейтроны, и Вселенная оказываетсязаполненной уже знакомыми нам элементарными частицами — протонами, нейтронами,электронами, нейтрино и фотонами. Присутствуют также и античастицы. Свойствачастиц и античастиц практически идентичны. Казалось бы, и количество их должнобыть одинаковым сразу после инфляции. Но тогда все частицы и античастицывзаимно уничтожились бы и строительного материала для галактик и нас самих неосталось бы. И здесь нам опять повезло. Природа позаботилась о том, чтобычастиц было немного больше, чем античастиц. Именно благодаря этой небольшойразнице и существует наш мир. А реликтовое излучение — это как раз последствиеаннигиляции (то есть взаимоуничтожения) частиц и античастиц. Конечно, наначальном этапе энергия излучения была очень велика, но благодаря расширениюпространства и как следствие — охлаждению излучения эта энергия быстро убывала.Сейчас энергия реликтового излучения примерно в десять тысяч раз (104 раз) меньше энергии,заключенной в массивных элементарных частицах.

Постепенно температура Вселенной упала до1010 К. К этому моменту возраст Вселенной составлялпримерно 1 минуту. Только теперь протоныи нейтроны смогли объединяться в ядра дейтерия, трития и гелия. Это происходилоблагодаря ядерным реакциям, которые люди уже хорошо изучили, взрываятермоядерные бомбы и эксплуатируя атомные реакторы на Земле. Поэтому можноуверенно предсказывать, сколько и каких элементов может появиться в такомядерном котле. Оказалось, что наблюдаемое сейчас обилие легких элементов хорошосогласуется с расчетами. Это означает, что известные нам физические законы одинаковыво всей наблюдаемой части Вселенной и были таковыми уже в первые секунды послепоявления нашего мира. Причем около 98% существующего в природе гелияобразовалось именно в первые секунды после Большого взрыва.

Сразу после рождения Вселенная проходила инфляционныйпериод развития — все расстояния стремительно увеличивались (с точки зрениявнутреннего наблюдателя). Однако плотность энергии в разных точках пространстване может быть в точности одинаковой — какие-то неоднородности всегдаприсутствуют. Предположим, что в какой-то области энергия немного больше, чем всоседних. Но раз все размеры быстро растут, то и размер этой области тожедолжен расти. После окончания инфляционного периода эта разросшаяся областьбудет иметь чуть больше частиц, чем окружающее ее пространство, да и еетемпература будет немного выше.

 Поняв неизбежность возникновения таких областей,сторонники инфляционной теории обратились к экспериментаторам: «необходимообнаружить флуктуации температуры…» — констатировали они. И в 1992 году этопожелание было выполнено. Практически одновременно российский спутник «Реликт-1»и американский «COBE» обнаружили требуемые флуктуации температуры реликтовогоизлучения. Как уже говорилось, современная Вселенная имеет температуру 2,7 К, анайденные учеными отклонения температуры от среднего составляли примерно0,00003 К. Неудивительно, что такие отклонения трудно было обнаружить раньше.Так инфляционная теория получила еще одно подтверждение.

С открытием колебаний температуры появилась еще одна захватывающаявозможность — объяснить принцип формирования галактики. Ведь чтобыгравитационные силы сжимали материю, необходим исходный зародыш — область сповышенной плотностью. Если материя распределена в пространстве равномерно, то гравитация,подобно Буриданову ослу, не знает, в каком направлении ей действовать. Но какраз области с избытком энергии и порождает инфляция. Теперь гравитационные силызнают, на что воздействовать, а именно, на более плотные области, созданные вовремя инфляционного периода. Под действием гравитации эти изначально чуть-чутьболее плотные области будут сжиматься и именно из них в будущем образуются звездыи галактики.

Современный нам момент эволюции Вселенной крайнеудачно приспособлен для жизни, и длиться он будет еще много миллиардов лет.Звезды будут рождаться и умирать, галактики вращаться и сталкиваться, аскопления галактик — улетать все дальше друг от друга. Поэтому времени для самосовершенствованияу человечества предостаточно. Правда, само понятие «сейчас» для такой огромнойВселенной, как наша, плохо определено. Так, например, наблюдаемая астрономамижизнь квазаров, удаленных от Земли на 10—14 млрд. световых лет, отстоит отнашего «сейчас» как раз на те самые 10—14 млрд. лет. И чем дальше в глубьВселенной мы заглядываем с помощью различных телескопов, тем более раннийпериод ее развития мы наблюдаем.

Сегодня ученые в состоянии объяснить большинствосвойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10 -42 секунды и до настоящего времении даже далее. Они могут также проследить образование галактик и довольноуверенно предсказать будущее Вселенной. Тем не менее ряд «мелких» непонятностейеще остается. Это прежде всего — сущность скрытой массы (темной материи) и темнойэнергии. Кроме того, существует много моделей, объясняющих, почему нашаВселенная содержит гораздо больше частиц, чем античастиц, и хотелось быопределиться в конце концов с выбором одной правильной модели.

Как учит нас история науки, обычно именно «мелкиенедоделки» и открывают дальнейшие пути развития, так что будущим поколениям ученыхнаверняка будет чем заняться. Кроме того, более глубокие вопросы тоже уже стоятна повестке дня физиков и математиков. Почему наше пространство трехмерно?Почему все константы в природе словно «подогнаны» так, чтобы возникла разумнаяжизнь? И что же такое гравитация? Ученые уже пытаются ответить и на этивопросы.

Ну и конечно, оставим место для неожиданностей. Ненадо забывать, что такие основополагающие открытия, как расширение Вселенной,наличие реликтовых фотонов и энергия вакуума, были сделаны, можно сказать,случайно и не ожидались ученым сообществом.

 Возможные сценарии развития нашего мира

1. Пульсирующая модель Вселенной, при которой вслед запериодом расширения наступает период сжатия и все заканчивается Большим хлопком

2. Вселенная со строго подогнанной средней плотностью,в точности равной критической. В этом случае наш мир Евклидов, и его расширениевсе время замедляется

3. Равномерно расширяющаяся по инерции Вселенная.Именно в пользу такой открытой модели мира до последнего временисвидетельствовали данные о подсчете средней плотности нашей Вселенной

4. Мир, расширяющийся со все нарастающей скоростью.Новейшие экспериментальные данные и теоретические изыскания говорят о том, чтоВселенная разлетается все быстрее, и несмотря на евклидовость нашего мира,большая часть галактик в будущем будет нам недоступна. И виновата в стольстранном устроении мира та самая темная энергия, которую сегодня связали снекоей внутренней энергией вакуума, заполняющего все пространство

Что же ждет нашу Вселенную в дальнейшем? Еще нескольколет назад у теоретиков в этой связи имелись всего две возможности. Еслиплотность энергии во Вселенной мала, то она будет вечно расширяться ипостепенно остывать. Если же плотность энергии больше некоторого критическогозначения, то стадия расширения сменится стадией сжатия. Вселенная будетсжиматься в размерах и нагреваться. Значит, одним из ключевых параметров, определяющимразвитие Вселенной, является средняя плотность энергии. Так вот,астрофизические наблюдения, проводимые до 1998 года, говорили о том, чтоплотность энергии составляет примерно 30% от критического значения. Аинфляционные модели предсказывали, что плотность энергии должна быть равна критической.Апологетов инфляционной теории это не очень смущало. Они отмахивались отоппонентов и говорили, что недостающие 70% «как-нибудь найдутся». И онидействительно нашлись. Это большая победа теории инфляции, хотя найденная энергияоказалась такой странной, что вызвала больше вопросов, чем ответов. Похоже, чтоискомая темная энергия — это энергия самого вакуума.

В представлении людей, не связанных с физикой, вакуум— «это когда ничего нет» — ни вещества, ни частиц, ни полей. Однако это несовсем так. Стандартное определение вакуума — это состояние, в котором отсутствуютчастицы. Поскольку энергия заключена именно в частицах, то, как резоннополагали едва ли не все, включая и ученых, нет частиц — нет и энергии. Значит, энергиявакуума равна нулю. Вся эта благостная картина рухнула в 1998 году, когдаастрономические наблюдения показали, что разбегание галактик немножкоотклоняется от закона Хаббла. Вызванный этими наблюдениями у космологов шокдлился недолго. Очень быстро стали публиковаться статьи с объяснением этого факта.Самым простым и естественным из них оказалась идея о существованииположительной энергии вакуума. Ведь вакуум, в конце концов, означает простоотсутствие частиц, но почему лишь частицы могут обладать энергией? Обнаруженнаятемная энергия оказалась распределенной в пространстве на удивление однородно.Подобную однородность трудно осуществить, ведь если бы эта энергия былазаключена в каких-то неведомых частицах, гравитационное взаимодействиезаставляло бы их собраться в грандиозные конгломераты, подобные галактикам.Поэтому энергия, спрятанная в пространстве-вакууме, очень изящно объясняетустроение нашего мира.

Однако возможны и другие, более экзотические, вариантымироустроения. Например, модель Квинтэссенции, элементы которой были предложенысоветским физиком А.Д. Долговым в 1985 году, предполагает, что мы все ещескатываемся с той самой горки, о которой говорилось в начале нашего повествования.Причем катимся мы уже очень долго, и конца этому процессу не видно. Необычноеназвание, позаимствованное у Аристотеля, обозначает некую «новую сущность», призваннуюобъяснить, почему мир устроен так, а не иначе.

Сегодня вариантов ответа на вопрос о будущем нашей Вселеннойстало значительно больше. И они существенно зависят от того, какая теория,объясняющая скрытую энергию, является правильной. Предположим, что верно простейшееобъяснение, при котором энергия вакуума положительна и не меняется со временем.В этом случае Вселенная уже никогда не сожмется и нам не грозит перегрев иБольшой хлопок. Но за все хорошее приходится платить. В этом случае, какпоказывают расчеты, мы в будущем никогда не сможем достигнуть всех звезд. Болеетого, количество галактик, видимых с Земли, будет уменьшаться, и через 10—20млрд. лет в распоряжении человечества останется всего несколько соседних галактик,включая нашу — Млечный Путь, а также соседнюю Андромеду. Человечество уже несможет увеличиваться количественно, и тогда придется заняться своей качественнойсоставляющей. В утешение можно сказать, что несколько сотен миллиардов звезд,которые будут нам доступны в столь отдаленном будущем, — это тоже немало.

Впрочем, понадобятся ли нам звезды? 20 миллиардов лет— большой срок. Ведь всего за несколько сот миллионов лет жизнь развилась оттрилобитов до современного человека. Так что наши далекие потомки, возможно,будут по внешнему виду и возможностям отличаться от нас еще больше, чем мы от трилобитов.Что же сулит им еще более отдаленное будущее, по прогнозам современных ученых?Ясно, что звезды будут тем или иным способом «умирать», но будут образовыватьсяи новые. Этот процесс тоже не бесконечен — примерно через 10 14 лет, по предположениюученых, во Вселенной останутся только слабосветящиеся объекты — белые и темныекарлики, нейтронные звезды и черные дыры. Почти все они также погибнут через 1037 лет,исчерпав все запасы своей энергии. К этому моменту останутся лишь черные дыры,поглотившие всю остальную материю. Что может разрушить черную дыру? Любые нашипопытки сделать это лишь увеличивают ее массу. Но «ничто не вечно под Луной». Оказывается,черные дыры медленно, но излучают частицы. Значит, их масса постепенноуменьшается. Все черные дыры тоже должны исчезнуть примерно через 10 100 лет. Послеэтого останутся лишь элементарные частицы, расстояние между которыми будетнамного превосходить размеры современной Вселенной (примерно в 1090 раз) — ведьвсе это время Вселенная расширялась! Ну и, конечно, останется энергия вакуума,которая будет абсолютно доминировать во Вселенной. Кстати, свойства такогопространства впервые изучил В. Де Ситтер еще в 1922 году. Так что нашимпотомкам предстоит либо изменить физические законы Вселенной, либо перебратьсяв другие вселенные. Сейчас это кажется невероятным, но хочется верить вмогущество человечества, как бы оно, человечество, ни выглядело в стольотдаленном будущем. Потому что времени у него предостаточно.

Кстати, возможно, что уже и сейчас мы, сами того неведая, создаем новые вселенные. Для того чтобы в очень маленькой областивозникла новая вселенная, необходимо инициировать инфляционный процесс, которыйвозможен только при высоких плотностях энергий. А ведь экспериментаторы ужедавно создают такие области, сталкивая частицы на ускорителях… И хотя этиэнергии еще очень далеки от инфляционных, вероятность создания вселенной наускорителе уже не равна нулю. К сожалению, мы являемся тем самым «удаленнымнаблюдателем», для которого время жизни этой «рукотворной» вселенной слишком мало,и внедриться в нее и посмотреть, что там происходит, мы не можем...

Хотя это не единственная теория возникновения Мира.Богословы считали, что Вселенная создана Богом, Творцом. Причем у разныхнародов существовали разные теории, например библейская теория. Создание мирапроисходило шесть дней.

В первый день «Вначале бог сотворил небо и землю.Земля же была бездонна и пуста, и тьма над бездною…», потом сказал Бог:«Дабудет свет!»

Во второй день Бог сказал:«Да будет твердьпосреди воды, и да отделяет она воду от воды!»

 Втретий день Бог сказал:«Да соберётся вода, которая под небом в одно место,и да явится суша!»

Настал четвертый день, Бог сказал:«Да будутсветила на тверди небесной, для отделения дня и ночи, и для знамений и времен,и дней и годов; и да будут они светильниками на тверди небесной, что бы светитьна Землю!»Это означало о появлении Солнца, Луны и звезд.

В пяты день Бог создал пресмыкающихся, животных, рыб и«всякую птицу пернатую», а в шестой день создал первого человека.

   Из другой священной книги—Корана—тоже можно узнатьо шестидневном сотворении Мира, о том, как Бог (Аллах) создал «семьнебес» и «семь земель», причем сначала небеса и земли были соединены,а потом разъединились.

Инфляционная и богословная теории наиболеераспространены на Земле, и всегда будут сторонники той или иной теории. Я быхотел ближе рассмотреть тему происхождения и эволюции звезд и планет. Обсудимподробнее, что представляют собой звезды — эти светящиеся точки на небосклоне — в свете современной концепции.

Сначала формируется протозвезда. Частицы гигантскогодвижущегося газопылевого облака в некоторой области пространства притягиваютсямежду собой за счет гравитационных сил. Происходит это очень медленно, ведьсилы, пропорциональные массам входящих в облако атомов (в основном атомовводорода) и пылинок, чрезвычайно малы. Однако постепенно частицы сближаются,плотность облака нарастает, оно становится непрозрачным, образующийсясферический «ком» начинает понемногу вращаться, растет и силапритяжения, ведь теперь масса «кома» велика. Все больше и большечастиц захватывается, все больше плотность вещества. Внешние слои давят навнутренние, давление в глубине растет, а, значит, растет и температура. (Именнотак обстоит дело с газами, которые были подробно изучены на Земле). Наконец,температура становится такой большой — несколько миллионов градусов, — что вядре этого образующегося тела создаются условия для протекания ядерной реакциисинтеза: водород начинает превращаться в гелий. Об этом можно узнать,регистрируя потоки нейтрино — элементарных частиц, выделяющихся при такойреакции. Реакция сопровождается мощным потоком электромагнитного излучения,которое давит (силой светового давления, впервые измеренной в Земнойлаборатории П.Лебедевым) на внешние слои вещества, противодействуя гравитационномусжатию. Наконец, сжатие прекращается, поскольку давления уравновешиваются, ипротозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту стадию своей эволюциипротозвезде нужно несколько миллионов лет, если ее масса больше солнечной, инесколько сот миллионов лет, если ее масса меньше солнечной. Звезд, массыкоторых меньше солнечной в 10 раз, очень мало.

Масса является одной из важных характеристик звезд.Любопытно отметить, что довольно распространены двойные звезды — образующиесявблизи друг друга и вращающиеся вокруг общего центра. Их насчитывается от 30 до50 процентов от общего числа звезд. Возникновение двойных, вероятно, связано сраспределением момента количества движения исходного облака. Если у такой парыобразуется планетная система, то движение планет может быть довольнозамысловатым, а условия на их поверхностях будут сильно изменяться взависимости от расположения планеты на орбите по отношению к светилам. Весьмавозможно, что стационарных орбит, вроде тех, что могут существовать в планетныхсистемах одинарных звезд (и существуют в Солнечной системе), не окажетсясовсем. Обычные, одинарные звезды в процессе своего образования начинаютвращаться вокруг своей оси.

Другой важной характеристикой является радиус звезды.Существуют звезды — белые карлики, радиус которых не превышает радиуса Земли,существуют и такие — красные гиганты, радиус которых достигает радиуса орбитыМарса. Химический состав звезд по спектроскопическим данным в среднем такой: на10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атомаазота, 1 атом углерода, остальных элементов еще меньше. Из-за высокихтемператур атомы ионизируются, так что вещество звезды является в основномводородно-гелиевой плазмой — в целом электрически нейтральной смесью ионов иэлектронов. В зависимости от массы и химического состава исходного облакаобразовавшаяся звезда попадает на тот или иной участок, так называемой главнойпоследовательности на диаграмме Герцшпрунга-Рессела. Последняя представляетсобой координатную плоскость, на вертикальной оси которой откладываетсясветимость звезды (т.е. количество энергии, излучаемой ей в единицу времени), ана горизонтальной — ее спектральный класс (характеризующий цвет звезды, которыйв свою очередь зависит от температуры ее поверхности). При этом «синие»звезды более горячие, чем «красные», а наше «желтое» Солнцеимеет промежуточную температуру поверхности порядка 6000 градусов) (рис.2).Традиционно спектральные классы от горячих к холодным обозначаются буквамиO,B,A,F,G,K,M, при этом каждый класс делится на десять подклассов. Так, нашеСолнце имеет спектральный класс G2. На диаграмме видно, что большинство звездрасполагается вдоль плавной кривой, идущей из левого верхнего угла в правыйнижний. Это и есть главная последовательность. Наше Солнце также находится наней. По мере «выгорания» водорода в центре звезды ее масса немногоменяется и звезда немного смещается вправо вдоль главной последовательности.Звезды с массами порядка солнечной находятся на главной последовательности10-15 млрд. лет (наше Солнце находится на ней уже около 4,5 млрд. лет).Постепенно энергии в центре звезды выделяется все меньше, давление падает, ядросжимается, и температура в нем возрастает. Ядерные реакции протекают теперьтолько в тонком слое на границе ядра внутри звезды. В результате звезда в целомначинает «разбухать», а ее светимость увеличиваться. Звезда сходит сглавной последовательности и перебирается в правый верхний угол диаграммыГерцшпрунга-Рессела, превращаясь в так называемый «красный гигант».После того, как температура сжимающегося (теперь уже гелиевого) ядра красногогиганта достигнет 100-150 млн. градусов, начинается новая ядерная реакциясинтеза — превращение гелия в углерод. Когда и эта реакция исчерпает себя,происходит сброс оболочки — существенная часть массы звезды превращается впланетарную туманность. Горячие внутренние слои звезды оказываются«снаружи», и их излучение «раздувает» отделившуюсяоболочку. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеивается, и остаетсянебольшая очень горячая плотная звезда. Медленно остывая, она переходит в левыйнижний угол диаграммы и превращается в «белый карлик». Белые карлики,по-видимому, представляют собой заключительный этап нормальной эволюциибольшинства звезд.

Но встречаются и аномалии. Некоторые звезды время отвремени вспыхивают, превращаясь в новые звезды. При этом они каждый раз теряютпорядка сотой доли процента своей массы. Из хорошо известных звезд можноупомянуть новую в созвездии Лебедя, вспыхнувшую в августе 1975 года и пробывшуюна небосводе несколько лет. Но иногда случаются и вспышки сверхновых — катастрофические события, ведущие к полному разрушению звезды, при которых закороткое время излучается энергии больше, чем от миллиардов звезд тойгалактики, к которой принадлежит сверхновая. Такое событие зафиксировано вкитайских хрониках 1054 года: на небосводе появилась такая яркая звезда, что ееможно было видеть даже днем. Результат этого события известен нам теперь какКрабовидная туманность (рис.3), «медленное» распространение которойпо небу мы наблюдаем в последние 300 лет. Скорость разлета ее газов врезультате взрыва составляет порядка 1500 м/с, но она находится очень далеко.Сопоставляя скорость разлета с видимым размером Крабовидной туманности, мыможем рассчитать время, когда она была точечным объектом, и найти его место нанебосклоне — эти время и место соответствуют времени и месту появления звезды,упомянутой в хрониках.

Если масса звезды, оставшейся после сброса оболочки«красным гигантом» превосходит солнечную в 1,2-2,5 раза, то, какпоказывают расчеты, устойчивый «белый карлик» образоваться не может.Звезда начинает сжиматься, и ее радиус достигает ничтожных размеров в 10 км, аплотность вещества такой звезды превышает плотность атомного ядра.Предполагается, что такая звезда состоит из плотно упакованных нейтронов,поэтому она так и называется — нейтронная звезда. Согласно этой теоретическоймодели у нейтронной звезды имеется сильное магнитное поле, а сама она вращаетсяс огромной скоростью — несколько десятков или сотен оборотов в секунду. Итолько обнаруженные (именно в Крабовидной туманности) в 1967 году пульсары — точечные источники импульсного радиоизлучения высокой стабильности — обладаюткак раз такими свойствами, каких следовало ожидать от нейтронных звезд.Наблюдаемое явление подтвердило концепцию.

Если же оставшаяся масса еще больше, то гравитационноесжатие неудержимо сжимает вещество и дальше. Вступает в действие одно изпредсказаний общей теории относительности, согласно которому вещество сожметсяв точку. Это явление называется гравитационным коллапсом, а его результат — «черной дырой». Это название связано с тем, что гравитационная массатакого объекта настолько велика, силы притяжения настолько значительны, что нетолько какое-либо вещественное тело не может покинуть окрестность черной дыры,но даже свет — электромагнитный сигнал — не может ни отразиться, ни выйти«наружу». Таким образом, непосредственно наблюдать черную дыруневозможно, можно лишь догадаться о ее существовании по косвенным эффектам.Двигаясь в пространстве по направлению к черной дыре (о которой мы пока ничегоне знаем), можно обнаружить, что рисунок созвездий, расположенных прямо покурсу начинает меняться. Это связано с тем, что свет, идущий от звезд ипроходящий неподалеку от черной дыры, отклоняется ее тяготением. По мереприближения к дыре возникнет пустая область, окруженная светящимисяточками-звездами, в том числе и такими, которых раньше не наблюдалось. Свет отнекоторых звезд может, проходя мимо дыры, поворачивать вокруг нее, а затемпопадать в приемные устройства наблюдателя. Таким образом, одна звезда можетдавать несколько изображений в разных местах. Все это, конечно, противоречиткак нашему жизненному опыту, так и классическим представлениям, согласнокоторым свет распространяется прямолинейно. Однако в пользу существованиячерных дыр говорит целый ряд косвенных астрономических наблюдений, а отклонениесвета под действием гравитационного притяжения регистрируется уже припрохождении луча мимо такого «нормального» объекта, как Солнце.

Теперь можно перейти к теме возникновения планет.

Движение планет в Солнечной системе упорядочение: онивращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости.Расстояния от одной планеты до другой возрастают закономерно. Орбиты планетблизки к окружностям, что и позволяет им вращаться вокруг Солнца миллиарды лет,не сталкиваясь друг с другом.

Если движение планет подчиняется одному и тому жепорядку, то и процесс их образования должен быть единым. Это показали в XVIIIв. Иммануил Кант и Пьер Лаплас. Они пришли к выводу, что на месте планет вокругСолнца первоначально вращалась туманность из газа и пыли.

Но откуда взялась эта туманность? И каким образом гази пыль превратились в крупные планетные тела? Эти вопросы оставалисьнерешёнными в космогонии XIX и начала XX в. Камнем преткновения была и проблемамомента количества движения планет. Масса всех планет системы в 750 раз меньшемассы Солнца. При этом на долю Солнца приходится лишь 2% общего моментаколичества движения, а остальные 98% заключены в орбитальном вращении планет.

Вплотную этими проблемами наука занялась лишь вовторой половине XX в. Почти до конца 80-х гг. раннюю историю нашей планетнойсистемы приходилось «воссоздавать» лишь на основе данных о ней самой.И только к 90-м гг. стали доступны для наблюдений невидимые ранее объекты — газопылевые диски, вращающиеся вокруг некоторых молодых звёзд, сходных сСолнцем.

Газопылевую туманность, в которой возникли планеты, ихспутники, мелкие твёрдые тела — метеориты, астероиды и кометы, называют протопланетным(или допланетным) облаком. Планеты вращаются вокруг Солнца почти в однойплоскости, а значит, и само газопылевое облако имело уплощённую, чечевицеобразнуюформу, поэтому его называют ещё диском. Учёные полагают, что и Солнце, и дискобразовались из одной и той же вращающейся массы межзвёздного газа — протосолнечной туманности.

Начальная фаза протосолнечной туманности — предметисследования астрофизики и звёздной космогонии. Изучение же её эволюции,приведшей к появлению планет, — центральная задача космогонии планетной.

Возраст Солнца насчитывает чуть меньше 5 млрд. лет.Возраст древнейших метеоритов почти такой же: 4,5-4,6 млрд. лет. Столь же старыи рано затвердевшие части лунной коры. Поэтому принято считать, что Земля идругие планеты сформировались 4,6 млрд. лет назад. Солнце относится к звёздамтак называемого второго поколения Галактики. Самые старые её звёзды значительно(на 8-10 млрд. лет) старше Солнечной системы. В Галактике есть и молодыезвёзды, которым всего 100 тыс. — 100 млн лет (для звезды это совсем юныйвозраст). Многие из них похожи на Солнце, и по ним можно судить о начальномсостоянии нашей системы. Наблюдая несколько десятков подобных объектов, учёныепришли к следующим выводам.

Размер допланетного облака Солнечной системы долженбыл превышать радиус орбиты последней планеты — Плутона. Химический составмолодого Солнца и окружавшего его газопылевого облака-диска, по-видимому, былодинаков. Общее содержание водорода и гелия достигало в нём 98%. На долю всехостальных, более тяжёлых элементов приходилось лишь 2%; среди них преобладалилетучие соединения, включающие углерод, азот и кислород: метан, аммиак, вода,углекислота. Другими методами и в других отраслях знания.

Расчёты показывают, что в пределах орбиты Плутона, т.е. диска радиусом 40 а. е., общая масса всех планет вместе с утерянными кнастоящему времени летучими веществами должна была составлять 3-5% от массыСолнца. Такую модель облака называют облаком умеренно малой массы, онаподтверждается и наблюдениями околозвёздных дисков.

Если бы масса облака была сопоставима с массойцентрального тела, то должна была бы образоваться звезда — компаньон Солнца(или же надо найти объяснение выбросу огромных излишков вещества из Солнечнойсистемы).

Наименее изучена самая ранняя стадия — выделениепротосолнечной туманности из гигантского родительского молекулярного облака,принадлежащего Галактике. В 40-х гг.академик Отто Юльевич Шмидт выдвинул ставшую общепринятой гипотезу обобразовании Земли и других планет из холодных твёрдых допланетных тел — планетезымалей.Распространённая ранее точка зрения, что планеты"- это небольшие остаткинекогда раскалённых гигантских газовых сгустков солнечного состава, потерявшихлетучие вещества, пришла в противоречие с науками о Земле.

Земля, как показывают исследования, никогда непроходила через огненно-жидкое, т. е. полностью расплавленное состояние.Исследуя шаг за шагом эволюцию допланетного диска, учёные получилипоследовательность основных этапов развития газопылевого диска, окружавшегоСолнце, в систему планет.

Первоначальный размер облака превышал современныйразмер планетной системы, а его состав соответствовал тому, который наблюдаетсяв межзвёздных туманностях: 99% газа и 1% пылевых частиц размерами от долеймикрометра до сотен микрометров. Во время коллапса, т. е. падения газа с пыльюна центральное ядро (будущее Солнце), вещество сильно разогревалось, имежзвёздная пыль могла частично или полностью испариться. Таким образом, напервой стадии облако состояло почти целиком из газа, притом хорошоперемешанного благодаря высокой турбулентности — разнонаправленному, хаотичномудвижению частиц.

По мере формирования диска турбулентность стихает. Этозанимает немного времени — около 1000 лет. При этом газ охлаждается и в нёмвновь образуются твёрдые пылевые частицы. Таков первый этап эволюции диска.

Для остывающего допланетного облака характерно оченьнизкое давление — менее десятитысячной доли атмосферы. При таком давлениивещество из газа конденсируется непосредственно в твёрдые частички, минуя жидкуюфазу. Первыми конденсируются самые тугоплавкие соединения кальция, магния,алюминия и титана, затем магниевые силикаты, железо и никель. После этого вгазовой среде остаются лишь сера, свободный кислород, азот, водород, всеинертные газы и некоторые летучие элементы.

В процессе конденсации становятся активными пары воды,окисляющие железо и образующие гидраризованные соединения. Основные жекосмические элементы — водород и гелий — остаются в газообразной форме. Для ихконденсации потребовались бы температуры, близкие к абсолютному нулю, ни прикаких условиях недостижимые в облаке.

Химический состав пылинок в допланетном дискеопределялся температурой, которая падала по мере удаления от Солнца. Ксожалению, рассчитать изменение температуры в допланетном облаке очень трудно.Химический состав планет земной группы показывает, что они состоят в основномиз веществ, конденсировавшихся при высоких температурах. В составе ближнейчасти пояса астероидов преобладают каменистые тела. По мере удаления от Солнцав поясе астероидов увеличивается число тел, которые содержат обогащённые водойминералы и некоторые летучие вещества. Их удалось обнаружить в метеоритах,являющихся осколками астероидов. Среди малых планет, по-видимому, нет или оченьнемного ледяных тел. Следовательно, граница конденсации водяного льда должнабыла проходить за ними, не ближе внешнего края пояса астероидов — в три слишним раза дальше от Солнца, чем Земля.

В то же время крупнейшие спутники Юпитера — Ганимед и Каллисто- наполовину состоят из воды. Они находятся на гораздо большем расстоянии отСолнца, чем пояс астероидов. Значит, водяной лёд конденсировался во всей зонеобразования Юпитера. Начиная с орбиты Юпитера и дальше в допланетном облакедолжны были преобладать ледяные пылинки с вкраплениями более тугоплавкихвеществ. В области внешних планет, при ещё более низкой температуре, в составепылинок оказались льды метана, аммиака, твёрдая углекислота и другие замёрзшиелетучие соединения. Подобный состав в настоящее время имеют кометные ядра, залетающиев окрестности Земли с далёкой периферии Солнечной системы.

Первые конденсаты — пылинки, льдинки — сразу послесвоего появления начинали двигаться сквозь газ к центральной плоскости облака.Чем крупнее были частицы, тем быстрее они оседали, так как при своём движенииболее крупные частицы (в отличие от мелких) встречают меньшее сопротивлениегаза на единицу их массы.

На втором этапе завершалось образование тонкогопылевого слоя — пылевого субдиска — в центральной плоскости облака. Расслоениеоблака сопровождалось увеличением размеров частиц до нескольких сантиметров.Сталкиваясь друг с другом, частицы слипались, при этом скорость их движения кцентральной плоскости увеличивалась и рост тоже ускорялся.

В некоторый момент плотность пыли в субдиске приблизиласьк критическому значению, превысив плотность газа уже в десятки раз. Придостижении критической плотности пылевой слой делается гравитационнонеустойчивым. Даже очень слабые уплотнения, случайно возникающие в нём, нерассеиваются, а, наоборот, со временем сгущаются. Сначала в нём моглаобразоваться система колец, которые, уплотняясь, также теряли свою устойчивостьи на третьем этапе эволюции диска распадались на множество отдельных мелкихсгустков. Из-за вращения, унаследованного от вращающегося диска, эти сгустки немогут сразу сжаться до плотности твёрдых тел. Но, сталкиваясь друг с другом,они объединяются и всё более уплотняются. На четвёртом этапе образуется ройдопланетных тел размером около километра; первоначальное число их достигаетмногих миллионов.

Описанный путь образования тел возможен, если пылевойсубдиск очень плоский: его толщина должна быть во много раз меньше диаметра.Такие объекты существуют и ныне, например кольца Сатурна.

Другой путь формирования допланетных тел помимогравитационной конденсации — это их прямой рост при столкновениях мелкихчастиц. Они могут слипаться лишь при небольших скоростях соударений, придостаточно разрыхлённой поверхности контакта или в случае повышенной силысцепления.

Такие тела, каким бы из двух путей они ни возникли,послужили строительным материалом для формирования планет, спутников иметеорных тел.

Учёные предполагают, что допланетные тела,образовавшиеся на периферии облака при очень низкой температуре, сохранились досих пор в кометном облаке, куда они были заброшены гравитационными возмущениямипланет-гигантов.

Образование допланетных тел в газопылевом облакепродолжалось десятки тысяч лет — крайне незначительный срок в космогоническойшкале времени. Дальнейшее объединение тел в планеты — аккумуляция планет — гораздо более длительный процесс, занявший сотни миллионов лет. Детальновосстановить его очень трудно: последующая геологическая стадия, длящаяся ужеболее 4 млрд. лет, к настоящему времени стёрла особенности начального состоянияпланет.

Допланетный рой представлял собой сложную системубольшого числа тел планетезималей. Они обладали неодинаковыми массами идвигались с разными скоростями. Помимо общей для всех тел на данном расстоянииот Солнца скорости обращения по орбите эти тела имели дополнительныеиндивидуальные скорости со случайно распределёнными направлениями. Вдопланетном облаке самыми многочисленными всегда были мелкие частицы и тела.Меньшую долю составляли тела промежуточных размеров. Крупных тел, сравнимых сЛуной или Марсом, было совсем мало.

Эволюция облака вела к тому, что именно в немногихкрупных телах сосредоточивалась основная масса всего планетного вещества. Этаиерархия сохранилась и до наших дней: совокупная масса планет намного вышеобщей массы всех малых тел — спутников, астероидов, комет и пылевых частиц.

Крупные тела своим гравитационным влиянием постепенноувеличивают хаотические скорости планетезималей. Каждое сближение двух телменяет характер их движения по околосолнечным орбитам. Как правило, орбитыстановятся более вытянутыми и более наклонёнными к центральной плоскости. Такимобразом, в течение этого этапа идёт «раскачка» системы от оченьплоского диска к более утолщённому. При этом тела приобретают тем большиехаотические скорости, чем меньше их масса, и наоборот.

Растут тела очень неравномерно. Самое крупное из них влюбой кольцевой зоне, где орбиты остальных тел пересекаются с его орбитой,получает привилегированное положение и в перспективе может стать зародышемпланеты.

Роль соударений можно пояснить на примере современногопояса астероидов, где последствия ударов неодинаковы для разных тел. В нынешнеевремя хаотические скорости астероидов составляют примерно 5 км/с; с такими жескоростями они сталкиваются с мелкими телами. Энергия удара при падении тела наповерхность астероида обычно так велика, что разрушается не только само упавшеетело, но и часть астероида. Образуется ударный кратер, выбросы из которогоразлетаются со скоростями сотни метров в секунду. Разлетающееся вещество вновьпадает на поверхность астероида только в том случае, если он обладаетдостаточным тяготением.

Все астероиды современного пояса теряют массу пристолкновениях. Лишь несколько самых больших (с радиусами более 200 км) в лучшемслучае способны сохранить свою массу. Точно так же и столкновенияпланетезималей приводили к росту лишь наиболее крупных из них.

Внутреннюю часть Солнечной системы образуют планетыземной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Состав этих планетсвидетельствует, что их рост происходил в отсутствие лёгких газов за счёткаменистых частиц и тел, содержавших различное количество железа и другихметаллов.

Главное условие роста тел при столкновениях — ихнизкие относительные скорости на начальном этапе. Чтобы тела достигликилометровых размеров, хаотические скорости не должны превышать 1 м/с. Этовозможно, только если нет сильного воздействия извне. В зоне роста планетземной группы внешние воздействия были слабы, лишь в зоне Марса сказалосьвлияние Юпитера, замедлявшее его рост и уменьшавшее массу. В поясе астероидов,наоборот, явно прослеживается возмущающее влияние соседней планеты-гигантаЮпитера. Стадия объединения планетезималей в планеты и их роста длилась более100 млн лет.

Период диссипации (рассеяния) газа из зоны земныхпланет продолжался не более 10 млн лет. В основном газ выдувался солнечнымветром, т. е. потоками заряженных частиц (протонов и электронов), выбрасываемыхс поверхности Солнца со скоростями сотни километров в секунду.

Солнечный ветер очистил от газа не только областьпланет земной группы, но и более отдалённые пространства планетной системы.Однако планеты-гиганты Юпитер и Сатурн уже успели вобрать в себя огромноеколичество вещества, подавляющую часть массы всей планетной системы.

Как же формировались планеты-гиганты? Их зародышимогли возникать двумя путями: через гравитационную неустойчивость газовых масс допланетногодиска или путём нарастающего захвата газовой атмосферы на массивном ядре изпланетезималей.

В первом случае масса допланетного облака должна быласоставлять значительную долю массы Солнца, а состав планет-гигантов долженсовпадать с солнечным. Ни то ни другое не соответствует фактам. Исследованияпоследних лет показали, что в ядрах Юпитера и Сатурна, по-видимому,присутствуют элементы тяжелее водорода и гелия, составляющие по меньшей мере5-6% массы планеты. Это существенно больше, чем можно было бы ожидать присолнечном содержании химических элементов. Значит, более вероятен второй путь:сначала, как и у планет земной группы, образуется массивное ядро-зародыш изкаменистых и ледяных планетезималей, а затем оно наращивает водородно-гелиевуюоболочку.

Процесс присоединения вещества называют аккрецией.Начиная с одной-двух масс Земли, тело может не только удерживать газовуюатмосферу на поверхности, но и в ускоряющемся темпе захватывать новые порциигаза, если на пути его движения имеется газовая среда. Аккреция прекращаетсялишь тогда, когда газ полностью исчерпан. Продолжительность этого процессанамного короче, чем стадия образования ядра-зародыша. По расчётам учёных, ростядра Юпитера длился десятки, а ядра Сатурна — сотни миллионов лет.

Пока ядро, погружённое в газ, невелико, оноприсоединяет лишь небольшую атмосферу, находящуюся в равновесии. Но принекоторой критической массе (2-3 массы Земли) газ начинает в возрастающем темпевыпадать на тело, сильно увеличивая его массу. На стадии быстрой аккреции всегоза несколько сот лет Юпитер вырос до массы, превышающей 50 масс Земли, поглотивгаз из сферы своего гравитационного влияния. Затем скорость аккреции упала, таккак газ мог поступать к планете лишь путём медленной диффузии из более широкойзоны диска.

Одновременно Юпитер продолжал расти за счёт твёрдыхпланетезималей, а те, что не были им поглощены, могли быть отброшены еготяготением либо внутрь, в зону астероидов и зону Марса, либо прочь из Солнечнойсистемы. Юпитер сообщал твёрдым телам скорости больше скорости освобождения:для того чтобы покинуть Солнечную систему с орбиты Юпитера, достаточно скоростивсего 18 км/с, а тело, пролетающее от Юпитера на расстоянии нескольких егорадиусов, разгоняется до десятков километров в секунду.

Сатурн формировался аналогичным образом. Но его ядроросло не так быстро и достигло критической массы позднее. К этому времени из-задействия солнечного ветра газа осталось меньше, чем в зоне Юпитера к началу егоаккреции. Вот почему по сравнению с Юпитером Сатурн содержит в несколько разбольше конденсируемого вещества и ещё сильнее отличается по составу от Солнца.

Уран и Нептун росли ещё медленнее, а газ из внешнейзоны диссипировал быстрее. Когда эти планеты достигли критической массы, газа вих зонах почти не осталось. Поэтому на долю водорода и гелия приходится лишьоколо 10% массы Урана, Нептун же содержит их ещё меньше. Главными составляющимиэтих тел являются вода, метан и аммиак, а также окислы тяжёлых элементов; газывходят в планетные атмосферы.

Двухступенчатая схема образования планет-гигантов(формирование ядер из конденсированных веществ и газовая аккреция на эти ядра)подтверждается фактами. Во-первых, выяснилось, что современные массы ядерЮпитера и Сатурна, а также массы Урана и Нептуна без их атмосфер имеют близкиезначения: 14-20 масс Земли, тогда как доля газов — водорода и гелия — в нихзакономерно уменьшается по мере удаления от Солнца. Во-вторых, существуют такие«вещественные доказательства» ранней истории планет-гигантов, как ихспутники и кольца. Аккреция газа на планеты сопровождается образованием вокругних газопылевых дисков, в которых формируются спутники.

На стадии быстрой аккреции освобождалось огромноеколичество энергии, и верхние слои планет сильно нагревались. Максимальнаятемпература поверхности Юпитера и Сатурна, по-видимому, составляла несколькотысяч градусов — почти как у звёзд. В диске Юпитера, где формировались егоспутники, на близких расстояниях от планеты температура была выше точкиконденсации водяного пара, а на более далёких — ниже. И действительно, ближниеспутники Юпитера, включая Ио и Европу, состоят из каменистых веществ, а болееотдалённые — Ганимед и Каллисто — наполовину из водяного льда. У Сатурна вдиске температура была ниже, поэтому лёд там конденсировался на всехрасстояниях (частицы колец Сатурна и все его близкие спутники — ледяные).

Список литературы:

·    Журнал «Вокруг света» февраль 2004г., стр.56-65

·    Зингель Ф.Ю. Астрономия: все развития, 1988

·    Левитан Е.П. Астрономия. Просвещение, 1994/Левитан Е.П.Твоя Вселенная. Просвещение 1995

·    Чернин А.Д. Звезды и физика. М.: Наука, 1994.

·    Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь, смерть. М.,1984