Межзвездные облака

О чем писал Иммануил Кант. Несмотря на то что лишь совсем недавно человек получил фактический материал позволяющий строить научно обоснованные гипотезы происхождении Земли, мысль о возможных причина рождения планеты волновала умы древних философов еще несколько тысяч лет назад. Первые представления о жизни Земли основывались лишь на эмпирических наблюдениях и поэтому больше походили на фантастический вымысел, чем на реальность. Однако уже тогда возникали отдельные идеи, поражающие своим сходством с нынешними представлениями. Так, римский философ и поэт Тит Лукреций Кар, известный как автор дидактической поэмы "О природе вещей", считал, что Вселенная бесконечна и в ней существует множество миров, подобных нашему. О том же писал в своих трудах и древнегреческий ученый Гераклит (500 лет до н. э.): "Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим".

После падения Римской империи для Европы наступила тяжелая пора средневековья - период господства богословия и схоластики. Этот период затем сменился эпохой Возрождения. Труды Леонардо да Винчи, Г. Агриколы, Н. Коперника, Д. Бруно, Г. Галилея подготовили появление прогрессивных космогонических идей в геологии, высказанных в разное время Р. Декартом, И. Ньютоном, Н. Стенопом, И. Кантом и П. Лапласом. И. Кант (1755 г.) полагал, что вещество, из которого состоит тело нашей Солнечной системы - все планеты и кометы, до начала всех вещей было разложено на свои первичные элементы и заполняло весь тот объем Вселенной, в котором движутся теперь образовавшиеся из них тела. Эти представления И. Канта о том, что Солнечная система образовалась в результате скопления первоначально дисперсного рассеянного вещества, кажутся сейчас удивительно правильными.

Несколько позже, в 1796 г., французский ученый П. Лаплас высказал сходные идеи о происхождении Земли, не зная о существовании трактата И. Канта. Появившаяся гипотеза о происхождении Земли получила название гипотезы Канта - Лапласа. Согласно этой гипотезе Солнце и планеты Солнечной системы образовались из единой газовой туманности, которая, вращаясь, распадалась на отдельные сгустки вещества - планеты. Первоначально огненно-жидкая Земля остывала, покрывалась коркой, которая коробилась по мере остывания недр и уменьшения их объема.

Гипотеза Канта - Лапласа более 150 лет преобладала в ряду других космогонических воззрений. Руководствуясь этой гипотезой, геологи объясняли все геологические процессы, протекавшие в недрах Земли и на ее поверхности. Французский ученый Ж. Бюффон, автор 36 томов "Естественной истории", делал попытки рассчитать, сколько потребуется времени для остывания Земли. Вдали от Парижа, в старинном замке Монбарде, ученый поставил опыт. Небольшие шары из различных горных пород - крохотные модели нашей планеты, он нагревал в печи до каления, а потом наблюдал за их остыванием. По его расчетам, возраст Земли должен быть не менее 75 тыс. лет. Сейчас это звучит наивно, но тогда этот вывод был кощунством, он подрывал устои учения церкви о сотворении мира. Идеи Ж. Бюффона вызывали резкие нападки со стороны духовенства, и ученый отказался от своих утверждений.

Английский физик У. Томсон путем математических вычислений получил иную цифру - 40 млн. лет. Столько времени, по его мнению, потребовалось Земле, чтобы остыть и превратиться из раскаленной туманности в твердое тело. Но и эта цифра ничтожно мала по сравнению с истинным возрастом Земли.

Камни с неба. Оставим пока в стороне многие и многие другие попытки ученых объяснить происхождение Земли, основанные на одних умозрительных выводах и наивных экспериментах. Казалось, тайна начал миро здания и следы разыгравшихся событий безвозвратно канут в бездну времени. Однако человек сумел отыскать эти следы, и современные представления о происхождении Солнечной системы получили научную основу.

Во-первых, это метеориты - "самые древние, по выражению американского специалиста по метеоритике Дж. Вуда, самые примитивные остатки планетного вещества, которыми мы располагаем сегодня". Во-вторых; накоплен определенный материал по изучению Луны Марса, Венеры с помощью автоматических космических станций и в результате посещения Луны человеком.

Метеориты падали на Землю всегда. Но далеко ни всегда считали их пришельцами из космоса. Один первых, кто объяснил появление метеоритов, был немецкий юрист и физик Э. Хладни, в 1794 г. доказавший, что метеориты - это остатки болидов, имеющих неземное: происхождение. По его мнению, метеориты являются? странствующими в космосе кусками межпланетной материи, возможно, осколками планет. Однако подобные идеи в то время разделяли далеко не все. Известный ученый Т. Джефферсон, узнав в 1808 г. из сообщения американцев Силлимана и Кингали о падении метеорита в штате Коннектикут, заявил: "Легче поверить в то, что профессора-янки лгут, чем в то, что камни могут падать с неба". Теперь мы знаем точно: падать с неба могут не только каменные, но и железные метеориты.

Изучая каменные и железные метеориты, ученые получили интересные данные, которые используются теперь в космогонических построениях. Выяснили химический состав метеоритов - в основном это окислы кремния, магния, железа, алюминия, кальция, натрия. Следовательно, появилась возможность узнать состав других планет - он сродни химическому составу Земли. Определили абсолютный возраст метеоритов: существенно он не отклоняется от 4,2-4,6·10⁹ лет.

Не менее интересны данные о составе и возрасте пород Луны. Их исследование показало, что Луна начала формироваться 4,5-·10⁹ лет назад из холодного газопылевого облака.

Из этих и многих других данных постепенно складывалась научная основа современных космогонических гипотез, огромную роль в разработке которых сыграли советские ученые и прежде всего О. Ю. Шмидт, В. Г. Фесенков, А. П. Виноградов. Однако до сих пор наукой не найдено решение проблемы происхождения Вселенной, Солнечной системы и Земли.

Рождение Вселенной, или доказательства невероятного. Современная наука доказывает: Вселенная образовалась посредством "Большого взрыва". Идея была высказана бельгийским ученым Леметром, который предполагал, что первоначально все вещество Вселенной было сосредоточено в ограниченном объеме, равном по размеру атому. Этот изначальный или, как его назвал Леметр, "примитивный" атом вбирал в себя всю наблюдаемую ныне материю. Плотность вещества достигала 1093 г/см³ (плотность атомного ядра - 1015 г/см³). Примерно 20 млрд. лет назад (по другим данным, 12 млрд. лет назад) эта сверхтяжелая точка взорвалась, возник огненный шар "чистой энергии", который увеличивался в размерах и остывал. Через сотую долю секунды после взрыва температура Вселенной составила 100 млрд. °C, а плотность вещества в четыре миллиарда раз превышала плотность воды. Возникшие элементарные частицы вещества тут же превращались в "энергию" и через три минуты, и 46 секунд после "Большого взрыва" они уже могли достаточно долго удерживаться относительно друг Друга, чтобы синтезировать ядра водорода и гелия. А спустя полчаса четверть всего водорода превратилась в гелий, предопределив тем самым химический состав космоса.

Затем образование Вселенной замедлилось. Через 700 тыс. лет непрерывного расширения вещество Вселенной остыло до 4000°C. Ядра и электроны, объединившись в стабильные газы водород и гелий, образовали облака, которые конденсировались в звезды и галактики. Сейчас Вселенная, доступная для наблюдений, насчитывает 100 миллиардов галактик, в каждой из которых около 100 миллиардов звезд. И все они продолжают "разбегаться" в разные стороны от изначально единого Центра.

Идея "Большого взрыва" кажется на первый взгляд невероятной и недоказуемой. Однако это только на первый взгляд. Появление идеи стало возможным после создания в 1916 г. А. Эйнштейном - одним из великих преобразователей естествознания, как назвал его В. И. Ленин, общей теории относительности, которая предусматривала существование динамичной Вселенной.

Позднее Э. Хаббл, исследуя спектрограммы галактик обнаружил, что линии спектра смещены в направлении красной части спектра. Это могло означать, что или галактики удаляются от нас, или мы от них. Позднее был обнаружено, что с удалением галактик их скорость возрастает. Самые далекие из них "убегают" от нас быстрее всех. Так родилась гипотеза о расширяющейся Вселенной. Однако доказательство Э. Хаббла оспаривалось некоторыми учеными. Его оппоненты говорили: "Не галатики удаляются от нас, а свет устает и стареет. И старея, он краснеет!"

Любая дискуссия требует новых фактов и доказательств, и их стали искать в безднах космоса. Так, начиная с 1965 г., было обнаружено, что температура космического пространства выше абсолютного нуля на 2,7°C Советский астроном член-корреспондент АН ССС И. С. Шкловский назвал этот эффект "реликтовым излучением", считая, что оно является следствием "Большого взрыва". Одним из доказательств существования реликтового излучения, по мнению ученых, являются замедленные скорости распространения электромагнитных волн. В том же 1965 г. американские физики А. Пензиас и Р. Уилсон доказали существование во Вселенной реликтового звука, который возник в начальный момент образования Вселенной и сейчас равномерно распределяется в пространстве. За это открытие в 1978 г. им была присуждена Нобелевская премия.

В 1983 г. американские ученые выступили с заявлением о том, что ими установлено в межгалактическом пространстве гигантское облако водорода, вытянутое на расстояние, равное по размерам Галактике. По их мнению, это также является доказательством "Большого взрыва".

По мере накопления научных данных эффект разбегания галактик продолжал получать все новые доказательства. Во-первых, астрономы научились более точно измерять расстояния до галактик с помощью радиоастрономических наблюдений, используя яркость их светимости. Уточнили значения так называемой "постоянной Хаббла", которая характеризует скорость разлетания галактик. Во-вторых, появлялись все новые и новые факты удаления галактик. Так, например, было выявлено, что Солнечная система и вся наша Галактика (Млечный Путь) движутся со скоростью 1,6 млн. км/ч в направлении от созвездия Водолея к созвездию Льва.

Если считать доказанным расширение Вселенной и существование в далеком прошлом "Большого взрыва", то встает вопрос о ее дальнейшей судьбе.

Существуют три точки зрения.

Первая: расширение Вселенной бесконечно во времени и пространстве. То ускорение, которое получило космическое вещество при "Большом взрыве", продолжает все дальше и дальше удалять галактики друг от друга. Одни исследователи считают скорость расширения Вселенной постоянной, другие же доказывают, что со временем эта скорость возрастает.

Вторая точка зрения сводится к тому, что в конечном итоге силы тяготения "возьмут верх" над силами расширения. Галактики перестанут удаляться, а начнут, вращаясь, сближаться, поглощая друг друга. Образовавшееся скопление вещества будет настолько плотным, а его гравитационное поле столь мощным, что даже световые лучи будут изгибаться вокруг этого скопления и никогда не выйдут за его пределы в пространство. Вся Вселенная превратится в невидимую "черную дыру".

Третье предположение занимает промежуточное положение: Вселенная пульсирует, расширяясь, сжимаясь и снова расширяясь. Приближаясь к тому "моменту", когда расширение превращается в рассеивание, Вселенная начинает сжиматься, а на пороге достижения критической для сжатия плотности она снова расширяется. В настоящее время известный космолог Хоукинг из Кембриджского университета считает, что самым удивительным является то, что Вселенная, по-видимому, находится сейчас на водоразделе между сжатием и расширением.

Вернемся, однако, к Земле и Солнечной системе, образование которых произошло спустя 15 млрд. лет после "Большого взрыва".

Колыбель Солнца и Земли. Большинство космогонистов считают, что исходным веществом для образования Солнечной системы послужило газопылевое облако, располагавшееся в экваториальной плоскости нашей Галактики. Вещество облака находилось в холодном дисперсном состоянии и содержало в основном летучие компоненты: водород, гелий, азот, кислород, пары воды, метан, углерод. Имелся и твердый пылевидный материал микронных размеров: окислы кремния, магния, железа. Первичное планетное вещество было довольно однородно по составу и недифференцировано; температура его, как предполагают, составляла - 220°C.

Образование газопылевого облака могло произойти за счет сгущения главным образом атомов водорода. Сейчас установлено, что нормальная плотность газа в Галактике в межзвездном пространстве составляет примерно 0,1 атома водорода в 1 см³, тогда как в подобны: газопылевых облаках плотность достигает 1000 атомов водорода в 1 см³.

В системе нашей Галактики подобных газопылевых облаков великое множество. В поперечнике они составляют обычно несколько световых лет¹, размеры же Галактики 160 тыс. световых лет, или 50 тыс. парсеков (15-1017 км).

¹ (Световой год - расстояние, которое проходит луч света, идущий со скоростью около 300 тыс. км/с, за год, равное 9,46·10¹² км; 3,263 световых года составляют 1 парсек)

Межзвездные облака обычно испытывают медленное вращение и находятся в состоянии, близком к равновесию. Движение вещества в облаке напоминает турбулентное, хаотическое перемещение материи. Если же облако становится достаточно большим и плотным, то оно оказывается неустойчивым: преобладающей силой в нем становится тяготение, и облако начинает сжиматься. Л. Спитцер (Принстонский университет, США) показал, что если масса облака в 10 - 20 тысяч раз больше солнечной массы (масса Солнца равна 1,1991·10³³т), а плотность его превышает 20 атом/см3, то под действием собственной массы оно начинает сжиматься. Нарушение равновесия в первичном газопылевом облаке может произойти также и при понижении температуры газа, Составляющего 99% его массы. Столкновение молекул газа с пылинками приводит к передаче энергии и охлаждению газа.

Самопроизвольное гравитационное сжатие облака - коллапс приводит к образованию сгущения, включающего до 99% всей массы первичного облака. Вещество уплотняется до состояния вещества звезд. Одновременно возрастает его внутренняя температура. Тепловое движение атомов становится все быстрее, и при столкновении друг с другом они обнаруживают тенденцию к слиянию. Возникают термоядерные реакции, общим результатом которых является превращение водорода в гелий и выделение огромного количества энергии.

В неистовстве мощных стихий возникло Протосолнце. рождение его - вспышка сверхновой звезды - явление не такое уж редкое. В среднем такая звезда появляется в каждой Галактике каждые 350 млн. лет. За время вспышки она излучает гигантскую энергию - порядка 10⁴¹Дж. При этом на небосклоне чрезвычайно ярким светом загорается звезда. Арабские, китайские и японские летописи рассказывают, например, о появлении в 1054 г. в созвездии Тельца такой яркой звезды, которая была видна даже днем. Теперь на ее месте - крабовидная туманность - остатки звезды, разлетающиеся после взрыва с огромной скоростью. Блеск сверхновой звезды, появившейся в туманности Андромеды в 1885 г., превысил блеск всей Галактики и оказался в 4 млрд. раз более интенсивным, чем блеск Солнца. И только огромное расстояние этой звезды от нас (более 750 тыс. световых лет) спасло Землю от гибели.

29 августа 1975 г. в созвездии Лебедя, удаленного от нас на 10 тыс. световых лет, вспыхнула новая звезда. Излучение в оптическом диапазоне возросло в 25 миллионов раз, в дальнейшем светимость стала уменьшаться каждый месяц на 1%.

Как видим, появление сверхновых звезд - довольно часто наблюдаемое явление. Вернемся, однако, к рождению Солнечной системы.

Вещество, выброшенное при термоядерном взрыве, образовало вокруг Протосолнца широкое, постепенно уплощавшееся разовое плазменное облако, своеобразную туманность в виде диска с температурой в несколько миллионов градусов Цельсия. Из этого протопланетного облака в дальнейшем возникли планеты, кометы, астероиды и другие тела Солнечной системы.

Теперь освобождение термоядерной энергии идет достаточно быстро, чтобы скомпенсировать потери тепла на излучение с поверхности Протосолнца. Температура в его недрах достаточно высока для поддержания давления газа на таком уровне, чтобы уравновесить гравитационные силы, сжимающие Протосолнце. Сжатие прекращается, и Солнце становится таким, каким наблюдаем мы его и по сей день. После этого оно изменилось очень мало, разве что несколько уменьшилось в размерах. По последним данным, диаметр нашего светила ежегодно уменьшается на 13 с лишним километров. Правда, как считают астрономы, процесс сжатия чередуется с процессом расширения Солнца. Образование Протосолнца и протопланетного облака вокруг него произошло, вероятно, около 5 млрд. лет назад.

Минуло несколько сотен миллионов лет. Постепенно газообразное вещество протопланетного облака остывает. При понижении температуры до 5000 - 10000°C и горячего пара конденсируются наиболее тугоплавкие элементы - вольфрам, титан, гафний, ниобий, молибден, платина, цирконий и их окислы. По мере дальнейшего охлаждения, которое продолжалось миллионы лет, облаке появляются пылевидные твердые частицы, и раскаленное газовое облако вновь возвращается к относительно холодному газопылевому состоянию.

Бурные процессы, протекавшие на поверхности Протосолнца, приводили к выбросу электрически заряженного вещества, которое двигалось вдоль силовых линий магнитного поля быстро вращающегося Протосолнца унося с собой значительный удельный вращательный момент и передавая его протопланетному облаку, которое также начинает вращаться, обусловливая тем самым вращение позднее образовавшихся планет.

Протопланетное облако с течением времени постепенно теряло энергию в результате столкновения "пылинок" (метеоритных частиц), происходило его уплощение, движение вещества упорядочивалось, становилось более правильным, близким к круговому. Постепенно вокруг молодого Солнца в результате конденсации пылевидного вещества образовался широкий кольцеобразный диск, который в дальнейшем распался на холодные рои твердых частиц и газа. Из внутренних частей газопылевого диска начали образовываться планеты типа Земля, состоящие в основном из тугоплавких элементов, а из периферических частей диска - большие планеты, богатые легкими газами, летучими элементами; в самой же внешней зоне возникло огромное количество комет. Такой порядок образования планет Солнечной системы подтверждается современным расположением различного типа планет вокруг Солнца.

Образование холодных кучностей вещества знаменует новый этап в развитии Солнечной системы. Дальнейшая эволюция будущих планет происходила, по мнению А. П. Виноградова, путем собирания - аккреции космического вещества различного размера от пылевидных частиц до огромных космических тел, получивших название планетозималей.

Аккреция вещества продолжается и поныне. Исследования советских ученых А, В. Иванова и К. П. Флоренского показали, что ежегодно на Земле выпадает 2÷5·10⁶т космического вещества в виде черных магнитных шариков и мелкодисперсного материала. Изучая содержание таких веществ в древних соленосных отложениях, эти ученые предполагают, что скорость выпадения материала из космоса была постоянной, по крайней мере, последние 500 - 600 млн. лет. По данным других ученых эти цифры несколько иные. Американский исследователь Ф. Сингер считает, что ежесуточно Земля приращивает массу в среднем на 1250 т за счет выпадения космической пыли преимущественно "каменного" состава.

Протоземля разогревается. Приблизительно 5,5 млрд. лет назад из холодных роев первичного планетного вещества возникают протопланеты, в том числе и Протоземля, которая сформировалась как космическое тело, но не была еще планетой: твердых участков ни на поверхности, ни внутри Земли не существовало.

Образование Протоземли было чрезвычайно важной вехой - это было рождение Земли. В то время на Земле не протекали обычные, хорошо нам известные геологические процессы, поэтому этот период эволюции планеты называют догеологическим или астрономическим.

Протоземля представляла собой холодное скопление космического вещества, по объему и массе она, вероятно, значительно уступала современным параметрам. Под влиянием гравитационного уплотнения, нагревания ударами космических крупных тел (метеоритов, планетозималей) и выделения тепла радиоактивными элементами вещество Протоземли начинает разогреваться. О величине разогрева существуют различные мнения. Советский ученый В. Г. Фесенков предполагает, что вещество Протоземли могло нагреваться до десятков тысяч градусов и перейти в расплавленное состояние. По мнению других ученых (Ф. Берг), температура вещества не превышала 1000°C и была ниже точки плавления. Е. А. Любимова, ведущий специалист в области термики Земли, отрицает полное расплавление вещества, считая, что разогрев внутренних сфер Протоземли приводил к частичному плавлению и некоторому расширению вещества, в то время как внешние слои испытывали охлаждение и сжатие. В любом случае разогрев Протоземли способствовал дифференциации ее материала, которая продолжалась в течение всей последующей геологической истории. Однако максимальной скорость дифференциации была, вероятно, в период догеологической эволюции.

Дифференциация вещества Протоземли приводит концентрации тяжелых элементов во внутренних ее областях, тогда как на периферии скапливаются сравнительно легкие элементы. Упорядочение и дифференциация материала повлекли за собой его уплотнение и самое главное - разделение на ядро и мантию. Образование этих геосфер Земли явилось основным результатом ее догеологической истории. Около 4,5 млрд. лет назад Земля становится твердой планетой, после чего астрономическая эволюция заканчивается и начинается ее геологическая эволюция.