Большая Советская Энциклопедия (КО)

Большая Советская Энциклопедия

Если же протопланетное облако первоначально было холодным и пылинки состояли в основном из летучих веществ, то они могли сохраниться во внешней холодной зоне облака, тогда как во внутренней зоне летучие вещества испарялись, оставляя лишь небольшие каменистые остатки.

В космическом (солнечном) веществе летучих веществ много больше, чем нелетучих. Поэтому должно было возникнуть огромное различие не только в составе, но и в общем количестве пылевого вещества во внутренних и внешних зонах. В дальнейшем эти зональные различия привели к различиям в составе и массах планет земной группы и планет-гигантов.

Протекание процесса конденсации (или испарения) пылинок в зоне астероидов пытаются обнаружить путём тщательного анализа метеоритов, которые являются обломками астероидов и в некоторых случаях могут служить образцами допланетного вещества, мало изменившихся при последующих процессах. Некоторые исследователи видят в результатах такого анализа указания на то, что конденсация пылинок и их аккумуляция в крупные тела протекали параллельно. Однако это не удаётся согласовать с результатами теоретических

расчётов, указывающими на то, что длительность аккумуляции должна была в сотни или тысячи раз превосходить длительность остывания и конденсации.

Образование планет из протопланетного облака наиболее полно исследовано О. Ю. Шмидтом и его сотрудниками и сторонниками. Процесс можно условно разделить на 2 этапа. На первом этапе длившемся, вероятно, менее 10⁶ лет из пылевой компоненты облака образовалось множество «промежуточных» тел размером в сотни км. На втором этапе длительностью около 10⁸ лет из роя «промежуточных» тел и их обломков аккумулировались планеты. (У наиболее далёких планет — Урана, Нептуна и Плутона, вещество которых было рассеяно по огромным кольцевым зонам, второй этап мог длиться около 10⁹ лет.) Самые крупные планеты — Юпитер и Сатурн — на основной стадии аккумуляции вбирали в себя не только твёрдые тела, но и газы.

Разные гипотетические варианты процесса образования облака ведут к разным вариантам протекания первого этапа. «Промежуточные» тела должны были образоваться либо в результате собирания пыли в тонкий диск и распада этого диска на сгущения, либо в результате коагуляции пылинок, т. е. их «слипания».

Протекание аккумуляции планет из роя «промежуточных» тел практически не зависит от механизма их образования. Сперва они двигались по круговым орбитам в плоскости породившего их пылевого слоя. Они росли, сливаясь друг с другом и вычерпывая окружающее рассеянное вещество — остатки «первичной» пыли и обломки, образовавшиеся, когда «промежуточные» тела сталкивались с большими относительными скоростями. Гравитационное взаимодействие «промежуточных» тел, усиливающееся по мере их роста, постепенно изменяло их орбиты, увеличивая средний эксцентриситет и средний наклон к центральной плоскости. Те из «промежуточных» тел, которые вырвались вперед в процессе роста, оказались зародышами будущих планет. При объединении многих тел в планеты произошло усреднение индивидуальных свойств движения отдельных объединяющихся тел, и потому орбиты планет получились почти круговыми и компланарными. Анализ процесса аккумуляции планет из роя твёрдых тел позволил О. Ю. Шмидту указать путь к объяснению происхождения прямого вращения планет и закона планетных расстояний.

Рост планет земной группы прекратился тогда, когда они вобрали в себя практически всё твёрдое вещество, имевшееся в районе их орбит (только у Марса часть вещества из его «зоны питания», вероятно, была поглощена массивным Юпитером). Но у планет-гигантов рост прекратился тогда, когда они действием своего притяжения выбросили из зоны своего формирования все «промежуточные» тела и их обломки, а также газы (в рассеянии последних важную роль могло сыграть интенсивное корпускулярное излучение молодого Солнца).

Неупругие столкновения тел, происходившие в окрестностях растущих планет, приводили к тому, что часть тел переходила на спутниковые орбиты. В результате вокруг планет возникали рои твёрдых тел и частиц. Из них аккумулировались спутники планет. Луна, вероятно, аккумулировалась из околоземного роя на расстоянии около 10 земных радиусов, а затем отодвинулась на современное расстояние от Земли в результате приливного взаимодействия с Землёй. Существуют и др. гипотезы происхождения Луны: гипотеза Дж. Дарвина, согласно которой Луна отделилась от Земли, и гипотеза о захвате Землёй Луны, образовавшейся на орбите, близкой к земной. Радиус орбиты Луны после захвата был мал, а потом увеличился, как и в упомянутой выше гипотезе. Возможность плавного отделения Луны от Земли, предполагавшаяся Дарвином, опровергнута работами А. М. Ляпунова и Э. Картана . У Юпитера и Сатурна из около планетных роев аккумулировались системы спутников, движущихся в направлении вращения планет по круговым орбитам, лежащим в экваториальной плоскости планеты. Эти системы спутников подобны Солнечной системе. Те спутники Юпитера, Сатурна и Нептуна, которые обладают обратным движением, были, вероятно) захвачены из числа «промежуточных» тел. Остатками этих тел и их обломков являются современные астероиды (каменистые тела внутренней зоны) и ядра комет (ледяные тела внешней зоны). Столкновения астероидов друг с другом ведут к их дроблению. Как показывает изучение метеоритов, структура некоторых из них изменена под действием высокого давления (до сотен килобар), возникающего при столкновениях. Содержание в метеоритах короткоживущих изотопов, возникающих под действием космических лучей, показывает, что дробления, породившие эти метеориты, произошли 10⁷ —10⁸ лет назад. Ледяные ядра комет образуют облако вокруг планетной системы, простирающееся до 100—150 тыс. а. е. от Солнца. Там при низкой температуре льды сохраняются неограниченно долго. Под действием звёздных, а потом и планетных возмущений отдельные ядра переходят на меньшие орбиты и превращаются в короткопериодические кометы. Часто приближаясь к Солнцу, они испаряются и разрушаются за несколько десятков или сотен оборотов. Измерения радиоактивных изотопов и продуктов их распада показывают, что возрасты древнейших метеоритов составляют 4,7 млрд. лет. Поскольку астероиды, являющиеся

родительными телами метеоритов, быстро аккумулировались в самом начале образования Солнечной системы, этот возраст принимается за возраст всей Солнечной системы. Измерение возраста лунных образцов показывает, что Луна образовалась в ту же эпоху, что и Земля. Излияния тёмных лав, заполнивших впадины лунных «морей», произошли на миллиард лет позже (3,1—3,6 млрд. лет назад).

При аккумуляции планет происходил их разогрев, но у планет земной группы средняя температура поверхности определялась в основном нагревом от Солнца с влиянием парникового эффекта. Из более глубоких слоев тепло выходит медленно. Достаточно было остатка в 3—4%, чтобы нагреть недра Земли и Венеры до 1000—1500 °С, а недра планет-гигантов до десятков тысяч градусов. Начальный разогрев Земли и Луны был связан как с выделением гравитационной энергии при их сжатии, так, вероятно, и с приливными деформациями этих двух первоначально близких тел. Дальнейшая эволюция их и др. планет земной группы определялась в основном накоплением тепла, выделившегося при медленном распаде радиоактивных элементов — урана, тория и др.,—имеющихся в ничтожно малых количествах во всех горных породах. Разогрев и частичное расплавление недр этих планет привело к выплавлению коры и выделению газов и паров. Последние у планет малой массы (Меркурий, Марс, Луна) полностью или в значительной мере рассеялись в пространство, а у более массивных планет в основном сохранились, образовав атмосферу и гидросферу (Земля) либо только атмосферу (Венера).

Лит.: Вопросы космогонии, т. 1—10, М., 1952—64; Шмидт О. Ю., Четыре лекции о теории происхождения Земли, 3 изд., М., 1957; Левин Б. Ю. Происхождение Земли. «Изв. АН СССР Физика Земли», 1972, № 7; Сафронов В. С., Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет, М., 1969; Symposium of the origine of the Solar system. Nicce, april 1972, P., 1972.

Б. Ю. Левин.

Звёздная космогония. Проблемы происхождения и эволюции звёзд, а также звёздных систем изучаются в разделе К., называемой звёздной К. В ходе эволюции звезда проходит стадии, которые определяются изменениями условий механического и теплового равновесия в её недрах (см. Звёзды ). В результате ядерных реакций превращения водорода в гелий (которые служат источником энергии звёзд главной последовательности на Герцшпрунга—Ресселла диаграмме и части звёзд-гигантов) постепенно изменяется химический состав ядра звезды, причём средний молекулярный вес газа увеличивается, ядро уплотняется и разогревается. Исследования показывают, что это сопровождается увеличением светимости и радиуса звезды. На диаграмме Герцшпрунга—Ресселла звезда, в начале эволюции располагавшаяся на главной последовательности, приподнимается над ней. По мере дальнейшего выгорания водорода у звёзд малой массы образуется ядро с плотностью, в сотни тыс. раз большей плотности воды, и температурой свыше 10⁷ К. Газ при такой плотности оказывается вырожденным (см. Вырожденный газ ). В ядре звезды водорода уже нет, вследствие чего ядерные реакции идут только в оболочке ядра, где температура достаточно высока и имеется водород. Звезда вздувается, на этой стадии её радиус в десятки раз больше, чем тот, который звезда имела на главной последовательности; светимость также сильно увеличивается, и звезда превращается в гиганта. Точка, соответствующая звезде на диаграмме Герцшпрунга—Ресселла, вследствие эволюции звезды перемещается вправо вверх. Постепенно оболочка, расширяясь, становится прозрачной, и сквозь неё видно горячее ядро. Ультрафиолетовое излучение ядра заставляет газ оболочки светиться, из звезды-гиганта образуется планетарная туманность . После остывания ядра звезда превращается в белый карлик , который не имеет источников энергии и медленно остывает в течение миллиардов лет.

У звёзд, имеющих на начальной стадии несколько большую массу, эволюционные изменения протекают иначе. У таких звёзд температура ядра повышается до 120—140 млн. градусов и начинается реакция превращения гелия в углерод; при ещё более высоких температурах синтезируются и более тяжёлые ядра. Вследствие мощного выделения энергии ядро звезды расширяется. Соответствующая точка на диаграмме Герцшпрунга—Ресселла сложным образом движется между ветвью гигантов и левой частью главной последовательности. Сбросив около половины массы, звезда также превращается в белый карлик.

Ещё более массивные звёзды (до 2 масс Солнца) скачком переходят от главной последовательности в область красных сверхгигантов. В их ядрах образуются всё более тяжёлые элементы, вплоть до наиболее плотно упакованного ядра атома железа. При дальнейшем повышении температуры ядра железа превращаются в ядра др. элементов, но при этом энергия уже не выделяется, а поглощается, и ядро звезды не нагревается при сжатии. Давление вырожденного газа не может уравновесить вес ядра, если его масса больше 1,4 массы Солнца, и оно продолжает сжиматься до тех пор, пока плотность вещества в нём не будет того же порядка, что и плотность атомных ядер. В это время под действием огромного давления электроны объединяются с ядрами, образуя нейтроны. Такими нейтронными звёздами, имеющими радиус около 10 км, являются пульсары . Часть гравитационной энергии, выделяющейся при сжатии, передаётся оболочке, которая выбрасывается со скоростью несколько тыс. км/сек; происходит вспышка сверхновой звезды II типа. Сверхновые звёзды I типа образуются в конце эволюции звёзд меньшей массы.