Канке В.А., Лукашина Л.В. Концепция современного естествознания Теория и практика

явления на Земле, в частности геомагнитные бури, вызываются солнечным ветром.

По расчетам, возраст Солнца составляет 4,59 млрд лет. Оно находится приблизительно в середине своего относительно спокойного периода развития (рис. 3.12).

Рождение

Миллиарды лет

Рис. 3.12. Жизненный цикл Солнца

Постепенно нагреваясь, Солнце увеличивается в объеме. Ближайший миллиард лет эволюции Солнца будет иметь для нас, обитателей Земли, катастрофическое значение. Дело в том, что сейчас средняя температура поверхности Земли составляет 16oС. Через 1 млрд лет она будет равна 30oС. Существование человека станет затруднительным. Еще через миллиард лет температура поверхности Земли достигнет 100oС. В этих условиях живые организмы не смогут существовать. Решающие же метаморфозы произойдут на последних фазах развития Солнца. Согласно расчетам, в стадии красного гиганта Солнце пробудет около 600 млн лет. Увеличившись в размерах, оно поглотит Меркурий и Венеру. Относительно же Земли остаются некоторые неясности. На этот счет существуют две конкурирующие гипотезы. Согласно более ранним выкладкам, Земля окажется в опасной близости к красному гиганту, который ее буквально «поджарит». Другое мнение состоит в том, что красный гигант поглотит Землю. Главный аргумент сторонников первой позиции состоит в том, что Солнце, теряя массу, ослабляет притяжение Земли, в результате она отдаляется от него. Аргумент же сторонников альтернативной позиции состоит в том, что приближение красного гиганта к Земле увеличивает приливные силы, которые тормозят Землю и заставляют ее приближаться к гиганту. Число исследователей, полагающих, что Земле не избежать встречи с красным гигантом, возрастает. Мне остается к этому добавить, что образование планетарной туманности также не сулит нашей планете ничего приятного. Таким образом, нашим далеким потомкам следует подумать о путях заблаговременного разрыва существующего контакта с Солнцем.

Выводы

•Ученым удалось развить разностороннюю теорию, в рамках которой получают объяснение параметры Солнца и его жизненный цикл.

•Солнце образовалось в результате гравитационного сжатия газопылевого облака, приведшего к запуску термоядерного «котла».

151

•На заключительном этапе своей эволюции Солнце превратится в белый карлик, который в конечном счете потухнет, и планетарную туманность.

•На всех этапах своей эволюции Солнце оказывает значительное влияние на Землю, определенным образом определяя ход происходящих на ней процессов.

3.13. Нуклеосинтез во Вселенной

После характеристики Солнца было бы разумно обратиться к описанию Земли, нашей планетарной обители. Но это нецелесообразно делать до тех пор, пока не выяснено происхождение тех химических элементов, из которых она состоит. Так что пора обратиться к происхождению химических элементов и прежде всего их ядер. Присоединение к ядрам атомов электронов объясняется легче, чем образование самих ядер, состоящих из сильно связанных нуклонов, т.е. протонов и нейтронов. Образование ядер химических элементов из нуклонов называется нуклеосинтезом.

Нуклеосинтезу предшествовал бариосинтез, в частности образование протонов и нейтронов. Как уже известно читателю, они состоят из кварков. В первичном веществе не было протонов и нейтронов. Однако его параметры, высокая плотность и температура, благоприятствовали созданию нуклонов. Этому процессу предшествовали бурные события, но все они случились в первую миллионную долю секунды, а уже через секунду соотношение протонов и нейтронов стабилизировалось в пропорции 5:1 (см. табл. 3.1).

В следующие три минуты происходили ядерные реакции, продуктами которых стали водород и гелий в пропорции по массе 3:1. Сформировалось также незначительное количество 2H (дейтерия), 3He (изотопа гелия) и Li (лития). На этом остановились реакции нуклеосинтеза в ранней Вселенной. Но Вселенная расширялась, ее температура понижалась. Когда она стала недостаточной для поддержания чисто ионного состава вещества, создались условия для синтеза электрически нейтральных атомов водорода и гелия. Так, протон, захватив электрон, превращался в атом водорода (p+ + H).

Реакции нуклеосинтеза нашли свое продолжение в звездах. Условия, складывающиеся в различных типах звезд, привели к образованию различных видов ядер атомов, тех самых, из которых состоит Земля, равно как и другие планеты.

Как известно, рождение звезды начинается с запуска термоядерных реакций, которые в первоначальное своей фазе выступают в форме синтеза из четырех протонов ядра атома гелия. Эта реакция осуществляется по различным сценариям, но ее окончательным результатом является образование ядер гелия. Процент содержание гелия в звезде по мере сгорания водорода повышается. Если активная фаза жизни звезды заканчивается горением водорода, то она теряет способность синтеза ядер атомов. Если же масса звезды достаточно большая, то она под действием гравитационных сил сжимается, температура ядра звезды часто повышается настолько, что последовательно, в результате повторяющихся актов сжатия начинают гореть гелий, углерод, кислород, неон и кремний. В результате создаются

152

условия для синтеза ядер атомов все больших атомных весов. Ниже представлены наиболее типичные, а в известном смысле и значимые для нуклеосинтеза реакции.

Стадия горения гелия

34He 12C; 12C +4He 16O + ;

4He + 16O 22Ne + .

Стадия горения углерода

12C + 12C 20Ne + 4He; 12C + 12C 23Na + p; 12C + 12C 24Mg + .

Стадия горения кислорода

16O + 16O 28Si + 4He; 16O + 16O 31P + 1H; 16O + 16O 31S + n.

Стадия горения кремния

28Si + 4He 32S;

32S + 4He 36Ar;

36Ar + 4He 40Ca;

40Ca+ 4He 44Ti;

44Ti + 4He 48Cr;

48Cr+ 4He 52Fe.

52Fe+ 4He 56Ni

На стадии горения кремния образуются ядра атомов железа и никеля, обладающие максимальной энергией связи. Синтез тяжелых ядер из более легких перестает быть энергетически выгодным. К тому же протоны железа и никеля так плотно упакованы, что добавление к ним еще одного протона приводит к разрушению ядра. Таким образом, на стадии горения кремния заканчивается ряд синтеза ядер, заканчивающийся ядром атома железа.

Новая стадия нуклеосинтеза оказывается связанной с взрывом сверхновой звезды, структура которой представлена на рис. 3.13.

При взрыве сверхновой звезды все ядра элементов разносятся по межзвездной среде. К тому же создаются условия для синтеза элементов тяжелее железа. Механизм этого синтеза заслуживает особого внимания. Состоит он в следующем.

Во-первых, ядра атомов железа захватывают 1—3 нейтрона. Вероятность этого процесса при высоких температурах велика. Но захват нейтрона оставляет железо железом, атомный вес исходного атома не изменился. Во-вторых, возникшие ядра атома железа нестабильны. Часто эта нестабильность проявляется в форме радиоактивного распада, при котором нейтрон распадается на протон и электрон. В-третьих, электрон излучается,

153

а протон остается в ядре. В-четвертых, атомный номер нового ядра стал больше, чем у железа. Иначе говоря, образовалось ядро атома с номером выше, чем у железа.

H

He

С/O

Ne/Mg/O

Si/S

Fe

Рис. 3.13. Структура сверхновой звезды до взрыва

Оказывается, ядра атомов более тяжелых, чем железо, элементов, могут создаваться посредством как добавления протонов и нейтронов, так и превращения нейтронов в протоны. И за все эти процессы ответственны сверхновые звезды. Если бы не сверхновые звезды, то нам не суждено было бы жить.

Выводы

•Ядра атомов легких элементов образовались в дозвездную эпоху.

•Ядра других атомов, вплоть до железа образовались в процессах термоядерного синтеза на стадиях горения водорода, гелия, углерода, кислорода и кремния.

•Ядра атомов тяжелых элементов образовались в результате взрыва сверхновых звезд посредством захвата нейтронов и протонов и их последующих преобразований.

•Не исключено, что ядра атомов некоторых элементов, например бора и бериллия, образовались в космических лучах (эта гипотеза не рассматривалась в основном тексте)

•Ядра некоторых элементов образуются в процессе радиоактивного распада.

•Химические элементы являются закономерным результатом эволюции Вселенной.

3.14. Происхождение планет, астероидов, комет и метероидов

После звезд планеты являются крупнейшими компактными представителями барионного вещества. Более мелкими представителями этого же вещества являются карликовые планеты и малые тела (астероиды

икометы). В 2006 г. на генеральной ассамблее Международного астрономического союза были уточнены понятия планеты, карликовой планеты

ималого тела Солнечной системы.

154

Определение планеты

Небесное тело называется планетой, если оно:

1)обращается по орбите вокруг Солнца;

2)достаточно массивно, чтобы принять близкую к сферической форму гидростатического равновесия;

3)очистило свою окрестность (от массивных тел, кроме своих спутников и тел, движение которых определяется гравитационным полем планеты).

Карликовая планета удовлетворяет лишь первым двум условиям, третье не выполняется и к тому же небесное тело не является спутником.

Все остальные тела, за исключением спутников планет, называются малыми телами Солнечной системы. Согласно этим определениям, из числа планет был исключен Плутон, который не выполняет третье условие, ибо его масса составляет всего 0,07 массы объектов на его орбите. Плутон наряду с Эридой является крупнейшей карликовой планетой Солнечной системы. Нетрудно видеть, что рассмотренные определения легко распространить на небесные тела других звездных систем. И применительно к ним следует различать планеты, карликовые планеты и малые тела.

Замечание относительно небесных тел звездных систем, не только Солнечной системы, тем более актуально, что за последние 25 лет астрономам удалось удивить научный мир валом открытий все новых звездных систем и соответственно экзопланет, т.е. планет этих систем. Вплоть до 1988 г. астрономам была известна только одна звездная система, а именно Солнечная. Не было каких-либо экспериментальных сведений об экзопланетах. И ясно почему. Звездные системы находятся от Земли на больших расстояниях, более 4,2 световых лет. Даже самые большие планеты по сравнению со звездами обладают незначительными массами и к тому же тусклы. Обнаружить их необычайно тяжело. Тем не менее развитие экспериментальных методов астрономии достигло такой стадии, когда сведения о телах звездных систем становятся все более обстоятельными. Об экзопланетах судят по орбитам звезд и изменениях их светимости, если поток света от звезды, идущий по направлению к Земле, заслоняется планетой. На начало 2014 г. открыто более 1000 экзопланет и около 800 звездных систем. Согласно современным оценкам, общее количество экзопланет в нашей системе составляет 100 млрд среди которых должно быть не меньше 5 млрд землеподобных планет. Сколько неизведанного во Вселенной!

Разумеется, астрономы не удовлетворяются достигнутым. В этой связи трудно переоценить актуальность теории происхождения Солнечной системы, которая по понятным основаниям считается наиболее интересным представителем звездных систем. Знания, полученные на примере развития теории Солнечной системы, могут быть распространены на другие звездные системы, разумеется, с соответствующим уточнением.

На сегодняшний день господствующей теорией происхождения планет является аккреционный (от лат. accretion — приращение, увеличение) ее вариант, согласно которому планета образуется за счет последовательных этапов слияния сначала пылевых образований, а затем планетозималей (объектов с диаметром более 1 км). Эта теория была разработана В. И. Сафроновым, а затем существенно уточнена его учениками А. В. Витязевым

155

и Г. В. Печерниковой. Она получила широкую поддержку в интернациональном сообществе ученых. Следует отметить, что новые открытия не противоречат ее основным положениям, которые, впрочем, приходится постоянно корректировать. В кратчайшем изложении аккреционная теория происхождения планет состоит в следующем (рис. 3.14).

1-й этап

5-й этап

2-й этап

6-й этап

3-й этап

7-й этап

4-й этап

8-й этап

Рис. 3.14. Образование планет

• Первый этап. Одновременное образование из газопылевого облака протозвезды и уплощенного газопылевого диска. Его масса примерно равна 0,1 М.

•Второй этап. Опускание пылинок к центральной области диска и их слипание в турбулентном газе. Первые два этапа занимают промежуток времени около 100 тыс. лет.

•Третий этап. Распадение газопылевого диска в результате его гравитационной неустойчивости на множество пылевых сгущений.

•Четвертый этап. Образование планетозималей посредством столкновения сгущений. Размеры планетозималей достигают 1000 км. Формирование планетозималей происходит приблизительно за 1 млн лет.

•Пятый этап. Образование планет из роя планетозималей и их обломков. На этом этапе образование землеподобных планет, по сути, завершено.

•Шестой этап. Аккреция газа Юпитером и Сатурном, а также Ураном

иНептуном, приводящая к завершению образования планет-гигантов. Землеподобные планеты не обладают массой, достаточной для аккреции газа в тех же масштабах, что планеты гиганты. Образование планет происходит приблизительно за 10 млн лет.

•Седьмой этап. Образование Облака Оорта — источника комет.

•Восьмой этап. Завершение процесса образования Солнечной системы, длительностью приблизительно 100 млн лет.

Образование комет (от греч. kometes — волосаты, косматый), видимо, происходило в той же холодной зоне, что и образование Юпитера, а также других планет-гигантов. Неслучайно ядра комет диаметром, как правило, несколько километров состоят из льда. При приближении к Солнцу ядро кометы начинает плавиться, наблюдателю кажется, что ядро кометы покрыто волосами (отсюда название волосатая звезда).

Что касается астероидов (от греч. aster — звезда + eides — похожий), то, подобно кометам, и они являются продуктами образования звездной

156

системы из газопылевого облака. Из астероидов могли бы образоваться планеты. Это не происходит из-за воздействия на них планет-гигантов. Если периоды астероидов и планет относятся, как простые числа (1:2, 2:3 и т.д.), то наступает явление резонанса. В некоторых случаях это приводит к стабилизации орбит астероидов, которые могут стать спутниками планеты. Но часто эффект оказывается противоположным, а именно астероиды выталкиваются из зоны влияния планеты-гиганта, их орбиты возмущаются. Они все чаще сталкиваются друг с другом. Из-за этих столкновений они приобретают осколочную форму. Размер поперечников астероидов составляют от 30 м до 500 км. Часто астероидами называют тела с поперечниками меньше 30 м и поперечниками больше 500 км, но более правомерно считать первые тела метеоритами, а вторые карликовыми планетами.

Об опасности столкновения Земли с астероидами

Она действительно велика. К сожалению, указанная встреча с астероидом весьма вероятна. 15 февраля астероид с поперечником около 45 м в течение 24 сек находился на расстоянии 27 743 км от Земли. По расчетам, 13 апреля 2029 г. астероид Апофис, диаметром 270 м пройдет на расстоянии 30 тыс. км от Земли. Такого рода опасные события происходят раз в 1300 лет. Человечеству следует быть готовым отразить возможную катастрофу. В этой связи рассматриваются многочисленные стратегии действия. Астероиды и кометы предлагается взрывать, в том числе и ядерными зарядами, встречать кинетическими таранами, отклонять в стороны лучами лазеров, буксировать ракетно-двигательными установками. Впрочем, каждая из этих стратегий сопряжена с некоторыми опасностями. Но одно несомненно, развитие астрономического знания позволяет людям успешно противостоять по крайней мере некоторым опасностям.

Возвращаясь непосредственно к истории малых космических тел, следует указать также на метероиды, небесные тела, находящиеся по своим размерам между астероидами и космической пылью. Метеорид, упавший на поверхность Земли, называется метеоритом. Считается, что метероиды — это осколки астероидов, комет, а также Луны и Марса. Разумеется, эти осколки являются продуктами некоторых динамических факторов. Ими могут быть столкновения тел, действия, вызываемые гравитационными силами и солнечным ветром.

Выводы

•Астрономы, учитывая новейшие экспериментальные данные, совершенствуют свои теории.

•Акремационная теория происхождения планет позволяет объяснить происхождение как планет, так и карликовых планет, комет, астероидов и метероидов.

•Ощущается острая потребность в дальнейшем развитии астрономических теорий.

3.15. Планеты Солнечной системы

Все восемь планет Солнечной системы указаны на рис. 3.15. Различают планеты Земной группы и планеты-гиганты. Планетами-гигантами являются Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Остальные четыре планеты относятся к планетам земной группы. Из них самая большая планета — Земля.

157

Нептун

Уран

Рис. 3.15. Планеты Солнечной системы (по данным NASA)

В табл. 3.7 приводятся основные характеристики планет Солнечной системы. Как нам представляется, их обсуждение представляет не только академический интерес.

Таблица 3.7

Основные характеристики планет Солнечной системы

Примечание. Если параметр Земли принят за единицу, то аналогичные параметры других планет выражаются именно в этих единицах.

158

Все планеты состоят из силикатов, т.е. минералов, содержащих кремний. Это обстоятельство объясняется характерными особенностями конденсации раскаленного вещества солнечного состава. При его конденсации с наибольшей вероятностью должны были образовываться соединения трех типов:

1)силикаты (с плотностью порядка 3 г/см3);

2)металлическое железо с существенной примесью никеля (плотность около 8 г/см3);

3)твердые фазы летучих соединений, например воды (плотность 1 г/см3).

Должна была сохраниться также газовая фаза, дающая группы устойчивых твердых состояний лишь в условиях планет-гигантов. Планеты земной группы сложены в основном из силикатов и металлического железа. Планеты-гиганты содержат существенное количество газов и льдов. Таким образом, плотность вещества планет земной группы значительно превышает плотность вещества планет-гигантов. Сатурн — единственная планета с плотностью вещества меньше плотности воды, причем значительно. Если бы нашелся космический океан воды, то Сатурн плавал бы на его поверхности. Земля же сразу пошла бы ко дну. Даже маленький Меркурий не смог бы за ней угнаться.

Если сравнивать планеты по массе, то бросается в глаза аномально большая масса Юпитера, превосходящая массу Земли в 318 раз. Она в 2,5 раза больше массы всех других планет вместе взятых. Заметим, что Юпитер не является самой большой известной людям планетой. Радиус открытой в 2008 г. экзопланеты WASP-12b больше радиуса Юпитера в 1,8 раза.

Наименьшей массой из всех планет Солнечной системы обладает Меркурий, тем не менее она превосходит массы двух самых крупных карликовых планет, а именно Эриды и Платона соответственно в 30 и 36 раз. Из-за своей относительно маленькой массы Меркурий —единственная планета, не обладающая устойчивой атмосферой. По сходным основаниям разряженной является также атмосфера Марса.

Чем дальше планета находится от Солнца, тем больше период ее обращения вокруг него. В этом отношении рекордсменами являются Юпитер и Нептун. За тот промежуток времени, за который Нептун совершает один оборот вокруг Солнца, Юпитер успевает сделать 700 оборотов.

Из планет земной группы спутниками обладают только Земля и Марс. Среди 67 спутников Юпитера самый большой — Ганимед, он превосходит Луну по массе в два раза. Есть свой рекордсмен и среди 62 спутников Сатурна, им является Титан, превосходящий по массе Луну в 1,8 раза.

Разумеется, на планетах складываются различные температурные режимы. Они в значительной степени зависят от продолжительности солнечных суток на планете, величина которой определяется сложением ее движения по орбите и вращением вокруг собственной оси. У Меркурия солнечные сутки составляют 176 земных. Днем поверхность планеты нагревается до 450, а ночью охлаждается до 170 К. Венера — самая горячая планета Солнечной системы, средняя температура ее поверхности составляет около 460 К.

159

На всех других планетах Солнечной системы царит холод. Перечислим характерные температуры. Это для Марса — –63 К, для Юпитера — –108, для Сатурна — –139, для Урана — –197, для Нептуна — –201 К.

На двух планетах-гигантах, а именно на Юпитере и Сатурне, ускорение свободного падения больше, чем на Земле соответственно в 2,5 и 3,5 раз. Стокилограммовый космонавт будет чувствовать себя как человек с массой соответственно 250 и 350 кг. Едва ли он сможет передвигаться без посторонней помощи. На всех других планетах условия для передвижения космонавта вполне комфортные. На Меркурии и Марсе он будет чувствовать себя как человек массой 37 кг. Ему не составит труда побить земной рекорд в прыжках в высоту.

Наконец, отметим, что даже самые холодные планеты-гиганты отнюдь не представляют собой энергетически застывшие объекты. Так, Нептун обладает и мантией, богатой водой, аммиаком и метаном, а также ядром, состоящим из железа, никеля и силикатов. Температура мантии достигает 5000 К, а ядра 7000 К. Нептун излучает энергии в 2,6 раза больше, чем получает от Солнца. Возможно, указанный поток энергии продуцируется в основном радиогенными процессами в ядре планеты.

Нет сомнений, что каждой из планет Солнечной системы предстоит сложная череда метаморфоз, особенно в связи с превращением Солнца

вкрасный гигант. Не исключено, что все планеты, расположенные от Солнца дальше, чем Земля, в связи с существенным потеплением их климата станут приемлемыми зонами обитания многих организмов, в том числе и человека. Интересно, что есть вероятность превращения Юпитера

взвезду. В таком случае Марс, Сатурн, Уран и Нептун не останутся без светила. Разумеется, мы не настаиваем на достоверности описанного сценария развития планет Солнечной системы. Речь идет о другом: людям необходимо преумножить свои усилия в области астрономии, астрофизики и космологии. Предстоит выявить лучшие для человека пути развития планет, способствуя, если это окажется возможным, их осуществлению.

Выводы

•Все характеристики планет Солнечной системы имеют закономерный характер. Их статус и величины объясняются соответствующими теориями.

•Каждая планета своеобразна. Но в этой своей уникальности она не выпадает из того единства, которое называется Солнечной системой.

•Не является преувеличением утверждение, что будущее человечества во многом зависит от его успехов в области астрономии, астрофизики и космологии.

Контрольные вопросы и задания

1.Каковы сильные и слабые стороны астрономической концепции Птолемея?

2.Каковы сильные и слабые стороны астрономической концепции Коперника?

3.Каковы сильные и слабые стороны концепции расширяющейся Вселенной?

4.Какие астрономические факты объясняются концепцией горячей Вселенной?

5.Что такое отрицательное давление вакуума?

6.Почему неправомерно считать, что Вселенная возникла из ничего?

7.В чем состоит различие между слабым и сильным антропным принципом?

160