Автор: Маракушев А. А.

Академик А. А. МАРАКУШЕВ, Институт экспериментальной минералогии РАН

стр. 4

Солнечную систему образуют восемь планет, обращающихся вокруг нашего светила. Они разделяются на две группы: относительно небольшие железокаменные - Меркурий, Венера, Земля, Марс и гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Последние состоят из расплавных железосиликатных ядер и огромных флюидных оболочек - гелий-водородных у Юпитера и Сатурна, придающих им сходство с Солнцем, и водных у Урана и Нептуна, по составу близких к кометам. Состоящие из водного льда и вмороженной в него космической железосиликатной пыли кометы окружают Солнечную систему и периодически вторгаются в нее по сильно вытянутым орбитам. Это гигантское окружение распадается на своеобразные облака - Койпера, Хиллза, Оорта. К ближайшему из них - Койпера - принадлежит и Плутон, тоже состоящий из водного льда и космической пыли. Раньше его считали девятой планетой Солнечной системы, но автор статьи в двух монографиях (1992, 1999 гг.) обосновал, что он принадлежит к кометному окружению. В 2001 г. это подтвердила фотография Плутона, сделанная с американской межпланетной станции.

стр. 5

ГИПОТЕЗЫ ДОПЛАНЕТНОГО СОЛНЦА

Французский ученый, почетный член Петербургской академии наук П. Лаплас в 1796 г. высказал гипотезу: эволюция Солнечной системы начиналась с образования быстро вращавшегося Солнца, от которого в экваториальной плоскости отделялись кольца вещества, служившие основой для последующего формирования планет. Такое представление приводило к выводу о существенной дегазации небулярного (состоявшего из газа и космической пыли) диска, непосредственно окружавшего Солнце, и образовании около него планет. Это, на первый взгляд, хорошо объясняло строение Солнечной системы: наличие в ней околосолнечных планет земной группы, сложенных железокаменным материалом, и удаленных флюидных.

С тех пор появились представления, что первые формируются путем прямой аккумуляции железокаменного вещества (метеоритов, космической пыли) в вакууме космоса. А в XX в. наш соотечественник академик О. Ю. Шмидт создал метеоритную теорию их образования, которую позднее развили его многочисленные последователи - В. С. Сафронов (1969г.), А. В. Витязев (1990 г.) ^* , О. Г. Сорохтин (1999 г.) и др.

Отход метеоритной гипотезы от вакуумного варианта характерен для специалистов японской астрономической школы, руководимой К. Хайяши. Главным фактором они считают аккрецию Земли (приращение ее вещества за счет гравитационного захвата) в протосолнечной небуле. Это, по их мнению, должно было создать флюидные оболочки у планет земной группы, препятствовавшие потере ими тепла, выделявшегося при аккреции, что способствовало их плавлению и расслоению на ядра и силикатные оболочки.

По существу это уже близко к традиционным представлениям о формировании планет-гигантов; согласно метеоритным гипотезам, оно начиналось с образования железокаменных ядер, которые, достигнув критической массы, вызывали аккрецию газа под действием гравитационных сил. По современным моделям внутреннего строения Юпитера и Сатурна, массы их ядер значительно меньше, чем предполагали ранее, - они сопоставимы по размерам с Землей. Однако гравитационного поля сходных с ней железокаменных ядер флюидных планет явно недостаточно, чтобы удержать огромную массу молекулярного водорода, сосредоточенного в их оболочках. При изучении Земли обнаружили импульсный процесс дегазации ее ядра; в ходе его на поверхность планеты поступает грандиозное количество этого газа. Но он почти полностью уходит в космическое пространство, остаются лишь более тяжелые газы, формирующие земную атмосферу.

В противоречии с гипотезой раннего допланетного образования Солнца находится недавнее (1995-2000 гг.) открытие нескольких десятков сходных с Солнцем звезд, окруженных планетами, по массе сопоставимыми с Юпитером. Их обнаружили П. Батлер из Англо-австралийской обсерватории, Дж. Мерси из Калифорнийского университета в Беркли (США) и другие астрономы. Об этих наблюдениях я расскажу позже, здесь же подчеркну: все эти планеты-гиганты находятся в околоземной позиции, которую в Солнечной системе занимают планеты земной группы. Указанные астрономические факты говорят о сложности эволюции обнаруженных планет, несовместимой с гипотезой их послезвездного формирования.

Схема строения Солнечной системы. Заштрихованы флюидные оболочки планет-гигантов: гелий-водородные (Н ₂ ) и водные (Н ₂ О); они показаны вне масштаба.

^* См.: А. В. Витязев. Происхождение и ранняя эволюция Земли. - Наука в России, 1994, N 5 (прим. ред.).

стр. 6

Солнечная система в окружении кометного облака Койпера и положение вытянутой орбиты Плутона (показана цветом), пересекающей плоскость эклиптики, в которой находятся планеты, под углом 17 ^о . Условные обозначения: I - Сатурн, II - Уран, III - Нептун, IV - Плутон, V - Харон, VI - объект QB.

СОЛНЦЕ ЗАРОДИЛОСЬ ПОСЛЕ ПЛАНЕТ

Гипотезу более раннего (досолнечного) образования планет сформулировал немецкий ученый, почетный член Петербургской академии наук И. Кант в книге "Всеобщая естественная история и теория неба" (1755 г.). Он исходил из того, что в нынешней организации пространства, где обращаются сферы, не существует материальной причины, которая могла бы создать или даже направить их движение. Отсюда следовал вывод: планетный мир некогда был иным - наполненным веществом, способным привести в движение находящиеся там тела и сделать их перемещения согласованными между собой. В конце концов сила притяжения "очистила" это пространство, собрав все вещество в изолированную массу - так родилось Солнце.

Однако масса небулярного диска, по Канту, соответствующая Солнцу, была недостаточной, чтобы придать планетам быстрое и согласованное движение. В действительности исходный размер диска определяется не нашим светилом, а его предшественницей - гигантской звездой, чья масса в десятки раз превышала солнечную. Это доказывает химический состав тел Солнечной системы: они могли его унаследовать только от гигантской звезды с коротким периодом жизни, способной синтезировать все химические элементы, вплоть до самых тяжелых (уран, торий и др.). Тела эти возникли в результате ее финального взрыва - вспышки сверхновой (в самом же Солнце - желтом карлике - синтезируются лишь легкие элементы, так и остающиеся в его недрах недоступными для наблюдений). Образовавшееся при этом газовое облако, охладившись, превратилось в быстро вращающийся диск протосолнечной небулы, в результате чего силы притяжения не смогли собрать вещество в центре. В Солнце сосредоточилась малая часть массы и кинетической энергии небулярного диска, что и определило небольшой размер нашего светила, его медленное вращение и продолжительность жизни, длящейся уже 5 млрд. лет в окружении стремительно движущихся планет и динамичных кометных облаков.

Главная же масса плотного небулярного диска оставалась в окружающей Солнце подвижной системе, где путем аккреции ледяных водно-водородных планетезималей (промежуточных образований из протопланетного газово-пылевого облака) формировались планеты и кометы. Основной причиной этого была развивающаяся нестабильность (коллапс) во вращающихся дискообразных системах планетезималей. Аналогично (и одновременно) аккумулировалась и масса Солнца. Превратившись в небольшую звезду, оно посредством интенсивного солнечного ветра активно воздействовало на окружавший его быстро вращавшийся плотный небулярный диск, "выметая" из него газы. В итоге Солнечная система потеряла свою главную массу - в основном гелий и водород, которые мигрировали в космос. И планеты оказались в вакууме, унаследовав тем не менее значительную часть кинетической энергии протосолнечного небулярного диска.

Таким образом, межпланетное пространство в Солнечной системе очистила не сила притяжения, как

стр. 7

Уран (диаметр 51 800 км), расслоенный на расплавное железокаменное ядро и флюидную оболочку, и его спутники - Миранда (235 км), Ариэль (580 км), Умбриэль (585 км), Тигания (799 км), Оберон (770 км). Показаны в сопоставлении с кометной системой Плутон (2 320 км) - Харон (1 270 км).

Диаграмма сопоставления систем "Земля-Луна" и "Плотное ядро Юпитера - его спутники". Направления движения последних показаны стрелками на схеме их орбит (справа вверху). I-IV- группы спутников, перечисленные в предполагаемой последовательности их образования: I-ll - удаленные с обратным (I) и нормальным (II) движением по орбите; III-IV - околопланетные массивные плотные спутники (III) и низкой плотности (IV), обрамляющие кольцевую систему Юпитера.

считал И. Кант, а противоположно направленное активное воздействие солнечного ветра. При этом количество ушедшего в космос гелия и водорода в десятки раз превышало массу нашего светила.

По существу основу формирования всех объектов Солнечной системы составляли упомянутые ледяные планетезимали. Их ближайшие аналоги - небольшие кометные тела облаков Оорта, Хиллза, Койпера, которые из-за своего размера остались на примитивном уровне развития. Они объединяются силами гравитации и создают вращающиеся образования; их лишь условно можно рассматривать в соподчинении: планета - спутник. Примером служит вращающаяся система Плутон-Харон: в ней периоды обращения обоих тел одинаковы (6,32 сут.), так что в целом они имеют общую ось вращения. Однако подобные системы принципиально отличаются от планетно-спутниковых, где размер последних несопоставимо мал по сравнению с первыми.

В отличие от комет, в планетах, благодаря аккреции планетезималей (их гравитационного стягивания), сосредотачивались несравнимо большие массы ледяного вещества. Первичные ледяные стягивания имели водный состав на периферии небулярного диска, где формировались Нептун и Уран, и гелий-водородный - в центральной зоне аккумуляции Солнца и близких к нему планет.

Стягивание огромных масс ледяного вещества сопровождалось их гравитационным сжатием с резким повышением температуры (до 20 000 К в Юпитере), полным плавлением и тепловым излучением, сообщавшим планетам- гигантам внешнее сходство со звездами ("блуждающие звезды"). А формированию железосиликатных тяжелых ядер планет сопутствовало импульсное усиление вращения их гигантских флюидных оболочек, от которых под действием центробежных сил отделялись флюидосиликатные массы - будущие спутники.

СПУТНИКИ ПЛАНЕТ-ГИГАНТОВ

Они располагаются в их экваториальной плоскости группами (I - IV), различающимися по средней плотности, расстоянию от материнских планет и специфике вращения вокруг них. Наиболее развита подобная система у Юпитера, обладающего са-

стр. 8

мой большой флюидной оболочкой диаметром 1,43 х 10 ⁵ км. На периферии этой системы находятся легкие ледяные спутники (группа I) с обратным обращением вокруг Юпитера. С приближением к нему обращение спутников становится согласованным с его собственным вращением, а их плотность последовательно возрастает (группы II -> III); максимальна она у каменного спутника Ио (3,5 г/см). Затем плотность падает, и непосредственно вблизи материнской планеты движутся легкие каменно-ледяные спутники (группа IV).

Вся эта спутниковая система отражает историю развития Юпитера. Внешние легкие спутники с обратным обращением характеризуют ранний этап эволюции, когда планета по существу не была сформирована, а развивался лишь предшествовавший ей аккреционный диск ледяных планетезималей.

Когда планета достигла критической массы, ее гравитационное сжатие и плавление стабилизировало прямое быстрое вращение, сопровождаемое отделением спутников (группы II - III), чья плотность возрастала с уменьшением радиуса орбит; одновременно формировалось и железосиликатное ядро планеты.

Ближе к современному состоянию скорость вращения Юпитера замедлилась, так что он мог отбрасывать на недалекие расстояния лишь легкие спутники (группы IV), которые разрушались, и из обломочного материала образовывались кольца Юпитера. Каждое состоит из мельчайших силикатных и ледяных частиц, имеет ажурное строение и выглядит прозрачным - это остаток плотных и компактных колец, подобных более молодым знаменитым кольцам Сатурна и Урана. Способность планет-гигантов порождать спутники и кольца обломочного материала относится к естественным проявлениям их внутренней активности. У Сатурна и Урана она, возможно, продолжается и поныне.

От других планет-гигантов Юпитер отличается массивными, так называемыми галилеевыми спутниками (названы в честь открывшего их Г. Галилея). Они довольно больших размеров: Каллисто - 4840 (1,88 х 10 ⁶ ), Ганимед - 5270 (1,07 х 10 ⁶ ), Европа -3130 (6,71 х 10 ⁵ ), Ио - 3640 (4,22 х 10 ⁵ ).

В скобках даны расстояния этих спутников до Юпитера (оба параметра - в км). Плотность спутников с приближением к планете увеличивается следующим образом: 1,8 -" 1,9 -" 3,1 -> 3,5 (г/см ³ ), сближаясь с плотностью железосиликатного расплавленного ядра самого Юпитера (4,6 г/см ³ при нулевом давлении).

Об относительной молодости спутника Ио свидетельствует его современная вулканическая активность и наличие собственного магнитного поля. 4 марта 1979 г. американская межпланетная станция "Вояджер-1" обнаружила на нем восемь действующих вулканов; почти все они оставались активными и четыре месяца спустя, при пролете "Вояд-жера- 2". Взрывная активность вулканизма необычайно сильна, извер-женный материал выбрасывается на высоту 70-280 км над поверхностью Ио, по спектроскопическим данным установлены также крайне высокие температуры извержений - порядка 1500 С. В этом отношении Ио уникален - это единственный из планетных спутников в Солнечной системе, где в настоящее время идут интенсивные вулканические процессы. Современная активность других массивных спутников Юпитера (Европы, Ганимеда) проявляется лишь в формировании их ледяных оболочек. Что же касается наиболее удаленного Каллисто, то он вообще утратил свою активность, как и магнитное поле.

Другая планета-гигант - Сатурн - обладает меньшей флюидной оболочкой и порождает спутники с меньшей плотностью (максимальная у Титана - 1,9 г/см); возникшие вблизи него легкие спутники разрушаются с образованием колец обломочного материала.

Еще несовершеннее спутниковые системы Урана и Нептуна.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЛУНЫ

Плотные галилеевы спутники был способен породить только Юпитер с его поистине гигантской флюидной оболочкой. Этот вывод имеет прямое отношение к пониманию происхождения Луны. По размеру и средней плотности она близка к Ио (3,3 г/см ³ ), а следовательно, могла возникнуть в спутниковой системе материнской планеты - Протоземли, обладавшей флюидной оболочкой, сходной с юпитерианской.

Однако вулканическая активность на Луне проявлялась 4,6-3,2 млрд. лет назад, тогда как на Ио она интенсивна и поныне. Изучение ночного светила показало: у небесных тел такого размера флюидного запаса хватает примерно на 1,4 млрд. лет эндогенной активности. Так что современные процессы на Ио говорят о значительном отличии этого спутника Юпитера по возрасту от Луны. Но формирование обоих проходило единообразно, путем отделения их под действием центробежных сил от гигантских оболочек быстро вращавшихся материнских планет. Несомненно также, что спутники, состоящие из вещества такой большой плотности, как у Луны и Ио, могли порождаться лишь планетами размером не меньше Юпитера. Следовательно, само существование у Земли подобного спутника раскрывает специфику ее развития в недрах Протоземли, которая также обладала гигантской гелий-водородной оболочкой и была способна создавать свою собственную спутниковую и кольцевую системы, куда и отходила часть ее силикатного материала.

Аналогично юпитерианскому ядру, Земля первоначально зародилась под действием силы гравитации в материнской планете благодаря тому, что водород, железо и силикаты в расплавленном состоянии не смешивались в ее гигантской флюидной оболочке. Образование ядра создало импульс для ее быстрого вращения и отделения Луны под действием центробежной силы. Таким образом, Земля и Луна "вышли" из единой "купели" - Протоземли. Но ее дальнейшая эволюция из-за близости к Солнцу принципиально отличалась от юпитерианской.

СОЛНЦЕ В ОКРУЖЕНИИ ПЛАНЕТ-ГИГАНТОВ

Масса нашего светила аккумулировалась аналогично находящимся вблизи его планетам - при гравитационном стягивании ледяных гелий-водородных планетезималей. В центре быстро вращавшегося гигантского небулярного диска температура была близка к абсолютному нулю, что обеспечивало конденсацию и затвердевание почти всех содержавшихся в

стр. 9

Планеты Солнечной и других звездных систем в зависимости от их массы (в единицах массы Юпитера, М _gup ) и среднего расстояния до звезд (в астрономических единицах). Условные обозначения:

1 - звезды и Солнце;

2 - коричневые карлики;

3 - планеты с гигантскими флюидными оболочками;

4 - железокаменные планеты земной группы;

5 - ледяные кометоподобные тела. С приближением к звездам (Солнцу) прослеживается возрастание массивности планет (обозначенное стрелкой) и противоположное (показанное соединительными линиями) аномальное уменьшение их массивности в результате поверхностной дегазации под воздействием звездного ветра.

нем газов, включая водород. Из-за низкой температуры в центре солнечной массы ледяного вещества аккумулировалось несравнимо больше, чем в гигантских планетах. В результате гравитационного сжатия, сопровождавшегося выделением тепла, температура возросла до 1,6 х 10 ⁷ К. Этого было достаточно для развития термоядерных реакций, и Солнце достигло звездного состояния.

Под действием солнечного ветра (испускаемой светилом плазмы) огромная масса водорода и гелия в быстро вращавшемся небулярном диске, первоначально заполнявшая межкометные и межпланетные пространства, покинула Солнечную систему. В неспособности сосредоточить в центральной звезде огромную массу этих газов и заключается ее главная генетическая сущность.

Объясняется она слишком быстрым вращением протосолнечного небулярного диска. В итоге возникло характерное для Солнечной системы распределение момента количества движения между медленно вращавшимся светилом и планетами, стремительно мчавшимися вокруг него по своим орбитам. На этой ступени эволюции Солнце оказалось в окружении планет-гигантов, находящихся как в удалении от него (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), так и в непосредственной близости (протопланеты земной группы).

Реальность такого состояния Солнечной системы подтверждают уже упоминавшиеся аналоги протопланет земной группы - планеты-гиганты, обнаруженные недавно в звездных системах, сходных с Солнечной. Благодаря своей близости к звездам, они вызывают их колебание в пространстве, улавливаемое на Земле с помощью прецизионной допплеровской техники.

ЗВЕЗДНЫЕ АНАЛОГИ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Последовательность Уран - Сатурн - Юпитер в Солнечной системе отражает закономерное возрастание массивности планет-гигантов с приближением к звездам. Вполне отвечают этой закономерности и гигантские планеты, обнаруженные вокруг аналогичных Солнцу звезд, которые в основном массивнее Юпитера. С приближением к звездам планеты сменяются коричневыми карликами, к тепловому излучению которых добавляется звездное, обусловленное термоядерными реакциями на основе дейтерия.

стр. 10

Если вернуться к Солнечной системе, то позиция планет- гигантов вблизи светила относится к началу их эволюции, когда все они формировались единообразно и масса их нарастала с приближением к Солнцу. В последующий период его максимальной активности под влиянием солнечного ветра эти гигантские протопланеты подверглись поверхностной дегазации, и их железокаменные ядра превратились в планеты земной группы - Меркурий, Венеру, Землю, Марс. В этом состоянии планетная система утратила влияние на положение Солнца в космическом пространстве. Поэтому звездные аналоги современной Солнечной системы с Земли неразличимы.

С утратой флюидных оболочек планеты земной группы потеряли и свои спутниковые системы; от них сохранились лишь реликты - Луна у Земли, Фобос и Деймос у Марса. Утрата внешнего ограничивающего давления создавала напряженное состояние железокаменных планет - благодаря высокому давлению водородных флюидов, сконцентрировавшихся в их расплавленных железных ядрах на протопланетной стадии развития. С этим связана эндогенная активность планет земной группы. В настоящее время она продолжается только у Земли, сохранившей расплавленное ядро, остальные же околосолнечные планеты (Меркурий, Венера, Марс) полностью консолидировались, потеряв активность и собственные магнитные поля.

Поверхностная дегазация наиболее катастрофичной оказалась для планет примитивного уровня развития, не расслоившихся на ядра и прочные силикатные оболочки (находятся на орбитах между Марсом и Юпитером). Они подверглись взрывному распаду и образовали обломочный пояс астероидов, служащий источником метеоритов. Дегазация частично произошла и на Юпитере, потерявшем часть наиболее легкого газа - водорода, о чем можно судить по аномально высокой средней плотности этой планеты (она почти вдвое больше, чем у Сатурна). В основном же у Юпитера, как и других планет его группы, благодаря удаленности от Солнца на 5,2 а.е. (астрономических единиц) сохранилась гигантская гелий-водородная оболочка.

Грандиозный процесс дегазации околосолнечных планет имеет аналогию в звездных системах; она заключается в уменьшении массивности планет с приближением к звездам. Так, чем ближе к звезде Upsilon Andromedae окружающие ее флюидные гигантские планеты, тем они менее массивны. Самая крупная из них почти полностью сохранила свою флюидную оболочку благодаря большой удаленности от звезды (2,5 а.е.). Эта планета - аналог протопланет пояса астероидов в Солнечной системе (расстояние от Солнца - 2,2- 2,8 а.е.), которые подверглись полной поверхностной дегазации под воздействием солнечного ветра и взрывному распаду - под давлением гелий-водородных флюидов, сконцентрировавшихся в их ядрах в период протопланетного развития.

Частично дегазированная планета звезды Upsilon Andromedae, удаленная от нее на 0,8 а.е., в какой-то мере коррелируется с Венерой (0,7 а.е. от Солнца), тогда как другая, отстоящая на 0,06 а.е., не имеет аналогов в ряду планет Солнечной системы. Но по своей близости к звезде эта сходная с Юпитером планета - уникальна.

Таким образом, в планетных системах звезд прослеживается лишь частичная поверхностная дегазация околозвездных планет-гигантов. Она уже полностью осуществилась в Солнечной системе и привела к формированию небольших железокаменных планет земной группы. Для обнаружения их аналогов в звездном мире требуется особой подход - на основе длительного мониторинга звезд, который позволяет улавливать "тени" даже небольших окружающих их железокаменных планет.

Постоянный адрес данной публикации: