Происхождение Земли, на которой мы живем и работаем, — один из тех вопросов, которые не могут не интересовать людей. Это один из коренных вопросов научного мировоззрения. Выяснение происхождения Земли необходимо для научного понимания всей ее дальнейшей истории и эволюции.

О. Ю. Шмидт

 

Солнечная система

Земля — не изолированное космическое тело. Она входит в состав Солнечной системы, которую образуют Солнце и обращающиеся вокруг него космические тела. Понять происхождение нашей планеты невозможно, если не учитывать физические и механические свойства Солнечной системы. Возможно, что и этого недостаточно, и процесс возникновения Земли может быть вполне осмыслен лишь в тесной связи с эволюцией звезд, звездных систем и даже всей наблюдаемой нами части Вселенной. Как бы там ни было, общее знакомство с современной Солнечной системой есть первый и неизбежный шаг в познании ее происхождения.

Известными в наше время членами Солнечной системы являются: девять больших планет, спутники планет (34), множество малых планет (свыше 1600), бесчисленные кометы, метеориты и метеорные тела, а также мельчайшие частицы твердого вещества и весьма разреженные газы, находящиеся в межпланетном пространстве.

Все большие планеты движутся вокруг Солнца почти в одной плоскости и в одном направлении (рис. 25).

Рис. 25. Орбиты больших планет.

Надо, правда, заметить, что плоскость орбиты Плутона наклонена к плоскости земной орбиты под значительным углом (17°). В порядке удаленности от Солнца за ближайшей к Солнцу планетой Меркурием следует Венера, затем Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Меркурий, Венера, Земля и Марс сравнительно недалеки от Солнца и невелики по размерам. Они образуют группу планет земного типа. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун огромны (Юпитер, например, больше Земли по объему в 1300 раз), поэтому носят название планет-гигантов. Что касается плохо изученного Плутона, то, возможно, что он принадлежит к планетам земного типа.

Поскольку планеты находятся на разных расстояниях от Солнца, продолжительности их «года» и скорости орбитального движения неодинаковы. Неодинакова и продолжительность суток на планетах, различны диаметры планет, их массы и плотность, а следовательно, физическое состояние, в том числе состав и плотность планетных атмосфер, строение их поверхностей и недр.

Наше предварительное знакомство с планетами будет кратким.

Меркурий — наименьшая из девяти главных планет. Поперечник Меркурия составляет 0,38 диаметра Земли, а по массе эта планета почти в 17 раз уступает земному шару. Недавно вокруг Меркурия обнаружена очень разреженная атмосфера, состоящая, по-видимому, в основном из гелия.

Период обращения Меркурия вокруг Солнца равен 88 земным суткам, а вокруг оси — 58 суткам. Близость Меркурия к Солнцу разреженность его атмосферы создают резкие температурные контрасты. На стороне Меркурия, обращенной к Солнцу, температура +510 °C, т. е. выше той, при которой плавится свинец. На ночной половине Меркурия господствует жестокий холод (—185 °C).

Венера по размерам и массе близка к Земле. Венеру окружает плотная атмосфера из углекислого газа (97 %) с примесью азота (2 %), кислорода, водяных паров и других газов. Постоянный облачный покров Венеры полностью скрывает от земных наблюдателей поверхность планеты. Природа облаков Венеры пока неясна. Возможно, что они состоят из ледяных кристаллов или (недавно высказана и такая гипотеза) из капелек серной кислоты. Продолжительность суток на Венере близка к 24 земным суткам, причем вращается Венера в сторону, противоположную вращению остальных планет. На поверхности Венеры температура близка к +500 °C, а давление около 10 МПа. У Венеры, как и у Меркурия, спутники не обнаружены.

Марс меньше Земли в поперечнике в два раза, по массе почти в 10 раз. Как и Земля, Марс вращается вокруг своей оси, причем продолжительность марсовых и земных суток почти одинакова. На Марсе, ось вращения которого наклонена к плоскости орбиты под углом 65° (у Земли — 66,5°), как и на Земле, периодически сменяются времена года. Смена времен года сопровождается заметными изменениями поверхности планеты. У полюсов Марса наблюдаются белые пятна, называемые «полярными шапками». Подобно снеговому покрову на земной поверхности они уменьшаются летом в данном полушарии Марса и увеличиваются зимой. Установлено, что полярные шапки Марса состоят из льда, инея и, по-видимому, частично из замерзшей углекислоты.

Марс окутан весьма разреженной атмосферой, в которой содержится до 95 % углекислого газа с примесью азота, аргона, водяных паров, кислорода, возможно, других газов. Облака в марсианской атмосфере состоят, скорее всего, из ледяных кристалликов. Часто наблюдаются беловатые туманы и желтоватые пылевые бури.

Марс имеет два крошечных спутника неправильной осколочной формы — Фобос и Деймос. Наибольший поперечник Фобоса 30 км. Деймоса —15 км. Каждые 15–17 лет Марс наиболее близко подходит к Земле (на расстояние около 55 млн. км), и в периоды таких «великих противостояний» изучать его наиболее удобно. Ближайшее «великое противостояние» Марса наступит в 1986 г., тогда как обычные «рядовые» противостояния повторяются через каждые два года.

Юпитер и Сатурн — самые большие планеты Солнечной системы (рис. 26).

Рис. 26. Сравнительные размеры Солнца и планет.

На долю этих двух планет приходится 92 % массы всех планет, вместе взятых. Состоят они, судя по теоретическим расчетам, как и Уран и Нептун, в основном (до 70 % по массе) из водорода и его соединений с углеродом (метан) и азотом (аммиак), а также гелия (по последним данным, атмосфера Юпитера состоит на 36 % из гелия). По своей природе планеты-гиганты, пожалуй, больше напоминают звезды, чем планеты земного типа.

В атмосферах планет-гигантов при господствующих там низких температурах метан и аммиак образуют огромные плотные облачные слои, наблюдаемые в виде полос. Благодаря быстрому вращению вокруг своих осей (сутки там имеют продолжительность от 10 до 16 часов) планеты-гиганты имеют значительное полярное сжатие.

Планета Сатурн окружена тонким кольцом, внутренний край которого, возможно, соприкасается с атмосферой. При толщине кольца около 15–20 км его ширина близка к 50 000 км. В разные годы в зависимости от взаимного расположения Земли и Сатурна вид его кольца меняется. В те годы, когда кольцо Сатурна обращено к Земле своим ребром, его можно наблюдать только в самые мощные телескопы. Кольцо Сатурна, точнее кольца состоят из множества покрытых льдом твердых частиц, каждая из которых обращается вокруг Сатурна вполне самостоятельно. В кольцах Сатурна есть темные промежутки — «щели», разделяющие его на много концентрических колец.

Все планеты-гиганты имеют спутников. У Юпитера известно 15 спутников, у Сатурна — 17, у Урана — 5, у Нептуна — 2. Некоторые из этих лун по своим размерам сравнимы с Луной или даже несколько превышают ее.

Наиболее крупные из спутников планет (Ганимед, Ио, Титан и другие) имеют вокруг себя разреженные атмосферы. Меньшие спутники (равные или уступающие Луне по размерам и массе) лишены их. Общее число спутников 44.

Системы спутников планет-гигантов похожи на Солнечную систему в миниатюре. Особенно большое сходство, как показали расчеты советского астронома С. С. Гамбурга, имеет система спутников Юпитера, которая геометрически подобна Солнечной системе. Происхождение систем спутников, вообще говоря, подобно происхождению планетных систем, хотя некоторые спутники, возможно, когда-то представляли собой самостоятельные тела и были лишь позже «пойманы» тяготением планет при близком к ним прохождении.

Плутон по массе и размерам почти впятеро меньше Земли, а сутки на Плутоне в 6,4 раза продолжительнее земных. Температура на поверхности этой далекой планеты так низка (ниже—220 °C), что большинство газов при этом должно перейти в твердое или жидкое состояние, поэтому вряд ли Плутон окружен атмосферой. На расстоянии около 17 000 км вокруг Плутона обращается спутник радиусом 650 км.

Иногда на небосводе появляются странные светила. Внешне они похожи на туманную, расплывчатую звезду, от которой отходит один или несколько слабосветящихся прозрачных «хвостов». Еще в древности эти светила получили наименование комет. В переводе с древнегреческого слово «комета» означает «косматая звезда».

Большие и яркие кометы, обращающие на себя внимание всякого, кто взглянет на звездное небо, сравнительно редки. В среднем их удается наблюдать, как показывает статистика, один раз в десятилетие. Что же касается слабых по яркости и небольших по видимым размерам комет, то их очень много. Не проходит года, чтобы астрономы не открыли на небе несколько таких «телескопических» комет.

По-видимому, все кометы являются членами Солнечной системы. Подобно планетам, они обращаются вокруг Солнца. Однако в отличие от орбит планет орбиты комет представляют собой чаще всего очень сильно вытянутые эллипсы, в одном из фокусов которых находится Солнце. В связи с этим расстояние комет от Солнца изменяется в весьма широких пределах. Перигелий орбит некоторых комет находится очень близко от поверхности Солнца, тогда как их афелии — за пределами орбиты Нептуна.

Когда комета пролетает вдалеке от Солнца, ее можно наблюдать только в телескоп. В этот период комета выглядит крошечным размазанным туманным пятнышком, в центре которого заметно звездообразное сгущение, называемое видимым ядром. С приближением кометы к Солнцу ее яркость и видимые размеры непрерывно растут. Из туманной оболочки кометного ядра, называемой головой кометы, иногда вытягивается слабо светящийся туманный хвост.

Если комета близко подходит к Солнцу, у нее иногда образуется несколько хвостов, достигающих огромной длины. В такой период при удачных условиях наблюдения с Земли комета представляет собой величественное зрелище. Она медленно ото дня ко дню перемещается на фоне созвездий, при этом форма, размеры и яркость ее хвостов постепенно меняются.

Орбиты комет весьма разнообразны. Некоторые из комет, например комета Энке, имеют орбиту, целиком охватываемую орбитой Юпитера. Такие кометы, как Галлея, движутся по орбитам, афелии которых дальше орбиты Нептуна и даже Плутона. В связи с этим периоды обращения комет вокруг Солнца также весьма различны — от нескольких лет до многих веков и даже тысячелетий.

Размеры комет грандиозны. Головы некоторых из них больше Солнца, а хвосты тянутся на сотни миллионов километров! Однако при таких невообразимо больших размерах масса кометы очень мала и составляет в среднем ничтожные доли массы Земли.

Главная часть вещества комет сосредоточена в ее твердых ядрах, которые, по-видимому, представляют собой ледяные глыбы из замерзших газов, включающие в виде примесей многочисленные твердые тугоплавкие частицы. Поперечники ядер комет не превышают, как правило, несколько километров. При сближении пометного ядра с Солнцем замерзшие газы испаряются (или, точнее, возгоняются), образуя обширную газовую голову кометы и ее газовые хвосты. В некоторых случаях из ядра кометы может выделяться мелкая твердая космическая пыль, из которой формируются пылевые хвосты кометы.

Еще в древности было замечено, что основные хвосты комет всегда направлены в сторону, противоположную Солнцу. Иначе говоря, на частицы, образующие пометные хвосты, кроме солнечного притяжения, действует какая-то отталкивающая сила, исходящая от Солнца. Используя эти факты, знаменитый русский исследователь комет Ф. А. Бредихин (1831–1904 гг.) впервые создал стройную теорию, хорошо объясняющую основные пометные явления. Он доказал что хвосты комет можно разделить на три основных типа (рис. 27).

Рис. 27. Типы хвостов комет по Ф. А. Бредихину.

К хвостам типа I Ф. А. Бредихин отнес прямолинейные хвосты, тянущиеся в сторону, противоположную Солнцу. На частицы таких хвостов, как доказал этот исследователь, действуют отталкивательные силы Солнца, в десятки раз и более превосходящие его притяжение. Хвосты типа II — широкие, изогнутые наподобие сабли в сторону, обратную движению кометы. По теории Бредихина, они состоят из частиц, для которых отталкивательные силы Солнца сравнимы с силой его притяжения. Наконец, хвосты типа III, короткие, прямолинейные, сильно отклоненные в сторону, обратную движению кометы, состоят из частиц, на которые отталкивательная сила Солнца почти совсем не действует.

Для пылевых кометных хвостов роль отталкивательной силы выполняет световое давление солнечных лучей. Для газовых хвостов типа I такое объяснение не годится. Огромные ускорения молекул, их составляющих вызваны взаимодействием магнитного поля «солнечного ветра» (т. е. потоков протонов, электронов и других частиц, выброшенных Солнцем) с кометной плазмой. Хвосты типа I имеют газовую природу и включают главным образом ионизированные молекулы азота и угарного газа. Хвосты типа III состоят из мелкой твердой пыли, а хвосты типа II, по-видимому, имеют смешанный состав (нейтральные газовые молекулы и пыль). Газообразные головы комет состоят в основном из циана и углерода.

В начале XIX века астрономы открыли несколько малых планет, обращающихся вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера.

Четырем самым крупным из них были присвоены имена древнегреческих богинь — Цереры, Юноны, Паллады и Весты. Все они недоступны наблюдению невооруженным глазом, а при наблюдениях в телескоп выглядят неяркими звездочками, перемещающимися на фоне настоящих звезд. По этой причине малые планеты были названы астероидами, т. е. звездоподобными.

В настоящее время открыто и изучено движение свыше 2300 астероидов. Самый крупный из них — астероид Церера (рис. 28) — имеет поперечник около 1000 км.

Рис. 28. Сравнительные размеры крупнейших астероидов и Луны.

Большинство астероидов гораздо меньше. Их диаметры измеряются десятками и даже единицами километров. Известны астероиды, поперечники которых близки к 1 км. Подобных и даже более мелких еще не открытых астероидов, по-видимому, очень много. Малые планеты имеют чаще всего неправильную, осколочную форму. Масса астероидов так мала, что даже самые крупные из них лишены атмосфер. Как и крупные планеты, астероиды не имеют собственного света, а лишь отражают падающие на них солнечные лучи.

В феврале 1947 г. на Дальнем Востоке в районе хребта Сихотэ- Алинь произошло падение крупного метеорита массой в десятки тонн. Когда определили его орбиту, оказалось, что он «пришел» к Земле из пояса астероидов. Аналогичную орбиту имел и Пшибрамский метеорит, упавший в апреле 1959 г. в Чехословакии.

Сейчас не вызывает сомнений, что подавляющее большинство метеоритов (если не все) и астероиды — тела одной природы. Мы называем метеоритами те из астероидов, которые, обладая сильно вытянутыми эллиптическими орбитами, сталкиваются с Землей и падают на земную поверхность. Врезавшись с огромной скоростью в земную атмосферу, метеорит испытывает сильное сопротивление воздуха. Впереди него образуется сгущение из раскаленного и ярко светящегося воздуха (так называемая воздушная подушка). Сам метеорит оплавляется, разрушается и лишь при значительной прочности не распадается на множество осколков. Полет метеорита в атмосфере сопровождается световыми и звуковыми явлениями, называемыми болидом. Ослепительно яркое тело, оставляя за собой огненный след и облака дыма, с грохотом проносится по небу.

Упавшие на Землю метеориты представляют огромную ценность для науки. До последнего времени это были единственные небесные тела, которые удавалось исследовать непосредственно в лабораториях. Метеориты считаются государственной принадлежностью, где бы и кем бы они ни были найдены.

По составу метеориты делятся на три основные группы: железные, каменные и железокаменные. В железных метеоритах преобладает железо с примесью никеля (до 30 %). В отличие от обычного земного железа метеоритное железо легко куется в холодном состоянии и обладает особой кристаллической структурой. Внешне железные метеориты напоминают осколки снарядов или бомб. Каменные метеориты состоят в основном из силикатов — в них преобладают кремний и кислород. Внешне каменные метеориты похожи на темные земные камни. Железокаменные метеориты имеют смешанный состав: примерно 50 % никелистого железа и 50 % силикатов. Среди каменных метеоритов следует особо выделить углистые хондриты, богатые органическими веществами (типа битумов). Они очень хрупки, плохо сохраняются и ценятся как величайшая редкость: во всем мире собрано всего лишь около двух десятков углистых хондритов. В метеоритах не найдено каких-либо веществ, неизвестных на Земле, но обнаружены характерные лишь для них минералы.

Особую разновидность метеоритов составляют ледяные метеориты, один из которых упал в мае 1970 г. в городе Яготине Киевской области на Украине. При падении ледяная глыба раздробилась на зеленоватые осколки общей массой около 15 кг. Они были собраны в банки и в растаявшем виде издавали запах аммиака, метана и сероводорода. Падения крупных глыб льда (иногда поперечником в несколько метров) неоднократно наблюдались в ясную погоду. По- видимому, в этих случаях Земля сталкивалась с ядрами микрокомет, а не с микроастероидами.

Масса метеоритов, хранящихся в музеях, весьма различна — от нескольких граммов до десятков тонн. Очень редко, в среднем один раз в тысячу лет, в земную атмосферу влетают исполинские метеориты массой в тысячи и десятки тысяч тонн. Воздушная оболочка Земли не в состоянии затормозить полет тела, и, не потеряв космической скорости (иногда в несколько десятков километров в секунду), исполинский метеорит врезается в земную поверхность. При этом ударе мгновенно разрушается кристаллическая решетка метеорита, и высвобожденные молекулы подобно молекулам сильно сжатого газа стремятся разлететься в разные стороны. В результате происходит взрыв, по мощности не уступающий взрыву сильнейших взрывчатых веществ в количестве, равном (или даже большем) массе метеорита. При этом взрыве как сам метеорит, так и окружающие его земные породы обращаются в раскаленный газ. Вот почему при падении исполинских метеоритов образуются огромные воронки, называемые взрывными метеоритными кратерами, или астроблемами.

В тех же случаях, когда метеорит невелик и почти полностью затормаживается атмосферой примерно на высоте 20–25 км, он с этой высоты опускается на Землю, как свободно падающее тело, и при падении образует небольшие воронки, называемые ударными метеоритными кратерами. На дне таких кратеров всегда находят осколки метеорита. Когда образуется взрывной метеоритный кратер, почти вся масса метеорита обращается в газ, и поиски метеоритного вещества могут оказаться безрезультатными.

Долгое время аризонский взрывной метеоритный кратер (поперечник—1,2 км, глубина—175 м) считался крупнейшим. Сейчас в Северной Америке и других районах земного шара известны метеоритные кратеры поперечником в десятки и даже сотни километров.

В 1970 г. советские исследователи установили, что огромная Попигайская котловина в северо-восточной части Сибири вблизи Ледовитого океана представляет собой метеоритный кратер поперечником около 100 км. Образовался он примерно 30 млн. лет назад. Такие кратеры должны были возникнуть при ударе о Землю тел астероидного типа с поперечником в 1 км и более. Несомненно, что многие древние метеоритные кратеры разрушены в результате эрозии, что затрудняет их поиски.

Мелкие твердые космические частицы, порождающие при столкновении с Землей в ее атмосфере явление метеоров или «падающих звезд», называются метеорными телами. Их масса составляет доли грамма, и они полностью разрушаются в воздухе на высоте порядка 100 км. Судя по спектру метеоров, метеорные тела по составу напоминают как метеориты, так и «ледяные» ядра комет.

Современная наука с интересом исследует метеоры, так как движение их следов позволяет изучать воздушные движения в стратосфере, а спектры метеоров — состав и плотность воздуха на больших высотах. Все эти данные весьма ценны для теории полетов в верхних слоях земной атмосферы.

Некоторые метеорные тела приходят к нам из пояса астероидов, другие образуются при распаде комет. Так, в 1846 г. комета, открытая чешским астрономом Биелой, разделилась на две части, движущиеся в пространстве по параллельным орбитам. В одно из следующих возвращений кометы Биелы к Солнцу, в ноябре 1872 г. вместо нее на небе наблюдалось множество метеоров — настоящий «звездный дождь». Очевидно, рой мельчайших метеорных тел, породивших это красивое небесное явление, образовали частицы распавшегося кометного ядра.

Астрономам известно множество метеорных потоков. Так очи называют скопления метеорных тел, обращающихся вокруг Солнца по сильно вытянутым эллиптическим орбитам. Вычислено, что орбиты многих метеорных потоков сходны с орбитами известных комет. Следовательно, распадаясь, кометы оставляют за собой «шлейф» из частиц, которые располагаются вдоль всей ее орбиты. После окончательного распада кометы вещество ее ядра постепенно распределяется вдоль орбиты, образуя нечто вроде исполинского «бублика». Постепенно и он распадается на бесчисленное количество отдельных «спорадических» метеорных тел, самостоятельно странствующих по Солнечной системе.

Межпланетное пространство заполнено великим множеством мельчайших твердых пылинок, образующих так называемое Зодиакальное Облако. Это продукты дробления крупных тел Солнечной системы. Если поперечник пылинки меньше 10-5 см, она «выдувается» давлением солнечных лучей в межзвездное пространство. При больших размерах ее полет тормозится солнечными лучами, и, двигаясь по скручивающейся спирали, она в конце концов падает на Солнце. Кроме этой пылевой «завесы», Солнечная система имеет тончайшую «вуаль» из разреженных межпланетных газов.

В настоящее время все в Солнечной системе постепенно разрушается. Непрерывно теряет вещество и энергию Солнце. Медленно улетучиваются атмосферы планет. Астероиды дробятся при взаимных столкновениях, а метеориты частично разрушают планеты и спутники, врезаясь в их поверхности. В этой картине естественных космических процессов нет ничего созидающего.

Но так не могло быть всегда. Ведь когда-то Солнечная система, включая нашу планету, начала свое существование. Это событие скрыто в глубине времен, и мы знаем о нем очень мало. Во всяком случае, окончательно проблема происхождения Земли пока не решена.

 

«Холодный» вариант земной биографии

Известный немецкий философ Иммануил Кант (XVIII век) считается создателем первой научной гипотезы о происхождении Солнечной системы. По мнению И. Канта, Солнечная система возникла из огромного облака мелких твердых холодных частиц, взаимно притягивающих друг друга. В этом хаотическом облаке, как считал Кант, должны были рано или поздно образоваться отдельные сгущения, постепенно уплотняющиеся за счет падающих на них новых частиц. Самое большое из сгущений стало Солнцем, а меньшие — планетами.

Гипотеза Канта с современной точки зрения выглядит весьма наивной. Она не могла объяснить различные особенности Солнечной системы, поэтому не получила широкого распространения, хотя ее основная идея — конденсация планет из холодного распыленного вещества — используется и в современной космогонии — разделе естествознания, изучающем происхождение и развитие космических тел.

Гипотезу Канта сменила выдвинутая известным французским ученым Лапласом (XVIII век) гораздо более обоснованная гипотеза. Лаплас предполагал, что Солнце и планеты образовались из огромной раскаленной вращающейся газовой туманности. Под влиянием холода окружающего ее мирового пространства туманность сжималась, при сжатии угловая скорость ее вращения увеличивалась, а сама туманность постепенно сплющивалась. Благодаря большой скорости вращения туманности от нее вдоль ее экватора одно за другим начали отделяться газовые кольца, которые затем сгустились в планеты. Что же касается центрального сгустка туманности, то он постепенно превратился в Солнце. Гипотеза Лапласа просуществовала около полутора веков. Как и гипотеза Канта, она сыграла большую положительную роль в естествознании, так как на ее примере была доказана возможность объяснять происхождение небесных тел без помощи сверхъестественных сил.

В начале XX века гипотеза Лапласа была подвергнута справедливой критике, которая показала ее несостоятельность с точки зрения науки нашего века. В частности, было доказано, что от вращающейся газовой туманности газ будет отделяться непрерывно, а не в виде колец, и если бы даже отделились газовые кольца, то они рассеялись бы в пространстве, а не сгустились в планеты.

После крушения гипотезы Лапласа некоторые зарубежные ученые пытались выдвинуть разнообразные гипотезы о происхождении Земли и планет. Однако все эти гипотезы очень быстро вступали в противоречие с фактами и отвергались как несостоятельные. Лишь с 1943 г. советские ученые начали вносить некоторую ясность в этот очень сложный вопрос. Трудность космогонических проблем обусловлена колоссальной продолжительностью жизни небесных тел, т. е. их пребыванием в характерном для них состоянии. Так, возраст Земли близок к 5 млрд. лет.

Исследование ископаемых растений показало, что излучение Солнца за сотни миллионов лет практически не изменилось. Это значит, что возраст Солнца намного превышает возраст Земли. Так как Солнце еще весьма далеко от погасания и его самосвечение будет продолжаться еще по крайней мере миллиарды лет, продолжительность жизни Солнца и многих звезд должна измеряться многими миллиардами лет.

По сравнению со всеми этими сроками продолжительность жизни не только отдельного человека, но и всего человечества в целом кажется мигом. Телескоп был изобретен всего лишь три с половиной века назад, а ведь только с помощью телескопа стало возможным изучение физической природы небесных тел. Эволюционные изменения небесных тел, несомненно, происходят, но во многих случаях так медленно, что непосредственно заметить их мы не в состоянии. В этом основная трудность космогонических проблем. Есть, однако, и другие затруднения. В частности, планетная система известна нам лишь в единственном экземпляре. Планетные системы других звезд пока недоступны непосредственному наблюдению. Следовательно, сравнить между собой несколько планетных систем, находящихся на разных стадиях развития, и сделать вывод о их происхождении современная космогония не может.

Несмотря на все эти трудности, научная космогония прогрессивно развивается. Как и всякая наука, она идет от гипотезы к гипотезе, сохраняя все ценное от каждой из них. Характерно, что космогонические гипотезы постепенно усложняются и стремятся объяснить возможно больше наблюдаемых фактов. Нет сомнения, что со временем будут созданы строго и всесторонне обоснованные научные теории, подобные, например, теории эволюции органического мира на Земле.

Начиная с 1943 г. группа советских ученых во главе с акад. О. Ю. Шмидтом разработала стройную космогоническую гипотезу, основанную на новейших достижениях современного естествознания (рис. 29).

Рис. 29. Схема образования планет по гипотезе О. Ю. Шмидта.

По гипотезе Шмидта, наше Солнце много миллиардов лет назад было окружено исполинским «протопланетным» облаком, состоящим из холодной пыли и частичек замерзших газов. Составляющие облако частицы вещества обращались вокруг Солнца. Их было много, они часто сталкивались, и при столкновении часть их энергии безвозвратно излучалась в форме тепла. В конце концов, теряя энергию и испытывая взаимное тяготение, частицы, падая друг на друга, как бы «слипались», образуя постепенно растущие сгущения — зародыши будущих планет. При этом «протопланетное» облако постепенно сплющивалось, а конденсирующиеся «протопланеты» приобретали все более и более круговые орбиты. Последний процесс был вызван тем, что при «слипании» частиц «протопланетного» облака элементы их орбит (величины, характеризующие форму, размеры орбит и их положение в пространстве) осреднялись, поэтому чем крупнее получалась планета, тем больше ее орбита походила на окружность. Прошло очень много времени, прежде чем «протопланетное» облако «сгустилось» в современные планеты.

Таким образом, по гипотезе Шмидта, наша Земля и другие планеты сконденсировались из множества твердых холодных частиц и, следовательно, никогда не были целиком в огненно-жидком, раскаленном состоянии.

Дальнейшая эволюция Земли выразилась в перемещениях составляющих ее масс вещества. Тяжелые массы спускались к центру Земли, выдавливая на ее поверхность более легкие породы. Этот процесс перераспределения масс происходит и сейчас, выражаясь в грозном явлении землетрясений.

В поверхностных слоях Земли, где скопились радиоактивные вещества, выделялось и выделяется (при радиоактивном распаде) значительное количество тепла. В недрах Земли образуются очаги расплавленного вещества, откуда через жерла вулканов на земную поверхность извергается лава.

Гипотеза Шмидта объясняет основные закономерности Солнечной системы — формы, размеры и расположение планетных орбит, распределение планет в пространстве в связи с их массой и многое другое. В частности, она сумела объяснить разделение планет на две группы — планеты земного типа и планеты-гиганты. Первые образовались из близких к Солнцу частей «протопланетного» облака. В этом случае под действием солнечного тепла частички льдов (воды, метана, аммиака), входящих в состав облака, испарились (точнее, сублимировались), и планеты получились небольшие, состоящие в основном из тугоплавких элементов. Вдалеке от Солнца условия благоприятствовали формированию огромных планет, состоящих в основном из легких элементов.

О. Ю. Шмидту удалось теоретически объяснить закон планетных расстояний, т. е. связь радиуса орбиты планеты е ее номером (в порядке удаления от Солнца). По мнению О. Ю. Шмидта, «протопланетное» газово-пылевое облако было захвачено Солнцем при его движении вокруг центра нашей звездной системы Галактики. Хотя на частном примере О. Ю. Шмидт показал принципиальную возможность захвата, сама идея о захвате «протопланетного» облака теоретически была плохо обоснована, и эта часть гипотезы Шмидта оказалась самой слабой.

В рамках гипотезы Шмидта плохо разработан вопрос о происхождении спутников планет, например Луны, которая обладает относительно большой массой и вместе с Землей образует двойную планету. Остались необъясненными обратное вращение Венеры, положение оси вращения Урана и ряд других деталей, пусть второстепенных, но требующих все-таки объяснения.

Более существенно то, что осталась непонятной главная особенность Солнечной системы — «неестественное» распределение момента количества движения между Солнцем и планетами. Солнце вращается вокруг оси очень медленно, и потому из общего «запаса движения» (т. е. момента количества движения) Солнечной системы на его долю приходится лишь 2 %. Откуда у планет остальные 98 % «запаса движения» — неясно.

Для расслоения Земли на тяжелое ядро и более легкие внешние оболочки требуется, чтобы вязкость первичного ее вещества (а значит, и ее температура) была значительной. Расчеты показывают, что одна радиоактивность такой разогрев дать не может. Последователи О. Ю. Шмидта (в частности, В. С. Сафронов) полагают, что на первичную Землю падали тела астероидных размеров (до 1000 км в поперечнике) и их удары разогрели внешние слои первичной Земли до 1500 °C.

Надо заметить, что это объяснение малоубедительно. Во-первых, оно количественно пока плохо обосновано, а во-вторых, неясно, откуда взялись бомбардирующие Землю тела астероидных размеров, если Земля и планеты уже в основном сформировались, т. е. вещество «протопланетного» облака было исчерпано.

В гипотезе Шмидта Солнцу отводилась в основном чисто механическая роль — динамического центра Солнечной системы. Между тем в настоящее время почти все космогонисты пришли к выводу, что происхождение Земли и планет следует рассматривать в тесной связи с происхождением Солнца.

 

Совместно с Солнцем

В 1960 г. акад. В. Г. Фесенков, много лет работавший в области космогонии, предложил гипотезу, существенно отличающуюся от гипотезы Шмидта. По мнению В. Г. Фесенкова, планеты должны были сформироваться одновременно с Солнцем из одного газово-пылевого облака при его постепенной конденсации. Конденсируясь в компактное тело, Земля должна была постепенно разогреваться за счет уменьшения потенциальной энергии при этом терять легкие газы своей атмосферы. Подобная потеря вещества происходила и при эволюции других планет, поэтому, как считал В. Г. Фесенков, современные планеты представляют собой лишь ядра первичных огромных «протопланет», растерявших при разогревании и по другим причинам основную часть своей массы.

Эта гипотеза не была подкреплена какими-либо расчетами, а основная идея была заимствована В. Г. Фесенковым у американского астрофизика Ф. Уиппла, который еще в 1948 г. опубликовал гипотезу, где рождение Солнечной системы рассматривалось как результат конденсации глобулы — огромного шаровидного пылевого облака. Такие объекты с поперечником от 10 до 35 тыс. астрономических единиц (а. е.) действительно наблюдаются на фоне некоторых газово-пылевых туманностей. Однако совершенно неясно, могут ли глобулы сгущаться в звезды и планеты. Для того чтобы пылевая туманность начала сгущаться, она должна иметь вполне определенные массу, плотность, температуру и другие физические параметры. Расчеты последних лет показали, что лишь в исключительных случаях при высокой плотности в пылевом облаке начнется процесс конденсации. Известные астрономам газово-пылевые туманности соответствующими свойствами не обладают.

Как уже отмечалось, Солнце вращается очень медленно, а основной «запас движения» в Солнечной системе приходится на долю планет. Чтобы объяснить этот факт, некоторые современные космогонисты (английский астрофизик Ф. Хойл и другие) привлекли к объяснению происхождения Солнечной системы электрические и магнитные силы. При этом они предполагали, что планеты когда-то отделились от Солнца — старая идея, подкрепленная некоторыми фактами из современной звездной астрономии.

Дело в том, что гигантские горячие звезды, массы которых в десятки раз больше солнечной, вращаются так быстро, что точки на их экваторе движутся со скоростью 300–500 км в секунду (для Солнца эта скорость близка всего к 2 км в секунду). Менее горячие и массивные звезды вращаются медленнее, и это убывание скорости вращения происходит непрерывно и постепенно вплоть до желтовато-белых звезд с температурой поверхности около 8000 °C. А дальше — резкий скачок: у звезд типа Солнца и более холодных экваториальные скорости сразу становятся очень малыми, порядка нескольких километров в секунду. При этом такие важные характеристики звезд, как температура поверхности, светимость и масса, продолжают меняться от одного класса звезд к другому медленно и постепенно. Что же вызвало скачок?

Так как быстро вращающиеся желтовато-белые звезды лишь немного горячее Солнца, но имеют почти такую же массу, как Солнце, можно думать, что скачок во вращении вызван тем, что у звезд типа Солнца есть планеты, которые при малой массе, но зато больших радиусах орбит несут на себе основную долю момента количества движения. Действительно, несложный подсчет показывает, что если бы все планеты Солнечной системы упали на Солнце, оно стало бы вращаться с экваториальной скоростью около 100 км в секунду, т. е. как раз с такой же, какая наблюдается у желтовато-белых звезд!

Но если планеты на самом деле когда-то отделились от Солнца, то что затормозило Солнце и перевело основной «запас движения» на планеты? На этот вопрос дает ответ гипотеза Ф. Хойла, опубликованная им в 1960 г. Представим себе Протосолнце — быстро вращающуюся вокруг оси в ту отдаленную эпоху еще совсем молодую звезду. Если она по каким-либо причинам постепенно сжималась (рис. 30), то скорость ее вращения непрерывно возрастала.

Рис. 30. Образование планет по Ф. Хойлу. Показано расположение магнитных силовых линий внутри протопланетного облака.

В конце концов наступила эпоха ротационной неустойчивости, когда под действием центробежных сил с экватора Протосолнца (его радиус был тогда равен радиусу орбиты Меркурия) началось истечение вещества, которое образовало «протопланетное» облако, имевшее форму сплющенного диска.

Допустим, что Протосолнце, сгустившееся газово-пылевой туманности, обладало сильным магнитным полем, вещество «протопланетного» облака хотя бы частично содержало ионизированный газ. В таком случае в этом газе возникало собственное магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем Протосолнца. В результате между диском и центральным сгущением (будущим Солнцем) установилось сильное магнитное «сцепление», вследствие которого вещество диска удалилось от центра, распространяясь на всю Солнечную систему, а Протосолнце, теряя момент, продолжало сжиматься и в конце концов превратилось в современное медленновращающееся Солнце.

Таким образом, по Ф. Хойлу, магнитное торможение вращающегося Протосолнца окружающей его туманностью привело к переходу момента количества движения от Протосолнца к облаку, а значит, и к сгустившимся из него планетам. Однако эта остроумная схема, объясняющая одну из главных загадок Солнечной системы, сама нуждается в солидном обосновании.

Расчеты показывают, что у горячих звезд атмосфера охвачена интенсивной конвекцией, и магнитное поле при этом располагается почти целиком внутри звезды. Значит, если Протосолнце было горячо, намагнитить «протопланетное» облако оно не могло. Если же оно было холодным, то облако «раскручивалось» магнитным полем звезды столь быстро, что протопланетный диск просто не успевал сформироваться и не смог принять на себя основной доли момента количества движения.

Гипотезы о совместном возникновении Солнца и планет в последнее время предложили также А. Камерон, Э. Шацман и другие астрофизики. Но и их объяснения страдают теми же недостатками, что и гипотеза Ф. Хойла. Сам механизм отделения планет от Протосолнца остается физически необоснованным, как, впрочем, и процесс сгущения газово-пылевого облака в Протосолнце. Может быть, планеты и сформировались совместно с Солнцем, но как именно это произошло, пока никто не знает.

 

«Горячее» рождение Земли

Может быть, Земля и планеты родились в итоге какого-нибудь катастрофического события?

Родоначальник научной космогонии французский естествоиспытатель Бюффон в первой половине XVIII века, т. е. еще до Канта и Лапласа, высказал гипотезу, что Земля и другие планеты возникли при падении на Солнце огромной кометы. Ошибочно полагая, что массы комет огромны, сравнимы с массой Солнца, Бюффон считал, что при столкновении кометы с Солнцем произошло что-то похожее на падение камня в лужу: из горячих солнечных «брызг» сгустились остывшие затем планеты.

Разумеется, сегодня эти идеи Бюффона кажутся по меньшей мере наивными. Но они оказали заметное влияние на дальнейшее развитие космогонии. Наиболее полно «катастрофические» варианты рождения планет были разработаны в 1916–1927 гг. английскими астрофизиками Джинсом и Джеффрейсом.

По мнению Джинса, несколько миллиардов лет назад мимо нашего Солнца, которое в ту пору было одиночной звездой, пролетела другая звезда. Сближение двух звезд было настолько тесным, что из Солнца под действием тяготения «чужой» звезды, вырвалась горячая сигарообразная газовая струя. Виновница этой катастрофы улетела в глубины Галактики, а из газовой струи сгустились планеты. В варианте, предложенном Джеффрейсом, Солнце столкнулось со звездой, что напоминает старую идею Бюффона.

Но все эти «катастрофические» гипотезы оказались несостоятельными. Строгие расчеты показали, что из Солнца не могла вырваться сигарообразная газовая струя, а если бы даже это и произошло, то она не сгустилась бы в планеты. Кроме того, тесное сближение, а тем более столкновение двух звезд — событие настолько маловероятное, что планетные системы были бы исключительной редкостью во Вселенной. Факты, однако, говорят о другом.

Если вокруг звезды обращается невидимая с Земли планета, то ее присутствие можно обнаружить прежде всего по тем отклонениям, которые она вызывает в пространственном движении звезды. В самом деле, движение одиночной, лишенной спутников звезды в пространстве (на сравнительно небольшом участке) будет почти прямолинейным и равномерным. Но если звезда имеет хотя бы одного достаточно массивного спутника, то, обращаясь по законам небесной механики вокруг общего центра тяжести, звезда и ее спутник будут двигаться в пространстве по сложным извилистым кривым. Чем массивнее спутник звезды, тем более извилистым будет ее путь. Значит, тщательно изучая движение звезд, можно не только установить, есть ли у них невидимые спутники, но и вычислить массы этих спутников.

Еще в 1937 г. шведский астроном Хольмберг, исследуя полет ближайших звезд в пространстве, установил, что вокруг многих из них должны обращаться невидимые спутники, масса которых сравнима с массой крупнейших планет Солнечной системы.

Позже подобными исследованиями занимались несколько ученых, в том числе пулковский астроном А. Н. Дейч, который очень хорошо изучил одну из ближайших к Земле звезд — 61-ю из созвездия Лебедя. По его данным, вокруг этой звезды с периодом около 5 лет обращается темный спутник, масса которого составляет 0,008 массы Солнца. Напомним, что величайшая из планет Солнечной системы Юпитер почти в тысячу раз легче Солнца. Значит, невидимое тело в системе звезды 61 Лебедя примерно в 10 раз массивнее Юпитера. Для планеты такая масса слишком велика. Даже у Юпитера давление в центре такое высокое, что температура, по подсчетам Н. А. Козырева, должна достигать там 150 000 °C. Тело с массой в 10 раз больше должно быть скорее звездой, чем планетой.

Здесь, впрочем, надо отметить одно важное обстоятельство, на которое впервые еще в 1951 г. обратил внимание Б. В. Кукаркин. Представим себе, что мы наблюдаем Солнце с Альфы Центавра— ближайшей из звезд. Ни в один из современных телескопов мы планет, конечно, не заметим. Однако, изучая движение Солнца в пространстве, можно обнаружить, что оно движется криволинейно. Наибольшие отклонения вызовут Юпитер и Сатурн, причем в те моменты, когда эти крупнейшие из планет будут находиться одновременно по одну сторону от Солнца. Такие моменты повторяются каждые 59 лет. Что касается остальных планет, то неправильности, вносимые ими в движение, столь малы, что мы склонны приписать их погрешностям наблюдений.

Таким образом, изучая Солнце с Альфы Центавра, мы придем к выводу, что вокруг Солнца с периодом 59 лет обращается невидимый спутник, масса которого равна сумме масс Юпитера и Сатурна. Судя по всему, столь же ошибочны и наши современные представления о больших массах невидимых спутников звезд. Естественно полагать, что определяемые нами массы являются суммарными массами нескольких самых крупных планет этих невидимых планетных систем.

Чем дальше звезда, тем менее заметны с Земли неправильности в ее движении и, следовательно, тем труднее обнаружить вокруг нее планетную систему. Тем не менее в итоге многолетних исследований голландский астроном Ван де Камп доказал, что вокруг одной из близких к нам звезд («Летящая» звезда Барнарда, расстояние около 6 световых лет) обращаются три невидимых спутника, массы которых (в долях массы Юпитера) равны 1,26, 0,63 и 0,89, а расстояния от звезды соответственно 4,5, 2,9 и 1,8 астрономических единиц. Иначе говоря, наконец с полной достоверностью открыта соседняя планетная система. Есть серьезные основания полагать, что среди 100 ближайших к Солнцу звезд 43, возможно, обладают планетами, пригодными для форм жизни, подобным земным. Во всяком случае несомненно, что планетные системы — частые объекты космоса, а значит, образоваться случайно они не могли. Тем самым, космогонические гипотезы типа гипотезы Джинса должны быть отвергнуты как явно противоречащие фактам.

Какой же тогда закономерный процесс приводит к рождению планетных систем? Нельзя ли планетную космогонию связать с идеями В. А. Амбарцумяна о рождении звезд из сверхплотных и энергичных дозвездных тел?

Попытки с этих позиций решить проблему происхождения Земли и планет предприняты в последнее время известным советским исследователем комет С. К. Всехсвятским. «Имеется много оснований считать первичные планеты („протопланеты“), — пишет он, — телами звездной природы. Солнце могло быть компонентом двойной системы, сохранившимся после того, как второй компонент разделился на более мелкие части в результате взрыва». Действительно, планеты-гиганты и Солнце близки по химическому составу. У планет земного типа легкие элементы могли улетучиться в процессе эволюции. Известны звезды в двойных системах, по массе близкие к крупным планетам. Значит, гипотетический спутник Протосолнца мог иметь массу, близкую к суммарной массе планет. Взрыв этого спутника (и здесь гипотеза С. К. Всехсвятского смыкается с идеями В. А. Амбарцумяна), вероятно, произошел в результате взрывообразного превращения находившегося внутри него дозвездного вещества.

«Осколки» спутника были малы и поэтому быстро охладились, вследствие чего возникли сложные молекулярные соединения и первые следы твердых оболочек будущих планет. «Дальнейший процесс, — по мнению С. К. Всехсвятского, — должен был иметь характер отдельных подъемов активности, когда накапливающиеся под корой газы прорывали ее. С течением времени оболочка метаморфизировалась, усложнялась и укреплялась, что приводило ко все более длительным промежуткам активности и, следовательно, накапливанию большей энергии разрушений». И сегодня, как показал С. В. Всехсвятский во многих своих работах, в Солнечной системе наблюдаются эруптивные, взрывные процессы — остаток «звездной» энергии ныне затвердевших планетных тел.

«Планеты, содержащие столь большие запасы внутренней энергии, не могли начать свое развитие со стадии холодных тел, сконденсировавшихся из газово-пылевой среды. Единство их химического состава и масштабы эруптивной эволюции говорят о том, что они образовались как тела звездной природы. Только предположение о том, что вещество планет — это звездное вещество, еще сохраняющее запасы или источники звездной энергии, может соответствовать всей совокупности описанных выше фактов. Фаза планет поэтому может оказаться дальнейшей фазой распада и дезынтеграции звездного вещества».

Как убедился читатель, на «детский» вопрос — «откуда взялась Земля?» — пока не существует определенного, общепризнанного ответа. Обилие гипотез — признак недостатка фактических знаний. В этих условиях особую роль приобретает сравнительное изучение Земли и подобных ей космических тел — планет и спутников Солнечной системы. Все эти тела, несомненно, несут в себе пока скрытую для нас информацию о своем происхождении, общем с Землей.