Нил Тайсон - История всего
Часть IV
Происхождение планет
Глава 11
В эпоху юности миров
В своих попытках разузнать историю Вселенной мы неоднократно убеждались в том, что наиболее плотно укутанные завесой тайны этапы мироздания — это те, что относятся непосредственно к началу начал: к истокам самой Вселенной, ее наиболее крупных структур (галактик и галактических кластеров) и ее звезд, которые являются источником большей части света в космосе. Каждая из этих историй о происхождении играет определенную и жизненно важную роль — и не только в объяснении того, как предположительно бесформенный космос произвел на свет сложные объединения различных типов объектов, но и в определении того, как и почему через 14 миллиардов лет после Большого взрыва мы вообще живем на планете Земля и можем задаться этим вопросом: «Как же все это произошло?»
Не в последнюю очередь подобные загадки рождаются потому, что во время «темных веков» космической истории, когда вещество еще только начинало скапливаться в самодостаточные единицы, такие как звезды или галактики, большая часть всего этого вещества производила очень мало вообще не производила обнаружимого излучения.
То темное время оставило нам лишь минимум возможностей (все еще не до конца исследованных) того, чтобы каким-то образом узнать, как выглядело вещество на тех ранних стадиях организации. В свою очередь, это означает, что нам следует полагаться — в пугающе высокой степени — на свои собственные теории о том, как должно вести себя вещество, и что у нас не так уж много инстанций, в которых мы могли бы сопоставить свои теории со своими наблюдениями.
Стоит нам обратиться к происхождению планет, как загадки лишь множатся и усугубляются. У нас нет не только результатов наблюдений за ключевыми первоначальными стадиями формирования планет, но и успешных теорий о том, как же именно в свое время планеты сформировались. В качестве позитивной ремарки спешим отметить, что вопрос «Откуда появились планеты?» за последние годы стал рассматриваться гораздо шире. На протяжении большей части XX века в поисках ответа на него ученые акцентировали внимание только на планетах Солнечной системы. За прошедшее же десятилетие рядом с относительно близкими звездами было найдено более сотни экзопланет, которые подарили ученым существенно больше данных того, чтобы попробовать определить раннюю историю их рождения и существования — в первую очередь, как эти астрономически малые, темные и плотные объекты сформировались среди звезд, дающих им свет и жизнь.
Сегодня у астрофизиков, может быть, и имеется больше данных, чем раньше, но это не помогло им получить ответы на свои вопросы. Более того, обнаружение экзопланет, многие из которых движутся по орбитам, заметно отличающимся от орбит планет Солнечной системы, во многом даже усложнило задачу, не приблизив ученых к разгадке истории планетообразования. Мы можем утверждать, что у нас нет объяснения тому, как планеты начали образовываться из газа и пыли, хотя мы можем с легкостью объяснить, как уже запущенный процесс планетообразования был способен сделать из малых объектов большие и почему это заняло относительно немного времени.
Начало образования планет — тема на удивление неподатливая, вплоть до того, что один из главных мировых экспертов в этой области, Скотт Тримейн из Принстонского университета, позволил себе следующие высказывания, пусть и не до конца всерьез. Он сформулировал свод законов планетообразования, первый из которых утверждает, что «все теоретические предсказания о свойствах экзопланет неверны», а второй — что «самая надежная теория о том, как образовались планеты, — теория, говорящая, что это в принципе невозможно». Юмор Тримейна, однако, подчеркивает тот необъяснимый факт, что планеты все же существуют — при всем нашем неумении разрешить эту астрономическую головоломку.
Более двух веков назад, пытаясь объяснить формирование Солнца и его планет, Эммануил Кант высказал «небулярную гипотезу», согласно которой закрученная масса газа и пыли, окружающая нашу главную звезду в процессе ее формирования, распалась на более плотные отдельные объемы, из которых позднее сформировались планеты. В самом широком смысле гипотеза Канта и сегодня является основой для современных астрономических теорий о планетообразовании, одержав верх над другой концепцией, весьма популярной в первой половине XX века. Она заключалась в том, что планеты Солнечной системы образовались вследствие прохождения другой звезды мимо Солнца на пути по своим космическим делам. Такой сценарий подразумевает, что гравитационное воздействие обеих звезд должно было повыдергивать газовые облака из окружения друг друга, после чего какое-то количество такого газа впоследствии охладилось и сгруппировалось плотнее, в итоге образуя собой планеты. У этой гипотезы, продвигаемой известным британским астрофизиком Джеймсом Джинсом, был один дефект (или же изюминка, как предпочитают думать некоторые): исходя из нее, планетные системы должны быть очень редким явлением — ведь близкое общение звезд при личной, так сказать, встрече, скорее всего, состоялось буквально считаные разы за всю историю существования галактики. Как только астрономы смогли вычислить, что весь газ, выдернутый из околозвездного пространства, не сжался бы, а, наоборот, улетучился в разных направлениях, они отказались от гипотезы Джинса и вернулись к кантовской, согласно которой у большинства звезд, если не у всех вообще, орбиты должны быть украшены планетами.
Теперь у астрофизиков есть надежные доказательства того, что сами звезды формируются — и не по одной, а сразу тысячами и десятками тысяч — внутри огромных облаков газа и пыли, причем из одного такого облака в итоге может образоваться до миллиона отдельных звезд. В таких гигантских звездных яслях в свое время сформировалась туманность Ориона — ближайший к Солнечной системе регион активного звездообразования. Еще через несколько миллионов лет в этом регионе появятся сотни тысяч новых звезд, которые разгонят большую часть оставшегося в туманности газа и пыли в открытый космос; и астрономы сотни тысяч поколений спустя смогут наблюдать эти молодые звезды, которые не будут больше скрываться за остатками своих газово-пылевых коконов.
Сейчас астрофизики используют радиотелескопы для того, чтобы фиксировать распределение охлажденного газа и пыли в непосредственном окружении молодых звезд. Как правило, на таких картах распределения можно увидеть, что молодые звезды не плывут в космосе, лишенные какого-либо окружающего вещества. Наоборот — у звезд, как правило, есть вращающийся вокруг них газопылевой диск, похожий по размеру на Солнечную систему, но состоящий из водорода (и других газов, представленных гораздо менее широко) и чуть присыпанный частичками межзвездной пыли. В данном случае термин «пыль» описывает группы частиц, состоящих из нескольких миллионов атомов каждая и по размеру все равно недотягивающих даже до размера точки, которая стоит в конце этого предложения. Многие частицы такой пыли состоят в большей степени из атомов углерода, объединенных в вещество графит (основной ингредиент в стержнях карандашей). Другие твердые частицы состоят из сочетаний кремния и кислорода — по сути, это крошечные камешки, чьи каменистые сердца окутывает ледяная мантия.
Образование этих твердых частиц пыли в межзвездном пространстве уже само по себе загадочно и описано одновременно в множестве теорий, на которых мы можем здесь не останавливаться: достаточно запомнить, что пыль в космосе есть. Чтобы сформировать собой эту пыль, атомам приходится собираться бок о бок миллионами; если учесть, сколь мала плотность какого бы то ни было вещества в межзвездном пространстве, наиболее очевидным местом для формирования этой пыли кажутся внешние атмосферы прохладных звезд, которые понемногу отправляют свой отработанный материал в космос.
Частицы межзвездной пыли — первый шаг на пути к формированию планет. Это касается не только твердых планет вроде нашей с вами, но и огромных газовых гигантов, представленных в Солнечной системе Юпитером и Сатурном. Даже несмотря на то, что эти планеты состоят преимущественно из водорода и гелия, астрофизики, проанализировав внутренние структуры этих гигантов в сочетании с их подсчитанными массами, пришли к заключению, что их ядра все же твердые. Из всей суммарной массы Юпитера, в 318 раз превышающей массу Земли, его твердое ядро представлено массой в несколько дюжин земных масс. Сатурн, в 95 раз превышающий своей массой массу Земли, обладает твердым ядром в одну-две дюжины масс Земли. У Солнца есть еще две планеты из числа газовых гигантов поменьше — Уран и Нептун, и их твердые ядра пропорционально большего размера. Каждая из них превышает массой Землю в 15 и 17 раз соответственно, и вполне возможно, что ядро в них составляет не менее 50 % всей массы планеты.
