Нил Тайсон - История всего
Для каждой из этих четырех планет и, вероятно, для всех гигантских планет, недавно обнаруженных на орбитах других звезд, их планетные ядра сыграли ключевую роль в процессе формирования: сначала появилось ядро, а затем и газ, который привлекало к себе это самое ядро. Выходит, образования любой планеты просто необходимо, чтобы сначала образовался большой комок плотного вещества. У одной из планет Солнца, Юпитера, самое большое ядро, следом идет Сатурн, а затем Нептун, Уран и на пятом месте — Земля, которая также занимает пятое место среди всех планет по размеру. Истории формирования всех этих планет ставят перед нами ребром один фундаментальный вопрос: как смогла природа заставить вещество сгуститься и в итоге собраться в «комки», насчитывающие многие тысячи миль в диаметре?
Ответ на этот вопрос состоит из двух частей — одной известной и одной неизвестной; последняя, как нетрудно догадаться, лежит ближе к самому истоку. Как только вам удастся образовать объекты шириной примерно в полмили, которые астрономы называют планетезималями, каждому из них хватит своей собственной гравитации для того, чтобы успешно подтянуть к себе и другие объекты. Взаимное гравитационное воздействие планетезималей друг на друга довольно быстро порождает первые планетные ядра, а затем и сами планеты. Нужно всего несколько миллионов лет, чтобы пройти путь от некоторого количества «комков», размером с небольшой город каждый, до полноценных новых миров, дозревших до состояния, в котором они готовы либо приобрести тонкий слой атмосферного газа (что и произошло с Венерой, Землей и Марсом), либо укутаться в толстенный слой водорода и гелия (как в случае с четырьмя газовыми гигантами, которые вращаются вокруг Солнца на достаточном от него расстоянии, чтобы притянуть к себе огромные объемы этих двух легчайших в мире газов). Для астрофизиков переход от планетезималя шириной в полмили к полноценной планете сводится к ряду хорошо проработанных компьютерных моделей, которые описывают процесс во всех подробностях и почти всегда приводят к формированию маленьких, каменистых и плотных внутренних планет звездной системы в сочетании с крупными и (за исключением ядра) газовыми — даже разреженными — внешними планетами. В течение этого процесса многие планетезимали, как и некоторые объекты, которые они образуют, оказываются выкинутыми за пределы Солнечной системы в результате гравитационного взаимодействия с еще более крупными объектами.
Все это отлично работает на компьютере, но вот создание собственно планетезималей в полмили шириной пока остается за гранью понимания даже самых светлых умов современной астрофизики, которые все еще не в состоянии должным образом объединить свои познания о физике нашего мира с возможностями современных компьютеров. Гравитация не может создавать планетезимали, потому что скромной взаимной силы тяготения маленьких объектов не хватит на то, чтобы успешно удержать их друг рядом с другом. Для того чтобы получить планетезимали из межзвездной пыли, существуют две теоретические возможности — и ни одна из них не является особо удовлетворительной. Одна модель предлагает формирование планетезималей посредством аккреции, которая совершается в тот момент, когда твердые частицы пыли сталкиваются и остаются вместе. В принципе, аккреция — это вполне рабочая идея, так как большинство частиц пыли и вправду скрепляются друг с другом во время столкновения; вот почему под диваном могут образоваться целые хлопья пыли. Теперь остается лишь представить огромные хлопья межзвездной пыли, танцующие вокруг Солнца, и нужно еще всего одно небольшое умственное усилие для того, чтобы позволить им в своем воображении разрастись до размера стула, дома, городского квартала… и, наконец, планетезималя, уже готового к основательной гравитационной работе над собой и своим окружением.
К сожалению, в отличие от хлопьев поддиванной пыли, на взращивание целого планетезималя из хлопьев межзвездной пыли уходит слишком много времени. Датирование с помощью радиоизотопов нестабильных ядер, обнаруженных в самых древних метеоритах, показало, что на формирование Солнечной системы ушло всего лишь несколько десятков миллионов лет — а то и намного меньше. В сравнении с текущим возрастом наших планет, который составляет примерно 4,55 миллиарда лет, это словно капля воды в наполненном ею до краев ведре: всего 1 % (или даже меньше) от общей продолжительности существования Солнечной системы. Но на процесс аккреции, который помог бы сформировать из пыли первоначальные планетезимали, ушло бы существенно больше нескольких десятков миллионов лет, так что, если только астрофизики не упустили что-то очень важное в понимании того, как именно в процессе аккреции пыль собирается в крупные структуры, нам требуется иной механизм образования планетезималей, который более красиво впишется в имеющиеся у нас временные рамки.
Другой гипотетический механизм опирается на огромные воронки, в которые частицы межзвездной пыли улетают целыми тучами и очень стремительно прямо навстречу их счастливому объединению в более крупные структуры. Так как сжимающееся облако газа и пыли, которому в конце концов предстояло превратиться в Солнце и его планеты, в процессе трансформации приобрело вращающий момент, оно вскоре изменило свою общую форму со сферической на тарелкообразную, оставив формирующееся Солнце в виде относительно плотной сжимающейся сферы в своем центре и окружив его сильно сплющенным диском материала, вращающегося вокруг этой самой сферы. На сегодняшний день орбиты всех планет Солнца, которые движутся в одном и том же направлении и располагаются фактически в одной плоскости, служат доказательством в пользу теории о дискообразном распределении вещества и формировании из него планетезималей и планет. Внутри такого вращающегося диска астрофизики наблюдают появление «нестабильных участков», словно подернутых рябью, что отражает собой чередование регионов с большей и меньшей плотностью вещества. Более плотные регионы вбирают в себя как газ, так и пыль, парящую внутри этого газа. Через несколько тысяч лет такие нестабильные участки превратятся в закрученные воронки, которые смогут сгонять относительно большие партии пыли в одно место и сжимать их до относительно небольших и плотных объемов.
Эта модель воронкообразного формирования планетезималей выглядит многообещающе, хотя пока ей не удалось завоевать сердца тех, кто продолжает искать объяснение тому, как Солнечная система произвела на свет все необходимое для юных планет. После тщательного анализа становится ясно, что модель предлагает более удачную трактовку процессов формирования ядер Юпитера и Сатурна, чем Урана и Нептуна. Так как у астрономов нет возможности доказать, что те нестабильные участки, без которых модель становится голословной, действительно когда-то существовали, нам тоже следует воздержаться от каких-либо личных суждений. Существование бесчисленных малых астероидов и комет, которые своими размерами и составом весьма напоминают планетезимали, поддерживает идею о том, что миллиарды лет назад из миллионов планетезималей образовались многочисленные планеты. Так что давайте относиться к образованию планетезималей как к установленному, пусть и не до конца понятному, явлению, которое каким-то образом заполняет зияющий пробел в наших знаниях, и перейдем к следующему развлечению: рассмотрим, что происходит, когда планетезимали сталкиваются.
После того как из окружающих Солнце газа и пыли сформировалось несколько миллиардов планетезималей, все эти объекты принялись сталкиваться друг с другом, соединяться и создавать более крупные объекты, чтобы в конце концов образовать собой четыре внутренние планеты Солнечной системы и ядра ее четырех внешних планет-гигантов. Нельзя забывать и о лунах планет — более скромных в размере объектах, что вращаются вокруг каждой планеты Солнца за исключением самых близких к нему: Меркурия и Венеры. Самые крупные из этих лун, диаметры которых составляют от нескольких сотен до нескольких тысяч миль, вроде бы аккуратно вписываются в созданную нами модель: предположительно они образовались вследствие тех самых столкновений планетезималей. Образование лун завершилось тогда, когда в результате столкновений миры-спутники доросли до своих сегодняшних размеров, потому что (позволим себе предположить) к тому времени близлежащие планеты с их более сильной гравитацией присовокупили к себе большинство расположенных рядом планетезималей. В эту картину надо не забыть включить сотни тысяч астероидов, что вращаются вокруг Марса и Юпитера. Самые большие из них достигают в диаметре нескольких сотен миль, и они тоже наверняка выросли за счет столкновений планетезималей — правда, в какой-то момент обнаружили, что расти и дальше им уже не дает гравитационное вмешательство близлежащего гиганта Юпитера. Самые мелкие астероиды, менее километра в ширину, вполне могут представлять собой обнаженные планетезимали — объекты, образовавшиеся из пыли, но ни разу не столкнувшиеся с себе подобными — опять же благодаря влиянию Юпитера, — после того как они достаточно выросли, чтобы участвовать в гравитационном взаимодействии.
