§32.  ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПЛАНЕТ

1.  Возраст Земли и других тел Солнечной системы. Определение возраста земной коры основано на исследова­нии содержания в ней радиоактивных элементов (урана, то­рия и др.), а также радиоактивных изотопов таких элемен­тов, как калий, аргон и др. Как известно из физики, радио­активные элементы непрерывно распадаются, причем про­цесс распада совершенно не зависит от внешних воздейст­вий. При радиоактивном распаде образуются изотопы сосед­них элементов периодической системы Менделеева. Эти изо­топы сами нередко оказываются радиоактивными, а значит, и они распадаются. Распад заканчивается, когда атомы ра­диоактивных элементов превращаются в нерадиоактивные атомы химических элементов и их изотопы. Например, рас­пад урана (238U) завершается образованием нерадиоактивного изотопа свинца (206РЬ).

Промежуток времени (Т), по истечении которого оста­ется половина начального количества радиоактивных ато­мов, характеризует скорость распада и называется периодом полураспада. Для определения возраста земной коры исполь­зуются медленно распадающиеся изотопы, например 238U (Т≈4,5•109 лет), радиоактивный изотоп калия 40К (Т≈1,3•109лет) и др. Чтобы определить возраст земной коры, сравнивают содержание радиоактивных элементов и продук­тов их распада в многочисленных пробах, взятых для ана­лиза. Такое сравнение показывает, что возраст земной коры около 4,5 млрд. лет. Примерно таков же возраст Земли как оформившейся планеты. К 3,5—4,5 млрд. лет близок также возраст лунных пород и метеоритов. Солнце, конечно, не может быть моложе Земли и Луны. Скорее всего возраст Солнца (желтой звезды, находящейся в средней части главной последовательности диаграммы «спектр — свети­мость») — 5 млрд. лет. Сопоставление возраста Солнечной си­стемы с возрастом Метагалактики (будем считать его равным 15 млрд. лет) показывает, что Солнце нельзя отнести к звез­дам «первого поколения». Скорее всего, в состав его и планет вошел газ, дважды побывавший в недрах более старых звезд. На ранних стадиях расширения Метагалактики, как вы уже знаете,  вообще  не  было  тяжелых  химических  элементов,  которые впоследствии стали центрами конденсации твердых частиц, необходимых для формирования планет.

2. Основные закономерности в Солнечной системе. Кос­могоническая гипотеза о происхождении планет должна объ­яснить следующие основные закономерности, наблюдаемые в Солнечной системе:

а) углы наклонения плоскостей орбит планет к плоскости эклиптики не превышают нескольких градусов (у Плу­тона 17°), причем плоскость эклиптики почти совпадает с плоскостью экватора Солнца;

б) эксцентриситеты орбит планет очень малы;

в) средние расстояния планет от Солнца подчиняются определенному закону (25);

г) планеты движутся вокруг Солнца в том же направле­нии, в каком Солнце вращается вокруг своей оси (в том же направлении вокруг планет обращается большинство спутни­ков);

д) у большинства планет (за исключением Венеры и Урана) направление  вращения вокруг оси совпадает  с на­правлением обращения вокруг Солнца;

е) на долю планет приходится 98% момента количества движения  всей  Солнечной  системы;   Солнце  обладает  лишь 2%  момента количества движения;

ж) почти 99,9% массы вещества Солнечной системы приходится на долю Солнца;

з) по своим физическим характеристикам планеты резко делятся на две группы:  планеты-гиганты и планеты земной группы.

3*. Первые космогонические гипотезы. Эти гипотезы по­явились значительно раньше, чем стали известны многие важные закономерности Солнечной системы. Значение пер­вых космогонических гипотез состояло прежде всего в том, что они пытались объяснить происхождение небесных тел как результат естественного процесса, а не одновременного акта божественного творения. Кроме этого, некоторые ран­ние гипотезы содержали правильные идеи о происхождении небесных тел. Такой, например, оказалась гипотеза, предло­женная немецким философом И.Кантом в середине XVIII в. Кант высказал догадку о том, что Солнечная система обра­зовалась из облака пыли.

Подробнее картина образования Солнечной системы вы­рисовывалась в гипотезе, предложенной в конце XVIII в. французским ученым П. Лапласом. Лаплас рассматривал большую, медленно вращающуюся туманность, состоящую из разреженного горячего газа. При сжатии туманности ско­рость ее вращения возрастала, туманность сплющивалась. Из ее центральной части образовалось Солнце. По мере сжа­тия  первичного  Солнца угловая скорость его  вращения вокруг оси увеличивалась (в силу закона сохранения момента количества движения) и в плоскости экватора Солнца стали отделяться газовые кольца. Из концентрической системы этих колец возникли планеты.

Картина получалась настолько наглядной, что очень дол­гое время гипотеза Лапласа была самой популярной. Одна­ко в XX в. от гипотезы Лапласа пришлось отказаться, так как выяснилось, что она не может объяснить, например, распределение момента количества движения в Солнечной системе.

4. Современные представления о происхождении пла­нет. На первый взгляд может показаться, что по сравнению с грандиозными проблемами космологии и звездной космо­гонии проблема происхождения Солнечной системы не очень трудна. На самом деле это не так. Проблема происхождения планет очень сложная и далеко еще не решенная проблема, во многом зависящая от развития не только астрономии, но и многих других наук (прежде всего наук о Земле). Ведь пока можно исследовать только единственную планетную систему, окружающую наше Солнце. Мы еще мало знаем о более молодых и более старых планетных системах, недавно открытых у других звезд. Чтобы правильно объяснить проис­хождение планет, необходимо также знать, как образовались Солнце и другие звезды, потому что планетные системы возни­кают вокруг звезд в результате закономерных процессов раз­вития материи. И все-таки, несмотря на трудности, ученые убеждены в том, что правильное объяснение будет найдено. Знать, как произошла наша планета, очень важно для даль­нейшего развития геофизики, геохимии, геологии и других наук о Земле.

Проблемами планетной космогонии в настоящее время занимаются ученые разных стран. В формирование совре­менной планетной космогонии значительный вклад внесли отечественные ученые. Так, например, на протяжении полу­века проблемами планетной космогонии занимался академик В. Г. Фесенков (1889—1972), всегда подчеркивавший, что должна существовать тесная связь между процессом форми­рования Солнца и процессом формирования планет. В на­чале 40-х гг. с космогонической гипотезой выступил акаде­мик О.Ю. Шмидт (1891—1956).

Рис. 107.  Важнейшие этапы формирования планет.

Наиболееважные выводы планетной космогонии сво­дятся к следующему:

а) Планеты сформировались в результате объединения твердых (холодных) тел и частиц, входивших в состав ту­манности, которая когда-то окружала Солнце (рис. 107). Эту туманность часто называют «допланетным» или «протопланетным» облаком. Считается, что Солнце и протопланетное облако   сформировались   одновременно   в   едином   процессе, хотя пока неясно, как произошло отделение части туманно­сти, из которой возникли планеты, от «протосолнца».

б) Формирование планет происходило под воздействием различных физических процессов. Следствием механических процессов стало сжатие (уплощение) вращающейся туманно­сти, ее удаление от «протосолнца», столкновение частиц, их укрупнение и т. д. Изменялась температура вещества туман­ности и состояние, в котором находилось вещество. Замедле­ние вращения будущего Солнца могло быть обусловлено магнитным полем, связывающим туманность с «протосолнцем». Взаимодействие солнечного излучения с веществом протопланетного облака привело к тому, что наиболее лег­кие и многочисленные частицы оказались вдали от Солнца (там, где сейчас планеты-гиганты). Теория, учитывающая все эти процессы, позволяет объяснить многие закономерно­сти в Солнечной системе.

в) Спутники планет (а значит, и наша Луна) возникли, по-видимому, из роя частиц, окружающих планеты, т. е. в конечном итоге тоже из вещества протопланетной туманно­сти. Главный пояс астероидов возник там, где притяжение Юпитера препятствовало формированию крупной планеты. Таким образом, основная идея современной планетной космогонии сводится к тому, что планеты и их спутни­ки  образовались  из  холодных  твердых  тел  и  частиц.

Земля как планета в основном сформировалась за время порядка 100 млн. лет и вначале тоже была холодной. После­дующий разогрев Земли происходил в результате ударов крупных тел (размером с астероиды), гравитационного сжатия, распада радиоактивных элементов и некоторых других физических процессов. Постепенно в процессе гравитацион­ной дифференциации вещества (т. е. в процессе разделения вещества, состоящего из тяжелых и легких химических эле­ментов) в центре Земли сосредоточивались тяжелые химиче­ские элементы (железо, никель и др.), из которых образова­лось ядро нашей планеты. Из более легких химических эле­ментов и их соединений возникла мантия Земли.

Кремний и другие химические элементы стали основой формирования континентов, а самые легкие химические соединения образовали океаны и атмосферу Земли. В земной атмосфере первоначально было много водорода, гелия и та­ких водородсодержащих соединений, как метан, аммиак, во­дяной пар. Со временем водород и гелий улетучились, а с появлением растений, способных «выдыхать» кислород, зем­ная атмосфера начала обогащаться кислородом, наличие ко­торого представляет одно из необходимых условий существо­вания животного мира.

Уже открыты газопылевые диски, и даже планеты у десятков других звезд. Это поможет развитию планетной космогонии.