Евгений Кузьменков - Кара небесная. Космическое миропонимание

Далеко не все были согласны с эволюционным сценарием происхождения планет вокруг Солнца. Еще в XVIII веке французский естествоиспытатель Жорж Бюффон высказал предположение, поддержанное и развитое американскими физиками Чемберленом и Мультоном. Суть этих предположений такова: когда-то в окрестностях Солнца была грандиозная катастрофа из-за опасного сближения другой звезды. Ее притяжение вызвало на Солнце огромную приливную волну, вытянувшуюся в пространстве на сотни миллионов километров. Оторвавшись, эта волна стала закручиваться вокруг Солнца и распадаться на сгустки, каждый из которых сформировал свою планету.

Рис. 1. Катастрофы обновления и эволюции звёзд

Английским астрофизиком Фредом Хойлом была предложена своя гипотеза. Согласно этой гипотезе у Солнца была звезда-близнец, которая взорвалась. Большая часть осколков унеслась в космическое пространство, меньшая – осталась на орбите Солнца и образовала планеты. Все гипотезы по-разному трактуют родственные связи между Землей и Солнцем, но они едины в том, что все планеты произошли из единого сгустка материи, а дальше судьба каждой из них решалась по-своему. Земле предстояло пройти путь в 4,6 миллиардов лет, испытать ряд фантастических превращений, прежде чем мы увидели ее в современном облике. Однако необходимо заметить, что гипотезы, не имеющей серьезных недостатков и отвечающей на все вопросы о происхождении Земли и других планет Солнечной системы, пока еще нет. Как полагают многие современные учёные, все атомы живых организмов в свое время побывали в недрах звезд. Из плотного молекулярного облака пыли и газа формируется звезда, в которой синтезируются более тяжёлые элементы. После исчерпания их ресурса происходит взрыв сверхновой.

Одни из атомов синтезированы до взрыва сверхновых, другие образовались именно в моменты таких взрывов. Они будто бы родились из пепла звезд. Взрывы соседних сверхновых якобы важны для того, чтобы выбросить в космос наработанные в звезде элементы для формирования новых звёзд. Перед самым взрывом структура массивной звезды подобна луковице. Ядро окружено несколькими оболочками. В тот самый момент, когда ядро начинает катастрофически сжиматься, превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру, по лежащим выше слоям от центра наружу пробегает мощная волна взрывного ядерного горения. В результате химический состав вещества сильно сдвигается в сторону тяжелых элементов.

Считается, что обогащают Вселенную тяжелыми элементами от натрия до германия (включая железо) звезды с массами от 12 до 25 солнечных. Звезды поменьше, с массами в 8—12 солнечных элементов группы железа образуют мало. Зато появляются более тяжелые элементы. Когда чудовищные силы гравитации сжимают ядро звезды, ядра атомов буквально спрессовываются друг с другом. Электроны, оказавшись в ловушке, вдавливаются в ядра и сливаются с протонами, превращая их в нейтроны. При этом выделяются нейтрино – трудноуловимые частицы, которые обычно легко пронизывают всю толщу звезды и уходят в космос. Возникает так называемый нейтринный ветер. Подобно тому, как давление света в массивных звездах приводит к истеканию вещества в виде звездного ветра, нейтрино увлекают протоны и нейтроны. В веществе образуется избыток нейтронов, которые могут проникать в ядра, формируя все более и более тяжелые изотопы. Из-за огромного потока нейтронов ядра ими буквально переполняются, отчего становятся крайне нестабильными и начинают очень быстро избавляться от избыточной нейтронизации – нейтроны в них превращаются в протоны. Но едва только это происходит, как новые волны нейтронов опять доводят ядра «до предела». Такое превращение получило название r-процесса (от англ. rapid – «быстрый»). Ее итогом становятся ядра всех масс вплоть до самых тяжелых. В r-процессе образуются, например, платина и актиноиды – тяжелые радиоактивные элементы, к которым относится, в частности, уран. Относительное содержание изотопов последнего, равно как и тория, часто используют для оценки возраста звезд. Также в ветре новорожденной нейтронной звезды могут идти реакции с участием заряженных частиц – протонов и ядер гелия, – увлеченных потоком нейтрино. Так образуются цирконий, серебро, йод, молибден, палладий и многие другие элементы. Теория всех этих процессов очень сложна и не однозначно признана. Причем речь тут не только об астрофизических эффектах, но и о неопределенностях в рамках ядерной физики – далеко не все параметры идущих на данном этапе реакций точно определены. Продолжаются и споры ученых относительно того, может ли этот сценарий претендовать на полноту: способен ли он объяснить рождение тяжелых элементов в наблюдаемых нами пропорциях. «Мир рвался в опытах Кюри огромной ядерной бомбой…» Эти слова поэта Андрея Белого оказались пророческими. Первый шаг в освобождении ядерной энергии был сделан в опытах Фредерика и Ирен Жолио-Кюри. Было установлено, что все элементы тяжелее висмута (атомный номер 83) радиоактивны, и они распадаются. Можно достаточно точно оценить, каким периодом полураспада должен обладать изотоп, чтобы «дожить» до наших дней. Изотоп можно считать исчезнувшим, если с момента его рождения прошло более 10 периодов полураспада. При этом его количество уменьшается в 210 ≈ 1000 раз; его останется менее 0,1% от исходного. Возраст Земли оценивается в 4,6 миллиардов лет, или ≈ 1,5 · 10 17секунд. Шансы уцелеть с момента образования нашей планеты имеют только торий с периодом полураспада 4,5 · 10 17секунд и уран с периодом полураспада 2,2 · 10 16секунд. Космическая пыль не могла быть источником возникновения Солнечной системы, так как она возникает при истечении плазмы из атмосфер звезд, а также при взрывных процессах на звездах и бурном выбросе газа из ядер галактик. Она в космическом пространстве существует миллиарды лет, а потому в ней не могут сохраниться радиоактивные вещества. Этого достаточно для опровержения гипотезы образования Солнечной системы из газопылевой туманности.

Радиоактивные элементы показывают, что на Земле сейчас не было бы даже их следов. Вместе с тем, их распространённость в земной коре близка к распространённости свинца, бериллия и других элементов, отнюдь не считающихся редкими. Уран – довольно распространённый, но очень рассеянный элемент. В двадцатикилометровом слое Земли содержится 1014 тонн урана. Энергия его распада эквивалентна 2,36 · 1024 кВт · ч, что во много миллионов раз превышает теплосодержание всех разведанных горючих ископаемых и возможности гидроэнергетики.

Кроме того, в морской воде содержится 0,034 грамма на 1 м3, то есть в водах Мирового океана содержится около 4 миллиардов тонн урана. Торий, как и уран, рассеянный элемент. При этом если урановые руды практически не содержат тория, то примесь урана в ториевых рудах бывает значительной. Поэтому эти руды называются ураноториевыми. Высокая распространённость радиоактивных элементов в природе свидетельствует о том, что запасы радиоактивных элементов со временем пополняются. По этой же причине остро встал вопрос о происхождении радиоактивных элементов. Выше приведённые аргументы вынудили Джинса создать теорию, согласно которой планеты Солнечной системы образовались потому, что несколько миллиардов лет тому назад сблизились две звезды. Под действием приливного течения значительная часть вещества одной из звёзд была оторвана от неё и выброшена в космическое пространство. Сама же звезда превратилась в наше Солнце, а выброшенный сгусток звёздной плазмы раздробился на несколько кусков, из которых при постепенном охлаждении образовались современные планеты и их спутники.