Эрик Асфог - Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба

Более массивным звездам первого поколения повезло меньше. Они горели в сотни раз жарче и быстрее, а когда топливо кончалось, их ядра коллапсировали и взрывались. Миллиарды звезд лопались, как воздушная кукуруза, выбрасывая фонтаны звездной пыли, состоящей из углерода, азота, кислорода, кремния, магния, фосфора и железа, которые стали строительными материалами для горных пород, льда, планет, океанов и людей. Это необычайно масштабное, разрушительно радиоактивное событие схлопывания звезды называется сверхновой. Именно в расширяющейся оболочке этого гигантского попкорна происходит чудо формирования всех богатств космохимии. Но пока давайте сосредоточимся на звездах солнечного типа, которые могут создавать долгоживущие планетные системы.

Любой коллапсирующий протозвездный сгусток случайным образом движется в каком-то одном направлении быстрее, чем в других. Сжимаясь, он таким образом начинает закручиваться все быстрее по тем же причинам, которые лежат в основе законов Кеплера – сохраняя при уменьшении размеров момент импульса . Вещество около центра вращается быстрее всего, заставляя сгусток уплощаться в протопланетный диск, богатый льдом и пылью. Центральная область конденсируется во вращающуюся протозвезду, в которой вскоре начинается термоядерный синтез.

Оставшаяся часть истории касается того, как и когда исчезает туманность и как этот диск рассыпается на планеты под влиянием новорожденной звезды. Представьте в центре реки маленький водоворот, который захватывает листья, прутики и водяных пауков, то место в потоке, где отдыхают стрекозы. Аккреция планет начинается подобным же образом, в точке динамического равновесия, где момент импульса заставляет объекты разлетаться, а гравитация их удерживает.

Формирование планет – это история отпускания: момента импульса, газа, спутников. Это филигранная, почти магическая механика: Вселенная собирается в сеть галактик, чьи газовые и пылевые рукава агрегируют дальше в миллиарды сгустков, каждый из которых может стать одной или двумя сияющими звездами, дающими свет и тепло целой системе планет. Мы смогли выяснить подробности того, как это происходит, благодаря наблюдению за звездами вокруг нас с помощью телескопов. Многие из этих звезд похожи на Солнце по массе и составу, но находятся на разных стадиях своего развития. Это все равно что зайти в метро и увидеть там младенцев и стариков, праздных посетителей магазинов и спешащих на работу жителей пригородов – жизнь во всех ее проявлениях.

Идеи о вращающихся дисках, разбивающихся на отдельные вихри и подвихри, появились, когда в лучшие телескопы начала XVIII в. удалось разглядеть Млечный Путь как скопление отдельных звезд, которые были либо совсем крошечными по сравнению с другими, либо находились во много раз дальше. Звезды в соседних галактиках различить пока было невозможно, но некоторые астрономы уже высказывали предположения, что несколько неясных пятен в небесах – это отдаленные скопления звезд. Жители Европы никогда до того не видели расположенные в небе Южного полушария Магеллановы Облака [87], которые по своей фактуре напоминали Млечный Путь. Туманность Андромеды [88]и несколько других туманностей также имели отчасти «молочный» вид и, как казалось, спиральную структуру.

Немецкий философ Иммануил Кант выдвинул гипотезу, что это островные вселенные (теперь мы называем их галактиками), и утверждал, что система обращающихся вокруг Солнца планет первоначально сформировалась как одна из таких спиралей, с планетами, которые возникали как уплотнения в протопланетном диске [89]. Хотя детали ему и не дались, Кант был прав в том, что момент импульса сплющивает коллапсирующее газовое облако в протопланетный диск. Но идея, что Туманность Андромеды и другие туманности являются системами планет, оказалась слишком простой. Не думаю, что Кант мог даже подозревать, что каждая из них в действительности представляет собой сотни миллиардов планетных систем, каждая со своей пылающей звездой.

Одна из первых проблем с теорией конденсации туманностей состояла в том, что Солнце в конце концов должно было начать вращаться вокруг своей оси с периодом в несколько часов, совсем как сгруппировавшаяся фигуристка. Но у соседних звезд период вращения составляет от одного до десяти дней, а Солнце совершает всего один оборот за 25 дней. У в тысячу раз более легкого Юпитера момент импульса, заключенный в его орбитальном движении, в 20 раз больше. На самом деле, если вы каким-то образом вольете все планеты в состав Солнца, собрав их моменты импульса воедино, масса звезды изменится всего на 0,2 %, но она закрутится так, что будет совершать один оборот за день. Каким же образом Солнце потеряло свой момент импульса?

Возможно, ответ связан с мощными магнитными полями молодых звезд, которые вращаются вместе с ними так же, как магнитное поле Земли вращается вместе с нашей планетой. Когда такое магнитное поле звезды вращается, оно проносится через газово-пылевой протопланетный диск, который ионизирован [90](электрически заряжен) под действием звездного излучения. Магнитное поле звезды взаимодействует с заряженными частицами пыли и плазмы, цепляясь за них, как гигантский дисковый тормоз. Это сцепление магнитного поля и заряженной материи приводит к турбулентному нагреву. Вращение внутреннего диска резко ускоряется, отбрасывая вещество прочь от Солнца, открывая внутреннюю щель и становясь причиной как бурного перемешивания, так и самых разных химических процессов. Поскольку каждому действию имеется равное ему противодействие, вращение звезды замедляется.

Еще одно противоречие в первоначальной модели привело к появлению теории гигантских столкновений , описывающей формирование не только Луны, но и любых планет [91]. К началу ХХ в. ученые уже понимали, что нельзя создать планету, равную по массе Земле, непосредственно из протопланетного диска, потому что воздействие Солнца сделает невозможным аккрецию такого относительно небольшого количества вещества. Те же математические уравнения, которые описывают, как остывающее молекулярное облако распадается на звезды, гласят, что протопланетный диск не может собираться в такие маленькие по массе сгустки, как Земля. На расстоянии 1 а.е. гравитационное воздействие Солнца будет дестабилизировать такие сгустки с той же скоростью, с какой они образуются.

Хотя модель формирования небесных тел из туманностей и пребывала некоторое время в забвении, вытесненная гипотезой звездных столкновений, она снова набрала силу в эпоху после завершения программы «Аполлон». Тогда же она была дополнена рядом все более сложных механизмов, которые очень важны, но не до конца нам понятны: конденсацией первых планетезималей внутри туманности, рассеиванием газа, слиянием планетезималей в разрастающиеся зародыши, а потом и олигархи (крупные предшественники планет), и, наконец, слиянием олигархов на поздней стадии гигантских столкновений.