Наше Солнце есть обычная звезда. Об этом догадывались ещё в античные времена. Сегодня ясно, что общность путей возникновения звезд и планетных систем, совпадение наблюдаемого химического состава звезд нашей и других галактик позволяют предположить существование большого числа планет земного типа во вселенной и возможность возникновения жизни и цивилизаций на них. Поскольку Солнце в три раза моложе Метагалактики, в нашей галактике могут быть планеты, биосферы и цивилизации в несколько раз старше наших. Возникли предположения, что Земля должна быть просто погружена в поле сигналов, связывающих их общением. Но мы этого не наблюдаем!.. И этот вопрос «почему?» будет ещё долго провоцировать наше сознание в поисках другого разума…

Солнце – центральное тело Солнечной системы. В нём сосредоточена масса вещества более чем в 600 раз превышающая массу всех планет, обращающихся вокруг нашего светила. Но оно представляет собой рядовую звезду желтого спектрального класса. Подобных звёзд в нашей галактике достигает 40%. Солнце относится к звездам так называемого второго поколения (население – II) с возрастом 5 млрд.лет. Звезды первого поколения (населения –I) – самые старые звезды, возраст которых достигает 7-8 млрд. лет. Правда, есть звезды и моложе нашего Солнца. Их возраст составляет от 100 тыс. лет до 100 млн. лет. В этом смысле мы можем утверждать, что в галактиках, в том числе и нашей галактике Млечный Путь и в настоящее время происходит процесс звездообразования.

Наше Солнце представляет собой плазменный шар преимущественно водородно-гелиевого состава с примесью небольшой доли (менее 1%) более тяжелых химических элементов. Соотношение водорода и гелия на Солнце 9:1.

Среднее расстояние от Земли до Солнца 149 504 000 ± 17 000 км. Это расстояние в астрономии принято за астрономическую единицу (1 а.е.). Радиус Солнца 696 000 км и в 109 раз превышает экваториальный радиус Земли¹. Поверхность Солнца 609·10¹⁰ км² (в 11900 раз больше поверхности Земли). Объем светила 1412·10¹⁵ км³. Масса Солнца в 333000 раза больше массы Земли и составляет 1,99·10³³ г, что составляет 99,866 % массы всей Солнечной системы.

Средняя плотность Солнца 1,41 г/м³ (0,256 плотности Земли). Ускорение свободного падения на уровне видимой поверхности Солнца g = 2,74·10⁴ см/с² (в 27 раз больше, чем на Земле). Критическая скорость освобождения тел на поверхности 619,4 км/с (на Земле 8км/с).

Вращение Солнца имеет дифференцированный характер: экваториальная зона вращается быстрее (14,4º за сутки), чем высокоширотные области (10º за сутки). Период вращения (синодический месяц) изменяется от 27 суток на экваторе до 32 сут. у полюсов. Средний период вращения 25,38 сут. Скорость движения точки на экваторе 2 км/с.

Энергия вращения Солнца 2,4 ·10³⁵ Дж. Мощность радиации 3,86·10²⁶ Вт. На Землю же попадает около полумиллиардной доли энергии. Эффективная температура поверхности Солнца 5780 К. Вероятная температура в центре Солнца 1,6·10⁷ К, а плотность вещества в нём достигает 1,5 ·10⁵ кг/см3.

Скорость движения Солнца относительно окружающих его звезд 19,5 км/с (движется в направлении созвездия Геркулеса) и составляет 4,2 а.е в год. Расстояние Солнца от центра Галактики 26000 световых лет. Скорость движения Солнца вокруг центра галактики 250 км/с. Период обращения Солнца вокруг центра галактики (галактический год) 180 – 200 млн. лет.

Минимальная скорость, необходимая для того, чтобы тело или излучение могли покинуть Солнце – 620 км/с. Для Земли этот показатель – вторая космическая скорость – 11,19 км/с; для Юпитера – 62 км/с.

Главным источником энергии Солнца являются протекающие в его недрах термоядерные реакции. Его энерговыделение на протяжении почти 5 миллиардов лет оставалось почти неизменным. Это означает, что источник солнечной (звездной) энергии должен быть практически постоянным на протяжении этого времени. В настоящее время известен только один подходящий вариант энерговыделения, связанный с цепочкой термоядерных превращений (реакций) от превращения водорода в гелий до синтеза более тяжелых элементов в его недрах.

Солнце представляет собой сферический плазменный гелиево-водородный газовый шар. Его основная часть недоступна прямому наблюдению и лишь по верхним слоям, доступным наблюдателю с Земли, можно судить о том, что именно происходит в недрах нашей звезды.

Почти вся энергия Солнца генерируется в центральной области с радиусом около 1/3 солнечного. Через слои, окружающие центральную часть светила, энергия передается наружу. На трети радиуса от поверхности Солнца находится конвективная зона. Над конвективной зоной располагается непосредственно наблюдаемые слои, называемые атмосферой. Она состоит из несколько слоев. Самый глубинный и тонкий слой – фотосфера, непосредственно наблюдаемая в видимом непрерывном спектре. Толщина фотосферы около 300 км и температура в ней увеличивается с глубиной. Во внешних более холодных слоях фотосферы на фоне непрерывного спектра образуются фраунгоферовы линии поглощения.

Фотосфера по наблюдениям с Земли имеет зернистую структуру, выраженную чередованием мелких светлых пятнышек – гранул в поперечнике около 1000 км, окруженные темными промежутками. Эта структура фотосферы объясняется конвекцией тепловых потоков. Гранулы имеют более высокую температуру, чем их межгранулярное пространство, отчего структура поверхности Солнца выглядит зернистой. Движения газов порождают в солнечной атмосфере акустические волны, подобные звуковым волнам в атмосфере Земли.

Выше фотосферы слои представлены более неоднородной и неправильной структурой хромосферы и короны. Отчего верхние слои фотосферы оказываются более удаленными от фотосферы, а потому более холодными (до 4500 К).

Хромосфера представляет собой розоватое кольцо, окружающее темный диск в момент солнечного затмения Луной. На ее краю наблюдаются плазменные горячие струи из уплотненного газа, имеющего преимущественно водородный состав.

Самая внешняя часть хромосферы представляет собой солнечную корону, прослеживающуюся от солнечного диска на расстояния в десятки солнечных радиусов. Ее наблюдают только в период солнечного затмения и с помощью коронографа.

Вся солнечная атмосфера находится в непрерывном движении – колебании за счет распространения горячих газов по вертикали и горизонтали. Колебания носят резонансный характер и происходят с периодом в 5 минут.

Важнейшую роль в состоянии процессов, происходящих на Солнце, играют магнитные поля неравновесной намагниченной плазмы, что приводит к эффекту возрастания или убывания солнечной активности, с выбросом факелов, протуберанцев, появлением солнечных пятен.

Солнце представляет собой, кроме всего прочего, мощный источник радиоизлучения в сантиметровом и дециметровом диапазоне. Во время сильных солнечных вспышек радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и миллионы раз, и представляют собой рентгеновское излучение. Рентгеновские лучи исходят в основном из верхних слоев хромосферы и короны. Их интенсивность особенно возрастает в период максимальной солнечной активности, которая периодична во времени.

Солнце является также постоянным источником корпускулярного излучения, представленного потоками частиц нейтрино, электронов, протонов, альфа-частиц, более тяжелых ядер атомов, формируя, так называемый, солнечный ветер. Часть такого корпускулярного излучения приобретает значительные скорости и, покидая Солнце, формирует космическое излучение. Оно достигает той области, где поток солнечного ветра останавливается под давлением межзвездного газа. Эта граница называется гелиопаузой. И хотя влияние тяготения Солнца заметно и за гелиопаузой, именно здесь начинается граница межзвёздного пространства, отделяющего влияние Солнца на него. Она располагается на расстоянии около 20 миллиардов километров от нашего светила или около 140 астрономических единиц и называется гелиосферой. Но где именно она проходит, и как выглядит отделённый ею «кокон» от межзвёздного пространства, пока точно не известно. Дальше гелиосферы частицы, излучаемые Солнцем, начинают испытывать сопротивление излучения открытого космического пространства. Эту ударную волну часто и считают границей «внутренних» областей гелиосферы, и до недавнего времени лишь один из космических аппаратов мог выбрался за её пределы. Это Voyager-1, преодолевший границу ударной волны в декабре 2004 года. Вторым таким аппаратом недавно стал Voyager-2. Но границу он преодолел в 2007 г не там, где её три года назад зарегистрировал Voyager-1, а на 1,5 миллиарда километров ближе к Солнцу. Этот аппарат, в отличие от первого, завершив 15 лет назад изучение планет-гигантов Солнечной системы, отправился не на север, а на юг. И там, с южной стороны, Солнечная система оказалось более «приплюснутой», чем с севера. Оказалось также, что Voyager-2 пересек границу гелиосферы пять раз. Это свидетельствует о том, что эта граница флуктуирует в зависимости от активности нашего Солнца. Об этом учёные догадывались давно.

Возраст Солнца 5 млрд. лет. Определен по самым древним метеоритам его окрестностей, поскольку полагают, что материал метеоритов генетически связан с процессом образования Солнца и всей Солнечной системы.

Как показали астрофизические исследования, звезды массой в одну солнечную находятся на Главной последовательности в стационарной фазе, близкой к постоянной светимости. Их время жизни составляет около 10 млрд. лет. Поскольку возраст Солнца оценен в 5 млрд. лет, его стационарная фаза развития просуществует еще столько же лет.

Существует много гипотез образования Солнца и Солнечной системы. Современная планетология развивает два основных направления возможного сценария образования Солнечной системы.

Первый базируется на самой распространённой точке зрения последовательной аккреции вещества в ходе образования планет. Вначале мельчайшие частицы пыли, слипаясь, формировали крупные глыбы. Если подобные образования способны были притянуть к себе очень много газа, то такая глыба может превратиться в газовый гигант, как, например, планеты-гиганты Солнечной системы. Если каменные сателлиты не способны притягивать много газа, то такие образования могу походить на планеты земной группы. Основной недостаток такого сценария заключается в чрезвычайной медлительности такого хода образования планет.

Второй сценарий представляет собой идею гравитационной неустойчивости, утверждающей, что планеты-гиганты могут формироваться путём скоротечного коллапса (наподобие механизма образования звёзд), приводящего к разрушению первичной газово-пылевой туманности. Недостаток этой точки зрения заключается в том, что неизвестна сама причина возникновения подобной неустойчивости небулы. К тому же обнаруженные новые планеты-гиганты в иных звёздных системах разделены пустотой, в которой нет никаких образований, которые могут свидетельствовать о скоротечности подобного сценария образования планет. Это может указывать на то, что в других звёздных системах планетообразование могло происходить иным способом.

Несмотря на то, что ни одна из вышеприведённых точек зрения не может претендовать на теорию, всё же предпочтение образования планет отдаётся последовательной аккреции вещества газово-пылевых дисков.

Сложности описания процессов конденсации вещества в самом Солнце и планетарной системе сводятся к следующему:

1. Мы не знаем первичный состав вещества, из которого состояло первичное облако (небула, туманность). Надежды узнать его состав связаны с возможностью изучения окрестностей нашей Солнечной системы, где сохранились реликты слабо дифференцированного вещества, на которое претендует космическая пыль и кометы, периодически приближающиеся к Солнцу. Изучая их состав, специалисты могут создать общую теорию происхождения звезд и планетных систем.
   
   Для того, чтобы получить образцы космической пыли отбрасываемой хвостами комет, американцами был запущен зонд Stardust в 1999 году к комете Wild-2. Зонд пролетел в 240 километрах от ядра кометы, состоящего в основном из водяного льда, содержащего импрегнированные в него частицы космической пыли. В ходе семилетнего полета зонду удалось собрать частицы межзвездной пыли. Специалисты НАСА рассчитывают, что уникальные образцы, которые доставил аппарат, впервые дадут ученым возможность изучить ряд особенностей возникновения Солнечной системы. Однако зонд разбился при возвращении на Землю в сентябре 2006 года, так как парашют спускаемого аппарата не раскрылся. Однако полет не закончился полной неудачей: ряд образцов удалось извлечь из специального отсека.

2. Момент количества движения Солнца меньше момента количества движения, сосредоточенного в планетах Солнечной системы. Если Солнечная система связана с эволюцией солнечного вещества, и Солнце ответственно за выброс из своих недр вещества, из которого состоит планетарная система, то момент количества движения Солнца должен быть больше момента количества движения, сосредоточенного в планетарной системе. На самом деле это не так.

3. Обычно считается, что основным фактором образования планетной системы и Солнца из туманности является гравитация. Однако трудно объяснить возможность образования сегрегаций из туманностей, которые имеют фантастически низкую плотность. Современная плотность вещества в Солнечной системе составляет 1·10^-27 г/см³, а плотность вещества во вселенной около 1·10^-31 г/см³.

4. У нас пока слишком общие представления о механизмах зарождения туманности и зарождения звезд, так как время образования звезд слишком длительный процесс.

5. Не совсем ясна причина отличия состава Солнца, от вещественного состава планет земной группы и планет-гигантов, если говорить о единстве их происхождения.

6. Мы еще не можем точно сказать, по каким причинам в протосолнечной туманности возникли первые неоднородности, которые спровоцировали механизм сжатия туманности, ее расслоение, формирование сегрегаций, которые потом превратились в планеты.

Первые попытки объяснить происхождение Солнечной системы связаны ещё с именем Р.Декарта (1596 – 1650). Его идеи небулярной концепции ², возродил позже французский математик П.Лаплас (1749 – 1827) и И.Кант (1724 – 1804). Лаплас предположил, что Солнце и планеты образовались из вращающегося газово-пылевого облака. В результате его гравитационного сжатия облако формировало вокруг центра вращения кольца, каждое из которых в последствии концентрировалось в планету. Из этой гипотезы следовало, что самыми старыми должны быть внешние планеты, в то время как внутренние должны быть более молодыми. Само же Солнце по П. Лапласу и И.Канту возникло из центральной части первичного остатка газово-пылевой туманности в результате ее сжатия.

Идея небулярной концепции была хороша, но было не совсем понятно, откуда могла взяться туманность? Каков механизм образования планет из газа и пыли? К тому же по этому сценарию не объяснялся главный парадокс, заключающийся в том, почему момент количества движения планет, в которых масса вещества в 750 раз меньше солнечной, сосредоточено 98%, в то время как в Солнце сосредоточено всего 2% момента количества движения?

На смену небулярной концепции появились на свет «приливные» гипотезы Т.Чемберлена, Ф.Мультона. В гипотезе английского физика и астронома Д.Джинса (1877 – 1946) планеты Солнечной системы сформировались вследствие гравитационного воздействия на Солнце проходящей мимо звезды. В результате этого из Солнца под влиянием приливных воздействий было выброшена огромная струя вещества. После расхождения Солнца и звезды из этого выброса возникли планеты в результате гравитационного «закручивания» массы выброшенного вещества из Солнца, которое постепенно распадалось на «капли», из которых и формировались планеты. Эта концепция достаточно хорошо объясняла происхождение планет-гигантов таких, как Юпитер и Сатурн, находящихся в центре Солнечной системы. Однако она сталкивалась с теми же трудностями, которые не объясняла первая небулярная концепция.

Американский астроном Г.Рессел и советский астроном Н.Парийский показали, что при этом сценарии планеты не могли так далеко уйти от Солнца, как мы сегодня наблюдаем. Кроме того, рассеянное вещество высокотемпературной плазмы просто бы рассеялось в околосолнечном пространстве. Сегодня это прекрасно подтверждается новыми астрономическими данными. Обнаружены звёзды, вокруг которых вращаются на сравнительно близком расстоянии раскалённые планеты-гиганты типа Юпитера.

Гипотеза Ф.Хойла основывалась на том, что Солнце в прошлые времена представляло собой двойную систему, одна из компонент которой взорвалась по типу «сверхновой». Рассеянные остатки этой звезды и послужили материалом образования планет вокруг Солнца, захватившего его своим гравитационным полем.

Новый возврат к небулярной концепции в ХХ веке позволил создать современную концепцию возникновения Солнечной системы на основе новых данных.

Современные концепции при участии советских ученых О.Шмидта (1891 – 1956), В.Фесенкова (1882 – 1972), а также шведского астрофизика Х.Альвена (1908 – 1995), английского астрофизика Ф. Хойла, и др. базировались на холодной конденсации вещества из первичного протопланетного облака, состоящего из туманности, насыщенной газами и космической пылью.

По этому сценарию 5 млрд. лет назад солнечная прототуманность постепенно принимала регулярность в своем движении вокруг центра, и сжималось под влиянием гравитации, увеличивая температуру в центральной части. В этом случае в центральной части протозвезды должно было концентрироваться более плотное вещество. При достижении громадных давлений из него впоследствии и «вспыхнул» ядерный котел Солнца. По мере увеличения излучения Солнцем в газовом облаке возникали новые неоднородности, из сгущений которых и возникли протопланеты.

Таким образом, размер диска протопланетной туманности должен был значительно больше диаметра современной Солнечной системы. Что первичный состав протопланетной туманности – газово-пылевого диска – был примерно одинаков, на это указывает близкий химический состав Солнца с составом наиболее примитивных по химическому составу метеоритов типа обыкновенных хондритов, рис. 5.1.

Рис. 5.1. Сравнительные содержания элементов в Солнечной атмосфере и обыкновенных хондритах (в атомных единицах по отношению к 106 атомов кремния по А.П.Виноградову,1968)

Общее содержание водорода и гелия в облаке достигало 99%. И лишь на долю остальных химических элементов приходилось всего около 1% вещества. В этой доле химических элементов преобладали летучие составляющие (азот, углерод, кислород, метан, аммиак, вода), которые входят в состав кометного вещества на окраинах Солнечной системы, считающегося наиболее примитивным по отношению к составу метеоритов.

В случае, когда межзвёздные облака холодные и плотность их достаточно велика по сравнению со средней плотностью межзвёздного пространства, они могут сжиматься под влиянием гравитации, образуя скопления протозвёзд. Скорость подобных процессов может достигать от 100 тысяч до нескольких миллионов лет. По сравнению с возрастом звёзд, располагающихся на Главной последовательности, такое протекание событий является скоротечным. Каждую звезду в таком сценарии окружает диск не израсходованного вещества, которого может быть достаточно для образования планетной системы вокруг звезды подобно Солнечной.

Теорию Земли ученые до 80-х годов писали «изнутри», путем изучения состава и строения самой Солнечной системы. И только к 90-ым годам стали доступны для наблюдений другие системы, вращающиеся вокруг некоторых молодых звезд, сходных с Солнцем.

С открытием первой гигантской планеты в непосредственной близости от звезды, расположенной на расстоянии нескольких десятков световых лет от Солнечной системы, возникли вопросы, которые обозначили новые проблемы в познании законов возникновения планетных систем. Не совсем стало понятно, как могли образовываться эти гигантские планеты, поскольку для их образования явно не хватало материала. Поэтому возникло предположение, что планеты-гиганты в прошлом могли занимать разное положение относительно светила.

Действительно, современные астрономы обнаружили много молодых звёзд, которые окружены такими дисками. По представлениям Д. Лина 3 процесс образования планет из газово-пылевых дисков укладывается в несколько стадий:

стадия возникновения структуры самого диска (около 1 млн. лет);

стадия формирования зародышей планет (1 – 10 млн. лет);

рождение газового гиганта (1 – 10 млн. лет);

стадия неустойчивого состояния газового гиганта (1 – 3 млн. лет);

появление других планет-гигантов (2 – 10 млн. лет);

формирование планет земной группы (10 – 100 млн. лет);

заключительный период образования планет (50 млн. лет – 1 млрд. лет). То есть время, необходимое для формирования планетной системы вокруг звезды укладывается в 1 млрд. лет.

Но, скорее всего, механизм возникновения планет может быть разным в разных звездных системах.

Так, например, спутник CoRoT ³ обнаружил сразу несколько внесолнечных планет. Две из них представляют собой ставшие уже обычными находки «горячих юпитеров» CoRoT-Exo-4b и CoRoT-Exo-5b. Их массы составляют 70% и 90% массы Юпитера, а вокруг своих звёзд, которые немногим больше Солнца, эти гиганты обращаются на весьма близком удалении от своих светил и их период обращения вокруг них составляет 9 и 4 дня, соответственно. Юпитеру для этого требуется 12 лет.

Набольший интерес французских исследователей привлёк объект CoRoT-Exo-3b. Он обращается вокруг слабенькой звездочки 13-й звёздной величины, отстоящей от нас на расстоянии в 2 тысячах световых лет. Будучи по массе промежуточным звеном между планетами и звёздами, этот объект слишком мал, чтобы быть одним из бурых, или коричневых, карликов, считающихся основным типом объектов с такими массами.

CoRoT-Exo-3b обращается вокруг звезды за 4,25 земных суток по почти круговой орбите радиусом около 7,5 миллиона километров и при массе 20,2 масс Юпитера (около 2% солнечной) при диаметре около 0,8–0,9 диаметра Юпитера. Средняя температура поверхности CoRoT-Exo-3b при такой близости к центральной звезде должна быть около 2 200 °С. При этом средняя плотность объекта достигает около 45 г/см3, что в 4 раза больше плотности свинца и почти в 5 раз больше плотности Земли. Плотность этого объекта оказалась аномально высокой (превышающая в два раза плотность коричневых карликов такой массы), чтобы объяснить происхождение объекта CoRoT-Exo-3b. Потому как предел Кумара ограничивает возможности начала термоядерной реакции превращения основного изотопа водорода – протия в гелий в звёздах.

Так что начавшаяся «охота» на внесолнечные планеты преподносит всё больше загадок астрономам и специалистам сравнительной планетологии относительно создания не только единой теории образования планетных систем, но и теории образования карликов – заключительного этапа эволюции звёзд массой менее 1,2 солнечных.

По современным геологическим и геохимическим данным Земля никогда не проходила стадию огненно-жидкого состояния. На первом этапе во время сжатия туманности, то есть падения холодного газа вперемешку с космической пылью на центральное протосолнечное ядро, вещество сильно разогревалось, и межзвездная пыль могла частично или полностью испариться. Таким образом, на первой стадии облако состояло почти целиком из газа, притом хорошо перемешанного, благодаря высокой турбулентности. Через 1000 лет газовый диск охлаждается, и в нем вновь образуются газово-пылевые частицы. Давление в газопылевой области составляло менее десятитысячной доли атмосферного. При таком давлении из газа конденсируется непосредственно твердые частицы, минуя жидкую фазу. Первыми конденсируются, тугоплавкие соединения кальция, карбида кальция, магния, алюминия, титана, затем образуются магниевые силикаты, железо с никелем. После этого в газовой среде остаются лишь сера, свободный кислород, азот, водород, инертные газы и другие летучие компоненты. Таким образом, уже на первом этапе образования Солнечной системы произошло зональное разделение вещества по плотности и летучести слагающих его элементов. Вблизи Солнца концентрировалась субстанция, состоящая из более тугоплавких элементов и менее летучих, а вдали от Солнца, напротив, ведущая роль принадлежала менее тугоплавким элементам и более летучим компонентам. Так сформировались предпосылки к образованию планет земной группы и планет-гигантов. Первые представляли собой плотные каменные образования, а вторые – гигантские образования малой плотности, состоящие из небольшого количества каменного материала и превалирующего объема замерзших газов. Граница конденсации льда пришлась на внешнюю зону пояса астероидов, располагающихся между орбитой Марса и Юпитера.

На втором этапе первые конденсаты – пылинки – начали двигаться сквозь газ к центральной плоскости облака. Завершается образование тонкого пылевого слоя – пылевого протопланетного субдиска в центральной плоскости облака. Расслоение облака сопровождалось увеличением размера частиц. Сталкиваясь друг с другом, частицы по типу «снежного кома» слипались, скорость их движения в центральной части плоскости увеличивалась и рост частиц ускорялся. В некоторый момент времени плотность пыли в протопланетном облаке приблизилась к критической, увеличившись в десятки раз. Диск становится гравитационно неустойчивым.

На третьем этапе диск распадается на множество мелких сгустков. Сталкиваясь друг с другом, они начинают объединяться в крупные тела и ещё больше уплотняться.

На четвертой стадии образуется бесчисленный рой протопланетных тел размером до 1 км. Так начинается период формирования планетеземалий.

Аккумуляция (аккреция) вещества в допланетный период происходила десятки тысяч лет. А вот этап формирования планет уже длился сотни миллионов лет, а по некоторым оценкам достигал 300 – 400 млн. лет.

Постепенно происходило увеличение массы протопланет, которые стимулировали увеличение гравитации. Она способствовала быстрому собиранию вещества на пути движения протопланет вокруг протосолнца, где в большом количестве вращался рой вещества, состоящий из мелких и более крупных частиц, а также планетеземалий. Так образовались ядра планет, внутри которых должно было собираться более плотное, а на поверхности менее плотное вещество.

По мере роста протопланет их форма приобретала сферичность. Падающие на протопланеты рои вещества и планетеземалий высвобождали кинетическую энергию и температура ранних оболочек протопланет увеличивалась. Одновременно увеличивало излучение протосолнца, благодаря происходящим в его недрах ядерным реакциям, выведшим его 4,6 млрд. лет назад на главную последовательность, где светимость Солнца приобрела постоянное значение за счет выравнивания внутреннего давления излучения с силами гравитационного сжатия. А вокруг него на орбитах появились планеты.

Таким образом, образование Солнца и планет произошло из холодной туманности, а источником энергии на первых этапах эволюции системы служила гравитация, которая позже, за счет повышение температуры в недрах протосолнца возникла термоядерная реакция горения водорода и превращения его в гелий.

Стадия аккреции планет завершилась на рубеже 3,9 млрд. лет, запечатленная, например, в современном кратерированном лике Луны и Меркурия. И здесь точки зрения на образования внешних и внутренних планет расходятся.

По одной из гипотез формирование планет происходило за счет гетерогенной аккреции и только после ее завершения, в результате выделения громадной энергии при ударном метаморфизме поверхности древних планет земной группы, из расплавленного вещества верхней части протокоры было выплавлено железо и никель. Они, имея большую плотность, под влиянием силы тяжести стекали в более глубокие горизонты планет, формировали их металлические ядра. Другими словами, ядра планет формировались значительно позже, чем их протокора (Г. К. Юри – 1893 – 1981).

По другой концепции после завершения аккреции, солнечный ветер очистил от газа не только область планет земной группы, но и более отдаленные пространства Солнечной системы. Однако планеты Юпитер и Сатурн успели «захватить» огромное количество летучих веществ. Их образование могло происходить по следующему сценарию. Вначале формировались ядра планет, которые имели силикатный состав, а затем эти ядра наращивали газовую оболочку, преимущественно состоящую из водорода и гелия. Газовая оболочка Юпитера и Сатурна формировалась быстрее, чем силикатные их ядра и длилась для юпитера десятки, а Сатурна сотни миллионов лет. Обладая большими массами ядер по отношению к массе Земли в несколько раз, они быстро поглотили газ из сферы своего гравитационного пространства. Одновременно Юпитер продолжает расти за счет планетеземалий. Некоторые из них, были «выброшены» из гравитационного поля в область современного поля астероидов, в область Койпера или даже за пределы Солнечной системы.

Сатурн формировался аналогичным образом. Но его ядро росло позже и не так быстро. К этому времени из-за действия солнечного ветра газа осталось меньше до того, как он мог его захватить гравитационным полем. Поэтому по сравнению с Юпитером Сатурн содержит в несколько раз больше конденсируемого вещества и сильнее отличается от состава Солнца.

Уран и Нептун росли еще медленнее, а газ из внешней зоны диссипировал быстрее. Когда эти планеты достигли критической массы, газа в их зонах почти не осталось. Поэтому на долю водорода и гелия приходится всего лишь 10% массы Урана, а Нептун содержит этих газов еще меньше. Главными составляющими этих тел является вода, метан и аммиак, оксиды тяжелых элементов. Газы формируют атмосферы планет.

Спутники планет-гигантов (Юпитера, например) образовались позже из диска, который дифференцировался по принципу: более плотное вещество тяготело к планетам и формировло их силикатные ядра (Ио, Европа), а более удаленные спутники (Ганимед и Калисто) состоят наполовину из водяного льда. У Сатурна в вещественном строении его спутников эта дифференциации меньше выражена.

Образование астероидов и комет имеет близкую историю. Масса всех астероидов, вращающихся на расстоянии 2 – 4 а.е. от Солнца не превышает по своей массе Луну. Если вещество в допланетном облаке было равномерно распределено, то полагают, что в зоне астероидного кольца должно было находиться в 100 – 1000 раз больше вещества, чем имеется на самом деле. Другими словами пояс астероидов – это несостоявшаяся планета, а не разрушенная (Фаэтон), как считали раньше.

По представлениям О.Шмидта процессу конденсации и аккреции вещества в планету помешало соседство массивного Юпитера. На самом деле высокие хаотические скорости не могли быть порождены современными возмущениями Юпитера. Сами же астероиды не могут изменить самопроизвольно свои орбиты из-за малых масс каждого из них.

Кометы представляют собой небольшие тела в поперечнике до 5 – 10 км, вращающиеся по сильно вытянутым эллиптическим или параболическим орбитам и убегающим от Солнца на расстояние до 100 а.е. Состоят из водяного льда и космической пыли с вкраплением льдов замороженных газов, способных конденсироваться при очень низких температурах. По сути, они могут выглядеть как грязные ледяные глыбы. По своему происхождению кометы являются продуктом (а возможно и источником) образования планет-гигантов, которые при своем формировании выбрасывали своими гравитационными возмущениями на окраину Солнечной системы – в так называемую область Оорта. Откуда они периодически появляются и могут входить в поле тяготения как Солнца, так и остальных планет. Кометы, таким образом, сложены слабо дифференцированным «первичным» веществом, из которого образовалась Солнечная система, а потому представляют повышенный интерес для геохимиков и космохимиков. Зная первичный состав протопланетного вещества, можно будет создать более стройную и непротиворечивую теорию Солнечной системы и разгадать многие из тайн ее образования.

Современные концепции образования звезд и планетных систем могут найти ответы на вопросы в идее галактического (вселенского) круговорота вещества, когда туманности могли содержать наработанный материал ядер атомов химических элементов всего Периодического закона Д.И.Менделеева в результате взрыва массивных звезд ранних поколений.

На сегодняшний день, таким образом, нет хорошей и разработанной теории образования Солнечной системы. Обычно все гипотезы базируются на упорядоченном гравитационном принципе сжимания слишком разряженного газа и пыли, что теоретически возможно, а на практике вряд ли может произойти слишком быстро. Есть точки зрения образования звезд и планет из газа значительно большей плотности, чем современные туманности. Такая высокая плотность вещества могла быть только на ранних стадиях образования галактик. Современные астрофизические данные, полученные телескопом «Хаббл» указывают на такую возможность, поскольку открытие звёздных систем с наличием в них около 200 планет показывает, что процесс их образования не мог являться упорядоченным, а хаотичным, предполагающим различный результат для каждой звёздной системы⁴. Рождающиеся планеты возникли в хаосе конкурирующих механизмов их формирования и разрушения.

Проблема создания теории планетообразования заключается в том, что пока хорошо изученной является единственная – Солнечная система. Является ли такое расположение планет единственно возможным или Солнечная система является своего рода неповторимым явлением, а образование планетных систем может осуществляться и по другому сценарию, пока не ясно.

Когда первые планетные системы астрономами были обнаружены (это произошло в 1995 году), выяснилось, что вместо планет, похожих на наши, астрономы увидели горячие планеты-гиганты с массой больше Юпитера, которые примерно внутри орбиты нашего Меркурия. Планеты типа Нептуна вращаются примерно на том расстоянии, на котором находится Земля от Солнца. Кроме того, орбиты обнаруженных планет не являются круговыми, а эллиптическими. В некоторых случаях планеты двигаются в резонансе друг с другом – пока одна из них совершает один оборот, другая делает ровно два, три и так далее. В Солнечной системе подобных явлений не обнаружено.

Основной метод обнаружения планет за пределами Солнечной системы – метод лучевых скоростей. Он основан на эффекте Доплера. Смысл этого мета состоит в том, что планета своим тяготением заставляет звезду описывать небольшой эллипс вокруг центра масс системы. Если орбита планеты не строго перпендикулярна лучу зрения, половину ее периода звезда приближается к наблюдателю, половину периода — удаляется от него. В результате линии в спектре звезды немного флуктуируют от среднего положения. Но такие колебания говорят о наличии спутника и не позволяют уверенно говорить, что это именно планета, а не какой-нибудь коричневый карлик или звезда небольшой массы. В случае, если плоскость орбиты планеты почти перпендикулярна плоскости небосвода, то есть почти параллельна лучу зрения, тогда возможно наблюдение затмения звезды планетой. И, начиная с 1999 года, такие затмения действительно наблюдаются! Пока, правда, известно лишь несколько примеров внесолнечных планет, параметры которых удалось одновременно определить и по затмениям, и по методу лучевых скоростей

Поэтому возникли новые гипотезы, пытающиеся объяснить отсутствие единого закона формирования планет. Предполагается, что планеты-гиганты, обращающиеся сейчас вокруг звезды, образовывались в другом месте, а нынешнее положение их связано с миграцией в новую область. Компьютерное моделирование показало⁵, что подобная миграция возможна, причём за достаточно короткое время (порядка миллиона лет). Выяснилось, что планетные системы, похожие на нашу, появляются очень редко. Система, похожая на Солнечную, при компьютерном моделировании, возникает лишь в 1 случае из 100. Правда, из этих результатов пока нельзя делать вывод, что Солнечная система уникальна. Если помножить полученный результат на десятки миллиардов похожих на Солнце звёзд в Галактике, можно получить сотни миллионов планетных систем, похожих на нашу.

Новая теория образования Солнечной системы может быть создана только в том случае, когда нам удастся понять, из какого первичного вещества могло возникнуть Солнце и планеты нашей системы. На роль этого протосолнечного и протопланетного вещества претендует не затронутое изменениями и не дифференцированное вещество комет и метеоритов типа углистых хондритов. Они время от времени приближаются к нам из внешних границ Солнечной системы из области Оорта и из пояса астероидов. И было бы заманчиво исследовать их с помощью космических летательных аппаратов.

Тем не менее, за пределами Солнечной системы на расстоянии около 500 световых лет обнаруженна планетная система, в которой планеты движутся вокруг светила в соответствии с принципом планетных расстояний И.Кеплера (1571 – 1630)⁶.

Три закона И.Кеплера (позже уточненные на основе закона тяготения И.Ньютона) установлены путём обобщения наблюдений за движением планет Солнечной системы. Первый закон: каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Второй закон: каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца. А площадь сектора орбиты, описанная радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. Третий закон: квадраты времён обращения планеты вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца.

Но такое соответствие только говорит о соответствии движения планет законам небесной механики и не может объяснить, почему существует выявленное разнообразие планет в звёздных системах? Поэтому точка зрения о возможной миграции во времени и пространстве космических тел, когда одни могут захватывать другие вне зависимости от того, где и при каких условиях они образовались, выглядит не так уж и гипотетично. К тому же вселенский (галактический и межгалактический) круговорот вещества, когда звезды формируются из рассеянного космического материала и поставляют его в результате своей гибели – вещь, можно считать, бесспорная.

Будущая судьба Солнечной системы и Солнца

В настоящее время Солнце, находясь на главной последовательности представляет собой систему с длительным (5 млрд.лет) относительно спокойным существованием и сжиганием в своих недрах водорода. Таким образом, в будущем при израсходовании запасов водорода внутреннее давление в Солнце не будет уравновешивать гравитацию, и центральная часть Солнца начнет коллапсировать (сжиматься). Поверхность же Солнца за счет переноса излучением вещества будет стремиться покинуть светило. Наша звезда перейдёт в фазу красного гиганта ⁷, а светимость его увеличится в 100 раз. Это расширение звезды будет катастрофическим для Солнечной системы. Земля потеряет атмосферу, а её температура на поверхности достигнет 1000°К и превратится в раскалённую пустыню. Жизнь на земле прекратит своё существование, а человечеству, если оно будет существовать через 5 млрд. лет, придётся искать в окрестностях галактики более комфортную звезду Главной последовательности, у которой будет существовать планета, способная обеспечить условия существования жизни.

Предполагается, что ⁸ разогрев и расширение внешней оболочки Солнца, приведут к тому, что ближайшие к нему планеты будут поглощены раскаленным веществом, а сфера, в которой сохранятся условия, пригодные для жизни, передвинется на значительно большее расстояние от светила. Если Солнце расширится, и при этом потери его массы будут небольшими, то внутри красного гиганта окажутся орбиты Меркурия, Венеры и Земли. Но если Солнце превратится в красного гиганта, отбросив значительную массу своих верхних слоев, то орбиты Венеры и Земли останутся вне раскаленной материи.

В этой связи некоторые учёные всерьёз уже рассматривают проблему изменения положения орбиты Земли в будущем, предлагая фантастические и зачастую даже экзотические проекты перемещения Земли на расстояния, безопасные от будущего губительного влияния красного гиганта на биосферу нашей планеты. Для этого потребуются усилия всего человечества на протяжении миллиарда лет по «транспортировке» нашего дома к Юпитеру, чтобы в дальнейшем использовать его энергию, накопленную в метане, которого, в рамках существующей потребности может хватить почти на 100 млрд. лет. Правда, есть и другие проекты по возможности искусственного создания биосферы, например, на Марсе и спутниках Юпитера.

После перехода его в фазу красного гиганта, при сжатии внутренних областей Солнца его температура и давление возрастет очень быстро. Солнце перейдет в последнюю фазу катастрофического сжатия и превратится в малую, ярко светящуюся звезду – белый карлик. В последующем он будет остывать и превратится в коричневого ⁹, а, остывая, перейдёт в состояние черного калика – образование, неизлучающее свет огарка звезды, окруженного вращающимися вокруг него остатками разрушенных мертвых планет и их ядер.

Ссылки