Кара небесная. Космическое миропонимание - [3]

Часть первая. По следам глобальных катастроф

1.1. Попытки осмысления

Глобальные космические катастрофы и их движущие силы не случайны. Они являются следствием закономерностей Солнечной системы. Однако до сего времени учёные всё ещё спорят об этих физических явлениях. Первая серьезная попытка создать функциональную картину Солнечной системы связана с именами французского математика Пьера Лапласа и немецкого философа Иммануила Канта в конце XVIII века. Они полагали, что прародительницей Солнечной системы является раскаленная газово-пылевая туманность, медленно вращавшаяся вокруг плотного ядра в центре. Под влиянием сил взаимного притяжения туманность начала сплющиваться у полюсов и превращаться в огромный диск. Плотность его не была равномерной, поэтому в диске произошло расслоение на отдельные газовые кольца. В дальнейшем каждое кольцо начало сгущаться и превращаться в единый газовый сгусток, вращающийся вокруг своей оси. Впоследствии сгустки остыли и превратились в планеты, а кольца вокруг них – в спутники. Основная часть туманности осталась в центре, до сих пор не остыла и стала Солнцем. Уже в XIX веке обнаружилась недостаточность этой гипотезы, так как она не предвещала катастрофических явлений и не могла объяснить новые данные в науке.

Геофизик О. Ю. Шмидт несколько иначе представлял себе развитие Солнечной системы в первой половине XX века. Согласно его гипотезе, Солнце, путешествуя по Галактике, проходило сквозь газопылевое облако и увлекло часть его за собой, объекты которой падают на поверхность Земли до сего времени. Впоследствии твердые частицы облака подверглись слипанию и превратились в планеты, изначально холодные. Разогревание этих планет произошло позже в результате сжатия, а также поступления солнечной энергии. Разогрев Земли сопровождали массовые излияния лав на поверхность в результате вулканической деятельности. Благодаря этому излиянию сформировались первые покровы Земли. Из лав выделялись газы. Они образовали первичную атмосферу, которая еще не содержала кислорода. Позднее началось формирование суши, которая представляет собой утолщенные, относительно легкие части плит.

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