8.6. Концепции возникновения планетарных систем. Эволюция Солнечной системы

Планетарная система развивается в основном как единая система. Это выражается, в частности, в том, что похожие эволюционные события происходят более или менее синхронно в разных местах планеты, или, иначе, основные эволюционные события имеют планетарное значение и масштаб.

Эволюция планетарной системы имеет вполне определенную направленность — она имеет «векторный» характер. Самое, пожалуй, важное, что эволюция до сих пор происходила в направлении устойчивого усложнения структуры и удаления планетарной системы от состояния термодинамического равновесия.

Планетарная эволюция хотя и имеет векторный, в определенном смысле — однонаправленный, монотонный, характер — она отнюдь не является гладкой. История планетарной системы представляет собой последовательность сменяющих друг друга качественно различных фаз, разделенных более или менее отчетливыми фазовыми переходами. Фазовые переходы не являются случайными событиями и часто имеют характер революций планетарной системы. Они происходят в результате ответа планетарной системы на эволюционные кризисы различного типа. При этом продуктивными кризисами, то есть такими, которые вызывают фазовый переход, являются кризисы не экзогенной природы (вроде падения крупного метеорита, извержения гигантского вулкана или наступления ледникового периода), но кризисы, являющиеся закономерным результатом развития самой планетарной системы. Одним из наиболее характерных примеров кризисов этого типа являются эндо-экзогенные кризисы, когда деятельность биосферы или общества приводит к таким изменениям среды обитания, что устойчивость планетарной системы ставится под вопрос. Г. Д. Снукс основной упор здесь делает на ресурсные кризисы, когда на данном уровне функционирования планетарной системы происходит исчерпание жизненно важных ресурсов, характерных для текущей фазы, А. П. Назаретян понимает кризисы несколько шире: это могут быть и кризисы, связанные с загрязнением или деградацией окружающей среды, и кризисы техно-гуманитарного баланса (см. ниже), но, так же, и ресурсные кризисы.

Следует добавить, что, конечно, и чисто внешние факторы могут усугубить эволюционный кризис и ускорить его развитие. В геологической летописи Земли с начала фанерозоя (примерно 600 млн лет назад) выделяется несомненная периодичность событий, связанных с массовым вымиранием живых организмов [9]. Удается выделить два периода — первый около 216 млн лет и второй около 30 млн лет. Первый связан с длительностью галактического года (период обращения Солнца вокруг центра Галактики), второй, возможно, с периодом колебания Солнца относительно галактической плоскости [9]. Таким образом, волны вымирания имеют экзогенное происхождение. Однако, далеко не все такие катастрофические события приводили к фазовому переходу биосферы. Часто биосфера восстанавливалась в виде, близком к исходному (например, одни виды трилобитов сменятся другими видами трилобитов же). Но в некоторых случаях глубокие перестройки имели место. Возможно, экзогенные факторы способны ускорять развитие кризисов внутреннего, эволюционного происхождения, но действительно революционная перестройка происходит под влиянием внешних факторов только в том случае, когда она назрела по внутренним причинам.

В момент фазового перехода решающим фактором во многих случаях оказывается так называемое избыточное внутреннее разнообразие системы. Под избыточным внутренним разнообразием понимаются такие формы организации планетарной системы, которые не играют существенной системообразующей роли на данном этапе развития и не дают существенных эволюционных преимуществ. Однако, в момент наступления эволюционного кризиса именно некоторые из форм избыточного внутреннего разнообразия дают адекватный ответ на кризис и становятся новым системообразующим фактором. По сути, это есть не что иное, как одна из форм реализации механизма отбора. Существенно, что момент фазового перехода определяется не первым появлением эволюционно продвинутой подсистемы, но только существенной перестройкой планетарной системы, в результате которой такая подсистема становится существенным или ведущим фактором в эволюции.

Следует отметить, что старые эволюционные формы не элиминируются полностью, но продолжают сосуществовать с новыми, часто при этом включаясь в них как составная часть или подсистема (эволюционный консерватизм [8]). Так, наряду со сложными многоклеточными организмами продолжает существовать одноклеточная фауна, причем основой организации многоклеточного организма является клетка — видоизмененный и специализированный одноклеточный организм. Эволюция напоминает пирамиду, которая прирастает своей вершиной за счет некоторого редуцирования и уплотнения основания. Именно положением вершины определяется достигнутый эволюционный уровень планетарной системы. Надо также отметить, что количественное преобладание одной эволюционной формы над другими, как правило, не может быть критерием выбора наиболее прогрессивной подсистемы и не определяет текущей фазы эволюции. Мы соседствуем с одноклеточными прокариотами, возникшими 4 миллиарда лет назад. Можно заметить, что полная масса прокариот многократно превышает полную массу человечества, но это не мешает нам определять уровень развития планетарной системы именно наличием цивилизации.

Так как разрешение эволюционного кризиса означает переход планетарной системы в состояние, более далекое от равновесия, чем предыдущее, то для сохранения гомеостаза система должна реализовать некоторые компенсирующие механизмы — сохраняющие реакции. На этапе эволюции цивилизации одним из важнейших механизмов адаптации оказывается совершенствование культурных регуляторов, которые противостоят росту разрушительной силы новых технологий. Те подсистемы цивилизации, которые не в состоянии ответить на техногенные кризисы выработкой адекватных культурных регуляторов, выбывают из эволюции, выжившие же подсистемы обладают более совершенными культурными регуляторами. В этом заключатся гипотеза техно-гуманитарного баланса А. П. Назаретяна.

Наиболее удивительной особенностью приведенных выше представлений является то, что одни и те же, по сути, механизмы характерны для эволюции на самых разных уровнях — от древней биосферы одноклеточных прокариот до современной цивилизации. Это и иерархическая структура эволюции, связанная с эволюционным консерватизмом; и организация ее в последовательность качественно различных фаз, разделенных фазовыми переходами; и общий механизм эволюционного кризиса вместе с ролью избыточного внутреннего разнообразия при преодолении кризиса и переходе в более высокую фазу равновесия. История планетарной системы является частью Универсальной истории — истории развития материи от Большого взрыва Вселенной до возникновения разума. Замечательно, что такие фигуры эволюции, как эволюционный консерватизм, иерархичность, последовательность качественно различных фаз, идея отбора в разных модификациях, характерны и для добиологических фаз эволюции, включая и самые ранние, такие, как, например, распад первичной кварк-глюонной плазмы с образованием первых устойчивых составных элементарных частиц — адронов сразу после Большого взрыва, образование первых атомов, и т. д.

Эволюция Солнечной системы

Как только масса пропланеты достигает 1–2 масс Земли, она способна захватывать атмосферу. Протоюпитер буквально за сотню лет увеличил свою массу за счет захвата газов в десятки раз. Затем скорость аккреции падает, т.к. весь газ непосредственно на пути планеты уже вобран, а снаружи он поступает достаточно медленно (за счет диффузии). В нашей Солнечной системе на периферии образовались планеты-гиганты, способные удержать возле себя газовые оболочки. Сначала сформировались ядра планет-гигантов, а затем планеты «нарастили» себе оболочку из водорода и гелия. Двухступенчатая модель образования гигантов подтверждается фактами. Массы ядер планет-гигантов примерно одинаковы и равны 15–20 М . Количество водорода уменьшается с увеличением расстояния. Чем больше масса планеты, тем быстрее идет аккреция газа на нее. По современным расчетам, рост Юпитера продолжался десятки миллионов лет, а рост Сатурна – сотни миллионов. У планет-гигантов возникли собственные минидиски из газа и пыли, из которых затем сформировались кольца и многочисленные спутники. При формировании Юпитера именно в районе его орбиты проходила граница конденсации водяных паров. По современным расчетам, на более близких расстояниях, в поясе астероидов, летучие вещества находились в газообразном состоянии. Это привело к тому, что рост допланетных тел в районе будущего Юпитера ускорился, а в районе пояса астероидов замедлился. Именно поэтому массивный Юпитер обогнал по скорости роста протопланету, более близкую к Солнцу. Но после своего «рождения» Юпитер стал тормозить образование этой планеты в поясе астероидов. Разогнанные тяготением планет-гигантов сгустки вещества выбрасывались на окраину Солнечной системы, где становились кометами. Гравитационные возмущения со стороны Юпитера и сейчас сильно воздействуют на астероиды. Уран и Нептун росли еще медленнее. К тому времени газа в Солнечной системе из-за действия солнечного ветра осталось еще меньше, поэтому Уран и Нептун содержат меньше водорода в процентном содержании, чем Юпитер. Основными составляющими этих планет-гигантов являются вода, метан и аммиак.

В центре Солнечной системы сформировались менее массивные планеты. Здесь солнечный ветер выдул мелкие частицы и газ. А вот более тяжелые частицы, наоборот, стремились к центру. Рост Земли продолжался сотни миллионов лет. Ее недра прогрелись до 1000–2000 К благодаря гравитационному сжатию и участвовавшим в аккумуляции крупным телам (до сотен километров в поперечнике). Падение таких тел сопровождалось образованием кратеров с очагами повышенной температуры под ними. Другой и основной источник тепла Земли – распад радиоактивных элементов, в основном, урана, тория и калия. В настоящее время температура в центре Земли достигает 5000 К, что гораздо выше, чем в конце аккумуляции. Солнечные приливы затормозили вращение близких к Солнцу планет – Меркурия и Венеры. С появлением радиологических методов был точно определен возраст Земли, Луны и Солнечной системы – около 4,6 млрд. лет. Компьютерные эксперименты продемонстрировали замечательное свойство нашей планетной системы: пролет звезды с массой порядка 0,1 массы Солнца через ее внешние области мало изменит орбиты планет земной группы. Этого нельзя сказать об удаленных объектах, расположенных в облаке Оорта, для которых расстояние от Солнца в сотни раз больше, чем радиус орбиты Земли. Гравитационное поле Галактики возмущает орбиты малых тел на окраине Солнечной системы и даже вызывает их появление внутри орбиты Земли. Что касается Солнца, центрального тела Солнечной системы, то это – типичная звезда главной последовательности, равновесие которой обусловлено равенством сил газового давления и гравитации. Солнце существует 5 миллиардов лет и еще столько же будет излучать практически неизменный поток энергии вследствие протекающих в его недрах ядерных реакций. Затем, в соответствии с законами звездной эволюции, Солнце превратится в красный гигант, и его радиус значительно увеличится, станет больше орбиты Земли.

После этого газовая оболочка рассеется, и на месте Солнца останется белый карлик. Этот остаток нашего бывшего светила будет высвечивать запасы тепловой энергии в течение миллиардов лет, постепенно превращаясь в невидимый холодный объект. При этом температура на Земле сначала увеличится до 10 000°C, а затем уменьшится практически до абсолютного нуля. Современная планетная космогония встречается со многими вопросами, которые требуют строгого решения. Один из таких вопросов – парадокс вращательного момента. Протопланетные диски имеют небольшую массу, в 10–100 раз меньшую центральной звезды. Так, например, в Солнечной системе 99,8 % массы заключается в Солнце. Тем не менее, основной вращательный момент приходится именно на планеты. Поэтому вопрос о перераспределении вращательного момента из центральной части конденсирующегося газопылевого облака к периферии очень актуален и до сих пор не решен.

Астрономы древности полагали, что Вселенная и Солнечная система существовали вечно и будут существовать еще столько же в неизменном виде. С появлением христианства возраст Солнечной системы значительно уменьшился. Джордано Бруно первым предположил, что звезды, подобно Солнцу, окружены планетными системами, которые непрерывно рождаются и умирают. В 1745 году французский ученый Бюффон высказал гипотезу, что планеты образовались из вещества, выброшенного из Солнца после столкновения Солнца с кометой. Немецкий философ Иммануил Кант в 1755 году впервые изложил идею о возникновении Солнечной системы из облака холодных пылинок, находящихся в хаотическом движении. Планеты по Канту формируются из того же газопылевого облака, что и Солнце. В 1796 году французский ученый Пьер Симон Лаплас описал образование Солнца и Солнечной системы из медленно вращающейся раскаленной газовой туманности.

Под действием гравитации центральная часть протосолнца сжималась, скорость его вращения увеличивалась, поэтому оно приобретало сплюснутую форму. Сгустки отделялись от протосолнца и затем охлаждались. Вещество, из которого образовались планеты, первоначально по Лапласу было в горячем, расплавленном состоянии. Но потом стало ясно, что Земля никогда не была ни газовой, ни раскаленной.

Гипотеза Джинса образования планет Солнечной системы.

Предложенная в 1916 году Джеймсом Джинсом новая теория, согласно которой вблизи Солнца прошла звезда и ее притяжение вызвало выброс солнечного вещества, из которого в последующем образовались планеты, должна была объяснить парадокс распределения момента импульса. Однако в настоящее время специалисты не поддерживают эту теорию. В 1935 году Рассел предположил, что Солнце было двойной звездой. Вторая звезда была разорвана силами гравитации при тесном сближении с другой, третьей звездой. Девятью годами позже Хойл высказал теорию, что Солнце было двойной звездой, причем вторая звезда прошла весь путь эволюции и взорвалась как сверхновая, сбросив всю оболочку. Из остатков этой оболочки и образовалась планетная система. В сороковых годах ХХ века советский астроном Отто Шмидт предположил, что Солнце захватило при обращении вокруг Галактики облако пыли. Из вещества этого огромного холодного пылевого облака сформировались холодные плотные допланетные тела – планетезимали. Элементы многих из перечисленных выше теорий использует современная космогония

8.7. Закон Хаббла. Реликтовое излучение

Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) — правило физической космологии, согласно которому красное смещение удалённых объектов пропорционально их расстоянию от наблюдателя. Таким образом, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется

С точки зрения классической механики, закон Хаббла можно наглядно объяснить следующим образом. Когда-то давно Вселенная образовалась в результате Большого взрыва. В момент взрыва различные частицы материи (осколки) получили различные скорости. Те из них, которые получили бо́льшие скорости — соответственно успели к настоящему моменту улететь дальше, чем те, которые получили меньшие скорости. Если провести численный расчёт, то окажется, что зависимость расстояния от скорости оказывается линейной. Кроме того, получается, что эта зависимость одна и та же для всех точек пространства, то есть, по наблюдениям за разлетающимися осколками нельзя найти точку взрыва: с точки зрения каждого осколка, именно он находится в центре. Однако, несмотря на такую наглядность, следует помнить, что расширение Вселенной должно описываться не классической механикой, а общей теорией относительности.

Первое замечание касается того, учитывается ли при наблюдениях тот факт, что из-за того, что свет идёт от галактик миллионы лет, мы наблюдаем их в прошлом. В результате, поскольку они удаляются от нас, в настоящий момент они должны находиться уже дальше. Вопрос: для какого из двух расстояний определена зависимость Хаббла? Ответ: до середины прошлого века это не имело значения. Из графика Хаббла видно, что наибольшие скорости галактик, рассмотренных Хабблом, составили до 1000 км/с. В принципе это большая скорость, но за время движения света от них до Земли, они всё равно успели сдвинуться на незначительный процент общего расстояния.

Второе замечание заключается в том, что расширение Вселенной не является простым разлётом галактик в пустом пространстве. Оно заключается в динамическом изменении самого пространства. Непонимание этого факта часто заставляет делать неверные заключения авторов даже серьёзной литературы. Например, часто говорят, что скорость убегания галактик не должна превышать скорость света и потому на тех расстояниях, где это должно наблюдаться, должны наблюдаться и отклонения от закона Хаббла. Это не так: согласно общей теории относительности, должны существовать и наблюдаться галактики, убегающие быстрее света

Рели́ктовое излуче́ние (или космическое микроволновое фоновое излучение от англ. cosmic microwave background radiation)^[1] — космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.

Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из фотонов, электронов и барионов. Благодаря эффекту Комптона, фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, испытывая с ними упругие столкновения и обмениваясь энергией. Таким образом, излучение находилось в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовал спектру абсолютно чёрного тела (Абсолютно чёрное тело — физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой. Наиболее чёрные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения (т. е. имеют альбедо, равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени обладает Солнце. Термин был введён Густавом Кирхгофом в 1862.)

.

По мере расширения Вселенной, космологическое красное смещение (Красное смещение — сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может происходить из-за эффекта Доплера, или эффектов ОТО: гравитационного и космологического красного смещения. Красное смещение может также являться следствием сразу нескольких из указанных выше причин) вызывало остывание плазмы и, на определённом этапе, для электронов стало энергетически предпочтительней, соединившись с протонами — ядрами водорода и альфа-частицами — ядрами гелия, сформировать атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. С этого момента фотоны перестали рассеиваться теперь уже нейтральными атомами и смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния. Это — самый удалённый объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре.

В результате дальнейшего остывания излучения за счёт красного смещения, его температура снизилась и сейчас составляет 2,725 К.