Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Солнце – атомная электростанция (4,57 миллиарда лет назад)

Ударная волна сотрясает Магелланово Облако (–166 000)

4,57 миллиарда лет назад

Солнце – атомная электростанция

Юное Солнце, сжимаясь в плотный комок газа, постепенно нагрелось до температур столь высоких, что атомы (в основном водородные) потеряли свои электронные оболочки. Внутри звезды образовалась плазма из атомных ядер (по большей части протонов) и свободных электронов. Плазма – четвертое состояние материи, первые три из которых нам хорошо известны: твердое, жидкое, газообразное. В нашем непосредственном окружении плазма встречается весьма редко. На Земле она образуется лишь при некоторых природных явлениях (высокотемпературное пламя, молния) или в промышленности (газоразрядная лампа).

А Солнце в основном состоит из плазмы. Жарче всего в его центре: пятнадцать миллионов градусов. Там же, в ядре, наблюдается и самая высокая плотность: более ста граммов на кубический сантиметр. Температура и плотность в ядре звезды столь высоки, что происходят непрерывные ядерные реакции протон-протонного цикла. В 1939 году американский физик немецкого происхождения Ханс Бете описал три стадии этого цикла:

• первая стадия: в очень горячей и плотной среде частицы приобретают огромную энергию, и протоны сталкиваются друг с другом. Оба несут положительный заряд, но преодолевают взаимное отталкивание за счет туннельного эффекта – это свойство субатомного мира открыл в 1928 году американский физик русского происхождения Георгий Гамов. Два протона оказываются настолько близки друг к другу, что сильное взаимодействие «склеивает» их. Но это вновь образованное ядро немедленно развалилось, если бы не слабое взаимодействие. Оно превращает один из протонов в нейтрон и создает стабильное ядро дейтерия;

• вторая стадия: встреча дейтерия и другого протона, приводящая к формированию ядра гелия-3 (два протона и один нейтрон);

• третья стадия: два ядра гелия-3 слипаются друг с другом, образуя гелий-4 (два протона и два нейтрона) и одновременно испуская два протона.

Цикл завершается довольно быстро: в его начале мы имеем четыре ядра водорода, в конце – одно ядро гелия-4. Оно менее массивно, чем четыре соединенных протона, но в силу действия уравнения, связывающего массу и энергию и записываемого известной формулой E = mc 2, самой знаменитой формулой Эйнштейна, небольшое снижение массы (семь тысячных) дает огромное количество энергии! Для поддержания своей светимости Солнце должно ежесекундно превращать в гелий пятьсот миллионов тонн водорода. Но водорода в нем еще столько, что такую светимость оно может поддерживать еще миллиарды лет.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Рождение Солнца (4,57 миллиарда лет назад)

E = mc 2 (1905)

4,57 миллиарда лет назад

Образование планет

Вещество околосолнечной туманности, быстро вращавшееся вокруг Солнца в процессе его образования, сформировало плоский диск, толщина которого увеличивалась по мере удаления от центра. Диск в основном состоял из водорода и гелия, но в нем были и микроскопические твердые пылинки. Астрофизики считают, что диск делился на две области – на расстоянии около пяти астрономических единиц от Солнца в нем начинали доминировать ледяные частицы. Астрономическая единица (а. е.) – единица измерения расстояний в Солнечной системе, равная 149,6 миллиона километров. На периферии диска его температура была слишком низкой, чтобы там могла существовать жидкая вода.

Присутствовавшие в диске частички пыли постепенно слипались друг с другом, примерно так же, как они слипаются в пылевые клубки у нас под кроватью. Когда размеры пылевых клубков доходили до нескольких метров, в действие вступала гравитация – она помогала создавать тела размером более километра. Самые массивные из планетоидов притягивали к себе все, что оказывалось в зоне их гравитационного воздействия. Этот процесс приводил к образованию зародышей планет, масса которых росла по мере удаления от Солнца.

За «ледяной границей» зародыши планет были достаточно массивными (в несколько масс Земли), чтобы притянуть к себе газ из диска и окружить себя атмосферой из водорода и гелия. Из таких протопланет возникли газовые гиганты с массой в сотни земных масс – Юпитер и Сатурн. Газовые оболочки других планетоидов рассеялись; возникли гигантские образования из скал и твердых летучих льдов, с массой примерно в пятнадцать земных и с разреженной атмосферой из гелия и водорода – Уран и Нептун.

В промежутке между Солнцем и ледяной границей, в среде, откуда почти весь газ был вытеснен солнечным излучением, зародыши планет то и дело сталкивались, вращаясь по вытянутым и пересекающимся друг с другом орбитам. Взаимодействия планетоидов заканчивались либо их слиянием, либо выбрасыванием одного из них за границы Солнечной системы – будто камень вылетел из пращи. В результате во внутренней части системы, в порядке удаления от Солнца, остались только четыре планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Астрофизики называют их теллурическими, то есть планетами земного типа: как и Земля, они созданы из камня и металла. Они гораздо меньше гигантов с окраин Солнечной системы, но и заметно плотнее. Сейчас исследователи активно ищут планеты земного типа вокруг других звезд. И нашли их уже довольно много – в частности благодаря данным, полученным космическим телескопом «Кеплер» с 2009 по 2018 год.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Открытие экзопланет (1995)

4,56 миллиарда лет назад

Образование пояса астероидов

Самые благоприятные для формирования планет участки газопылевого диска, вращавшегося вокруг юного Солнца, находились снаружи ледяной границы. Именно там масса протопланет (например, будущего Юпитера) росла очень быстро. Согласно исследованию немецких планетологов, опубликованному в 2017 году, масса прото-Юпитера всего за миллион лет превысила двадцать земных. В течение последующих трех миллионов лет он продолжал расти и достиг пятидесяти земных масс. Гравитационное воздействие такой массы позволило этой протопланете сыграть главную роль в формировании Солнечной системы. Оно препятствовало, и довольно заметно, переносу материи сквозь протопланетный диск. Именно по этой причине во внутренней части Солнечной системы нет массивных теллурических планет, подобных тем, что ученые обнаруживают во все возрастающих количествах на орбитах вокруг других звезд.

Итак, новорожденный Юпитер продолжает накапливать массу, поглощая окружающие его газ и пыль, и постепенно смещается к внутренней части диска. Из-за этого планета-гигант все чаще вступает в орбитальный резонанс с планетоидами, эволюционирующими во внутренней части Солнечной системы, между Марсом и Юпитером.

Взаимодействия приводят к возрастанию относительных скоростей, что, в свою очередь, вызывает разрушение тел во время столкновений. В результате, формирование планеты между Марсом и Юпитером оказалось невозможным – зародыши планет продолжали развиваться только в центральных областях Солнечной системы. Планетоиды, которые все еще оставались между Марсом и Юпитером, сформировали пояс астероидов, свидетелей ранней эпохи существования первичной Солнечной системы. В XIX веке многие астрономы предполагали, что пояс астероидов возник в результате разрушения гипотетической планеты Фаэтон, но сегодня ученые отвергают эту гипотезу.

Прогресс астронавтики позволяет планетологам надеяться посадить космический корабль на один из астероидов, чтобы исследовать вблизи первичный материал, из которого создавалась Солнечная система, и даже попробовать доставить на Землю его образцы. В 2005 году японский зонд «Хайабуса» совершил короткую посадку на астероид Итокава и забрал оттуда небольшое количество зернистого грунта, которое было доставлено на Землю в июне 2010 года. Позднее, в 2013-м, НАСА начало разработку амбициозной миссии ARM, предполагавшей доставку крупного осколка ближайшего астероида на постоянную окололунную орбиту, где астронавты могли бы детально его изучить. Однако по финансовым причинам в 2017 году подготовка этого проекта прекратилась.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

Зонд на комете Чурюмова – Герасименко (2014)

4,51 миллиарда лет назад

Образование Луны

Международный астрономический союз недавно сформулировал критерии, которым должна соответствовать полноценная планета. В их числе – освобождение области пространства, в которой проходит орбита планеты, от каких-либо сопутствующих тел. В некоторый момент своей эволюции Земля превратилась в настоящую планету – ее орбита была свободна от «конкурентов». Исключение составляли так называемые точки Лагранжа L4 и L5 системы «Земля – Солнце». Эти точки названы в честь ученого из Пьемонта, графа Жозефа-Луи де Лагранжа, в 1772 году решившего «задачу трех тел» – описавшего движение небольшого тела под гравитационным воздействием двух более массивных, одно из которых совершает орбитальное движение вокруг другого (в данном случае Земли и Солнца). Лагранж открыл, что гравитационные поля массивных тел создают пять точек равновесия, от L1 до L5, и если небольшое тело поместить в одну из этих «точек Лагранжа», то оно останется неподвижным относительно двух тел большей массы.

Некоторые члены группы планетоидов, из которых формировалась Земля, нашли убежище в одной из двух самых стабильных точек Лагранжа в системе «Земля – Солнце» – L4 и L5. Объединившись, они образовали планетный эмбрион, постепенно выросший почти до размеров современного Марса. Протопланета, которую астрономы назвали Тейя, постепенно начала взаимодействовать с другими планетами; равновесие в точке Лагранжа нарушилось, планетоид выбросило на околосолнечную орбиту, и он столкнулся с Землей.