УДК 52 ББК 22.66 М 28 М а р о в М. Я. Космос: От Солнечной системы вглубь Вселенной. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017. — 536 с. — ISBN 978-5-9221-1711-1. В книге в сжатой и популярной форме излагаются современные представления о космосе и населяющих его телах. Это прежде всего Солнце и Солнечная система, планеты земной группы и планеты-гиганты, малые тела (кометы, астероиды, метеороиды, межпланетная пыль). Далее рассматриваются звезды, экзопланеты, галактики и галактические кластеры, обсуждаются проблемы астробиологии и, наконец, представляется общий взгляд на нашу Вселенную. В каждом из этих разделов, наряду с обсуждением наиболее характерных физических особенностей небесных тел, особое внимание уделяется эволюционному подходу при анализе их природных свойств. В частности, вопросы происхождения Солнечной системы и планетных систем у других звезд (экзопланет) представлены в контексте общих проблем звездно-планетной эволюции (космогонии) и проблем астробиологии. Рассмотрены вопросы происхождения, эволюции и судьбы Вселенной (космологии) с позиций синергизма макрои микрофизики, включая представления о существовании параллельных вселенных, наличии квантовых осцилляций и гипотетических топологических особенностей пространства-времени (кротовых нор). Книга, сочетающая строгость и одновременно доступность изложения, представит интерес как для преподавателей, студентов и школьников, так и для широкого круга читателей, интересующихся современными проблемами астрофизики и изучения космоса.
c ФИЗМАТЛИТ, 2017
ISBN 978-5-9221-1711-1
c М. Я. Маров, 2017
Научное издание
МАРОВ Михаил Яковлевич КОСМОС: ОТ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ ВГЛУБЬ ВСЕЛЕННОЙ
Редактор О.В. Салецкая Оригинал-макет: В.В. Затекин Оформление переплета: Д.Б. Белуха
Подписано в печать 24.11.2016. Формат 60 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 33,5. Уч.-изд. л. 36,85. Тираж 200 экз. Заказ №
Издательская фирма «Физико-математическая литература» МАИК «Наука/Интерпериодика» 117342, г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17 Б E-mail: porsova@fml.ru, sale@fml.ru Сайт: http://www.fml.ru Интернет-магазин: http://www.fmllib.ru
Отпечатано с электронных носителей издательства в ППП «Типография «Наука» 121099, г. Москва, Шубинский пер., 6
ISBN 978-5-9221-1711-1
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Г л а в а 1. Солнечная система. . . . . . . . Солнечная система . . . . . . . . . . . . . . . Орбитальная и вращательная динамика . Соизмеримости и резонансы . . . . . . . . Миграции и столкновения. . . . . . . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
Г л а в а 2. Планеты земной группы . . . . . . . . . Основные свойства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Земля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Луна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Меркурий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Венера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Марс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Некоторые общие проблемы эволюции соседних
..... ..... ..... ..... ..... ..... ..... планет
. . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. 47 . 47 . 52 . 61 . 81 . 87 . 103 . 143
Г л а в а 3. Планеты-гиганты. Общие сведения . . . . . . . . Юпитер . . . . . . . . . . . . . . Сатурн . . . . . . . . . . . . . . . Уран . . . . . . . . . . . . . . . . Нептун. . . . . . . . . . . . . . . Атмосферная динамика . . . . Спутники и кольца. . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
151 151 155 160 163 167 171 177
Г л а в а 4. Малые тела . Природа и динамика. . Астероиды . . . . . . . . Пояс Койпера . . . . . . Кометы . . . . . . . . . . Межпланетная пыль. . Метеориты . . . . . . . . Миграция и следствия
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
203 203 205 215 226 239 241 247
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
5 11 11 35 42 44
Г л а в а 5. Солнце и гелиосфера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Солнце как звезда. Общие свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Структура и энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
4
Оглавление Состав . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Солнечная активность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Гелиосфера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Г л а в а 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть Общие представления . . . . . . . . . . . . . . . . . Рождение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Жизнь и смерть. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
286 286 295 307
Г л а в а 7. Экзопланеты Краткая история . . . . Методы обнаружения . Свойства экзопланет . Динамика экзопланет . Перспективы . . . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
329 329 334 343 355 358
Г л а в а 8. Планетные системы: происхождение Исторические предпосылки . . . . . . . . . . . . . . Предварительные замечания . . . . . . . . . . . . . Протопланетные аккреционные диски . . . . . . . Формирование планетной системы . . . . . . . . . Некоторые нерешенные проблемы . . . . . . . . . .
и эволюция ......... ......... ......... ......... .........
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
362 362 366 372 386 399
Г л а в а 9. Астробиология: основные понятия Исторический экскурс . . . . . . . . . . . . . . . . Предпосылки и ограничения . . . . . . . . . . . . Некоторые модели происхождения жизни. . . . Биологическая эволюция. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
403 403 408 423 431
Г л а в а 10. Структура Вселенной . Общие представления . . . . . . . . . Иерархия структур. . . . . . . . . . . Образование и динамика галактик
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
445 445 457 468
Г л а в а 11. Происхождение и судьба Вселенной. . . . Краткая история . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Основы космологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Эволюция Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Стандартная модель и теория суперструн (M-теория). Параллельные вселенные и кротовые норы . . . . . . . . Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Рекомендуемая литература для дополнительного чтения . Алфавитный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
471 471 473 481 493 509 514 519 522
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . .
. . . . . .
. . . .
. . . . . .
. . . .
. . . . . .
. . . .
. . . . . .
. . . .
. . . . . .
. . . .
. . . . . .
. . . .
. . . . . .
. . . .
Æåíå è äðóãó Îëüãå
Предисловие Научные открытия и новые технологии оказали громадное влияние на жизнь человечества XXI столетия. Космические исследования обеспечили небывалый прогресс в наших знаниях о пространстве за пределами собственной планеты, структуре, свойствах и эволюции Вселенной. Астрономия больше не ограничена наблюдениями в узких диапазонах видимого света и радиоволн, ее возможности расширились на весь электромагнитный спектр, сделав доступным детальное изучение уникальных объектов и грандиозных процессов преобразования вещества и энергии в космосе, приблизив нас к пониманию ключевых закономерностей окружающего мира. Эти волнующие проблемы относятся к различным областям естественных и гуманитарных наук, так или иначе связанных с изучением космоса, и грандиозный прогресс в этом направлении, достигнутый всего за полстолетия, отражает могущество человеческого разума. Книга, предлагаемая вниманию читателя, охватывает широкий круг вопросов астрофизики, космофизики, космохимии, геологии, биологии и отражает современное состояние одного из самых актуальных направлений науки. В ней предпринята попытка рассказать о многих сложных проблемах, находящихся на самых передовых рубежах научного знания, по возможности простым языком, доступным для неспециалистов. Написание этой книги имеет свою историю. В 1981 г. автор издал книгу «Планеты Солнечной системы», которая вышла в издательстве «Наука» АН СССР тиражом около 100 тыс. экземпляров и почти мгновенно разошлась. Книга была весьма благосклонно принята не только читателями, но и специалистами — близкими коллегами автора. В 1987 г. вышло второе, доработанное и дополненное издание книги под тем же названием почти таким же тиражом, и она также была быстро распродана. Кроме того, книга была переведена и издана на испанском (дважды) и немецком языках. В течение последующих лет автор неоднократно получал предложение издательства и обращения читателей выпустить третье издание книги. Но начались перестроечные годы, наступила сложная социально-экономическая ситуация в стране, и от этого намерения пришлось отказаться. Мысль вернуться к такому проекту возникла значительно позднее, причем с существенным изменением первоначального формата. Этому способствовали лекции автора по астрофизике и космофизике, которые он читает на протяжении более четверти века студентам
6
Предисловие
Международного космического университета (ISU), готовящего специалистов космической отрасли на междисциплинарной основе. Задача сделать доступным содержание курса студентам, специализирующимся в различных научных и прикладных областях космической деятельности, предопределила новый охват тем и стиль изложения. Естественно, что содержание новой книги и круг обсуждаемых проблем далеко выходят за пределы как прежних изданий, так и лекционного курса. От автора потребовалось немало усилий, чтобы переосмыслить и рассмотреть с единых позиций основы фундаментальных знаний о нашем ближайшем (Солнечная система) и далеком (Вселенная) космическом окружении, свидетельствующих о поистине фантастическом прогрессе науки, обеспечиваемом стремительным накоплением наблюдательных данных, развитием теоретических подходов и совершенствованием математических моделей. Космос, как концептуальная основа пространства-времени и всеобщих форм существования материи, бесконечен, хотя чисто условно можно выделить последовательность границ, отражающих расширение наших знаний от доступных на сегодняшний день пределов наблюдаемой Вселенной, до момента ее рождения, ассоциируемого с Большим Взрывом, и до современных представлений о нашей Вселенной, как элементе Мультивселенной, содержащей множество вселенных. Одиннадцать глав книги охватывают, по существу, все разделы современной науки о космосе — астрофизики, планетологии, космогонии, астробиологии и космологии. Увлекательный рассказ о космосе, естественно, начинается с его областей, лежащих в ближайших окрестностях Земли и содержащих другие планеты и малые тела, составляющие вместе с нашей планетой население Солнечной системы — семью Солнца. В главе 1 приводятся масштабы расстояний во Вселенной, из которых видно, что Солнечная система — буквально песчинка в бескрайних космических просторах. Здесь же обсуждаются ее динамические свойства, орбитальные и вращательные движения планет, различные типы резонансов и миграция малых тел, игравшая важную роль в процессе эволюции Солнечной системы. Глава 2 посвящена планетам земной группы — Меркурию, Венере, Земле с Луной и Марсу — занимающим относительно небольшую область пространства в ближайших окрестностях Солнца. Подробно обсуждаются свойства их поверхностей и атмосфер, особенности геологии и внутреннего строения. Основу главы составляют Земля и ее естественный спутник Луна, остальные планеты рассматриваются на основе сравнительно-планетологического подхода, при этом большое внимание уделяется проблемам эволюции, обусловившим возникновение и развитие на соседних планетах принципиально отличных от Земли природных условий. В следующей главе обсуждается другая группа планет Солнечной системы, расположенных существенно дальше от Солнца, — газовожидкие и ледяные планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун с их многочисленными спутниками и системами колец. Наибольшее
Предисловие
7
внимание уделяется особенностям внутреннего строения, атмосферной циркуляции, уникальным природным условиям на спутниках, некоторые из которых сопоставимы по размерам с Луной и даже Меркурием. Возникновение этих природных особенностей также рассматривается в контексте общих проблем планетной эволюции, включая возможности возникновения условий, благоприятных для существования первичной биоты в предполагаемых океанах под ледяной поверхностью галилеевых спутников Юпитера и на ряде спутников Сатурна. Огромный интерес представляет обширное семейство малых тел, к которым относятся астероиды, кометы, метеороиды, межпланетная пыль. Этим телам, многие из которых сохранили в своем составе первичное вещество, из которого формировалась Солнечная система, посвящена глава 4. Рассматриваются основные популяции малых тел в Главном поясе астероидов, поясе Койпера и Облаке Оорта, а также фрагменты столкновений астероидов — метеориты, изучение которых в земных лабораториях позволяет определить химический минералогический и изотопный состав вещества различных классов родительских тел и вносит большой вклад в реконструкцию эволюционных процессов в Солнечной системе. Наряду с этим, обсуждаются динамические свойства малых тел и проблема их многочисленных соударений с планетами, включая известные подобные события в истории Земли, приводятся оценки космических угроз для нашей планеты. Планеты и малые тела обращаются вокруг центрального светила — Солнца, которому посвящена глава 5. Обсуждаются внутренняя структура, состав и особенности основных внешних зон — фотосферы, хромосферы, короны. Большое внимание уделяется проявлениям солнечной активности, механизму генерации солнечного ветра, 11-летнему циклу, хромосферным и корональным вспышкам. Рассматриваются свойства гелиосферы, образованной плазмой истекающего солнечного ветра, вплоть до границы ее взаимодействия с межзвездной средой — гелиопаузой, а также особенности взаимодействия солнечной плазмы с магнитосферой Земли и с другими планетами, в том числе лишенными магнитного поля, в контексте общей проблемы солнечно-планетных связей. От Солнца и Солнечной системы читателю предлагается начать движение в глубины космоса, чему посвящены последующие главы книги. В главе 6 обсуждаются звезды, создающие хорошо знакомую чарующую красоту ночного небосвода. Рассказывается о проблемах физики и эволюции звезд, от их рождения и жизненного цикла до смерти, принципиально зависящими от массы звезды, которая лежит в основе эволюционных закономерностей, прослеживаемых на широко используемой астрономами диаграмме Герцшпрунга–Рессела. Большой интерес представляют заключительные стадии эволюции звезд различной массы после исчерпания ими источников ядерной энергии — от красных гигантов и белых карликов до нейтронных звезд (пульсаров) и черных дыр, с присущими этим удивительным объектам уникальными свойствами, определяемыми релятивистскими эффектами общей теории относительности.
8
Предисловие
Подобно Солнечной системе, многие звезды также обладают планетными системами, что нашло экспериментальное подтверждение лишь за два последних десятилетия и стало крупным достижением современной астрономии. Внесолнечные планеты обсуждаются в главе 7. Рассматриваются методы обнаружения, необычные свойства зкзопланет и разнообразные конфигурации планетных систем, многие из которых принципиально отличаются от Солнечной системы. Особое внимание уделяется открытию пока еще немногочисленных планет, подобных по своим размерам Земле и находящихся в пределах так называемой зоны обитания, на которых можно ожидать существование благоприятных климатических условий и даже наличие признаков жизни. Общим проблемам происхождения и эволюции планет (планетной космогонии) посвящена глава 8. Ее основу составляют фундаментальные теоретические концепции генезиса звездно-планетных систем с учетом известных ограничений, накладываемых астрономическими и космохимическими данными. Рассматриваемые сценарии исходят из образования газопылевых аккреционных дисков вокруг звезд солнечного типа, первоначальных рыхлых пылевых кластеров, их уплотнения и роста до протопланетных тел — планетезималей в процессе столкновительной эволюции и динамических взаимодействий, приводящих, в конечном итоге, к формированию систем планет. Логическим развитием этой темы служит обсуждение возможности зарождения на планете, находящейся в зоне с благоприятными климатическими условиями (зоне обитания) биологической активности, возникновения биоты. Этой интригующей проблеме, находящейся на стыке астрономии и биологии и потому называемой астробиологией, посвящена глава 9. Обсуждаются важнейшие критерии, составляющие основу жизни, ключевые понятия молекулярной биологии, концепция биосферы как одной из геологических оболочек планеты и ее биогеохимические функции, механизмы возникновения жизни, включая возможную связь абиогенеза и панспермии, биологическая эволюция видов. Затрагивается проблема связи с внеземными цивилизациями, что, как и сама проблема зарождения жизни и возникновения разума, имеет глубокое философское значение. В главе 10 перед читателем разворачивается вся необъятность космоса с населяющими его галактиками, звездами, туманностями, простирающегося от нашей Галактики — Млечного Пути до границы наблюдаемой Вселенной. Прослеживается иерархическая структура галактических кластеров, образующих определенную упорядоченность в виде космической паутины, связанной с ранним этапом эволюции Вселенной после ее возникновения. Ключевые вопросы происхождения и эволюции Вселенной, составляющие предмет космологии, обсуждаются в главе 11. Основой современной теории служит известная модель Большого Взрыва (Big Bang), подкрепляемая целым рядом экспериментальных данных. Среди них наблюдаемое разбегание галактик, свидетельствующее о продолжающемся расширении Вселенной от начального точечного образования
Предисловие
9
громадной плотности и температуры (сингулярности) и «отголоска» Большого Взрыва в виде регистрируемого фонового (реликтового) микроволнового излучения с температурой 2,7 К. Рассматриваются сценарии эволюции Вселенной, определяемые соотношением наблюдаемой и критической плотности. Показано, что постулируемый теорией необходимый баланс обеспечивается при учете, кроме относительно небольшого содержания видимой (барионной) материи, невидимых (обнаруживаемых по косвенным признакам) темной материи и темной энергии, составляющих основную массу Вселенной, хотя их физические свойства остаются пока неизвестными. Темная материя обеспечивает компактность галактических объектов, а темная энергия ассоциируется с введенной Эйнштейном космологической постоянной, являющейся аналогом антигравитации, определяющей ускоренное разбегание галактик и, в конечном итоге, судьбу Вселенной. Особо подчеркивается синергизм макро- и микрофизики, основой которых служат физика элементарных частиц и квантовая механика. Объединение четырех физических взаимодействий — сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного в рамках единой теории, называемой Великим объединением, призвано дать единую физическую картину мира. Важным этапом на этом пути стало недавнее экспериментальное обнаружение гравитационных волн. Наше современное понимание ранней и эволюционирующей Вселенной основывается на так называемой Стандартной модели, являющейся приближением к Великому объединению. Ее справедливость подкреплена открытием бозона Хиггса — короткоживущей субатомной частицы, взаимодействующей с гипотетическим квантовым полем Хиггса и позволяющей сохранить упорядоченность в системе элементарных частиц. В качестве основы физики элементарных частиц, объясняющей их разнообразие с единых позиций, предложена оригинальная теория суперструн. Эта теория призвана дать наиболее полное представление о природе материи. В свою очередь, современная космология представляет космос в виде бесконечного числа вселенных, похожих и не похожих на нашу, которые непрерывно рождаются и умирают на временной шкале в десятки миллиардов лет. Результатом одного из таких столкновений мог быть Большой Взрыв, предположительно положивший начало нашей Вселенной. Теория допускает возможность связи между вселенными через кротовые норы вдоль скрытых размерностей и выход в гиперпространство. Таким образом, содержание перечисленных одиннадцати глав дает читателю возможность получить основные современные представления о ближнем и дальнем космосе, о красоте, удивительном разнообразии и вместе с тем гармонии окружающего нас мира, лежащего за пределами собственной планеты в бесконечных просторах Вселенной. Автор попытался рассказать об этих волнующих проблемах по возможности увлекательно и простым языком, не прибегая к математическому аппарату, одновременно подчеркивая необъятные перспективы дальнейшего расширения наших знаний о природе и могуществе человеческого
10
Предисловие
разума, способного познавать тайны мироздания. Читатель найдет на страницах книги многочисленные примечания, призванные пояснить, главным образом, терминологию, используемую в научной литературе, а также небольшие повторы в отдельных главах, которые автор счел целесообразным допустить, руководствуясь тем соображением, что не все читатели будут последовательно читать всю книгу, а ограничатся наиболее интересными для себя разделами. С учетом принятого формата и стиля изложения в тексте не приведены ссылки на конкретные литературные источники. Однако для читателей, желающих более глубоко ознакомиться с теми или иными научными проблемами, в конце книги приведен краткий перечень литературы в виде монографий и обзоров, содержащих необходимые сведения. При этом автор ограничился русскоязычными (в том числе переводными) изданиями, хорошо осознавая, что они наиболее доступны отечественному читателю. Написание этой книги было бы невозможно без постоянной поддержки окружающих меня близких людей — жены, дочери, внуков. Эта поддержка позволила мне пережить трудный период жизни, справиться с болезнью, вернуться к активной жизни. Жене я обязан не только заботой, но и многочисленными советами профессионального астронома. Было бы трудно (если не невозможно) перечислить российских и зарубежных друзей и коллег, с которыми автора на протяжении долгих лет связывает плодотворное сотрудничество, в той или иной степени способствовавшее написанию этой книги, содержащей широкий комплекс обсуждаемых проблем. Всем им я выражаю свою искреннюю признательность. Особую благодарность выражаю О. А. Девиной и В. В. Куликовскому, оказавшим мне огромную, поистине неоценимую помощь при подготовке рукописи к печати. Я признателен также американскому и европейскому космическим агентствам и ряду зарубежных коллег за согласие воспроизвести на страницах книги многие иллюстративные материалы, отражающие современные результаты исследований, полученные с использованием космических аппаратов и астрономических инструментов. Хочется надеяться, что предлагаемая книга будет востребована и встречена с интересом широкой читательской аудиторией и одновременно окажется полезной студентам, преподавателям и школьникам старших классов, интересующимся астрономией и космосом. Надеюсь также, что она пробудит у читателя интерес к более глубокому познанию явлений окружающего нас мира и, вместе с тем, послужит заслоном лженаучным представлениям, мистицизму и оккультизму. Это позволит автору считать выполненной поставленную задачу. Все пожелания и критические замечания будут приняты с благодарностью. Их следует направлять по адресу: Издательство «Физмалит», Москва, ул. Бутлерова, 17.
Март 2016 г.
М. Я. Маров
Г л а в а 1.
СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА
Солнечная система Солнечная система — это область космического пространства вокруг центральной звезды — Солнца. Несмотря на ее большие размеры, по космическим масштабам — она лишь крохотная точка в космосе. Галактика, известная нам как Млечный Путь, в которой находится Солнечная система, содержит свыше двухсот миллиардов звезд, многие из которых похожи на Солнце, а некоторые окружены планетами наподобие Солнечной системы. Но и Млечный Путь — лишь одна из сотен миллиардов галактик со своими многочисленными звездами, и все это структурное разнообразие находится в бесконечных просторах Вселенной, которую наши древние предки ассоциировали с «полнотой существования». Обратимся, прежде всего, к вопросу о том, каковы масштабы расстояний в космосе или, другими словами, каковы размеры Солнечной системы в масштабах Вселенной. В качестве единицы длины в космосе обычно используется световой год (св. г.) — расстояние, которое свет, распространяющийся со скоростью 300 000 км/с в вакууме, преодолевает за один год; 1 св. г. равен примерно десяти триллионам километров ( 1013 км). Для астрономов более привычной единицей, однако, является парсек (пк) — это расстояние, с которого средний радиус орбиты Земли в годовом движении вокруг Солнца виден под углом в 1 . Это так называемый параллакс величиной 1 и, следовательно, парсек — это сокращенное название параллакс-секунда. 1 пк 3,26 св. г. Огромные расстояния во Вселенной измеряют в тысячах, миллионах и миллиардах парсеков, т. е., соответственно, килопарсеках (кпк), мегапарсеках (Мпк) и гигапарсеках (Гпк). Земля расположена на расстоянии 150 млн км от Солнца. Эта наиболее важная величина для измерения расстояний в Солнечной системе называется астрономической единицей (a. е. 1)). Свет преодолевает это расстояние приблизительно за 8 минут, в то время как 1 св. г. 63 241 a. е., а 1 пк 206 265 a. е. Наиболее удаленная планета Солнечной системы, Нептун, расположена на расстоянии 30 a. е. или 4,5 млрд км, и свет от Солнца достигает ее через 4,17 часа. Размер Солнечной системы несравненно больше, оно приблизительно совпадает 1) Это расстояние, первоначально определенное довольно приближенно, в настоящее время, по совокупности радиолокационных, лазерных измерений и из анализа орбит космических аппаратов определено с беспрецедентной точностью: 149 597 870 700 метров. Это новый стандарт, принятый в 2012 г. на XXVIII ассамблее Международного астрономического союза в Пекине, Китай.
12
Гл. 1. Солнечная система
с внешней границей Облака Оорта, в котором, как мы увидим в дальнейшем, находится основное семейство ядер комет, населяющих Солнечную систему ( 1013 ). Она расположена на расстоянии 105 a. е., или 1,5 св. г. ( 0,5 пк) и приблизительно соответствует пределу гравитационного притяжения Солнца, определяя так называемую сферу Хилла 1). Между тем, ближайшие к нам звезды Проксима Центавра и Альфа Центавра находятся на расстоянии 4,24 и 4,30 св. г. соответственно, т. е. примерно в 40 млрд км, что в 270 000 раз дальше от Земли, чем Солнце. Космическому кораблю, летящему от Земли со второй космической скоростью ( 12 км/с), потребовалось бы 100 000 лет, чтобы достичь звезды Проксимы Центавра, и почти втрое больше, чтобы долететь до одной из 65 звезд, подобных Солнцу, расположенных от нас в пределах 17 световых лет. По сравнению с нашей Галактикой, размер которой в диаметре составляет 100 000 св. лет или 30 кпк, размер Солнечной системы ( 1,5 св. г.) незначителен — всего лишь одна стотысячная ( 10 5 ) размера Млечного Пути. Семейство Солнечной системы (рис. 1.1) включает в себя восемь больших планет 2) с их спутниками, многочисленные малые тела (астероиды, кометы, метеороиды, межпланетная пыль). Большие планеты подразделяются на две группы: планеты земной группы, которые иногда называют внутренними, и внешние планеты-гиганты. Все они расположены в пределах 30 а. е. от Солнца (рис. 1.2 а, б). Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс — занимают сравнительно небольшую область в окрестности Солнца между 0,4 и 1,5 а. е., в то время как гигантские газообразные планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — находятся на расстояниях между 5 и 30 а. е. Между орбитами Марса и Юпитера находится Главный пояс астероидов, а за орбитой Нептуна, примерно от 40 до 100 а. е. — пояс Койпера с населяющими его карликовыми планетами, астероидами и кометными ядрами общим числом 108 . Положение планет на их орбитах показано на рис. 1.2 б и 1.3. Планеты земной группы являются твердыми телами, образованными различными минералами (иногда говорят каменными или скальными породами), а планеты-гиганты являются газово-жидкими и ледяными, не имеющими твердой поверхности. Почти все спутники принадлежат планетам-гигантам, каждая из которых также имеет систему колец. 1) Под сферой Хилла понимают область пространства вокруг астрономического объекта (например планеты), в пределах которого он может удерживать свой спутник, несмотря на гравитационное притяжение центрального тела (например звезды), вокруг которого обращается сам. 2) В начале 2016 г. было сообщено об открытии девятой большой планеты Солнечной системы, на порядок массивнее Земли и расположенной на расстоянии, примерно в 20 раз превышающем расстояние до Нептуна. Сообщение о существовании предполагаемой планеты сделано на основе анализа возмущений в движении карликовых планет в поясе Койпера (см. гл. 4).
13
Солнечная система
Рис. 1.1. Население Солнечной системы: большие планеты и малые тела — кометы и астероиды. (С любезного разрешения NASA)
б а Рис. 1.2. а — две группы больших планет: планеты земной группы (вверху) и планеты-гиганты (внизу); б — расположение орбит планет вокруг Солнца. (С любезного разрешения NASA)
14
Гл. 1. Солнечная система
Рис. 1.3. Схематичное изображение орбит больших планет вокруг Солнца. В нижней части: планетарная туманность, остающаяся после смерти звезды типа Солнца (G2) с продолжительностью жизни 10 млрд. лет. Наше Солнце исчерпает свое ядерное топливо через 5 млрд лет. Адаптировано из «Энциклопедии по астрономии и астрофизике». (С любезного разрешения ESA, 2002)
Исключение составляют спутник Земли — Луна и два небольших спутника Марса — Фобос и Деймос. Каждая планета обладает уникальными природными свойствами. Наиболее крупные изменения в процессе эволюции претерпели планеты земной группы, в то время как планеты-гиганты сохранились, по существу, неизмененными с момента их образования. Основные характеристики планет и их спутников суммированы в табл. 1.1 и 1.2 соответственно. Включены как орбитальные параметры (большая полуось, эксцентриситет, наклонение), так и физические свойства (радиус, масса, средняя плотность, альбедо 1)). В табл. 1.3 представлены спутники планет, обнаруженные сравнительно недавно. Это, как правило, очень небольшие по размеру тела, некоторые из них расположены на небольшом удалении от планеты. Их открытие стало возможным благодаря значительному усовершенствованию за последние годы методов и техники астрономических наблюдений. В настоящее время известны 67 спутников Юпитера, 62 — Сатурна, 27 — Урана и 14 спутников Нептуна. 1)
Различают геометрическое и сферическое (бондовское) альбедо. Альбедо Бонда определяется, как отношение светового потока, рассеянного сферическим телом во всех направлениях, к потоку, падающему на тело. Альбедо Бон , где — геода связано с геометрическим альбедо соотношением метрическое альбедо и — фазовый интеграл, учитывающий только ту часть освещенной поверхности, которая видна наблюдателю.
0,107 317,917
6378 6357 33962 3376 71492( 4)2 66854( 10)
Ê
Ä
Å
Æ
Ç
È
Земля
Марс
Юпитер
Сатурн
Уран
Нептун
17,147
14,871
95,188
5,515
5,9736 1024 кг
1,638
1,318
0,6873
1,326
3,933
5,204
5,427
0,815
Плотность , г/см3
0,41
0,51
0,47
0,52
0,150
0,367
0,84
0,138
0
1
Альбедо
30,069
19,192
9,543
5,203
1,5237
1,0000
0,7233
0,3871
Большая полуось , а. е.
0,009
0,0460
0,056
0,048
0,093
0,017
0,007
0,206
Эксцентриситет
1,770
0,773
2,489
1,303
1,850
0,0
3,394
7,005
Наклонение ,Æ
Т а б л и ц а 1.1
Согласно Yoder, C.F., 1995. Astrometric and geodetic properties of Earth and the Solar System. In Global Earth Physics: A Handbook of Physical Constants. AGU Reference Shelf 1, American Geophysical Union. 1 Геометрическое альбедо. 2 Экваториальный и полярный радиусы. Для планет-гигантов величины радиусов указаны для слоя с давлением 1 бар.
24764( 15)2 24342( 30)
25559( 4)2 24973( 20)
60268( 4)2 54364( 10)
2
6051,8
Ã
Венера
0,055
2440
Â
Меркурий
Масса ( 1)
Радиус , км
Символ
Планета
Основные характеристики планет
Солнечная система 15
0,15 10 5
0,01 10 4
0,06 0,1 0,09 0,05 0,61
10 8 7 2
125 73 64 2
58 49 42 2 1821,3 0,2
JXV Адрастея (Adrastea)
JV Амальтея (Amalthea)
JXIV Фива (Thebe)
JI Ио (Io)
0,07
0,06
0,12
30 20 17 2
3,53 0,006
1,76 0,30
1,90 0,08
3,34
0,318910
421,77
221,90
181,37
128,98
127,98
1,769138
0,6745
0,49818
0,29826
0,29478
23,4632 1,262441
9,3772
0,0041
0,0177
0,0031
0,0018
0,0012
0,00033
0,0151
0,040
1,070
0,388
0,054
0,02
1,791
1,082
5,15
ОрбиНаклотальный Эксцентнение период, риситет ,Æ земн. сут.
Т а б л и ц а 1.2
384,40 27,321661 0,054900
Плотность, Геомет. , г см 3 альбедо 103 км
JXVI Метида (Metis)
893,3 1,5
1,80
7,8 6,0 5,1 0,2
MII Деймос (Deimos)
Юпитер
1,08
734,9
23
Масса, 10 г
13,1 11,1 9,3 0,1
1737,53 0,03
Радиус или размер, км
MI Фобос (Phobos)
Марс
Луна
Земля
Планета и спутник
Основные характеристики планетарных спутников
16 Гл. 1. Солнечная система
1076 1
2403 5
JIV Каллисто (Callisto)
JXII Ананке (Ananke)
JVII Элара (Elara)
JX Лиситея (Lysithea)
JVI Гималия (Himalia)
40 10
0,042 0,006
1
1482
2634 10
JIII Ганимед (Ganymede)
85 10
479,7 1,5
1565 8
JII Европа (Europe)
JXIII Леда (Leda)
Масса, 10 г
23
Радиус или размер, км
Планета и спутник
0,02
1,85 0,004
1,94
3,02 0,04
0,20
0,42
0,64
Плотность, Геомет. г см 3 альбедо
21280
11737
11720
11460
11160
127,98
1070,4
671,08
10 км
3 ,
Основные характеристики планетарных спутников
610
260
259
251
241
0,29478
7,154553
3,551810
0,169
0,207
0,107
0,163
0,148
0,0012
0,0015
0,0101
Орбитальный Эксцентпериод, риситет земн. сут.
147
28
29
175,3
27
0,02
0,195
0,470
Наклонение ,Æ
Т а б л и ц а 1.2 ( п р о д о л ж е н и е )
Солнечная система 17
5 10 5 8 10 7 7 10 5 0,00157 0,00136
17 16 10
4,5 4,3 3,1 0,8 21 18 9 66 40 31 58 40 32
SXV Атлас (Atlas)
SXVI Прометей (Prometheus)
SXVII Пандора (Pandora)
SXXXV Дафнис (Daphnis)
SXVIII Пан (Pan)
0,15
0,50 0,09
0,47 0,07
0,46 0,1
0,34 0,21
0,41
0,9
0,6
0,9
0,5
0,60169
0,59408
0,57505
725
708
702
141,710 0,628804
0,0042
0,0022
0,0012
0,00003
0,00001
0,275
0,378
0,207
0,051
0,007
0,01
0,004
0,0001
153
148
163
ОрбиНаклотальный Эксцентнение период, риситет ,Æ земн. сут.
139,380 0,612986
137,670
136,51
133,584
23940
JIX Синопе (Sinope)
Сатурн
23620
JVIII Пасифе (Pasiphae)
Масса, 10 г
Плотность, Геомет. , г см 3 альбедо 103 км 23400
Радиус или размер, км
23
Т а б л и ц а 1.2 ( п р о д о л ж е н и е )
JXI Карме (Carme)
Планета и спутник
Основные характеристики планетарных спутников
18 Гл. 1. Солнечная система
SXIV Калипсо (Calypso)
15 11, 5 7
0,6
0,9
294,66
294,66
6,27
533 2
SIII Тефия (Tethys)
0,97
238,02
1,0
0,65
249,1 0,3
SII Энцелад (Enceladus) 1,61
212,28
2,6 2,2 1,8 0,3
SXXXIII Паллена (Pallene)
0,694590
0,694590
1,887802
1,887802
1,370218
1,1537
1,037
1,00958
0,0005
0,0000
0,0045
0,004
0,02
0,000
0,0202
0,007
0,010
1,50
1,09
0,02
0,18
0,02
0,02
1,53
0,16
0,35
ОрбиНаклотальный Эксцентнение период, риситет ,Æ земн. сут.
185,52 0,9424218
151,47
197,7
0,5
0,8
151,47
SXLIX Анфа (Anthe)
1,15
0,63 0,06
0,8
194,23
0,38
0,019
0,69 0,13
Плотность, Геомет. , г см 3 альбедо 103 км
Т а б л и ц а 1.2 ( п р о д о л ж е н и е )
SXXXII Мефона (Methone)
109 196 191
SI Мимас (Mimas)
2
0,0053
59 58 53 2
(97,4 96,9 76,2
Масса, 10 г
23
Радиус или размер, км
SX Янус (Janus)
SXI Эпиметей (Epimetheus)
Планета и спутник
Основные характеристики планетарных спутников
Солнечная система 19
18,1 1,5 0,082
736 3
115 110 105 10
SVIII Япет (Iapetus)
SIX Феба (Phoebe)
1,63
1,09
0,6
0,1042
0,0292
0,001
0,019
0,005
0,0022
0,0002
0,08
12 952
550,48
0,164
0,05–0,5 3 561,3 79,330183 0,028 3
0,2–0,3 1 481,1 21,276609
1 15,945421 221,85
0,054
0,21
180 133 103 4
SVII Гиперион (Hyperion)
1,88
1345,7
2575 2
SVI Титан (Titan)
0,7
527,04 4,517500
1,23
23,1
764 2
SV Рея (Rhea)
SXXXIV Полидевк (Polydeuces)
377,71 2,736915
377,71 2,736915
377,71 2,736915
294,66 1,887802
175,3
7,52
0,43
0,33
0,35
0,18
0,2
0,02
1,18
ОрбиНаклотальный Эксцентнение период, риситет ,Æ земн. сут.
1,5 1,2 1,0 0,4
0,7
19,4 18,5 12,3
SXII Елена (Helene)
1,46
0,7
11,0
561,7 0,9
SXIII Телесто (Telesto)
SIV Диона (Dione)
Масса, 10 г
Т а б л и ц а 1.2 ( п р о д о л ж е н и е )
Плотность, Геомет. , г см 3 альбедо 103 км 0,5
Радиус или размер, км
23
15,7 11,7 10,4
Планета и спутник
Основные характеристики планетарных спутников
20 Гл. 1. Солнечная система
0,07 0,07 0,07 0,07 0,07
13 2 16 2 22 3 33 4 29 3
UVI Корделия (Cordelia)
UVII Офелия (Ophelia)
UVIII Бианка (Bianca)
UIX Крессида (Cressida)
UX Дездемона (Desdemona)
896
783
687
62,658 0,473651
61,767 0,463570
59,166 0,434577
53,764 0,376409
0,0003
0,0002
0,0003
0,010
0,000
0,3
0,48
0,36
0,10
0,04
0,18
0,1
0,1
46
34
45
ОрбиНаклотальный Эксцентнение период, риситет ,Æ земн. сут.
49,752 0,335033
18 195
SXXIX Сиарнак (Siarnaq)
Уран
16 394
SXXVI Альбиорикс (Albiorix)
Масса, 10 г
Плотность, Геомет. , г см 3 альбедо 103 км 15 198
Радиус или размер, км
23
Т а б л и ц а 1.2 ( п р о д о л ж е н и е )
SXX Палиак (Paaliaq)
Планета и спутник
Основные характеристики планетарных спутников
Солнечная система 21
UV Миранда (Miranda)
UXXVI Маб (Mab)
UXV Пак (Puck)
UXXV Пердита (Perdita)
UXIV Белинда (Belinda)
240 0,6 234,2 0,9 232,9 1,2
77 3
0,659 0, 075
1,20 0,14
0,27
0,07
0,07
0,07
29 4
UXIII Розалинда (Rosalind)
34 4
0,07
55 6
UXII Порция (Portia)
UXXVII Купидон (Cupid)
0,07
5
Масса, 10 г
129,8
97,736
86,004
76,417
75,256
74,4
69,927
66,097
64,358
1,413
0,922958
0,761832
0,638019
0,623525
0,612825
0,558459
0,513196
0,493066
0,0027
0,0025
0,0004
0,003
0,000
0
0,0006
0,0005
0,0001
4,22
0,13
0,3
0
0,0
0
0,09
0,03
0,05
ОрбиНаклотальный Эксцентнение период, риситет ,Æ земн. сут.
Т а б л и ц а 1.2 ( п р о д о л ж е н и е )
Плотность, Геомет. , г см 3 альбедо 103 км
42
Радиус или размер, км
23
UXI Джульетта (Juliet)
Планета и спутник
Основные характеристики планетарных спутников
22 Гл. 1. Солнечная система
13,53 1,20 11,72 1,35 35,27 0,90 30,14 0,75
581, 1 0, 9 577, 9 0, 6 577, 7 1, 0 584,7 2,8 788,9 1,8 761,4 2,6
UII Умбриэль (Umbriel)
UIII Титания (Titania)
UIV Оберон (Oberon)
8 004 12 179 16 256 17 418
UXVII Сикоракса (Sycorax)
UXVIII Просперо (Prospero)
UXIX Сетебос (Setebos)
582,6
435,8
266,0
191,2
UXX Стефано (Stephano)
0,24
0,27
0,18
0,34
7 231
1,63 0,05
1,71 0,05
1,40 0,16
1,67 0,15
Плотность, Геомет. , г см 3 альбедо 103 км
2 225
1 978
1 288
677
580
13,463
8,706
4,144
2,520
0,59
0,44
0,52
0,23
0,16
0,0008
0,0022
0,0050
0,0034
158
152
159
144
141
0,10
0,10
0,36
0,31
ОрбиНаклотальный Эксцентнение период, риситет ,Æ земн. сут.
Т а б л и ц а 1.2 ( п р о д о л ж е н и е )
UXVI Калибан (Caliban)
UI Ариэль (Ariel)
Масса, 10 г
23
Радиус или размер, км
Планета и спутник
Основные характеристики планетарных спутников
Солнечная система 23
0,06 0,7
218 208 201 1352,6 2,4 170 2,5
NVIII Протей (Proteus)
NI Тритон (Triton)
NII Нереида (Nereid)
0,2
0,06
7
104 89
0,06
79 12
NVI Галатея (Galatea)
NVII Ларисса (Larissa)
0,06
74 10
NV Деспина (Despina)
0,554654
0,428745
0,334655
0,311485
0,294396
5,876854 5 513,4 360,13619
354,76
0,751
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
7,23
156,834
0,55
0,20
0,05
0,07
0,21
4,74
ОрбиНаклотальный Эксцентнение период, риситет ,Æ земн. сут.
117,647 1,122315
73,548
61,953
52,526
50,075
2,054 0,032
Геомет. , альбедо 103 км
NIV Таласса (Thalassa)
214,7 0,7
Масса, 10 г
Плотность, г см 3
48,227
Радиус или размер, км
23
Т а б л и ц а 1.2 ( п р о д о л ж е н и е )
NIII Наяда (Naiad)
Нептун
Планета и спутник
Основные характеристики планетарных спутников
24 Гл. 1. Солнечная система
46 570 46 738
NXIII Несо (Neso)
NX Псамафа (Psamathe)
Согласно I. de Pater and J. Lissauer, 2010.
22 580
NXII Лаомедея (Laomedeia)
9 136
8 863
2 982
2 919
22 452
0,45
0,53
0,48
0,30
0,57
137
132
35
48
134
ОрбиНаклотальный Эксцентнение период, риситет ,Æ земн. сут.
NXI Сао (Sao)
Плотность, Геомет. , г см 3 альбедо 103 км 1 875
Масса, 1023 г
15 686
Радиус или размер, км
Т а б л и ц а 1.2 ( о к о н ч а н и е )
NIX Галимеда (Halimede)
Планета и спутник
Основные характеристики планетарных спутников
Солнечная система 25
26
Гл. 1. Солнечная система Т а б л и ц а 1.3 Вновь открытые спутники планет Солнечной системы
Нумерация
Название
Средний радиус, км
Большая полуось, км
Сидерический период обращения, земн. сут., (р) — ретроградное движение
Год открытия
2000
Юпитер XVII
Каллирое (Callirrhoe)
4,3
24 103 000
758,77 (р)
XVIII
Фемисто (Themisto)
4,0
7 284 000
130,02
XIX
Мегаклите (Megaclite)
2,7
23 493 000
752,86 (р)
2000
XX
Тайгете (Taygete)
2,5
23 280 000
732,41 (р)
2000
XXI
Халдене (Chaldene)
1,9
23 100 000
723,72 (р)
2000
XXII
Гарпалике (Harpalyke)
2,2
20 858 000
623,32 (р)
2000
XXIII
Калике (Kalyke)
2,6
23 483 000
742,06 (р)
2000
XXIV
Иокасте (Iocaste)
2,6
21 060 000
631,60 (р)
2000
XXV
Эриноме (Erinome)
1,6
23 196 000
728,46 (р)
2000
XXVI
Исоное (Isonoe)
1,9
23 155 000
726,23 (р)
2000
XXVII
Праксидике (Praxidike)
3,4
20 908 000
625,39 (р)
2000
XXVIII
Автоное (Autonoe)
2,0
24 046 000
760,95 (р)
2001
XXIX
Тионе (Thyone)
2,0
20 939 000
627,21 (р)
2001
XXX
Гермиппе (Hermippe)
2,0
21 131 000
633,9 (р)
2001
XXXI
Этне (Aitne)
1,5
23 229 000
730,18 (р)
2001
XXXII
Эвридоме (Eurydome)
1,5
22 865 000
717,33 (р)
2001
1975/2000
27
Солнечная система
Т а б л и ц а 1.3 ( п р о д о л ж е н и е ) Вновь открытые спутники планет Солнечной системы
Нумерация
Название
Средний радиус, км
Большая полуось, км
Сидерический период обращения, земн. сут., (р) — ретроградное движение
Год открытия
XXXIII
Эванте (Euanthe)
1,5
20 797 000
620,49 (р)
2001
XXXIV
Эвпорие (Euporie)
1,0
19 304 000
550,74 (р)
2001
XXXV
Ортозие (Orthosie)
1,0
20 720 000
622,56 (р)
2001
XXXVI
Спонде (Sponde)
1,0
23 487 000
748,34 (р)
2001
XXXVII
Кале (Kale)
1,0
23 217 000
729,47 (р)
2001
XXXVIII
Пазифее (Pasithee)
1,0
23 004 000
719,44 (р)
2001
XXXIX
Гегемоне (Hegemone)
1,5
23 577 000
739,88 (р)
2003
XL
Мнеме (Mneme)
1,0
21 035 000
620,04 (р)
2003
XLI
Аойде (Aoede)
2,0
23 980 000
761,50 (р)
2003
XLII
Тельксиное (Thelxinoe)
1,0
21 164 000
628,09 (р)
2003
XLIII
Архе (Arche)
1,5
23 355 000
731,95 (р)
2002
XLIV
Каллихоре (Kallichore)
1,0
23 288 000
728,73 (р)
2003
XLV
Гелике (Helike)
2,0
21 069 000
626,32 (р)
2003
XLVI
Карпо (Carpo)
1,5
17 058 000
456,30
2003
XLVII
Эвкеладе (Eukelade)
2,0
23 328 000
730,47 (р)
2003
XLVIII
Киллене (Cyllene)
1,0
23 809 000
752 (р)
2003
XLIX
Коре (Kore)
1,0
24 543 000
779,17 (р)
2003
28
Гл. 1. Солнечная система Т а б л и ц а 1.3 ( п р о д о л ж е н и е ) Вновь открытые спутники планет Солнечной системы
Нумерация
Название
Средний радиус, км
Большая полуось, км
Сидерический период обращения, земн. сут., (р) — ретроградное движение
Год открытия
L
Герсе (Herse)
1,0
22 983 000
714,51 (р)
2003
LI
S/2010 J 1
1,0
23 314 335
723,2 (р)
2010
LII
S/2010 J 2
0,5
20 307 150
588,1 (р)
2010
LIII
Дия (S/2000 J 11)
2,0
12 570 000
287,93
2000/2012
S/2003 J 2
1,0
28 455 000
981,55 (р)
2003
S/2003 J 3
1,0
20 224 000
583,88 (р)
2003
S/2003 J 4
1,0
23 933 000
755,26 (р)
2003
S/2003 J 5
2,0
23 498 000
738,74 (р)
2003
S/2003 J 9
0,5
23 388 000
733,30 (р)
2003
S/2003 J 10
1,0
23 044 000
716 25 (р)
2003
S/2003 J 12
0,5
17 833 000
489,72 (р)
2003
S/2003 J 15
1,0
22 630 000
689,77 (р)
2003
S/2003 J 16
1,0
20 956 000
616,33 (р)
2003
S/2003 J 18
1,0
20 426 000
596,58 (р)
2003
S/2003 J 19
1,0
23 535 000
740,43 (р)
2003
S/2003 J 23
1,0
23 566 000
732,45 (р)
2003
S/2011 J 1
0,5
20 155 290
580,7 (р)
2011
S/2011 J 2
0,5
23 329 710
726,8 (р)
2011
Сатурн XIX
Имир (Ymir)
9
23 040 000
1 315,14 (р)
2000
XX
Палиак (Paaliaq)
11
15 200 000
686,95
2000
XXI
Тарвос (Tarvos)
7,5
17 983 000
9262
2000
29
Солнечная система
Т а б л и ц а 1.3 ( п р о д о л ж е н и е ) Вновь открытые спутники планет Солнечной системы
Нумерация
Название
Средний радиус, км
Большая полуось, км
Сидерический период обращения, земн. сут., (р) — ретроградное движение
Год открытия
XXII
Иджирак (Ijiraq)
6
11 124 000
451,42
2000
XXIII
Суттунг (Suttungr)
3,5
19 459 000
1 016,67 (р)
2000
XXIV
Кивиок (Kiviuq)
8
11 110 000
449,22
2000
XXV
Мундильфари (Mundilfari)
3,5
18 628 000
952,77 (р)
2000
XXVI
Альбиорикс (Albiorix)
16
16 182 000
783,45
2000
XXVII
Скади (Skathi)
4
15 540 000
728,20 (р)
2000
XXVIII
Эррипо (Erriapus)
5
17 343 000
871,19
2000
XXIX
Сиарнак (Siarnaq)
20
17 531 000
8956
2000
XXX
Трюм (Thrymr)
3,5
20 314 000
1 094,11 (р)
2000
XXXI
Нарви (Narvi)
3,5
19 007 000
1 003,86 (р)
2003
XXXII
Мефона (Methone)
1,5
194 000
1 010
2004
XXXIII
Паллена (Pallene)
2
211 000
1 140
2004
XXXIV
Полидевк (Polydeuces)
2
377 220
2 740
2004
XXXV
Дафнис (Daphnis)
3,5
136 500
0 594
2004
XXXVI
Эгир (Aegir)
3
20 751 000
1 117,52 (р)
2004
XXXVII
Бефинд (Bebhionn)
3
17 119 00
834,84
2004
30
Гл. 1. Солнечная система Т а б л и ц а 1.3 ( п р о д о л ж е н и е ) Вновь открытые спутники планет Солнечной системы
Название
Средний радиус, км
Большая полуось, км
Сидерический период обращения, земн. сут., (р) — ретроградное движение
Год открытия
XXXVIII
Бергельмир (Bergelmir)
3
19 336 000
1 005,74 (р)
2004
XXXIX
Бестла (Bestla)
3,5
20 192 000
1 088,72 (р)
2004
XL
Фарбаути (Farbauti)
2,5
20 377 000
1 085,55 (р)
2004
XLI
Фенрир (Fenrir)
2
22 454 000
1 260,35 (р)
2004
XLII
Форньот (Fornjot)
3
25 146 000
1 494,2 (р)
2004
XLIII
Хати (Hati)
3
19 846 000
1 038,61 (р)
2004
XLIV
Гирроккин (Hyrrokkin)
4
18 437 000
931,86 (р)
2006
XLV
Кари (Kari)
3,5
22 089 000
1 230,97 (р)
2006
XLVI
Логи (Loge)
3
23 058 000
1 311,36 (р)
2006
XLVII
Сколл (Skoll)
3
17 665 000
878,29 (р)
2006
XLVIII
Сурт (Surtur)
3
22 704 000
1 297,36 (р)
2006
XLIX
Анфа (Anthe)
1
197 700
1,0365
2007
L
Ярнсакса (Jarnsaxa)
3
18 811 000
964,74 (р)
2006
LI
Грейп (Greip)
3
18 206 000
921,19 (р)
2006
LII
Таркек (Tarqeq)
3,5
18 009 000
887,48
2007
LIII
Эгеон (Aegaeon)
0,25
167 500
0,808
2008
S/2004 S 7
3
20 999 000
1 140,24 (р)
2004
Нумерация
31
Солнечная система
Т а б л и ц а 1.3 ( о к о н ч а н и е ) Вновь открытые спутники планет Солнечной системы
Нумерация
Название
Средний радиус, км
Большая полуось, км
Сидерический период обращения, земн. сут., (р) — ретроградное движение
Год открытия
S/2004 S 12
2,5
19 878 000
1 046,19 (р)
2004
S/2004 S 13
3
18 404 000
933,48 (р)
2004
S/2004 S 17
2
19 447 000
1 014,70 (р)
2004
S/2006 S 1
3
18 790 000
963,37 (р)
2006
S/2006 S 3
3
22 096 000
1 227,21 (р)
2006
S/2007 S 2
3
16 725 000
808,08 (р)
2007
S/2007 S 3
3
18 975 000
977,8 (р)
2007
S/2009 S 1
0,15
117 000
0,471
2009
86 000
0,762
1985
Уран
2
XV
Пак (Puck)
XXI
Тринкуло (Trinculo)
5
8 504 000
749,24 (р)
2001
XXII
Франциско (Francisco)
6
4 276 000
266,56 (р)
2001
XXIII
Маргарита (Margaret)
5,5
14 345 000
1 687,01
2003
XXIV
Фердинанд (Ferdinand)
6
20 901 000
2 887,21 (р)
2001
XXV
Пердита (Perdita)
10
76 417
0,638
1986
XXVII
Купидон (Cupid)
5
74 392
0,613
2003
0,9362
2013
81
Нептун XIV
Полифем (Polyphemus) S/2004 N 1
Согласно Википедии.
8–10
105 283
32
Гл. 1. Солнечная система
Как видим, две группы планет сильно различаются, прежде всего, по величине объемной плотности: планеты земной группы гораздо плотнее, чем планеты-гиганты. Как уже отмечалось, это связано с большим различием в составе твердых (скальных, или каменных) внутренних планет земной группы и газово-жидких и ледяных внешних планет-гигантов. Земля и Венера сопоставимы по своим размерам, в то время как Марс почти вдвое меньше, а Меркурий лишь немного больше Луны и является самой маленькой планетой Солнечной системы. А самая большая планета — Юпитер, который более чем в десять раз превышает Землю по размеру и более чем в триста раз по массе, хотя его плотность примерно вчетверо меньше плотности Земли. Плотность Сатурна даже меньше плотности воды, а Уран и Нептун имеют существенно большую плотность, чем Юпитер и Сатурн. Это вызвано тем, что большая доля водородсодержащих соединений, таких как вода, метан и аммиак, образующих их мантии, находится в виде льдов. Отметим также, что планеты-гиганты вращаются вокруг своих осей намного быстрее чем Земля и Марс, в то время как Меркурий и особенно Венера вращаются крайне медленно. Помимо больших планет Солнечная система населена многочисленными телами значительно меньшего размера: астероидами, кометами, метеороидами и межпланетной (метеорной) пылью, сосредоточенными главным образом в Главном поясе астероидов, поясе Койпера и Облаке Оорта (рис. 1.4). Поскольку некоторые астероиды представляют собой достаточно крупные тела, Международный астрономический союз (МАС) выделил их в отдельную группу карликовых планет 1) — промежуточных тел между большими планетами и астероидами. Размеры карликовых планет составляют от примерно 1000 до 2000 км. Единственная карликовая планета во внутренней части Солнечной системы — Церера. Она представляет собой большое каменно-ледяное тело размером 976 км, находящееся в Главном поясе астероидов на расстоянии между 2,8 и 3,3 а. е. В этой же зоне расположены самый яркий, видимый с Земли астероид Веста размером 525,4 0,2 км и лишь немного уступающая Весте по размеру Паллада (512 6 км), которые уже не подпадают под эту категорию. Другие карликовые планеты расположены в транснептуновом поясе Койпера, населенном кометами и астероидами. Здесь находится Плутон размером 2374 8 км, переведенный упомянутым решением МАС из семейства больших планет, к которому его раньше относили, в категорию карликовых планет. 1)
Согласно определению, принятому в 2006 г. Международным астрономическим союзом, карликовая планета — это небесное тело, обращающееся по орбите вокруг Солнца, обладающее достаточной массой для поддержания за счет гравитационных сил состояния гидростатического равновесия и имеющее форму, близкую к сферической, и не способное своей гравитацией расчистить окрестности собственной орбиты от других объектов.
Солнечная система
33
Рис. 1.4. а — три основных семейства тел Солнечной системы (из нижнего левого в правый верхний угол): большие планеты (1–30 а. е.), пояс Койпера (40–100 а. е.), Облако Оорта (104–105 а. е.) в относительных масштабах; б — соотношение масштабов семейств малых тел и орбит планет: слева — пояс Койпера (синяя точка) окружает нашу планетную систему, распространяясь до расстояния в 100 а. е., и находится глубоко внутри Облака Оорта; справа — Главный пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера на расстоянии 2,8–3,2 а. е. (зеленые точки). Внутри Главного пояса астероидов красными точками указаны группы астероидов, сближающихся с Землей (Амур, Аполлон, Атон) — NEO. (С любезного разрешения D. Yeomans и Планетного общества США)
34
Гл. 1. Солнечная система
Ему лишь немного уступает находящаяся здесь другая крупная ледяная карликовая планета — Эрида, размер которой достигает 2326 12 км, а масса, как и у Плутона, составляет приблизительно 0,25 % массы Земли. Ледяные карликовые планеты занимают весьма узкую область вблизи внутренней границы пояса Койпера приблизительно на расстоянии 40 а. е., в то время как внешняя граница пояса простирается почти до 100 а. е. Общее число малых тел в областях Главного пояса астероидов и пояса Койпера можно оценить только статистически, хотя техника астрономических наблюдений непрерывно совершенствуется. В то время как количество сравнительно крупных тел оценивается достаточно точно, с уменьшением размера вплоть до тел метровых размеров — метеороидов, и частиц межпланетной пыли их число растет почти экспоненциально. В Главном поясе число астероидов с размерами, превышающими один километр, достигает нескольких сот тысяч. Число тел в поясе Койпера оценивается величиной в сотни миллионов. Планетология охватывает широкий комплекс проблем, связанных с общим подходом к изучению Солнечной системы и ее населения, в первую очередь, планет и их спутников. Эти проблемы включают динамическую устойчивость системы, особенности орбитального и вращательного движений различных тел, включая возникновение резонансов; механизмы формирования и эволюции природных условий на планетах и спутниках; планетную геологию и строение недр; взаимодействие планет с малыми телами, миграционные процессы и столкновения; особенности обтекания планет плазмой солнечного ветра и формирования свойств околопланетного пространства. Все эти проблемы, по существу, связаны с фундаментальной концепцией образования Солнечной системы и ее эволюции, лежащей в основе планетной космогонии, а также с высшей формой эволюции — происхождением и распространением жизни. Реконструкция физико-химических процессов, обеспечивших формирование Солнечной системы и развитие уникальных природных условий на планетах, относится к ключевым направлениям современной астрофизики. В отличие от многочисленных звезд, наблюдаемых на различных стадиях их эволюции, до недавнего времени мы располагали только одним примером сформировавшейся планетной системы — Солнечной системой. Ситуация резко изменилась начиная с середины 1990-х годов, когда были обнаружены первые планеты и системы планет у других звезд (экзопланеты), число которых к настоящему времени уже измеряется тысячами, и процесс обнаружения новых внесолнечных планет непрерывно растет (см. гл. 7). Это открыло возможности применять статистический подход при анализе планетных систем и находить закономерности, уже давно обнаруженные астрономами, занимающимися проблемами звездной эволюции.
Орбитальная и вращательная динамика
35
Орбитальная и вращательная динамика Динамика планетных систем, прежде всего тел Солнечной системы, является одним из наиболее важных разделов динамической астрономии. Ее изучение в течение более чем нескольких тысячелетий, начиная от «Альмагеста» Клавдия Птолемея до революционного изменения представлений о мире Николая Коперника, заложило основы небесной механики, которая была создана трудами Исаака Ньютона, Иоганна Кеплера и Пьера-Симона Лапласа. Как уже говорилось, только в самом конце прошлого столетия были обнаружены планетные системы у других звезд, что неизмеримо расширило представления о свойствах и разнообразии ближайших звездных популяций. Фундаментальный закон Ньютона для гравитации, сформулированный им в 1687 г. в «Математических началах натуральной философии», лежит в основе движения планет вокруг Солнца и спутников вокруг планет, тогда как три закона Кеплера (рис. 1.5) определяют форму
Рис. 1.5. Иллюстрация первого и второго законов Кеплера (источник: Википедия)
и свойства их орбит. Закон Ньютона устанавливает, что сила гравитации определяется как
, 2
где — масса Солнца, — масса планеты, — расстояние между планетой и Солнцем, и 6,67 10 8 cм3 г 1 с 2 — гравитационная постоянная. Три закона Кеплера для планетных орбит формулируются следующим образом: I. Орбита планеты представляет эллипс с Солнцем в одном из фокусов эллипса. II. Радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади за равные промежутки времени.
36
Гл. 1. Солнечная система
III. Квадраты периодов обращения планет бам больших полуосей их орбит 1):
пропорциональны ку-
1 2 2 1 2 3
Эти законы достаточно хорошо описывают орбитальные движения планет, хотя для получения точных оценок движения необходимо учитывать различные типы возмущений, как периодические, так и постоянно действующие (вековые). В более строгой формулировке невозмущенного кеплеровского движения тела относительно центра масс орбита представляет собой плоскую кривую второго порядка, один из фокусов которой находится в центре масс, а фокальная ось совпадает с направлением вектора Лапласа — линией апсид. Вершины этой кривой на минимальном и максимальном удалении от центра — апсиды — называются, соответственно, перицентром и апоцентром (в случае околоземной орбиты перигеем и апогеем). Общее решение системы дифференциальных уравнений невозмущенного движения (общий интеграл) содержит шесть элементов орбиты (большая полуось , эксцентриситет , наклонение , аргумент перицентра , долгота восходящего узла , момент прохождения через перицентр ), определяемых начальными значениями координат и компонентов скорости. При наличии возмущений истинная орбита рассчитывается как постоянно и непрерывно изменяющаяся (оскулирующая) орбита. Наиболее сильные возмущения (пертурбации) испытывают малые тела — кометы и астероиды. Законы Ньютона и Кеплера использовались при поиске новых планет. Открытия Нептуна и Плутона явились триумфом небесной механики, хотя обнаружение Плутона, как выяснилось позднее, было в определенной мере случайным. Предполагалось существование и других планет, что стимулировалось правилом Тициуса–Боде, представляющим собой эмпирическую формулу, приблизительно описывающую расстояния между планетами Солнечной системы и Солнцем (средние радиусы орбит). Согласно этой формуле расстояния между орбитами планет и орбитой Меркурия возрастают по закону геометрической прогрессии со знаменателем, примерно равным двойке:
0,4 0,3 2 ,
, 0 . . . 7
Очевидно, при получаем радиус орбиты Меркурия, при 0 — Венеры и т. д. (Нептун из этой последовательности выпадает). Следуя этому правилу (некоторые исследователи были склонны называть его законом), делали предсказания о наличии планеты на расстоянии 2,8 а. е., получившей название Фаэтон. В этой области находится
1)
Как показал И. Ньютон, в более точной формулировке третий закон Кеплера, кроме массы центрального тела , включает также массы планет 1 и
2 , так что
1 2
2 1 2 2
31 . 32
Орбитальная и вращательная динамика
37
Главный пояс астероидов, происхождение которого не связано с наличием гипотетической планеты. Само же правило Тициуса–Боде не имеет строгого физического или математического обоснования, так как не существует общих решений так называемой задачи трех и тем более тел. Все объекты семейства небесных тел в Солнечной системе — планеты и их спутники, астероиды, кометы, метеороиды и метеорная пыль — находятся в состоянии постоянного динамического взаимодействия. Взаимные гравитационные притяжения (приливные взаимодействия) небесных тел приводят к возмущениям орбитальных и вращательных движений. Наиболее известным и ярким проявлением такого эффекта служат приливы и отливы на Земле из-за притяжений Луны и Солнца. Приливные взаимодействия заставляют орбиты планет отклоняться от кеплерового эллипса и порождают возмущенное движение. Все планеты, кроме Венеры и Урана, вращаются в прямом направлении (против часовой стрелки), оси вращения отклоняются от нормали к плоскости орбиты (близкой к эклиптике) в пределах 30Æ , с чем связаны, однако значительные сезонные изменения. В свою очередь, особенности вращательных движений планет и их спутников, по-видимому, обусловлены историей их эволюции начиная со времени формирования, включая эффективность столкновительных взаимодействий первичных тел. Это относится, в частности, к уникальному характеру вращения Венеры и Урана и многочисленных спутников планет-гигантов. Наклоны осей вращения планет Солнечной системы по отношению к плоскости эклиптики показаны на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Наклон оси вращения планет Солнечной системы по отношению к плоскости эклиптики. (С любезного согласия Calvin J. Hamilton)
Вращение и внутренняя структура планеты тесно связаны с образованием магнитного поля. Данные о магнитных полях планет суммированы в табл. 1.4. Наиболее сильными магнитными полями обладают планеты-гиганты и Земля. На Земле (и, вероятно, на других планетах) напряженность магнитного поля испытывает периодические изменения со средним периодом приблизительно в сотни тысяч лет, а также хаотические изменения, как это было найдено при изучении намагниченности земных пород, в том числе вулканических лав и отложений в океанах и других водных бассейнах. Положение магнитного диполя, ответственное за изменение полярности магнитных полюсов, изменяется с гораздо более коротким периодом, оцениваемым от тысячи до десяти
38
Гл. 1. Солнечная система Т а б л и ц а 1.4 Магнитные поля планет Планета
Напряженность магнитного поля на экваторе, Э (105 гамма)
Меркурий
0,0035
Венера
0
Земля
0,35
Марс
0
Юпитер
4,28
Сатурн
0,21
Уран
0,25
Нептун
0,30
Согласно Википедии. Примечание: Напряженность магнитного поля (в эрстедах или гамма) связана с магнитной индукцией (в гауссах или тесла (1 Tл 104 Гс) как , где — магнитная проницаемость (степень намагниченности, которую приобретает вещество в ответ на приложенное магнитное поле). Для реальной среды изменяется относительно 0 в вакууме (открытом космосе)
тысяч лет. Это так называемые нерегулярные инверсии геомагнитного поля. По-видимому, то же самое справедливо для других планет. Механизм и физическая природа происхождения планетарного магнетизма до конца не поняты. Наиболее вероятным механизмом возникновения магнитного поля считается гидромагнитное динамо в недрах планет, обусловленное конвективным тепло- и массопереносом в ядре и высокопроводящей мантии. Существующие аналитические и численные модели в целом подкрепляют такой механизм образования магнитного диполя. Косвенным свидетельством справедливости модели гидромагнитного динамо служит отсутствие собственного магнитного поля на очень медленно вращающейся Венере. В классической небесной механике разработаны разнообразные методы расчетов параметров орбитального и вращательного движения тел Солнечной системы применительно как к консервативным, так и диссипативным (с учетом приливной эволюции) системам. Достаточно полное описание характера движений и поведения тел на больших временных интервалах можно получить в рамках задачи двух и особенно трех тел, хотя последняя не имеет в математическом смысле общего аналитического решения. Ее наиболее полное исследование было проведено выдающимся французским математиком Анри Пуанкаре, который показал, что в зависимости от начальных условий можно получить множество необычных, в том числе хаотических, траекторий. Фактически приближенное решение задачи трех тел в плоском случае
Орбитальная и вращательная динамика
39
позволяет оценить влияние на орбитальные движения тел близких гравитационных взаимодействий, т. е. накладываемых на регулярное движение периодических и хаотических возмущений. Такой подход применяется, например, для расчета возмущенного движения космического аппарата при его сближении с планетой вследствие гравитационного воздействия Солнца, планеты и ее спутника, если такой есть. Здесь мы имеем случай, связанный с изучением периодических решений, включая выродившиеся решения, где масса одного из двух тел, движущихся по круговым орбитам вокруг их общего центра масс, стремится к нулю. С появлением мощных вычислительных комплексов стало возможно проводить также исследования движений N тел при наличии вклада различного рода внешних возмущений, однако, с ограниченным учетом взаимных гравитационных взаимодействий 1). Использование схемы решений в ограниченной задаче трех тел позволило получить точки Лагранжа, или -точки. Эти точки либрации были найдены французским математиком Жозефом Луи Лагранжем еще в 18-м столетии. В орбитальной конфигурации двух крупных тел они занимают пять положений (точки 1 – 5 ), и в такой системе маленький объект (такой, как космический аппарат), на который воздействует только гравитация, занимает относительно устойчивое положение с двумя крупными телами (например такими, как звезда и планета или планета и ее спутник) (рис. 1.7). Положение точек Лагранжа непосредственно связано с упомянутой выше сферой Хилла, которая расположена между точками 1 и 2 на прямой, соединяющей гравитационные центры двух тел. В случае, например, системы Солнце–Земля область гравитационного влияния Земли в этом направлении наименьшая, что ограничивает размер сферы Хилла. Однако за пределами этого расстояния орбита удаленного спутника Земли (третьего тела), определяемая ее гравитационным потенциалом, будет испытывать заметное влияние приливных сил центрального тела (Солнца) и постепенно перейдет на его орбиту. С физической точки зрения точки Лагранжа соответствуют положениям объекта, где объединенное гравитационное притяжение двух больших масс создает центростремительную силу 2), необходимую для совместного с ними вращения. Другими словами, при наличии двух массивных тел на орбите вокруг их общего центра масс имеется пять положений в пространстве, в котором третье тело сравнительно небольшой массы сохраняет равновесное положение относительно двух массивных тел. Типичные примеры — космические 1) Впервые аналитическое решение задачи многих тел, позволяющее вычислять их орбитальные элементы, было получено Лапласом, исходя из теории вековых возмущений. 2) Центростремительная сила (от латинских слов «centrum» центр и «petere» стремиться) — это сила, которая действует на тело, движущееся по круговой траектории, причем направление этой силы всегда перпендикулярно к вектору скорости тела.
40
Гл. 1. Солнечная система
Рис. 1.7. Точки Лагранжа 1 – 5 в системе центральное тело–спутник. В основном, все точки Лагранжа слегка неустойчивы и инерция космического аппарата, движущегося от барицентра, сбалансирована притяжением к барицентру. Для 1 , 2 и 3 разрешены только периодические орбиты (гало) вокруг этих точек. В 4 и 5 (называемых также треугольными точками Лагранжа или троянскими точками) объект постоянно зависает или вращается около них. В этих точках группируются спутники планеты (например, Троянцы Юпитера). На данной диаграмме изображена система Солнце–Земля со спутником в точке 1 . (Источник: Википедия)
аппараты, запущенные в точки Лагранжа в системах Солнце–Земля или Земля–Луна. Отметим, что все точки Лагранжа, вообще говоря, номинально неустойчивы (инерция космического корабля, направленная от центра масс, примерно уравновешивается гравитационным притяжением к центру масс). Соответственно, в точках 1 , 2 и 3 могут быть реализованы только периодические орбиты (гало) вокруг этих точек. При этом 2 и 3 слабо неустойчивы, потому что небольшие возмущения, позволяющие доминировать той или иной силе, нарушают равновесие между притяжением и инерцией, так что космический корабль, не снабженный необходимой тягой, либо улетает в космос, либо движется по спирали к центру масс. Уравновешенный спутник в точке 1 имеет ту же угловую скорость, что и Земля относительно Солнца и, следовательно, занимает стабильную позицию относительно Солнца при наблюдении с Земли. Особый интерес представляют точки 4 и 5 , расположенные вдоль орбиты спутника под углом 60Æ относительно прямой линии, соединяющей центры планеты и спутника. В них обеспечивается равновесие между притяжением и скоростью объекта в близкой окрестности этих точек, вследствие чего находящийся здесь объект совершает периодические движения, в среднем сохраняя стабильность. Типичным
Орбитальная и вращательная динамика
41
примером являются естественные спутники Троянцы на орбите Юпитера, о которых подробнее будет рассказано в гл. 3. В сущности, детально разработанные и широко используемые как точные, так и приближенные аналитические методы небесной механики позволяют находить необходимые решения при расчетах орбит и их эволюции. Они также позволяют устанавливать области стабильности и неустойчивости решений для различных видов движений. Вместе с тем, в последние десятилетия, с появлением высокопроизводительных ЭВМ широкое применение получили методы прямого численного интегрирования. Численно-аналитические методы эффективно используются, в частности, при изучении проблемы порядка и хаоса в Солнечной системе. Они привели к выводу, что орбиты планет с малыми эксцентриситетами и наклонениями являются только слегка хаотичными и не имеют сколь-нибудь значимой вековой составляющей, т. е. сохраняют устойчивость на временной шкале, сопоставимой с возрастом Солнечной системы. Это подтверждает знаменитую теорему Лапласа об устойчивости Солнечной системы, из которой следует, что в первом приближении, при малых эксцентриситетах и наклонениях орбит к плоскости эклиптики, большие полуоси оскулирующих орбит планет свободны от необратимых (вековых) возмущений. Другими словами, они испытывают только небольшие периодические колебания около постоянных значений орбитальных параметров и остаются на практически неизменных радиальных расстояниях от Солнца на орбитах, близких к круговым, лежащих почти в одной плоскости и обладающих почти неизменными угловыми скоростями. Это не означает, однако, что подобная конфигурация сохранялась в далеком прошлом, особенно при формировании Солнечной системы, поскольку условие устойчивости Лапласа неприменимо к малым телам, наклонения и эксцентриситеты которых могут принимать большие значения. Вообще следует подчеркнуть, что в космосе и, в частности, в Солнечной системе, одновременно существует большое разнообразие как упорядоченных (регулярных), так и беспорядочных (хаотических) движений. Другими словами, его можно рассматривать как многомерную нелинейную колебательную систему, в которой, помимо детерминированных движений, происходят движения качественно иной природы, получившие название динамический хаос. Согласно теоретическим результатам известного российского математика В. И. Арнольда, хаотические компоненты присутствуют во всех типах движений и степень их проявления зависит от начальных условий (величины возмущений). Особенно наглядно это проявляется в движениях малых тел, однако определенные хаотические воздействия испытывали в прошлом и планеты, особенно в наклонах и ориентации осей вращения 1). 1) Наклонение орбиты Марса находится и в настоящее время в широкой хаотической зоне, см. гл. 2.
42
Гл. 1. Солнечная система
Соизмеримости и резонансы Важной особенностью орбитальной и вращательной динамики являются различные типы синхронизации движений, не связанных, вообще говоря, напрямую с теоремой Лапласа. Они приводят к возникновению соизмеримостей в средних движениях 1) и резонансов, вызываемых гравитационными взаимодействиями между телами Солнечной системы — планетами, их спутниками и многочисленными малыми телами. Согласно теории устойчивости динамических систем (теории Колмогорова–Арнольда–Мозера, или КАМ-теории) в окрестностях резонанса возможно возникновение траекторий двух типов — регулярных и случайных, что наглядно проявляется на многочисленных примерах движений этих тел. Можно говорить о том, что соизмеримости и резонансы во многом определяют динамическую структуру Солнечной системы и, как будет показано в гл. 7, структуру систем внесолнечных планет. Происхождение этих явлений обусловлено диссипативными силами (приливным трением), что, в свою очередь, оказало несомненное влияние на эволюционные процессы. Явление синхронизации, приводящее к возникновению резонанса, наиболее свойственно соседним планетам, находящимся в тесном и постоянном гравитационном взаимодействии, имеющим периодический характер 2). Резонанс может возникать при наличии простых целочисленных соотношений между частотами или периодами средних движений, в том числе орбитальных и вращательных движений. Самый яркий пример синхронизации в системе тел Солнечной системы — синхронное вращение Луны вокруг Земли, обусловленное равенством орбитального периода спутника периоду собственного вращения планеты. Из-за этого мы можем наблюдать только одну сторону Луны, за исключением лишь небольших участков на лимбе, что обусловленно явлением физической и орбитальной либрации. Так же синхронно вращается большинство других спутников планет. Особенностью вращательно-поступательного движения Меркурия является наличие спин-орбитального резонанса, вследствие чего его период собственного вращения (звездные сутки равны 58,6 земных суток) равен двум третям сидерического (относительно звезд) периода обращения вокруг 1)
Среднее движение планеты вокруг Солнца определяется исходя из ее среднего периода обращения (предположения о равномерном движении по круговой орбите). 2) Заметим, что одной из особенностей динамических систем является отсутствие нижнего предела синхронизации, вследствие чего она может устанавливаться при неограниченно слабой связи между объектами. Классическим примером служит синхронизация орбитальных движений Земли и Венеры, вследствие чего при минимальных расстояниях между этими планетами — в нижнем соединении (inferior conjunction) — Венера всегда обращена к Земле одной стороной.
Соизмеримости и резонансы
43
Солнца — меркурианского года (88 земн. сут.), а одни солнечные сутки (синодический день на Меркурии, отвечающий периоду его движения относительно Солнца) равны трем сидерическим дням, или двум меркурианским годам. Интересная соизмеримость, вызванная наличием орбитального резонанса, существует в движениях Нептуна и Плутона, вследствие чего столкновение между этими телами исключено, хотя орбита Плутона заходит внутрь орбиты Нептуна, а точные вычисления обнаружили наличие хаотической составляющей в движении Плутона. Примером динамического взаимодействия является резонанс в системе трех галилеевых спутников Юпитера, который обусловил их во многом удивительную природу (см. гл. 3). Резонансы трех тел (и сопутствующие им субрезонансы) в системе Юпитер–Сатурн–Уран воздействуют на некоторые нерегулярные (хаотические) орбитальные движения всей Солнечной системы. К сожалению, мы не можем надежно восстановить эволюционную историю, приведшую к существующим динамическим конфигурациям планет и систем их спутников. Это касается, в частности, характера первичных вращений Меркурия и Венеры и возникновения в дальнейшем нового стабилизирующего механизма, или проблемы происхождения Луны и спутников Марса, не говоря уже о сложных динамических взаимодействиях в системах колец и спутников планет-гигантов. В то время как возможность сближений и тем более столкновений планет исключена, такие явления характерны для комет и астероидов, испытывающих сильные возмущения, особенно для тех из них, которые подвержены приливному воздействию планет. В результате их орбиты изменяются непрерывно, что повышает вероятность столкновений и фрагментации. Осколки столкновений в виде метеоритов, выпадающих на Землю, делают возможным лабораторное изучение внеземного вещества. Гравитационное взаимодействие астероидов с планетами также приводит во многих случаях к возникновению резонансов. Действительно, большое количество малых тел захвачено на резонансные орбиты ближайших планет. Замечательным примером этого служит наличие люков Кирквуда в Главном поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера в области от 2,7 до 3,2 а. е. Они вызваны резонансами орбитальных периодов астероидов с периодом Юпитера (4:1; 3:1; 5:2; 2:1; 3:2). Другой пример — резонансы средней угловой скорости (соизмеримости периодов) транснептуновых тел в поясе Койпера с Нептуном (4:3; 3:2; 2:1), а также их вековые резонансы (прецессия орбит) из-за соизмеримости долготы восходящего угла орбиты и аргумента перигелия. Интересно, что орбиты этих тел устойчивы на временной шкале 108 лет, хотя наличие резонансов приводит к постепенному «накоплению неустойчивости» и резкому росту эксцентриситетов из-за гравитационного влияния Нептуна, следствием чего является их медленное рассеяние тел из пояса Койпера.
44
Гл. 1. Солнечная система
Из-за вековых возмущений самой большой неустойчивостью отличается область между «внутренней» и «классической» зонами в поясе Койпера ( 40–43 а. е.). Тела из этой зоны постепенно мигрируют во внутренние области Солнечной системы, вначале преимущественно захватываясь на орбиты, пересекающиеся с орбитой Юпитера (Jupiter-crossing Object, JCO). Некоторая доля их в дальнейшем мигрирует к Солнцу, пополняя Главный пояс астероидов, в том числе три группы астероидов, пересекающиеся с орбитами внутренних планет. Это группы Амура, Аполлона и Атона, которые обычно называют объектами, сближающимися с Землей (Near Earth Objects, NEO). Орбиты этих объектов, особенно близко подходящие к орбите Земли астероиды группы Аполлона и даже заходящие внутрь орбиты Земли астероиды группы Атона, подвержены самой большой хаотизации их орбит и потому представляют главную опасность из-за возможности столкновения с Землей. Другим примером является область соизмеримости 3:2 между орбитами Юпитера и Сатурна, «запрещенная» для захода внутрь нее астероидов; исключение составляют астероиды группы Гильды, совершающие вблизи этой зоны устойчивые колебания. Следует, однако, подчеркнуть, что орбиты комет подвержены наибольшей хаотизации, вызываемой как гравитационными взаимодействиями с планетами, так и силами негравитационного происхождения. Это создает трудности в предсказании их движения и в точности определения эфемерид. Вот почему кометы представляют даже более серьезную угрозу нашей цивилизации, чем астероиды. Тесные сближения с планетами оказывают наибольшее влияние на динамику комет, иногда приводящее даже к их переходу на гиперболические орбиты и уходу («испарению») в межзвездную среду. И наоборот, кометы из межзвездной среды (галактического происхождения) могут пополнять Облако Оорта. Такие тела на внешней границе Солнечной системы (гелиопаузе) могут заходить внутрь гелиосферы вследствие гравитационных возмущений от ближайших звезд, обеспечивая тем самым связь Солнечной системы с Галактикой. Нельзя исключить, что за время, исчисляемое миллиардами лет, кометы внесолнечного происхождения сталкивались с планетами и их спутниками, в частности с Луной, что открывает перспективы изучения первичного вещества протосолнечной туманности. Это лишний раз говорит нам о том, насколько важна роль комет — носителей наиболее примитивного материала, из которого формировалась Солнечная система, — для планетной космогонии.
Миграции и столкновения На стыке астрофизики и геофизики все большее внимание привлекают процессы миграции малых тел и их роль в эволюции Земли и других планет земной группы. Разнообразие размеров, состава и свойств астероидов Главного пояса между орбитами Марса и Юпитера служит свидетельством драматичных событий в истории Солнечной системы
Миграции и столкновения
45
на ранних этапах эволюции, когда первичные тела активно перемещались и перемешивались, а конфигурация системы, по-видимому сильно отличалась от современной. Растет понимание того, что миграционные процессы могли оказать существенное влияние на формирование природных условий на внутренних планетах и, в частности, на образование атмосферы и гидросферы. Действительно, с миграцией тел из Главного пояса астероидов и пояса Койпера можно связать доставку летучих (прежде всего, воды) на ранней стадии эволюции Солнечной системы, особенно в период «поздней тяжелой бомбардировки» (Late Heavy Bombardment, LHB) примерно 4 млрд лет тому назад. Такой механизм позволил бы cкомпенсировать потерю летучих в высокотемпературной области формирования планет земной группы и объяснить появление земной гидросферы. Идея переноса вещества в Солнечной системе за счет процессов миграции непосредственно связана также с интригующей проблемой происхождения жизни. Кометы, помимо важности их роли в планетной космогонии, привлекают возрастающий интерес и как возможные переносчики предбиогенного вещества. Мы вернемся к этой проблеме в гл. 9. Гравитационные взаимодействия, лежащие в основе процессов миграции малых тел, приводят к их взаимным соударениям и столкновениям с планетами. Наглядным свидетельством выпадения на планеты и их спутники тел разного размера на протяжении всей истории Солнечной системы (ударной бомбардировки) служат многочисленные кратеры на их поверхности. Это своего рода «шрамы», которые сохранились на планетах, а их источники служили важным фактором геологической эволюции. Следы интенсивного кратерообразования особенно хорошо видны на тех телах, где последствия ударной бомбардировки не были стерты последующими процессами эрозии под влиянием атмосферы и гидросферы, а в случае Земли — и биосферы. К ним относятся Луна, Меркурий, спутники планет-гигантов, многие астероиды и ядра комет, поверхность которых буквально испещрена кратерами. В частности, большие бассейны («моря») диаметром более 1000 км на Луне возникли в результате падения астероидов, размер которых мог достигать сотни километров. В то время как спектр размеров лунных кратеров простирается от десятков и сотен километров вплоть до сантиметров, для Земли, Марса и особенно Венеры, обладающих атмосферами, порог минимальных размеров образующихся кратеров значительно выше, что обусловлено предельным размером ударника, способного достичь поверхности этих тел. Метеориты, выпадающие на Землю, являются фрагментами значительно более крупных тел (астероидов, метеороидов). Метеороиды размером менее 10–15 метров обычно разрушаются при входе в атмосферу Земли, а их фрагменты практически целиком испаряются, не достигая поверхности. Тела размерами выше этого порога порождают метеориты и «метеорные дожди», причем, чем крупнее тело, тем ниже
46
Гл. 1. Солнечная система
вероятность его столкновения с Землей. Между тем, в истории Земли были катастрофические события, когда с нею сталкивались даже очень крупные тела. Имеется достаточно свидетельств подобных событий, приводивших к глобальным катаклизмам, по крайней мере, за последние несколько сот миллионов лет. Наиболее известным и хорошо документированным примером служит образование кратера Чуксулуб, когда с Землей столкнулся астероид размером 10 км. Он оставил кратер диаметром приблизительно 170 км поперечником на полуострове Юкотан в Мексике. Событие датируется промежутком между Меловым периодом и Палеоценом 65 млн лет назад, и оно, вероятно, имело катастрофические глобальные последствия для земной биосферы. С ним, в частности, связывают исчезновение рептилий, характерным представителем которых были динозавры, преобладавшие в тот период в земной фауне. Другой пример — катастрофа местного масштаба в районе реки Тунгуска в Сибири в 1908 г. Она была вызвана столкновением с Землей сравнительно небольшого астероида или фрагмента кометы, размером 50 м. Меньший по размерам (около 20 м) метеороид «Челябинск» столкнулся с Землей в феврале 2013 г. Это событие впервые произошло в густонаселенном районе на Урале и вызвало заметные разрушения. Ярким свидетельством довольно регулярно происходящих столкновений малых тел с планетами стало выпадение на Юпитер в 1994 г. кометы Шумейкеров–Леви 9, разорванной на два десятка примерно километровых фрагментов приливными силами при ее сближении с планетой. Это событие сопровождалось колоссальным энерговыделением при входе тел в атмосферу Юпитера и грандиозными зрелищными эффектами.
Г л а в а 2.
ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ
Основные свойства В отличие от газово-жидких и ледяных планет-гигантов, сохранившихся, по существу, неизмененными по структуре и составу со времени рождения Солнечной системы 4,55 млрд лет назад, планеты земной группы (рис. 2.1) претерпели значительные изменения в ходе их последующей эволюции. В состав планет земной группы (как и ядер планетгигантов) вошли в различных сочетаниях такие наиболее важные породообразующие элементы, рожденные в глубинах космоса, как магний,
Рис. 2.1. Планеты земной группы в порядке удаления от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс (масштаб не соблюден). Мозаика автора из изображений NASA
железо, кремний, алюминий, кальций. Эволюция, подтверждаемая особенностями внутреннего строения, геологии, морфологии поверхности, свойств атмосфер (рис. 2.2 a) контролировалась как эндогенными, так и экзогенными факторами, включая расстояние от Солнца, ударную бомбардировку, аккумулирование первичных радионуклидов. С энергетической точки зрения основную роль играли эндогенные факторы — генерация внутреннего тепла вследствие распада долгоживущих радиоактивных изотопов (уран, торий, калий), накопление которых сильно зависит от размера планеты. Экзогенные факторы, оставившие на поверхности многочисленные кратеры от соударений с телами различных размеров, в том числе с крупными астероидами, также внесли существенный вклад в процессы тепловой эволюции, особенно в формирование поверхностных структур. Пик интенсивности, обусловленный выпадением остатков тел, формировавших планеты, (планетезималей) и миграционными процессами, пришелся на эпоху поздней тяжелой бомбардировки, 4,0 млрд лет назад. В совокупности внутреннее тепловыделение предопределило характер тектонических процессов и широко распространенного раннего вулканизма. В свою очередь, расстояние планеты от Солнца, от которого зависит приток падающего на нее излучения, определяет тепловой баланс
48
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.2. а — внутренняя структура планет земной группы, Луны и Юпитера. Порядок в расположении главных областей (ядро, мантия, кора) является следствием дифференциации составляющего их вещества на оболочки. Их протяженность зависит от размера (массы) планеты, содержания главных компонентов и температуры конденсации в зоне формирования. Масса тела предопределяет состояние ядра и толщину коры (литосферы); б — параметры недр (температура , давление и безразмерный момент инерции ) планет земной группы и Луны в сравнении с параметрами Юпитера и строение внутреннего ядра (внизу); в — скорость распространения сейсмических волн и изменения плотности внутри Земли по данным измерений. Отмечены главные области внутри Земли и границы между ними. Эта модель, созданная в начале 1980-х гг., называется «Предварительная эталонная модель Земли» (Preliminary Earth Reference Model, PREM). Источник: Википедия
и климатические свойства. Для планет земной группы вклад в тепловой баланс внутреннего тепла из недр вследствие продолжающегося распада радионуклидов незначителен, в отличие от планет-гигантов, у которых этот источник превышает приток тепла от Солнца.
Основные свойства
49
Планетная геология тесно связана с дифференциацией внутренних областей планеты на оболочки (ядро, мантия, кора), сопровождаемой процессами тектоники и вулканизма, что отчетливо прослеживается на поверхностных ландшафтах. Степень дифференциации как внутренних, так и внешних планет была различной. Ее характеризуют измеренные квадрупольные моменты их гравитационных полей и безразмерный момент инерции 2 , где — момент инерции относительно полярной оси, и — соответственно, масса и радиус планеты (рис. 2.2 а, б). Заметим, что для идеальной сферы с однородно распределенной плотностью 0,4; чем больше неоднородность распределения плотности в недрах (массивное тяжелое ядро и более легкая мантия), тем меньше величина . Поэтому для слабо дифференцированной Луны, обладающей небольшим ядром, 0,392, в то время как минимальные значения (меньше 0,3) характерны для планет-гигантов с протяженными газово-жидкими или ледяными мантиями. Наименьшие у Юпитера и Сатурна, имеющих тяжелое железо-силикатное ядро и легкую водородно-гелиевую оболочку. Импактные структуры наиболее четко видны на телах, лишенных атмосферы, таких как Меркурий и Луна. Сильно кратерированные ландшафты также сохранились на поверхности Марса, хотя из-за наличия даже не очень плотной атмосферы древние кратеры были частично разрушены процессами выветривания. Для геологии Марса и Венеры наиболее характерны процессы вулканизма, что сильно отличает их от геологии Земли, для которой основным механизмом является глобальная тектоника плит. На Марсе существуют громадные древние щитовые вулканы, возвышающиеся на 26 км относительно среднего уровня поверхности, которые, несмотря на относительно небольшой размер планеты, являются самыми высокими в Солнечной системе. Другой замечательной геологической особенностью Марса является Долина Маринера — гигантская система каньонов, простирающаяся вдоль экватора более чем на 4500 км (что составляет четверть окружности планеты), имеющая ширину до 200 км и глубину до 11 км. Вероятно, это древний тектонический разлом на планете. На Венере в ее раннюю геологическую эпоху, по-видимому, происходили локальные тектонические процессы, с которыми можно связать некоторые геологические особенности на ее поверхности. Геологические структуры были выявлены только посредством радиолокационной съемки, поскольку при наблюдениях в оптическом диапазоне волн поверхность полностью закрывают ее плотная атмосфера и облака. На планете обнаружены многочисленные вулканы, с которыми, главным образом, связана тепловая эволюция планеты. Основной период вулканической деятельности, по-видимому, закончился сравнительно недавно, менее ста миллионов лет назад, хотя в самое последнее время на Венере были найдены свидетельства вулканической активности в современную эпоху.
50
Гл. 2. Планеты земной группы
С тепловой эволюцией планеты во многом связано формирование ее атмосферы. Современные газовые оболочки планет земной группы рассматриваются как атмосферы вторичного происхождения, поскольку первичная атмосфера, вероятно, образовавшаяся в процессе аккумуляции планеты была потеряна и современная атмосфера сформировалась в ходе дальнейшей эволюции. Атмосферами обладают все планеты земной группы, за исключением Меркурия, у которого чрезвычайно разреженная газовая оболочка, по плотности сопоставимая с экзосферой Земли. Состав атмосфер планет земной группы показан в табл. 2.1. Т а б л и ц а 2.1 Химический состав атмосфер на планетах земной группы (по Lissauer and de Pater, 2013) Компонент
Меркурий
H2
22,0 %
He
6,0 %
N2 O2
42,0 %
CO2 Na
Венера
Марс
0,7808
0,035
0,027
0,2095
0–20 ppm
0,0013
345 ppm
0,965
0,953
29,0 %
CH4 K
Земля
2 ppm 0,5 %
10 ppb
H2 O
0,03
30 ppm
100 ppm
Ar
0,009
70 ppm
0,016
CO
0,2 ppm
20 ppm
700 ppm
O3
10 ppm
2 ppb
SO2 Остальные компоненты
0,01 ppm 100 ppm
0,5 %
Из табл. 4.5 в книге de Pater and Lissauer (2010). Ссылки и детали приведены там. Все числа в объемных долях. Из Википедии. Остальные 0,5 % составляют вода, углекислый газ, азот, аргон, ксенон, криптон, неон, кальций, магний вместе взятые.
Как видим, атмосферы соседних планет, Венеры и Марса, значительно отличаются от земной: давление на поверхности Венеры достигает 92 атм., а температура составляет 735 K, в то время как на поверхности Марса среднее давление не превышает 0,006 атм, а средняя температура приблизительно 220 K. Атмосферы обеих планет состоят,
Основные свойства
51
главным образом, из углекислого газа с относительно небольшой примесью азота (а на Марсе также аргона). На Венере практически нет кислорода, а на Марсе его содержание ничтожно. В незначительных количествах присутствуют пары воды. В отличие от Венеры, у которой нет сезонных колебаний температуры из-за небольшого наклона экватора к эклиптике, на Марсе, наклон оси вращения которого к эклиптике почти такой же, как у Земли, сезонные колебания четко выражены. Температурные колебания между летним и зимним полушариями достигают 100 градусов. На зимнем полюсе температура опускается ниже точки замерзания CO2 , в результате чего он конденсируется из атмосферы, и отложения «сухого льда» покрывают марсианские полярные шапки, хотя в основном они состоят из слабо подверженного сезонным изменениям водяного льда. Периодические сезонные отложения и сублимация углекислого газа в полярных областях служат важным механизмом планетарной циркуляции атмосферы Марса, вовлекающей как меридиональные, так и зональные ветры. Венера — во многом уникальная планета с необычными природными условиями. Помимо плотной горячей атмосферы с приведенными выше значениями параметров, она обладает облаками своеобразной структуры и состава, специфической атмосферной динамикой. Планетарная циркуляция на Венере характеризуется, помимо глобального переноса между экватором и полюсами, также механизмом суперротации, которую иногда называют карусельной циркуляцией. Она отчетливо наблюдается на высоте приблизительно 60 км, где находится верхний слой облаков, перемещающихся в направлении вращения планеты со скоростью почти 100 м/с, в то время как скорость ветра на поверхности не превышает 0,5–1 м/с. Облака Венеры состоят из капелек концентрированной серной кислоты. Этот необычный состав дополняет картину экзотической и негостеприимной окружающей среды соседней планеты, которая по своим природным условиям еще до середины прошлого столетия считалась близнецом Земли. Марс — другой наш ближайший сосед в Солнечной системе — с точки зрения природной среды является противоположностью Венере. По своим климатическим условиям он гораздо более благоприятен для будущих пилотируемых полетов, а в далекой перспективе — и возможной колонизации. Исторически эта планета рассматривалась как наиболее подходящий объект для существования даже высокоразвитой жизни вне Земли, а в настоящее время задача ее обнаружения на микробном уровне в полной мере сохраняет свою актуальность. Действительно, в отличие от Венеры, где предполагаемый древний океан был потерян вследствие развития необратимого парникового эффекта, приведшего к ее современному климату, большие изначальные запасы воды на Марсе могли сохраниться со времени катастрофического изменения климата на рубеже приблизительно 3,6–3,8 млрд лет тому назад, причины которого до конца не поняты. Вполне вероятно, что современный Марс сохранил значительную часть своего древнего
52
Гл. 2. Планеты земной группы
водного резервуара, первоначальный объем которого, по существующим оценкам, был эквивалентен средней глубине океана 0,5 км и мог сохраниться в слое вечной мерзлоты под поверхностью в виде водных линз и прослоев. Такая возможность, с которой напрямую связаны перспективы обнаружения существующей или ископаемой жизни (fossils), подкрепляется изучением многих специфических геологических структур по результатам детальной съемки поверхности с космических аппаратов, а также обнаружением воды на глубине приблизительно до 1 м, неравномерно распределенной и сосредоточенной, главным образом, в приполярных областях. Все это подкрепляет сценарий эволюции, согласно которому у древнего Марса был гораздо более мягкий климат, существовала довольно плотная атмосфера и по поверхности текли реки вплоть до климатической катастрофы, в результате которой атмосфера стала разреженной, а водный лед захоронен под толстым слоем пылепесчаных отложений. Мы начнем обсуждение внутренних планет с нашей собственной планеты обитания, Земли, и ее естественного спутника Луны, которые вместе образуют систему Земля–Луна. Поскольку Земля — наш космический дом, мы изучаем другие планеты земной группы, исходя, прежде всего, из стремления лучше понять место Земли среди других планет Солнечной системы. Луна предоставляет уникальную возможность для понимания важных этапов ранней геологической истории Земли. Меркурий, Венера и Марс по космическим масштабам располагаются очень близко к Земле, но развивались совершенно различными путями. Мы обсудим природу этих планет, уделив особое внимание Венере и Марсу, как предельным моделям эволюции Земли с отличными от нее природными механизмами обратной связи. Другими словами, Земля воспринимается нами в контексте всего семейства планетных тел, которые в совокупности хранят неоценимые данные об истории Солнечной системы и служат важной основой для понимания особенностей формирования природных условий на планетных телах. Это дает подход к решению ключевой проблемы: что предопределило уникальный путь эволюции Земли, приведшей к созданию условий для зарождения и развития жизни. Опираясь на данные сравнительной планетологии, можно оценить, каковы могут быть неблагоприятные тренды дальнейшей эволюции. В этом состоит важнейшая задача планетных исследований, прикладное значение которых сводится к необходимости осознания человечеством последствий неконтролируемого роста антропогенного влияния на окружающую среду с целью предотвратить развитие опасных сценариев.
Земля Общие сведения. Земля — третья планета по расстоянию от Солнца и самое большое небесное тело среди четырех планет земной группы. Она обращается вокруг Солнца на среднем расстоянии, соответствующем
Земля
53
большой полуоси орбиты 149,6 миллионов километров (1 а. е.) с очень небольшим эксцентриситетом 0,017. Это означает, что орбита Земли почти круговая, хотя расстояние до Солнца изменяется, когда Земля движется от перигелия в январе к афелию в июле. Земля движется по своей орбите со скоростью 29,8 км/с и период обращения составляет orb 365,256 дней (1 год). Сидерический период обращения вокруг своей оси (относительно звезд, или 1 сидерический день) rot 23 ч 56 мин 4,99 с. Наклон экватора Земли к плоскости околосолнечной орбиты (эклиптике) равняется 23Æ 27 , и это обусловливает существенные сезонные изменения на нашей планете. По космическим масштабам Земля — довольно маленькое тело. Ее экваториальный радиус составляет 6378 км, полярный радиус 6356 км и, следовательно, сплюснутость составляет 0,0034. В геодезии и космонавтике для описания фигуры Земли обычно выбирают эллипсоид вращения или геоид, по форме напоминающий грушу. С геоидом связана система астрономических координат, с эллипсоидом вращения — система геодезических координат. Масса Земли E 5,974 1024 кг, средняя плотность 5,515 г/см3 и среднее ускорение силы тяжести 9,78 м/с2 (немного больше на полюсах по сравнению с экватором). Поверхность, геология. Поверхность Земли представлена континентами и океанами, причем океаны занимают почти две трети всей поверхности. 94 % состава Земли (по объему) составляют кислород, магний, кремний и железо. Вместе с алюминием и кальцием они являются породообразующими элементами, в то время как углерод и азот относят к летучим. Их распространенность составляет 1 %. Элементный состав континентов и океанов сильно различается. Возраст Земли, отсчитываемый от времени образования Солнечной системы, которое, в свою очередь, основано на датировке наиболее древних кальцийалюминиевых включений (CAI — Calcium Aluminum Inclusions) в метеоритах Альенде и Ефремовка (подробнее см. в гл. 4), составляет 4567,5 0,5 миллионов лет. Земля — геологически активная планета. Основной геологический механизм — глобальная тектоника плит, согласно которому ее внешняя оболочка (литосфера) не однородна, а раздроблена на отдельные большие плиты, перемещающиеся друг относительно друга (рис. 2.3). Этот механизм включает в себя зону спрединга, где горячая лава поднимается из верхней мантии, раздвигая литосферные плиты и заполняя разломы между ними, и зоны субдукции, где плиты вместе с отложениями осадочных пород медленно погружаются глубоко под континенты. Гипотеза спрединга на океаническом дне была впервые выдвинута американским ученым Гарри Хессом в 1960 г. Зоны спрединга совпадают со срединно-океаническим хребтом, протянувшимся по дну всех океанов. Как зоны спрединга, так и зоны субдукции связаны с очагами наиболее мощной вулканической деятельности и землетрясений.
Рис. 2.3. Океаническое ложе Земли. Рельеф несет на себе следы тектоники литосферных плит, включая срединно-океанический хребет и зоны субдукции на границах океанов, связанные с наиболее мощной вулканической деятельностью и энтрузией — внедрением магмы в земную кору (Предоставлено: Брюс Хизен (Bruce Heizen)). Справа — изображение Земли с лунной орбиты, переданное КА «Зонд-7»
54 Гл. 2. Планеты земной группы
Земля
55
На земной поверхности насчитывается приблизительно 800 действующих вулканов, и ежегодно происходят многочисленные землетрясения. Глобальная тектоника плит ответственна за дрейф континентов, которые непрерывно отодвигаются друг от друга, как это впервые предположил немецкий ученый Альфред Вегенер в 1912 г. Эта гипотеза была принята, однако, научным сообществом значительно позднее, только после выдвижения Хессом идеи о существовании зон спрединга. Реконструкция процесса раздвижения плит привела к выводу, что 300–200 миллионов лет назад существовал суперконтинент Пангея, который распался на несколько частей, породив существующие теперь континенты. В поддержку этой модели говорит сравнение контуров восточной части Южной Америки с западной частью Африки, которые обнаруживают весьма сходные очертания. Модель была также подтверждена всесторонним изучением дна океана и палеомагнитных данных — магнитных свойств ранее извергнутых лавовых потоков. Тектоника плит, эволюция движений континентов обусловлены конвективными движениями в мантии, с которыми связана вулканическая и сейсмическая активность. Результаты математического моделирования конвективных движений, охватывающих нижнюю и верхнюю мантию, свидетельствуют о сложном циклическом характере геодинамических процессов в недрах, приведших к особенностям формирования древних суперконтинентов и возникновению определенной асимметрии океанической и континентальной коры в современную эпоху. С реконструкцией магматических течений связана история образования залежей полезных ископаемых. Океаны содержат почти 97 % всех водных запасов на Земле, называемых гидросферой. Ее масса составляет приблизительно 1021 кг и она занимает 361 млн кв. км. Остальные три процента — это пресная вода в реках, озерах, на ледниках и в атмосфере, а также в полярных шапках Арктики и Антарктики. Средняя глубина Мирового океана (если его равномерно разлить по всей поверхности) 3 900 метров, в то время как максимальная глубина составляет 11 000 метров (это Марианская впадина в Tихом океане). Недра. Внутреннее строение Земли имеет довольно сложную структуру, которая была обнаружена методом сейсмического зондирования. Скорость распространения продольных и поперечных волн зависит от плотности и эластичности пород, причем волны испытывают также отражение и дифракцию на границах между различными слоями, в то время как поперечные волны затухают в жидкой среде. Главные зоны, выявленные сейсмическим методом, показаны на рис. 2.2 б. Ими являются: верхняя твердая кора, частично расплавленная верхняя и нижняя мантия, жидкое внешнее и внутреннее твердое ядро. Толщина коры составляет 35 км на континентах и значительно меньше (до десяти километров) в океанах и на ее долю приходится около 0,5 % всей массы планеты. Кора состоит из коренных пород (гранитов и базальтов), имеющих среднюю плотность 3 000 кг/м3 .
56
Гл. 2. Планеты земной группы
В состав минералов входят в основном окислы кремния, алюминия, железа и щелочных металлов 1). В отличие от континентальной коры, состоящей из нижнего (базальтового) и верхнего (гранитного) слоев, слой океанической коры ближе по составу к базальтам, а над ними находится слой осадочных пород. Наиболее древние породы, возраст которых достигает 3 млрд лет, встречаются в континентальной коре, в то время как возраст осадочного чехла не превышает 100–150 млн лет. Область, включающая кору и твердый слой верхней мантии, называется литосферой — наиболее жесткой оболочкой Земли, толщина которой приблизительно 70 км, а ниже нее располагается слой повышенной текучести и меньшей вязкости — астеносфера, где наблюдается некоторое уменьшение скорости распространения сейсмических волн. В обширных областях континентальной коры, где находятся древние платформы с фундаментом докембрийского возраста — кратоны (ядра материков), мощность литосферы превышает 200 км. Астеносфера простирается в среднем на глубину до 250 км и отличается повышенной электропроводностью. Граница между корой и верхней мантией известна как слой Мохоровичича (названный так в честь открывшего его в 1909 г. сербского сейсмолога А. Мохоровичича), или просто Мохо, в котором скорость распространения сейсмических волн скачкообразно возрастает. Как уже отмечалось, литосфера распадается на дюжину больших плит, «плавающих» на астеносфере, что обеспечивает действие механизма глобальной тектоники плит. В мантии, с ростом температуры и давления, происходит переход вещества в более плотные модификации. Наиболее значительные изменения кристаллической структуры происходят на глубине 410—660 км, в переходной зоне между верхней и нижней мантией. Мантия содержит примерно 67 %, а ядро — 33 % общей массы Земли. Толщина мантии составляет 2900 км, в ней присутствуют, главным образом, силикатные породы, а также оксиды кремния и магния, измененные под высоким давлением. Это приводит к увеличению плотности до 5 600 кг/м3 , что проявляется как резкий скачок скорости продольных сейсмических волн, а поперечные волны здесь полностью исчезают, что указывает на изменение вещественного состава пород. По современным данным мантия состоит в основном из железа (32,1 %), кислорода (30,1 %), кремния (15,1 %), магния (13,9 %), серы (2,9 %), никеля (1,8 %), кальция (1,5 %) и алю1) Исходя из результатов геохимика Франка Кларка, земная кора почти целиком состоит из оксидов и содержит более 47 % кислорода, а суммарное содержание хлора, серы и фтора в породах менее 1 %. Основными оксидами являются кремнезем (SiO2 ), глинозем (Al2 O3 ), оксид железа (FeO), оксид кальция (CaO), оксид магния (MgO), оксид калия (K2 O) и оксид натрия (Na2 O). Кремнезем служит главным образом кислотной средой, формирующей силикаты, и с ним связана природа всех основных вулканических пород. Среднее содержание химических элементов в Земле и ее отдельных частях (литосфере, мантии, ядре, гидросфере и др.) и на космических телах называют кларками.
Земля
57
миния (1,4 %); на остальные элементы приходится 1,2 %. Ядро предположительно состоит из железа (88,8 %), небольшого количества никеля (5,8 %), серы (4,5 %) и около 1 % других элементов. Уровень на глубине 2 900 км называется границей Гуттенберга, которая соответствует внешней границе жидкого ядра. Толщина внешнего ядра составляет 2 250 км, и оно состоит из расплавленного железа и никеля. Их проводящие потоки, находящиеся под действием вращения Земли, порождают, согласно современным представлениям, глобальное магнитное поле Земли, согласно механизму магнитного динамо. Процессы тепло- и массопереноса на границе внешнего ядра и мантии порождают направленные наружу потоки — плюмы. Наконец, внутри внешнего жидкого ядра находится внутреннее твердое ядро, имеющее радиус 1 220 км. Его твердое состояние, несмотря на высокую температуру, обеспечивается громадным давлением в центре Земли. Предполагается, что, наряду с железоникелевым сплавом здесь, так же как и во внешнем ядре, могут присутствовать примеси более легких элементов, таких как кремний и сера, однако металлизированных под высоким давлением. Температура земных недр растет с глубиной. У поверхности температурный градиент составляет приблизительно 20 ÆC/км, и температура достигает 1800 К на глубине 100 км и 5000 К на границе мантия–ядро, где давление доходит до 1,3 1011 Па ( 1,3 млн атм). В центре Земли 8 000 К, 3,6 1011 Па ( 3,6 млн атм), и плотность превышает 10 000 кг/м3 . В современную эпоху состояние жидкого ядра и частично расплавленной мантии, поддерживается, как уже отмечалось, аккумулированными при формировании планеты долгоживущими радионуклидами урана, тория и калия. С наличием жидкого проводящего ядра связана генерация геомагнитного поля. Его напряженность на экваторе равна 0,31 эрстеда и примерно соответствует магнитной индукции, равной 3 104 нТл. Напряженность на полюсах несколько выше — 0,63 Э. В современную эпоху Северный географический полюс расположен близко к Южному магнитному полюсу (угол между географической и геомагнитной осями 11,5Æ ). В то же время, в течение последних 10 миллионов лет были зарегистрированы 16 инверсий полярности геомагнитного поля, предположительно связанных с периодическим «опрокидыванием» ядра. Область вокруг Земли, контролируемая геомагнитным полем, простирается на 5–10 земных радиусов и называется магнитосферой. Магнитосфера защищает биосферу Земли от воздействия солнечной корпускулярной радиации (энергичных протонов и электронов). Атмосфера. Земля обладает уникальной атмосферой, которая состоит, в отличие от других планет Солнечной системы, главным образом из азота и кислорода и обеспечивает пригодные для жизни температуру и давление на поверхности. По характеру температурной стратификации выделяют несколько областей, иногда называемых слоями: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Структуры земной атмосферы от поверхности до 600 км. Выделены различные области (тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера) в нижней, средней и верхней атмосфере. Показаны уровни, до которых доходит солнечное электромагнитное излучение в различных диапазонах длин волн, в частности, ответственное за ионизацию частиц атмосферы и образование ионосферы. (Предоставлено: R. Courtis)
58 Гл. 2. Планеты земной группы
Земля
59
Тропосфера простирается от поверхности до 12 км (немного выше на экваторе и ниже на полюсах). Средняя температура на поверхности 12 ÆC с предельными вариациями от 85 ÆC (внутренние области Антарктики) до 70 ÆC (Западная Сахара). Скорость падения температуры составляет приблизительно 6 ÆC/км, что примерно соответствует влажному адиабатическому градиенту. Относительно небольшая примесь углекислого газа в тропосфере (в среднем 0,03 %) в основном ответственна за парниковый эффект, благодаря которому температура у поверхности Земли повышается примерно на 20 ÆC. Тропосфера имеет значительную, хотя и переменную, влажность, зависящую от местоположения, сезона, времени дня и высоты. Средняя плотность воздуха на поверхности при температуре 15 ÆC и относительной влажности 0 % составляет 1,225 кг/м3 (стандартная атмосфера). В стратосфере (12–50 км) температура сперва понижается до 50 ÆC на высоте 25 км и затем повышается вследствие поглощения озоном солнечного ультрафиолетового (UV) излучения (в диапазоне волн 200–300 нм). Наличие озонового слоя защищает нашу планету от интенсивной коротковолновой радиации и препятствует ее губительному воздействию на биосферу. Озон поднимает температуру верхней стратосферы почти до 0 ÆC на высоте 50 км. Выше этого уровня находится мезосфера, где температура вновь понижается, достигая своего минимума (около 90 ÆC) в мезопаузе на высоте 85 км. Примерно с этого уровня начинается поглощение еще более коротковолновой части солнечного спектра в диапазоне ультрафиолетового (длина волны короче 200 нм) и мягкого рентгеновского ( 10 нм) излучения, ответственного за фотохимические процессы диссоциации и ионизации (преимущественно кислорода) и нагревание разреженного атмосферного газа. Здесь температура устойчиво повышается до 800–1000 K, с вариациями от 500 K до 1500 K между минимальными и максимальными периодами 11-летнего цикла солнечной активности. Это, в свою очередь, приводит к изменениям атмосферной плотности (более чем на два порядка величины на высоте приблизительно 400 км), что сильно влияет на время существования искусственных спутников Земли и орбитальных станций. Атомы в термосфере частично ионизованы, в результате чего здесь образуется область, называемая ионосферой. Выделяют несколько слоев с различной концентрацией ионов и, соответственно, электронов (ионосфера квазинейтральна). Это слои , 1 и 2 , где электронная концентрация достаточно высока, чтобы отражать радиосигналы. Сама атмосфера практически прозрачна на частотах от 5 МГц до 30 ГГц, в то время как ионосфера отражает радиоволны этого диапазона и, таким образом, обеспечивает радиосвязь на больших расстояниях. На высотах 500–600 км термосферу постепенно сменяет самая внешняя и наиболее разреженная область атмосферы — экзосфера, состоящая, главным образом, из атомарного водорода и гелия и простирающаяся
60
Гл. 2. Планеты земной группы
на тысячи километров 1). Переходный слой называется экзобазой. С этого уровня атомы, не испытывающие столкновений при движении вверх и имеющие достаточно высокую тепловую скорость, могут убегать (диссипировать) в открытый космос. У Земли весьма сложная атмосферная динамика. Следует иметь в виду, что движение воздушных масс на планетах зависит от четырех сил, действующих на элементарный объем газа (сила тяжести, сила Кориолиса, вязкость и градиент давления). Соотношение угловой скорости вращения планеты (частоты ) и связанного с указанными силами времени тепловой релаксации определяет характер планетарной циркуляции. Относительный вклад силы Кориолиса в атмосферную динамику описывается так называемым числом Россби, Ro
,
где — типичная горизонтальная скорость и — характерный пространственный масштаб для синоптических процессов. Если горизонтальные градиенты давления сбалансированы силами Кориолиса (Ro 1), то имеет место геострофический тип циркуляции. В атмосфере Земли Ro 10 1 , и это означает, что силы обусловленные градиентом давления, по существу, сбалансированы силами Кориолиса. Поэтому, геострофический ветер — типичная синоптическая характеристика атмосферной динамики, и зональная и меридиональная компоненты циркуляционного переноса воздушных масс могут быть определены по известному распределению давления. Вследствие сдвига вихревых потоков из-за разности воздействия сил Кориолиса на разной широте возникают планетарные волны Россби, которые являются главными генераторами погоды. На их впадинах и гребнях формируются циклоны и антициклоны. В атмосфере Земли волны Россби, распространяющиеся горизонтально в западном направлении, имеют период, превышающий как период вращения планеты, так и периоды трех других типов волновых движений: приливные, акустические и внутренние гравитационные волны (ВГВ). Короткопериодические ВГВ с относительно малыми амплитудами принадлежат к разряду микрометеорологических атмосферных колебаний и, наряду с конвекцией, служат источником маломасштабной турбулентности. Их диссипация оказывает влияние на энергетику и формирование крупномасштабных погодных процессов. В заключение этого раздела заметим, что, в отличие от других планет, о природных условиях и процессах на которых мы рассуждаем абстрактно, о Земле и ее судьбе мы размышляем предельно заинтересованно. Конечно, в далекой перспективе судьба Земли полностью 1) Заметим, что экзосфера является наиболее распространенным типом сильно разреженной атмосферы, характерной для Луны, Меркурия, ряда спутников планет-гигантов и даже некоторых крупных астероидов.
Луна
61
зависит от Солнца и его эволюции. Солнце обеспечивает нам необходимые энергетические ресурсы, включая, те, что накопились за миллионы лет в прошлом в процессах фотосинтеза в виде огромных запасов органического топлива, которые современная цивилизация расходует стремительно, и эти ресурсы могут быть исчерпаны за ближайшие десятки лет. Это, в свою очередь, прогрессивно повышает тепловую нагрузку на природу Земли, негативно влияет на ее климат, и вместе с истощением ресурсов обостряет социально-экономические и политические проблемы. Происходит очевидное «сжатие» геохронологической шкалы в истории Земли, и если до недавнего времени считалось, что мы живем в эпоху послеледникового периода — голоцена, длящегося последние примерно 11 тысяч лет, то обсуждается необходимость выделения из него антропоцена, занимающего около 2 тысяч лет истории современного человечества и его наиболее активного вторжения в природу планеты. В результате ноосфера, как мощная геологическая сила, согласно В. И. Вернадскому, становится потенциальным источником катаклизмов, способных не только уничтожить жизнь, но и принципиально изменить уникальную природу нашей планеты. И если неизбежная гибель Солнечной системы после исчерпания термоядерной энергии Солнца и его перехода на заключительную эволюционную стадию красного гиганта, когда его раздувшаяся высокотемпературная оболочка поглотит Землю, произойдет спустя миллиарды лет, то рукотворный кризис может произойти несравненно раньше. Сможет ли человечество ему противостоять и сохранить Землю?
Луна Основные свойства. Луна (рис. 2.5) — самый яркий объект на небе после Солнца: ее максимальная звездная величина — 12,7 . Луна движется по эллиптической орбите с эксцентриситетом 0,0549 и большой полуосью 384 399 км. Наклон орбиты Луны к эклиптике изменяется в пределах от 4Æ 59 до 5Æ 19 (среднее значение 5Æ 09 ). Сидерический
Рис. 2.5. Видимая (слева) и обратная (середина) стороны Луны. Справа — условное цветное изображение лунной видимой стороны, показывающее различный состав пород. (Мозаика из изображений NASA)
62
Гл. 2. Планеты земной группы
период обращения вокруг Земли (относительно звезд) составляет 27 дней 7 часов и 43 минуты, в то время как ее синодический период (относительно Солнца, соответствующий изменению лунных фаз) — 29 дней 12 часов и 44 мин. Система Земля–Луна — уникальное образование в Солнечной системе с самым большим соотношением масс спутник–планета, составляющим 1/81. Это означает, что они испытывают существенное взаимное гравитационное воздействие. На Земле оно отчетливо проявляется в виде лунных приливов, которые значительно превышают приливы, вызываемые Солнцем. В свою очередь, Земля захватывает Луну в резонанс, так что период ее вращения равен сидерическому периоду обращения вокруг Земли. Это означает, что периоды орбитального и вращательного движений практически совпадают, и поэтому Луна постоянно обращена к Земле одним и тем же полушарием. Между тем, из-за большого эксцентриситета орбитальное движение Луны неравномерно: быстрее вблизи перигея и медленнее вблизи апогея, и это притом, что собственное вращение Луны равномерное. Следствием этого являются колебания в долготе, причем максимальная величина достигает 7Æ 54 . Это позволяет наблюдать с поверхности Земли, кроме видимой стороны, также очень узкие полосы на обратной стороне Луны, что делает доступным в целом приблизительно 59 % ее поверхности. Интересно отметить, что приливная энергия, оказываемая Землей на Луну, вызывает непрерывное увеличение большой полуоси лунной орбиты, в результате чего Луна удаляется от Земли примерно на 3 см в год. По своим размерам Луна почти в 3,7 раза меньше Земли, а ее фигура очень близка к сфере. Экваториальный радиус 1 737 км, масса 7,3476 1022 кг, что меньше массы Земли в 81,3 раза. Объемная плотность 3,35 г/см3 , что сопоставимо с плотностью мантии Земли, и это послужило основанием для одной из гипотез ее происхождения, к чему мы вернемся чуть позже. Гравитационное ускорение на поверхности 1,63 м/с2 , т. е. в 6 раз меньше, чем на Земле, и это делает Луну энергетически выгодной стартовой площадкой для космических аппаратов. Очевидно, масса Луны слишком мала, чтобы на ней могла сохраниться достаточно плотная атмосфера, независимо от того, была ли она в прошлом. В современную эпоху у Луны крайне разреженная газовая оболочка, состоящая в основном из водорода, гелия, неона и аргона, плотность которой составляет примерно одну десятитриллионную часть ( 10 нПа) плотности атмосферы у поверхности Земли. Главным источником лунной атмосферы являются газы, выделяющиеся при бомбардировке ее поверхности микрометеоритами и частицами солнечного ветра. Микрометеориты и более крупные тела, выпадающие на поверхность, служат источником пыли, постоянно присутствующей в атмосфере и особенно хорошо наблюдаемой на восходе
Луна
63
и заходе Солнца 1). В ее поддержании важную роль играют существующие у поверхности Луны электростатические поля, создающие силы, достаточные для преодоления гравитационного притяжения. В отсутствие атмосферы Луна испытывает сильные температурные контрасты на поверхности. Разница суточных температур достигает 300 градусов (от 170 ÆC ночью до 130 ÆC днем), при этом день и ночь длятся почти полмесяца. Исторически Луна, как ближайшее к Земле космическое тело, была наиболее полно исследована астрономами. Однако в детальном изучении свойств Луны и окололунного пространства определяющую роль сыграли полеты космических аппаратов, начиная с запусков первых советских лунников в 1959 г., съемки обратной стороны Луны станцией «Луна-3», первой мягкой посадки на лунную поверхность автоматической станции «Луна-9» и запуска первого искусственного спутника Луны «Луна-10». Кульминацией первого этапа космических исследований Луны в 1960–70-х гг. прошлого столетия стало осуществление американской программы пилотируемых полетов «Аполлон», автоматический забор лунного грунта советскими станциями «Луна-16, -20, -24» и работа на лунной поверхности самодвижущихся аппаратов «Луноход-1 и -2». Возрождение интереса к Луне произошло примерно 20 лет спустя. Оно отмечено запусками серии космических аппаратов, среди которых американские «Клементина» (Clementine), «Лунар Проспектор» (Lunar Prospector), «Смарт-1» (Smart 1), ARTEMIS (Acceleration, Reconnection, Turbulence and Electrodynamics of the Moon’s Interaction with the Sun), LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter), LCROSS (Lunar CRater Observation and Sensing Satellite), GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory), LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer). С начала 2000-х гг. на «космической лунной сцене» появились новые игроки — были осуществлены полеты японского «Кагуйя» (Kaguya) и китайского «Чанг-Е» (Chang-E-1, -2, -3). Они были нацелены главным образом на изучение морфологии лунного рельефа и гравитационного поля. «Чандраяан-1» подтвердил также наличие на лунной поверхности водородных соединений (наиболее вероятно в форме воды или гидроксила — H2 O/OH), обнаруженных ранее «Лунар Проспектором». Большим успехом китайской лунной программы стала доставка на поверхность Луны в 2013 г. аппаратом «Чанг-Е-3» лунохода «Юту» (Yutu) в район Моря Дождей, проработавшего совсем мало, кроме астрономического инструмента LUT на посадочной платформе. Возрастающий интерес представляют исследования 1)
Такой эффект наблюдали еще астронавты экипажей «Аполлон». По оценкам, не менее 5 тонн космической пыли в день выпадает на лунную поверхность, выбивая частицы лунного реголита и поддерживая их почти постоянное присутствие в атмосфере, несмотря на очень малое ( 10 мин) время до обратного выпадения на поверхность. Еще более значимым источником приповерхностной лунной пыли считают выпадающие на Луну кометы.
64
Гл. 2. Планеты земной группы
особенностей окололунного пространства, включающие в себя взаимодействие солнечного ветра с экзосферой Луны, электростатические поля и плазменную оболочку, которые одновременно проводятся на двух лунных спутниках ARTEMIS и спутниках Земли — зондах Ван Аллена для исследований кольцевого тока в земной магнитосфере и четырех аппаратах, предназначенных для изучения полей и частиц в системе солнечно-земных связей MMS (Magnetospheric Multiscale Mission). Морфология поверхности, состав пород. Рельеф Луны представлен большими возвышенностями и глубокими впадинами, у которых различная отражательная способность (альбедо) (рис. 2.6). Исторически для них сохранилась терминология, введенная итальянцами — астрономом Джованни Риччиоли и физиком Франческо Гримальди
Рис. 2.6. Рельеф видимой и обратной сторон Луны, показанный в цвете от синего (низкие области и бассейны) до желто-красного (возвышенности и горы). В отличие от видимой стороны со многими бассейнами (морями), обратная сторона представлена, главным образом, возвышенными областями (континентами) за исключением Большого бассейна Эйткен вблизи Южного полюса. (С любезного разрешения James Green / NASA)
в XVII в. Они назвали светлые пятна континентами, а темные — океанами и морями, ассоциативно связав темные области с предполагавшимися на лунной поверхности водными резервуарами, а яркие — с возвышенностями. Поэтому на карте Луны встречаются такие названия гористых районов — Альпы, Апеннины и Кавказ, а для морей — Море Спокойствия, Море Кризисов, Море Ясности или Океан Бурь. Поверх-
Луна
65
ность Луны сильно кратерирована, причем, согласно номенклатуре, утвержденной МАС, крупные кратеры названы в честь великих астрономов прошлого (Тихо Браге, Птолемей, Коперник и многие другие). Число названий кратеров и других морфологических особенностей лунного рельефа, включая находящиеся на обратной стороне Луны, резко возросло с началом космической эры, и в настоящее время количество имен и названий, связанных с некоторыми событиями в истории космонавтики, достигло приблизительно двух тысяч. На обратной стороне Луны, в отличие от видимой, преобладают возвышенности, горные массивы высотой свыше 8 км. В то же время, вблизи Южного полюса находится обширная впадина — бассейн Эйткен (рис. 2.6). Эта многослойная структура достигает в поперечнике 2500 км, что составляет почти четверть окружности Луны, и имеет глубину свыше 5–7 км относительно среднего уровня лунной поверхности (1737,4 км), так что суммарный перепад высот достигает более 15 км. На возвышенностях расположены огромные ударные кратеры, в том числе самый большой из известных в Солнечной системе кратер Герцшпрунг диаметром 591 км и глубиной 4,5 км, находящийся восточнее несколько меньшего по размерам кратера Королев. Он представляет собой многокольцевую структуру, подобную морям на видимой стороне Луны, но не заполненную лавой, поскольку на обратной стороне таких излияний не происходило и там сохранилось гораздо больше крупных ударных структур. Вероятно, они также образовались в результате столкновения с Луной очень крупных астероидов примерно 3,9–4 млрд лет назад в период LHB. Все это свидетельствует о чрезвычайной неоднородности морфологии поверхности Луны. Ударное происхождение кратеров подкрепляется такими типичными особенностями, как система лучей вокруг многих из них (которые могут быть кратерами вторичного происхождения, сформированными при взрыве), центральная горка, террасы на внутренних откосах валов, и т. д. Диапазон размеров варьируется от сантиметров до сотен километров, а общее количество кратеров с размером больше чем 1 км на видимой стороне Луны превышает 300 тысяч. Кратеры на таком лишенном атмосферы теле, как Луна, подверглись сравнительно небольшой эрозии, вызванной только бомбардировкой метеоритами и прямым взаимодействием с поверхностью солнечного ветра. Из-за малой скорости эрозии на поверхности сохранились даже очень древние структуры. Сильно кратерированная лунная поверхность служит убедительным свидетельством важности процессов миграции и столкновений с планетами малых тел, о чем говорилось в гл. 1. Возраст лунных бассейнов и крупных кратеров приблизительно 4,0 млрд лет, что совпадает с периодом LHB в истории Солнечной системы, когда остатки планетезималей и крупные астероиды выпадали на сформировавшиеся планеты. Можно думать, что такие тела были общими импакторами (ударниками) на пересекающихся орбитах в системе Земля–Луна
66
Гл. 2. Планеты земной группы
в эпоху формирования лунных бассейнов 1). В ту эпоху Луна, вероятно, имела расплавленную мантию, находившуюся на глубине 100–400 км и частично изливавшуюся на поверхность. Помимо этого, тонкая кора разбивалась мощными ударами тел астероидных размеров с последующим вытеканием лавы, формировавшей лавовые потоки, заполнявшие бассейны. Действительно, основания бассейнов несут следы обширного растекания лунных базальтов, вязкость которых меньше земных, поскольку они содержат больше железа и меньше алюминия и кремния. Скорость их охлаждения и кристаллизации зависела от толщины потоков, что обусловило разнообразие текстур в минералах. Кроме того, бассейны являются областями концентрации масс — масконов, которые служат источниками четко выраженных аномалий гравитационного поля, обнаруженных лунными спутниками в начале 1960-х гг. Крупные бассейны часто окружены большими возвышенностями, природа которых, вероятно, связана с этими катастрофическими событиями. Горы в экваториальных и средних широтах достигают высоты от 2 км (Карпаты) до 6 км (Апеннины). Наиболее неровный рельеф, представленный главным образом континентами, характерен для обратной стороны Луны и, особенно, для ее полярных областей. Лунная топография в целом хорошо коррелирует с гравитационным полем на ближней и обратной сторонах Луны (рис. 2.7). С целью детальных исследований
Рис. 2.7. Гравитационное поле видимой (слева) и обратной (справа) сторон Луны в миллигаллах (10 3 см с 2 , показанное в цвете от малых (синий) до больших (желто-оранжевый) величин. Неоднородности поля приблизительно соответствуют лунной топографии. Хорошо видны гравитационные аномалии (концентрации массы — масконы) в бассейнах на видимой стороне в виде пятен красного цвета. (С любезного разрешения James Green / NASA) 1)
Такой вывод сделан на основе изучения образцов пород с места посадки «Аполлона-16». Оно свидетельствует о том, что это были астероиды примитивного хондритового состава, аналогичного соответствующим образцам метеоритов, датируемым 3,6 млрд лет.
Луна
67
лунного гравитационного поля и его аномалий NASA запустило пару космических аппаратов, «Эбб» и «Флоу» («прилив» и «отлив»), по программе GRAIL (The Gravity Recovery and Interior Laboratory). Эти аппараты совместно работали с января по декабрь 2012 г. на орбитах со средней высотой от поверхности в 23 км, проходя всего в 8 км над самыми возвышенными районами на полюсах. Они позволили получить интересные данные о влиянии морфологии поверхности Луны и ее глубинных свойств на особенности гравитационного поля. Одним из интересных результатов миссии GRAIL был, в частности, вывод о том, что один из крупнейших лунных бассейнов Океан Бурь является не ударным кратером вследствие падения крупного астероида, как ранее предполагали, а магматическим образованием — вулканической интрузией. Бассейн, как оказалось, имеет угловатые очертания, что исключает его ударное происхождение, и наиболее вероятно он образовался под действием напряжений в молодой лунной коре, в результате разломов которой произошло излияние магмы, со временем остывшей и кристаллизовавшейся. Поверхность Луны состоит, главным образом, из базальтов — самых распространенных магматических пород на поверхности Земли и других планет Солнечной системы. Их средняя плотность — от 3,1 до 3,4 г/см3 , а главными составляющими минералами являются широко известные на Земле полевые шпаты, плагиоклаз, пироксен, оливин, магнетит 1). В состав их входят хорошо известные на Земле химические элементы (Si, Al, Fe, Ca, Mg и др.), но в лунных породах больше, чем в земных, содержится тугоплавких элементов (Ti, Zr, Cr и др.) и меньше — легкоплавких (Pb, K, Na и др.) 2). На основании изучения лунных метеоритов предполагается обеднение лунной коры легколетучими и сидерофильными («железолюбящими» элементами, включающими семейство Fe и платиновые металлы, а также молибден и рений) и обогащение труднолетучими элементами, в то время как в морских 1)
Плагиоклазы — породообразующие минералы группы каркасных алюмосиликатов, в состав которых входят альбит NaAlSi3 O8 и анортит CaAl2 Si2 O8 — твердые растворы тройной системы изоморфного ряда натриево-калиевых силикатов — полевых шпатов. Оливины — магнезиально-железистые силикаты (Mg, Fe)2 [SiO4 ], слагающие основные и ультраосновные магматические породы, в которых преобладает либо Mg (форстерит), либо Fe (фаялит). Пироксены относятся к обширной группе щелочных силикатов, которые в зависимости от кристаллической решетки подразделяются на ромбические (ортопироксены) и моноклинные (клинопироксены). Магнетит — минерал из класса оксидов железа (магнитный железняк) FeO Fe2 O3 . 2) В процентном отношении химический состав следующий: основой служит кремнезем SiO2 — от 45 до 52–53 %, щелочи (Na2 K2 ) — от 5 % до 7 % и раз1,8–2,3 %; Al2 O3 14,5–17,9 %; Fe2 O3 2,8–5,1 %; личные оксиды (TiO2 7,3–8,1 %; MnO 0,1–0,2 %; MgO 7,1–9,3 %; CaO 9,1–10,1 %; FeO P2 O5 0,2–0,5 %).
68
Гл. 2. Планеты земной группы
районах доминируют низкотитанистые базальты, обогащенные легкими редкоземельными элементами. Особенности минералогического состава лунной поверхности неразрывно связаны с ее внутренним строением и геологической историей. В лунных базальтах выделено 6 основных типов пород, содержащих свыше 50 минералов, среди которых главное место принадлежит силикатам и окислам, а к сопутствующим минералам относятся сульфиды, карбиды, фосфаты, фосфиды (рис. 2.8). Хотя сами лунные породы содержат те же перечисленные выше породообразующие минералы, которые широко распространены на Земле, по своему химическому, минералогическому составу и структуре они отличаются от земных. В частности, плагиоклазы, принадлежащие к важной породообразующей группе силикатных минералов в семействе полевых шпатов (Ca–Na, полевые шпаты), образуют обедненный железом и обогащенный кальцием анортозит, который является главной составляющей лунной коры, особенно пород на возвышенностях. В свою очередь, пироксен и оливин преимущественно входят в состав лунной мантии. Базальты лунных морей отличаются от базальтов материковых районов. У морских базальтов, возраст которых составляет от 3,1 до 3,9 млрд лет, более высокое содержание оливина и пироксена и ниже содержание плагиоклаза. Они обогащены железом, особенно окислом железа на основе Fe2 , и титаном в составе минерала ильменита содержащего до 15 % Ti4 , по сравнению с 4 % в земных минералах. Есть и ряд других сопутствующих минералов. Одной из основных пород, слагающих лунные материки, возраст которых достигает 3,6–4,6 млрд лет, являются упомянутые выше анортозиты. По своему минеральному составу они относятся к интрузивным породам анортозит-норит-троктолит-габбровой серии 1), которые часто еще называют ANT-породы. Анортозит состоит почти полностью (на 75 %) из плагиоклаза, оливина, пироксена и магнетита. Норит, троктолит и габбро содержат примерно в равных количествах плагиоклаз и ортопироксен (норит), плагиоклаз и клинопироксен (габбро), плагиоклаз и оливин (троктолит). В своем большинстве они являются следствием процессов метаморфизма, в первую очередь продуктами ударной переработки — брекчиями. В составе материков содержатся крип-базальты (KREEP). Это особая группа лунных базальтов с высоким содержанием щелочей, которые аномально обогащены калием (K), редкоземельными элементами (Rare Earth Elements — REE) и фосфором (P). Подводя итоги, можно сказать, что морские породы — это оливины, глиноземистые и титанистые базальты с повышенным содержанием 1) Габбро (от итал. gabbro) — магматическая интрузивная горная порода основного состава, основными минералами которой являются плагиоклаз, моноклинный пироксен и частично оливин.
Луна
69
Рис. 2.8. а — структура верхнего слоя лунного реголита и характер изменения скорости распространения в слоях сейсмических волн (с любезного разрешения James Green/NASA); б — основные породы лунных морей и континентов (предоставлено A. Т. Базилевским)
70
Гл. 2. Планеты земной группы
оксидов алюминия и кальция и различным содержанием щелочей, а материковые — это габбро-норит-анортозитовый комплекс пород, глиноземистые базальты и крип-базальты, с высоким содержанием щелочей, редкоземельных элементов и фосфора. К сожалению, имеющиеся геохимические данные, основанные преимущественно на исследованиях проб лунного грунта, относятся только к верхнему слою лунной поверхности, существенный вклад в формирование которого внесла бомбардировка метеоритами, и он может отличиться от состава нижележащих слоев коренных и изверженных пород. Под действием ударных процессов, сопровождавшихся дроблением и плавлением, образовался особый тип разрушенных минеральных фрагментов, названный реголитом. Он представляет собой верхний слой на поверхности планеты или ее спутника, который дробился при бомбардировке метеоритами (иногда его называют также «грунтом»). В геологической литературе термин впервые появился в «Петрографическом словаре» в XIX веке. Толщина лунного реголита достигает десятков метров, состав основных пород — оливин, пироксен, анортит, ильменит. Структура верхнего слоя лунного реголита и характер изменения скорости распространения в слоях показаны на рис. 2.8 а. Реголитовые брекчии являются расплавами, полученными при ударно-взрывном воздействии, спрессованными и сцементированными в породах. Многие из них присутствуют в образцах, доставленных лунными космическими аппаратами. Интересно, что очень мелкий лунный реголит, состоящий из кремнеземного стекла, имеет текстуру, подобную снегу, и пахнет отработанным порохом. Высокое относительное содержание в реголитовых брекчиях элементов, обычно редких для базальтовых пород, таких как никель, осмий и иридий, свидетельствуют в пользу предположения об их вероятном загрязнении за длительное время экспозиции метеоритами хондритового класса. Современные данные показывают, что состав таких метеоритов был близок к первичному составу планет земной группы до начала их дифференциации на оболочки, в результате которой эти элементы сконцентрировались в ядрах планет, и поэтому их присутствие в лунной коре, вероятно, имеет экзогенное происхождение. Новые результаты исследований привели к изменению преобладавшего до недавнего времени убеждения о том, что лунные породы обеднены водой и летучими компонентами и, вошли в противоречие с представлениями о Луне как о чрезвычайно сухом небесном теле. Особенно интересен с этой точки зрения упомянутый выше бассейн Южный полюс–Эйткен, в котором могут быть сосредоточены большие отложения водяного льда и летучих, особенно в постоянно затененных областях находящихся здесь многочисленных кратеров. Исходя из предположения, что Луна подвергалась интенсивной кометной бомбардировке, легко оценить, что масса доставленной и сохранившейся в полярных областях воды могла бы составить 3 108 тонн (рис. 2.9). С кометами связывают наиболее вероятный источник воды
Луна
71
Рис. 2.9. Вид в телескоп Южного полюса Луны. Сильно кратерированный ландшафт поверхности, содержащей потенциальные запасы водяного льда. (С любезного разрешения NASA)
вблизи лунной поверхности — в форме льда между частицами реголита, кристаллической воды или даже ледяных прослоев. Другим источником привнесенной воды могли быть протоны солнечного ветра, хотя не исключается и частично сохранившаяся первичная вода из лунных недр. Вследствие ударной бомбардировки в реголите полярных областей могли также накапливаться различные летучие и содержащиеся в кометах органические вещества, в том числе соединения, характерные для межзвездной среды. Изучение таких веществ является одной из важных научных задач будущих исследований Луны, тесно связанных с интригующими проблемами астробиологии. Внутреннее строение, геохимия. Формирование лунных ландшафтов неотделимо от понимания внутреннего строения Луны в раннюю эпоху и процессов эволюции к современному состоянию, которое, к сожалению, еще плохо известно. Один из вопросов, на который нет однозначного ответа — сохранила ли Луна жидкое ядро и, если да, каков его размер (см. рис. 2.2 a, б). Другой вопрос — какова природа океанов магмы в бассейнах и первичного/вторичного образования коры. Согласно данным моделирования, в целом подтвержденным сейсмическими данными экспедиций «Аполлон», слой верхней коры простирается от 60 до 100 км, а ниже нее, приблизительно на 400 и 600 км, находится, соответственно, верхняя и средняя мантия. Вместе они формируют мощную литосферу, которая полностью исключает появление трещин и извержение лавовых потоков, хотя вулканическая деятельность была широко распространена на ранней Луне. На глубине около 800 км оканчивается литосфера и начинается лунная астеносфера — расплавленный слой, в котором, как и в любой жидкости, могут распространяться только продольные сейсмические волны. Температура верхней части астеносферы порядка 1200 К. Между 1100 и 1600 км находится нижняя мантия. На глубине 1380–1570 км происходит резкое изменение скорости продольных волн — здесь проходит граница,
72
Гл. 2. Планеты земной группы
хотя и довольно размытая, нижней мантии с ядром Луны. Таким образом, диаметр ядра оценивается величиной приблизительно 300 км. Размер жидкого ядра ограничен также хорошо известным безразмерным моментом инерции Луны 0,392. Очень слабое магнитное поле Луны ( 10 4 от земного) может быть связано с частично затвердевшим ядром и/или медленным вращением Луны. Абсолютный возраст и датировка геологических событий в лунной истории были определены из изотопных отношений U–Pb, Rb–Sr и K–Ar в лунных образцах пород. Эти исследования привели к выводу, что Луна сформировалась через 50–70 миллионов лет после образования Солнечной системы, которое, в свою очередь, датировано по возрасту упоминавшихся ранее кальций-алюминиевых включений CAI в метеоритах (подробнее см. гл. 4 и 8). Луна, по-видимому, испытала внутреннюю дифференциацию с выделением ядра в течение последующих 200 миллионов лет. Вместе с ударными процессами она оставила существенные перепады высот на лунной поверхности, достигающие 18 км в полярных областях на обратной стороне Луны. Энергия ударов и нагрев мантии при распаде радиоактивных изотопов привели к извержениям лавы на поверхность с глубины, превышающей 100 км, и к заполнению лунных морей на видимой стороне, где кора была значительно тоньше. Некоторые особенности лунной морфологии связаны с охлаждением лавы, которое вызвало разломы и появление горных хребтов и долин. Эндогенные процессы прекратились 3,18 миллиардов лет назад, и в дальнейшем Луна подвергалась только ударной бомбардировке — главным образом, телами, мигрировавшими с периферии Солнечной системы. Процессы дробления поверхностного материала метеоритами, приведшие к образованию реголита, происходили очень медленно, а эрозия была слабой. В результате Луна сохранила уникальную хронику событий на своей поверхности, включая взаимодействие с Солнцем и межпланетной средой, за более чем несколько миллиардов лет. Интересно заметить, что при таком уровне метеоритной бомбардировки и эрозии следы астронавтов и колес луноходов, оставленные на поверхности, сохранятся без заметных изменений в течение, по крайней мере, нескольких миллионов лет (рис. 2.10). Как ближайшее к Земле небесное тело и уникальный представитель ранней истории Земли и других планет земной группы, Луна представляет первостепенный интерес для фундаментальных наук о Земле — геофизики, геологии, петрологии, геохимии. Конечно, Луна привлекает особое внимание с точки зрения возможности лучшего понимания геологической истории Земли, потому что наиболее древние породы сохранились только на поверхности Луны, в то время как на Земле они были разрушены появлением гидросферы, атмосферы, биосферы. Вот почему, образно говоря, Луна — это окно в раннюю историю Земли. За последний период особенно успешными были две американские лунные миссии: LRO/LCROSS (состоящая из хорошо оснащенного
Луна
73
Рис. 2.10. Астронавт «Аполлона» около большого обломка породы на лунной поверхности (a). След ботинка астронавта на лунной поверхности (б). В условиях слабой эрозии на Луне он может сохраняться миллионы лет. (С любезного разрешения NASA)
лунного спутника LRO массой 1900 кг и выведшей его на окололунную орбиту последней ступени ракеты-носителя «Кентавр» (Centaur) LCROSS) и упомянутая выше система из двух спутников GRAIL для изучения связи аномалий гравитационного поля с внутренним строением Луны. Находясь на орбите высотой около 20 км, спутник LRO проводит комплекс измерений на лунной поверхности и в окружающей космической среде с высоким пространственным разрешением, включая выбор наиболее перспективных в научном и безопасных в инженерном смыслах мест посадки для будущих автоматических аппаратов и пилотируемых экспедиций. На определенном этапе миссии ступень LCROSS была заторможена, сошла с орбиты и столкнулась с поверхностью Луны вблизи Южного полюса, чтобы в момент взрыва высвободить летучие компоненты. Спектры образовавшегося облака выбросов размером 6–8 км из кратера диаметром около 30 м наблюдались с LRO в ИК- и УФ-диапазонах спектра (полосе водяного пара 1,4–1,85 мкм и в линии гидроксила OH 309 нм соответственно) спектрометрами Diviner и LAMP и другими средствами, включая космический телескоп «Хаббл». Этот эксперимент подтвердил, что поверхность Луны в полярных областях действительно содержит существенное количество водородсодержащих соединений, наиболее вероятным из которых является водяной лед. Спектроскопические наблюдения газового облака, образованного при взрыве поверхностного материала, можно рассматривать как наиболее полные на сегодняшний день данные о наличии летучих в лунных породах вблизи полюсов. С площади соударения размером 30–200 м2 нагретой до температуры свыше 950 K, было сублимировано около 300 кг водяного льда. LCROSS зарегистрировал 155 12 кг воды, что составило 5,6 2,9 % от массы выброшенного грунта. Это в несколько раз превышает относительное содержание водородсодержащих компонентов, измеренное российским прибором LAND на спутнике LRO
74
Гл. 2. Планеты земной группы
методом нейтронного мониторинга 1). В облаке взрыва были обнаружены следы других молекул, среди которых, помимо ОH, надежно отождествлены H2 S, SO2 , CO2 , NH3 , CH4 , C2 H4 , и CH3 OH. Как видим, относительное содержание воды в приповерхностной полярной области Луны оказалось неожиданно большим. Важно отметить, что сравнительно недавно был проведен более детальный, чем ранее, анализ лунных образцов, доставленных экспедициями «Аполлонов», в результате которого было найдено, что вулканические стекла, присутствующие в породах, также содержат небольшое количество воды. Поскольку следы наличия воды, по-видимому, связаны с извержением магмы из лунных недр, можно предположить, что количество воды в лунной мантии было существенным, возможно даже сопоставимым с земным. Эти новые данные принципиально изменили прежние представления о Луне, как о чрезвычайно сухом планетном теле. Более справедливо считать ее достаточно влажным телом, что подстегнуло интерес к ее дальнейшему изучению, в котором ключевую роль призваны сыграть космические аппараты нового поколения — луноходы и автоматические аппараты-роботы для забора и доставки на Землю лунного грунта. Происхождение. Ключевой и до сих пор нерешенной проблемой является проблема лунного генезиса — происхождения Луны. В настоящее время существуют две основные гипотезы. Первая из них, широко распространенная на западе, известна, как гипотеза мегаимпакта (рис. 2.11 а). Она была предложена в 1975 г. американскими исследователями Уильямом Хартманном и Дональдом Дэвисом и вслед за ними Элом Камероном и Уильямом Уордом, которые предположили, что Луна возникла в результате катастрофического столкновения с молодой Землей космического тела, по размерам и массе близкого к Марсу (оно получило даже название Тея, созвучное имени древнегреческой богини Земли и имени самой Земли, возникшей из первоначального Хаоса). Согласно этому сценарию произошедший скользящий удар колоссальной энергии выбросил в окружающее пространство мантийное вещество, первоначально сконцентрировавшееся на околоземной орбите в виде диска, и из этого вещества в процессе объединения фрагментов взрыва образовалась Луна. Наиболее убедительным аргументом в пользу данной гипотезы был тот факт, что, по сравнению с Землей, Луна содержит очень мало железа, примерно столько же, сколько в каменной оболочке Земли — мантии, частично выброшенной 1) Метод основан на регистрации бортовым прибором спутника вторичного гамма-излучения, наведенного в верхнем ( 1 м) поверхностном слое безатмосферного тела галактическими космическими лучами. Измерения спектра и плотности потока нейтронов позволяют определить состав ряда породообразующих элементов на поверхности небесного тела, прежде всего содержание водорода, обладающего наибольшим сечением поглощения нейтронов, и по нему — воды.
Луна
75
Рис. 2.11. a — диаграмма образования Луны по сценарию мегаимпакта согласно Hartmann и Davies; Cameron и Ward; б — диаграмма происхождения системы Луна–Земля из общей протопланетной туманности согласно Галимову и Кривцову. Гипотеза мегаимпакта хорошо объясняет объемную плотность и динамику системы Земля–Луна, но не согласуется с геохимическими данными, которым лучше соответствует гипотеза образования Луны и Земли из общей протопланетной туманности; в — сценарий мегаимпакта в представлении художника: массивное тело (прожекталь), ударяющее молодую Землю (предоставлено: www.sciencemag.org; Science, 2013)
76
Гл. 2. Планеты земной группы
при ударе. К этому моменту практически завершилась дифференциация вещества недр Земли, и тяжелое железо в основном сосредоточилось в ее огромном ядре, в то время как у Луны оно совсем небольшое, не превышающее 5 % по массе. В основе другого сценария, обсуждавшегося ранее в числе различных гипотез происхождения Луны и защищаемого российским ученым Э. М. Галимовым с начала 1990-х годов, лежит представление о формировании Луны одновременно с Землей из вещества частично дифференцированного протопланетного диска, сопровождаемом сжатием двух отдельных газопылевых сгустков с почти одинаковым химическим составом (рис. 2.11 б). Если сценарий мегаимпакта подкрепляется, прежде всего, малой объемной плотностью Луны, подобной плотности мантии Земли, из которой предположительно она сформировалась, то вторая идея находится в гораздо лучшем соответствии с важными космохимическими ограничениями, включая идентичность основных изотопных отношений (так называемых изотопных сдвигов) для Земли и Луны. При этом оба сценария в целом удовлетворяют необходимому ограничению, накладываемому на результирующий угловой момент системы Земля–Луна (который больше, чем у всех остальных планет земной группы), что подтверждается компьютерным моделированием. Наиболее убедительным свидетельством того, что Земля и Луна были сформированы из единого газопылевого облака, является их однородность по изотопному составу. Это относится, в первую очередь, к совпадению соотношения трех изотопов кислорода 16 O/17 O/18 O для пород Земли и Луны (рис. 2.12) и ряда других изотопных отношений (гафний–вольфрам Hf/W, рубидий–стронций Ru/Sr и др.) в отличие от других планет и метеоритов. Эта характеристика, включая одинаковый изотопный состав тугоплавких (вольфрам) и титана противоречат гипотезе мегаимпакта, особенно учитывая тот факт, что подавляющий вклад (до 80 %) в формирование мишени вносит материал ударника. Другими словами, этот материал должен был составить основу объемной массы Луны, и предположение о том, что космическое тело, образовавшееся за пределами орбиты Земли, имело аналогичный ей изотопный состав, представляется, вообще говоря, достаточно искусственным. Помимо этого, любой высокотемпературный взрывной процесс привел бы к разделению легких и тяжелых изотопов, свойственному кинетическому изотопному фракционированию, чего нет на Луне. Со сценарием мегаимпакта не согласуются и новые результаты определения возраста Луны на основе свинцового и неодим-самариевого изотопного анализа магний-железосодержащего силикатного минерала анортозита из образцов пород, собранных астронавтами «Аполлона-16». Его возраст оказался равным 4,360 0,003 млрд лет, что сильно отличается от предыдущих оценок в пределах от 4,53 до 4,43 млрд лет и означает, что кристаллизация пород лунной коры произошла почти на 60 млн лет позже и, соответственно, сформировавшаяся Луна значительно моложе. Это противоречит представлениям об ее образовании
77
Луна
Æ
Æ
Рис. 2.12. Диаграмма отношений изотопов кислорода 17 O и 18 O к 16 O. Диаграмма характеризует сдвиги изотопных отношений кислорода 17 O/16 O и 18 O/16 O относительно принятого стандарта SMOW (Standard Model Ocean Water). Вещества Земли и Луны соответствуют одной и той же линии, в отличие от различных типов хондритов и метеоритов группы SNC. (Согласно Э. М. Галимову)
путем застывания расплавленной магмы, выброшенной в результате соударения с Землей громадного тела, а скорее свидетельствует в пользу сценария совместного образования системы Земля–Луна. Еще одним важным аргументом является изотопный состав водорода в молекулах воды, растворенной в примитивных вулканических стеклах и включениях расплава оливина в образцах, доставленных кораблями «Аполлон-15 и -17». Авторы этих исследований пришли к выводу, что изотопные отношения в воде лунных образцов, в земной воде и воде углистых хондритов полностью совпадают, что свидетельствует об общем источнике ее происхождения в недрах Земли и Луны. Эти обстоятельства, по существу, лишают гипотезу мегаимпакта геохимического обоснования. Чтобы обойти эти трудности, был предложен сценарий гигантского столкновения с Землей космического тела (импактора) примерно на порядок меньшей массы (и, соответственно, его меньшим относительным вкладом в валовый состав лунного вещества), но с более высокой скоростью столкновения, что, однако, усугубило бы проблему
78
Гл. 2. Планеты земной группы
кинетического фракционирования изотопов. Кроме того, следствием такого удара стало бы приобретение системой Земля–Луна углового момента, намного превышающего существующий. Предпринимались попытки разрешить это противоречие, предположив эволюцию ранней системы к ее современному состоянию за счет циклического прецессионного движения и его замедления до тех пор, пока оно не зафиксировалось в современной позиции относительно Солнца — такая цикличность известна как резонанс смещения. Продолжаются обсуждения возможности возникновения примерно аналогичного изотопного состава в сравнительно узкой области протопланетного диска, в котором сформировалась Земля и столкнувшееся с ней гипотетическое тело. Последнее особенно важно, если учесть, что, как отмечалось выше, до 80 % выброшенного при ударе вещества состоит, согласно расчетам, из вещества ударника. В рамки такого сценария включают даже Венеру, но, в отличие от Марса, мы не располагаем образцами венерианских пород, чтобы поддержать или опровергнуть эту идею. Вполне возможно, что в конечном итоге истина окажется лежащей где-то посредине между обеими гипотезами. Пока же проблема происхождения Луны остается одной из наиболее актуальных в науках о планетах. Перспективы. Луну естественно рассматривать в качестве форпоста на пути освоения человечеством космического пространства. К этому убеждению постепенно приходят даже многие бывшие сторонники выбора пилотируемой экспедиции на Марс в качестве главной задачи ближайших десятилетий. Освоение Луны как стратегического плацдарма, создание элементов ее будущей инфраструктуры и начало использования местных ресурсов находится сегодня в повестке дня ведущих космических держав. Содержащиеся в лунных породах железо, алюминий, кремний, титан и другие элементы и их соединения могут широко использоваться на месте при производстве строительных материалов на основе прогрессивных технологий и одновременно для получения воздуха, воды и даже ракетного топлива на основе H2 и O2 . Конечно, наиболее перспективными представляются полярные районы, где можно было бы наиболее просто добывать воду. В любом случае, однако, необходима детальная разведка распределения потенциальных лунных ресурсов, наряду с изучением химической реакционной способности лунного реголита и применением наиболее эффективных методов добычи и переработки. Солнечная радиация обеспечивает, по существу, неограниченный источник энергии на поверхности Луны. Вместе с тем, рядом ученых высказывается идея об извлечении из лунных пород изотопа 3 He, относительное содержание которого в минерале ильмените составляет, по оценкам, миллиардные доли процента ( 10 ppb), а в далекой перспективе — его доставки на Землю для использования в «чистой» ядерной энергетике. Дело в том, что в термоядерной реакции с использованием изотопа 3 He образуются только протоны, от которых в отличие от энергичных нейтронов можно легко защититься. Однако
Луна
79
сама идея добычи и использования 3 He пока далека от возможности ее практического осуществления. Луна открывает и новые научные перспективы. Наряду с упомянутыми выше уникальными геологическими и геохимическими исследованиями, она представляет удобный плацдарм для астрономических наблюдений, в первую очередь, для радиоастрономии, поскольку развертывание антенн на обратной стороне полностью экранирует их от земных радиошумов. Вместе с тем, ведутся работы и по созданию оптических телескопов, а также системы лазерных уголковых отражателей, которые обеспечат, наряду с высокоточными измерениями расстояния до Луны, возможность детально изучать ее динамические свойства, в первую очередь, лунные либрации. Нет никаких сомнений в том, что создание лунной инфраструктуры обеспечит новую стадию исследований космоса, которую можно было бы назвать — «исследования на Луне и с Луны». Первым опытом астрономических наблюдений с лунной поверхности стали исследования переменных звезд и галактик при помощи 150-мм ультрафиолетового телескопа (LUT), установленного на посадочной платформе «Чанг-Е-3». Что касается условий обитания, то, наряду с созданием поверхностных, в том числе надувных конструкций, наиболее перспективным представляется освоение подповерхностного пространства (для начала, возможно, естественных пещер), обеспечивающего необходимую защиту от радиации, микрометеоритов и других космических факторов. На современном этапе исследований наибольшее внимание уделяется лунным полярным областям с использованием эффективных робототехнических средств. Южный полюс является целью российских миссий «Луна-Глоб» и «Луна-Ресурс». Они открывают многоцелевую программу, включающую возврат лунного грунта и использование нового поколения луноходов-роверов, которая начнет осуществляться уже в ближайшие годы. Обширные планы исследований Луны у американского, европейского, китайского космических агентств, с большой вероятностью в этой программе примут участие Индия, Япония и Южная Корея. В долгосрочной программе обсуждаются перспективы возобновления на новом технологическом уровне пилотируемых полетов, с максимальным сочетанием работы космонавтов и робототехнических средств (A New Era of Coordinated Human and Robotic Exploration) и развертывание лунной базы, в перспективе с постоянным присутствием людей, подобно экипажам МКС (рис. 2.13). Заметим, что в США начало освоения Луны рассматривается в качестве приоритетных задач новой администрации, что обосновывается научно-образовательными, инновационными и экономическими соображениями, с потребными затратами 10 млрд долларов на ближайшие 5–7 лет, чтобы обеспечить присутствие на лунной поверхности 2–4 астронавтов. Интересно вспомнить, что более ста лет назад, в 1911 г., началось исследование Южного полюса Земли, а менее чем полстолетия позже, Антарктида стала местом пребывания для нескольких тысяч людей
80
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.13. Лунная база в изображении художника. Горное оборудование предназначено для использования местных ресурсов, на первом этапе для добычи кислорода и, возможно, воды из реголита, а на этапе создания развитой лунной инфраструктуры — производства железа, алюминия, магния и титана. а — концепция NASA, с любезного разрешения NASA / Pat Rawlings; б — концепция Роскосмоса. Предоставлено: НПО им. Лавочкина
из почти 30 стран, постоянно проводящих там широкомасштабные научные исследования. На Южном полюсе Луны наиболее интересным с точки зрения геологии и использования местных ресурсов является ранее упомянутый бассейн Южный полюс — Эйткен. Здесь находятся, в частности, постоянно затененные кратеры, такие как Шеклтон, Кабеус и другие, в которых ожидаются значительные отложения водяного
Меркурий
81
льда, и эти запасы воды могут стать основой жизнеобеспечения будущих экспедиций. В свою очередь, расположенная здесь же гора Малаперт представляет пример области постоянного местного освещения, что обеспечивает непрерывную генерацию электроэнергии, и одновременно она является зоной постоянной прямой связи с Землей. Ступив впервые на поверхность Луны свыше пятидесяти лет назад, Нейл Армстронг произнес исторические слова о том, что этот маленький шаг человека станет гигантским скачком для всего человечества. Прошедшие годы не ослабили интереса к захватывающим перспективам нашего продвижения в космос и, следуя пророчествам К. Э. Циолковского, овладения пространствами за пределами собственной планеты. Можно думать, что создание лунных баз (рис. 2.13) как первого этапа на этом пути, начнется уже к середине XXI столетия. Оно станет новой вехой в развитии человеческой цивилизации и достойно ознаменует столетнюю годовщину запуска первого искусственного спутника Земли.
Меркурий Основные свойства. Меркурий (см. рис. 2.1) — ближайшая к Солнцу планета, которая находится на расстоянии меньшем 0,4 a. е. ( 60 млн км). Меркурий назван по имени римского бога красноречия, торговли, дорог — вестника богов, которого древние греки называли Гермесом. Большая полуось его орбиты составляет 0,387 a. е., эксцентриситет 0,205, сидерический период обращения вокруг Солнца (меркурианский год) 87,97 земных суток, а наклон оси вращения к плоскости эклиптики высок — он составляет 7,0Æ . Вследствие большого эксцентриситета и, следовательно, очень вытянутой эллиптической орбиты, Меркурий приближается к Солнцу (в перигелии) на минимальное расстояние 45,9 млн км (0,3 а. е.) и удаляется от него (в афелии) на максимальное расстояние в 69,7 млн км (0,46 а. е.), т. е. в полтора раза дальше, чем в перигелии. Как уже говорилось в гл. 1, Меркурий находится в спинорбитальном резонансе, что обусловливает уникальный в Солнечной системе характер его вращения относительно звезд и обращения вокруг Солнца. За один год Меркурий успевает повернуться вокруг своей оси на полтора оборота. Вследствие этого один меркурианский звездный день (58,65 земных дней) равняется 2/3 меркурианского года и оказывается намного короче, чем один меркурианский солнечный день (176 земных дней). Другими словами, солнечные (синодические) сутки на Меркурии длятся два меркурианских года или трое звездных (сидерических) суток. Это также означает, что при последовательных прохождениях перигелия ближайшими к Солнцу оказываются то одна, то другая диаметрально расположенные точки на его поверхности. Было высказано предположение, что первоначально Меркурий вращался значительно быстрее, но в ходе эволюции его собственное
82
Гл. 2. Планеты земной группы
вращение было замедлено приливным воздействием Солнца, постепенно «отобравшим» существенную часть углового момента планеты. В периоды сближения с Солнцем орбита Меркурия испытывает четко выраженную прецессию, вызванную эффектами общей теории относительности. Предпринимались попытки объяснить особенности движения Меркурия, исходя из гипотезы его происхождения как спутника Венеры, но эта идея не нашла подтверждения в свете современного знания, особенно при сравнении состава и геологии обеих планет. Очевидно, Меркурий сформировался совершенно независимо во внутренней области протопланетного диска, обедненного летучими, но с большей долей железа и других тяжелых тугоплавких элементов по сравнению с его более далекими областями. Спутников у него нет. Меркурий (см. рис. 2.1) — самая маленькая планета в Солнечной системе, радиус которой всего 2439,7 1,0 км. Это даже меньшее чем радиусы самых крупных спутников Юпитера (Ганимед) и Сатурна (Титан). Масса Меркурия составляет 3,3 1023 кг, а плотность 5,43 г/см3 , что только слегка уступает плотности Земли. Ускорение силы тяжести 3,70 м/с2 , вторая космическая скорость — 4,25 км/с. Его визуальная звездная величина изменяется от 1,9 до 5,5 , но планету трудно наблюдать из-за небольшого углового расстояния от Солнца (28,3Æ при максимальном удалении) 1). Ось собственного вращения Меркурия почти перпендикулярна к плоскости его околосолнечной орбиты, и поэтому никаких сезонных изменений не происходит. Заметим, что интерес к Меркурию, находящемуся на близком расстоянии от Солнца, значительно возрос после открытия внесолнечных планет (см. гл. 7), многие из которых оказались на орбитах в непосредственной близости к родительской звезде. Наиболее полную информацию о Меркурии принесли полеты космических аппаратов (КА). Первым был американский «Маринер-10», который после пролета Венеры совершил три пролета около Меркурия в 1974–75 гг. на минимальном расстоянии 320 км, отсняв примерно 45 % его поверхности. Значительно более полные исследования Меркурия осуществил КА «Мессенджер» (Messenger), который после трех гравитационных (пертурбационных) маневров (одного у Земли и двух у Венеры) достиг Меркурия в 2008 г., совершив его облет, а спустя три года, в 2011 г., под воздействием гравитационного поля планеты, был переведен на орбиту ее спутника. За несколько лет работы аппарат совершил свыше 4100 оборотов вокруг планеты и передал изображения свыше 270 тысяч снимков, отсняв 95 % поверхности Меркурия 1)
Подобно другой внутренней по отношению к Земле планете — Венере, можно наблюдать прохождение (транзит) Меркурия по диску Солнца, когда плоскость его орбиты пересекает эклиптику. Такие события происходят достаточно редко (последнее наблюдалось 9 мая 2016 г.). Число транзитов Меркурия — примерно 13 за столетие, а у Венеры они случаются один раз за 243 года.
Меркурий
83
с довольно высоким разрешением, и другую важную информацию. Это позволило лучше понять его геологическую историю, состав и структуру коры, включая наличие льдов в кратерах у полюсов, природу магнитного поля, свойства необычной атмосферы, содержащей, помимо водорода, кислорода и гелия, ряд металлов (натрий, кальций, калий). На завершающем этапе миссии в 2015 г. было произведено соударение аппарата с планетой, чтобы получить некоторые дополнительные результаты исследований. Это было возможно сделать, поскольку, подобно Луне, Меркурий практически безатмосферное тело, в противном случае аппарат сгорел бы в атмосфере. Поверхность, внутренняя структура. Сильно кратерированная поверхность Меркурия напоминает Луну, хотя она более однородна. Нет крупных бассейнов, кроме Равнины Жары (Caloris Planitia), кольцевая структура которой достигает 1550 км в поперечнике. Очевидно, это образование ударного происхождения, заполненное лавой (рис. 2.14). Размеры кратеров колеблются от нескольких до сотен километров. Самым большим является кратер Рембрандт более 500 км
Рис. 2.14. a — изображение импактных кратеров вокруг вулкана в самом большом бассейне на меркурианской Равнине Жары (Caloris Planitia) поперечником 1600 км, полученное КА «Мессенджер». б — диаграмма основных форм поверхности справа от Равнины Жары. (С любезного разрешения NASA)
в диаметре. Кратеры, в целом, хорошо сохранились, что свидетельствует об очень слабой эрозии и отсутствии геологической активности на планете за последние 3–4 млрд лет. Есть, однако, свидетельства широко распространенного вулканизма, особенно на равнинах северного полушария. Вероятно, вулканическая деятельность играла наиболее важную роль в тепловой эволюции планеты, причем лава была очень горячей (рис. 2.15). Из-за небольшого размера Меркурия радионуклиды, накопленные при его формировании и главным образом ответственные за нагрев недр, были исчерпаны в течение первых 1–2 млрд лет, и с тех пор он непрерывно охлаждался и уменьшался в размерах. Как уже отмечалось, Меркурий образовался из тугоплавких элементов,
84
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.15. a — северные равнины Меркурия, на которых обнаружены признаки широко распространенной вулканической деятельности в истории тепловой эволюции планеты и свидетельства того, что некоторые лавы были чрезвычайно горячими. б — изображение Южного полюса Меркурия с КА «Мессенджер». (С любезного разрешения James Green / NASA)
дифференциация недр произошла на самых ранних этапах эволюции с выделением массивного ядра, содержащего до 83 % железа. Его остывание способствовало сжатию планеты, площадь поверхности которой уменьшилась за геологическую историю примерно на 1 %. Столь мощное сжатие привело к сильной деформации коры, сопровождавшейся, в частности, формированием острых уступов (эскарпов), протянувшихся на сотни километров. Так, например, гигантский эскарп Дискавери 3-километровой высоты простирается примерно на 350 км. Измерения элементного состава поверхностных пород Меркурия при помощи флуоресцентной спектрометрии показали, что, в отличие от лунной поверхности, обогащенной плагиоклазами и полевыми шпатами, породы Меркурия обеднены кальцием, алюминием, титаном и железом (все железо и сидерофильные элементы, по-видимому, сосредоточились в ядре), хотя содержат больше магния и серы. Это означает, что по своему составу породы на поверхности Меркурия занимают промежуточное положение между типичными гранитами и ультраосновными горными породами и подобны земным коматиитам — типу ультраосновных изверженных из мантии вулканических пород основного состава, с низким содержанием кремния, калия и алюминия и высоким содержанием магния. Подробное картирование рельефа Меркурия проведено по результатам измерений рельефа при помощи лазерного альтиметра (MLA) космическим аппаратом «Мессенджер». С точки зрения рельефа и состава поверхности особенно большой интерес представляют полярные области Меркурия, исследованные КА «Мессенджер» и радиолокацией с Земли (рис. 2.16). Было обнаружено, что в северной полярной области все отложения находятся на дне или на стенках ударных кратеров,
Меркурий
85
Рис. 2.16. а — карта северного полушария Меркурия, составленная по результатам измерений рельефа при помощи лазерного альтиметра (MLA) КА «Мессенджер». Самые низкие области обозначены голубым цветом, самые высокие — красным. Перепады высот превышают 10 км; б — мозаика радиолокационных изображений южной полярной области Меркурия, полученная наземным телескопом Аресибо. В северной полярной области все полярные отложения расположены на дне или на стенках ударных кратеров. Отложения, расположенные дальше от полюса, концентрируются на северной стороне кратеров. В южной полярной области обнаружены постоянно затененные ударные кратеры, подобные кратерам на Луне (показаны красным цветом). Сравнение деталей мозаики, переданных КА «Мессенджер», с данными, полученными с помощью наземных радиолокационных измерений (показаны желтым цветом), приводит к выводу, что все полярные отложения, ассоциируемые с водяным льдом, располагаются в постоянно затененных областях. (С любезного разрешения NASA / Университет Джона Хопкинса / Институт Карнеги / Обсерватория Аресибо)
а по мере удаления от полюса они больше концентрируются на сторонах кратеров, обращенных к северу. В южной полярной области были обнаружены постоянно затененные кратеры, подобные лунным, отложения в которых, по данным радиолокации, также были отождествлены с водяным льдом. Этот сенсационный результат свидетельствует о том, что на горячем Меркурии сохранились ледяные отложения в полярных областях на дне и стенках кратеров в местах постоянной тени. Внутреннее строение Меркурия отличается от всех других планет Солнечной системы. Мы уже говорили о том, что основную часть его массы занимает богатое железом ядро. Его радиус 1800–1900 км, выше находится твердая силикатная мантия толщиной 600 км, а над ней — протяженная силикатная кора размером от 100 до 300 км. На основе радиолокационных наблюдений вариаций вращения планеты был сделан вывод о том, что железное ядро может быть частично жидким и содержать небольшую примесь серы. Результаты моделирования дают основание считать, что, подобно Земле, у Меркурия может быть жидкое
86
Гл. 2. Планеты земной группы
внешнее и твердое внутреннее ядро. Наличие частично расплавленного ядра подкрепляется ярко выраженным характером приливного взаимодействием планеты, обладающей высоким эксцентриситетом орбиты, с Солнцем. В целом же Меркурий обладает весьма однородным радиальным распределением плотности, и такая модель внутреннего строения полностью удовлетворяет безразмерному моменту инерции 0,353 0,017. В гравитационном поле планеты были обнаружены небольшие неоднородности, обусловленные масконами, напоминающими лунные, величина которых не превышает 100 мГал. Предположение о том, что у Меркурия сохранилось частично жидкое ядро, подтверждается открытием у него магнитного поля дипольной природы, хотя и достаточно слабого. Его величина составляет 350 нТл, что в сотни раз меньше, чем напряженности магнитного поля Земли. Оно имеет совершенно симметричную структуру диполя, а магнитная ось смещена относительно оси вращения планеты всего на 10Æ . Природа возникновения магнитного поля полностью отвечает теории динамо при наличии конвекции в частично жидком ядре и относительно медленном вращении. Собственное магнитное поле создает четко выраженную, хотя и небольшую магнитосферу Меркурия и особые структуры ее взаимодействия с плазмой солнечного ветра. В частности, «Мессенджер» обнаружил специфические магнитные вихри, достигающие в поперечнике сотни километров, и окна в магнитосфере, через которые солнечная плазма в условиях крайне разреженной атмосферы может достигать поверхности, что, возможно, связано с процессами пересоединения силовых линий межпланетного и меркурианского магнитных полей. Подобно другим планетам Солнечной системы, у которых есть магнитосфера, у Меркурия обнаружен шлейф, подобный хвосту комет, который простирается на расстояние более чем 2,5 миллиона километров (его угловой размер приблизительно 3Æ ). Природные условия на поверхности Меркурия чрезвычайно суровы. У планеты практически нет атмосферы: давление у поверхности в пятьсот миллиардов раз (5 1011 ) меньше, чем у поверхности Земли, и ее плотность ( 10 17 г/см3 ) подобна плотности земной экзосферы. Интегральное сферическое альбедо довольно низкое (0,12), и это означает, что основная часть солнечного излучения поглощается поверхностью, а не отражается в космос. Меркурий получает в 11 раз больше энергии от Солнца, и в условиях отсутствия атмосферы на поверхности происходят резкие колебания температуры от 90 K ( 180 ÆC) ночью до 700 K ( 430 ÆC) днем. Это самый широкий диапазон температур на телах Солнечной системы. Заметим, что вследствие уникального годового обращения и суточного вращения Меркурия на его поверхности можно выделить самые горячие долготы при прохождении планетой перигелия. Из-за низкой теплопроводности рыхлого верхнего слоя (реголита) температура на приблизительно метровой глубине имеет тенденцию стабилизироваться на средней величине около 75 ÆC.
Венера
87
Экзосфера Меркурия состоит из кислорода (42 %), натрия (29 %), водорода (22 %), гелия (6 %), с примесью воды, аргона, азота, калия, кальция, магния (в сумме около 1 %). Источниками экзосферы являются частицы солнечного ветра (главным образом, водород и гелий), радиоактивный распад элементов поверхностных пород (гелий, натрий, калий) и рассеяние частиц поверхности при взаимодействии с плазмой солнечного ветра (sputtering, все остальные частицы). Интересно заметить, что в экзосфере частицы испытывают менее частые столкновения друг с другом, чем с поверхностью, а сама экзосфера обновляется примерно каждые 200 дней. Обнаружение водяного льда в постоянно затененных и, вероятно, частично запыленных областях полярных районов Меркурия хорошо согласуется с их более высокой отражательной способностью в диапазоне радиоволн, а также с наличием в экзосфере таких ионов, как O , ОH и H2 O , происхождение которых тесно связано с водой.
Венера Основные свойства. Венера — вторая планета от Солнца (рис. 2.1), она обращается вокруг него на среднем расстоянии 0,723 а. е. (108 млн км). Планета названа именем богини любви и красоты в римской мифологии, аналогом которой в греческой мифологии была Афродита. Максимальная визуальная звездная величина Венеры равна 4,9 (хотя обычно 4,5 ), и она является третьим самым ярким светилом на нашем небе после Солнца и Луны. Максимальная элонгация (угловое расстояние Венеры от Солнца) составляет 47,8Æ . Поскольку планету лучше всего наблюдать в разные сезоны перед восходом или после захода Солнца, ее часто называют утренней или вечерней звездой. Венера обращается вокруг Солнца за 224,7 земных суток (это сидерический период относительно звезд, то есть венерианский год). Орбита Венеры близка к круговой (ее эксцентриситет равен 0,0068). Расстояние от Земли до Венеры изменяется от 259 до 40 млн км при верхнем и нижнем соединениях соответственно. Вращение планеты вокруг ее оси чрезвычайно медленное: один оборот за 243,02 земных суток. Венера вращается в обратном направлении (по часовой стрелке), в отличие от вращения в прямом направлении (против часовой стрелки) всех других планет, кроме Урана. Отклонение оси вращения Венеры от перпендикуляра к плоскости эклиптики составляет всего 3,4Æ (2Æ к плоскости ее орбиты), и поэтому на планете по существу не происходит никаких сезонных изменений. Вследствие медленного вращения фигура Венеры не имеет заметного сжатия. Комбинация собственного вращения и обращения по орбите приводит к тому, что движение Венеры относительно Солнца (синодический период) оказывается равным 584 земным дням. В то же время ее движение относительно Земли составляет 146 земных дней, т. е. ровно в четыре раза меньше.
88
Гл. 2. Планеты земной группы
Таким образом, один солнечный день на Венере равен 116,8 земным дням. Интересно, что в каждом нижнем соединении Венера обращена к Земле одной и той же стороной. Вероятнее всего это вызвано крайне слабым взаимным гравитационным взаимодействием двух планет. Венера очень похожа на Землю по размеру, массе и средней плотности. Ее радиус равен 6051,8 км (95 % от земного), масса 4,87 1024 кг (81,5 % от массы Земли), средняя плотность 5,24 г/см3 . Ускорение силы тяжести 8,87 м/с, вторая космическая скорость 10,46 км/с. Подобно Меркурию, Венера не имеет спутников. Из-за близости к Солнцу солнечная постоянная на орбите Венеры приблизительно вдвое выше, чем на Земле ( 2 621 вт/м2 ), хотя ее интегральное сферическое альбедо также приблизительно вдвое больше ( 0,76). Поэтому, падающий на Венеру поток солнечной энергии (инсоляция) на Венере почти такой же, как для Земли. Заметим, что, хотя обе планеты получают сопоставимую лучистую энергию от Солнца в современную эпоху, ситуация была иной на ранних стадиях их эволюции. При наблюдениях с Земли в видимом свете на диске Венеры не выявляются какие-либо детали, поверхность, закрытая атмосферой и облаками, не видна (см. рис. 2.1), и только в ультрафиолетовых лучах обнаруживаются некоторые особенности (рис. 2.17). Поэтому еще до недавнего времени данные о природе соседней планеты были крайне ограниченными. Исторически она считалась сестрой Земли, со столь же благоприятным климатом и даже экзотическими условиями на поверхности, включая пышную растительность. Однако в действительности все оказалось совершенно другим. Первые указания на то, что Венера может иметь необычно высокую температуру, принесли данные радионаблюдений с Земли в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн, хотя их интерпретация не была однозначной. Представления о том, что измеренная радиотелескопами высокая радиояркостная температура действительно могла быть обусловлена горячей поверхностью Венеры, были подтверждены результатами дистанционных измерений при пролете у Венеры в 1962 г. американского КА «Маринер-2». Между тем, оценки давления атмосферы у поверхности и представления о ее химическом составе оставались совершено неопределенными. Настоящий прорыв в наших знаниях о Венере произошел с началом осуществления в СССР многолетней комплексной программы космических исследований этой ближайшей к Земле планеты Солнечной системы. Первые надежные данные о параметрах атмосферы Венеры были получены в результате прямых (in situ) измерений ее температуры, давления и состава на спускаемом аппарате «Венера-4» в 1967 г. при его парашютном спуске. Этот аппарат, как и последовавшие за ним «Венера-5» и «Венера-6», не достигли поверхности, а были раздавлены чудовищным атмосферным давлением на высотах около 20 км над поверхностью. Они позволили установить, однако, что температура и давление на поверхности достигают, соответственно,
Венера
89
Рис. 2.17. Изображения Венеры, полученные с Земли в ультрафиолетовом диапазоне спектра (слева), с орбитального аппарата «Пионер-Венера» (в центре) и мозаика изображений поверхности Венеры в диапазоне сантиметровых радиоволн, полученных с помощью радара апертурного синтеза на космическом аппарате «Магеллан» (справа). На изображениях в видимом диапазоне длин волн наблюдаются лишь отдельные изолированные полосы, связанные с неоднородной структурой сернокислотных облаков, в то время как в ультрафиолетовых лучах хорошо различимы характерные упорядоченные структуры, обусловленные присутствием поглотителя (вероятно, частиц серы) на верхней границе облаков. Эти структуры («ультрафиолетовые облака») перемещаются по диску Венеры со скоростью 100 м/с, которая превышает скорость ветра вблизи поверхности на два порядка величины, создавая атмосферную суперротацию. Поверхность Венеры можно видеть только в диапазоне радиоволн, для которых атмосфера и облака прозрачны. Радиокартирование выявило много особенностей рельефа и своеобразие поверхности Венеры. (С любезного разрешения NASA)
735 К (472 ÆC) и 92 атм. Первые посадки на поверхность Венеры совершили «Венера-7» и «Венера-8», выполнившие обширную программу научных измерений, включая получение данных об освещенности поверхности и структуре облаков. Наиболее полные исследования были выполнены на космических аппаратах следующего поколения «Венера-9–14», включавших в себя посадочные аппараты и искусственные спутники Венеры и оснащенные многоцелевыми комплексами научных приборов. Посадочные аппараты были способны выжить на поверхности при высоких значениях температуры и давления в течение почти двух часов, что позволило выполнить уникальные научные измерения, в том числе передать цветные панорамы окружающего ландшафта, что явилось крупнейшим и до сих пор непревзойденным научно-техническим достижением. Исследования на советских КА «Венера» дополнили данные измерений на американских КА «Маринер-10» и «Пионер-Венера», а в последнее время обширная программа измерений атмосферы Венеры была осуществлена на европейском спутнике «Венера-Экспресс», недавно прекратившим свое существование. Почти в это же время японское космическое агентство JAXA запустило на высокоэллиптическую (68 000 км) орбиту вокруг Венеры с периодом
90
Гл. 2. Планеты земной группы
9 земных суток спутник «Акацуки» (Akatsuki). Он предназначен для изучения атмосферы и климата Венеры, в том числе для проведения многоспектральной съемки облачного слоя. Планы дальнейших исследований Венеры есть у NASA и Роскосмоса (проект «Венера Д»), но пока, на фоне различных амбициозных космических проектов, она остается незаслуженно забытой планетой. Атмосфера, облака. Венера выделяется среди внутренних планет Солнечной системы прежде всего своей массивной газовой оболочкой и необычным тепловым режимом. Наиболее интригующий вопрос, который мы адресуем к Венере — что, в конечном итоге, вызвало образование на ней столь горячей и плотной атмосферы. Атмосфера состоит почти на 97 % из углекислого газа (CO2 ) и примерно 3 % азота (N2 ). Она содержит только в относительно незначительных количествах воду, окись углерода (СО), серосодержащие газы (сернистый газ SO2 , сероокись углерода COS и сероводород H2 S), хлористый водород (HCl) и фтористый водород (HF). Их относительное содержание находится на уровне нескольких тысячных долей процента, но они играют важную роль в метеорологии Венеры, в первую очередь в образовании ее облаков. Примерно в таком же количестве находится угарный газ СО, а кислород практически отсутствует. Ничтожно ( 10 4 ) количество в атмосфере водяного пара и еще ниже в облаках, где он «жадно» поглощается серной кислотой. В виде примесей инертных газов есть азот (0,01 %), причем отношение его космогенных (36 Ar, 38 Ar) и радиогенного 40 Ar изотопов примерно равно, в то время как в земной атмосфере оно 0,004/0,996. Объяснить причину такого отличия между Венерой и Землей (а также Марсом) пока не удается. Температура на поверхности составляет 735 K (472 ÆC), что превышает температуру поверхности Меркурия, находящегося ближе к Солнцу, и даже выше, чем в кухонной духовке! При столь высокой температуре не только не может быть воды, но даже плавятся некоторые металлы. Общее содержание воды на планете почти на пять порядков меньше, чем на Земле: 3 10 9 от ее массы, тогда как для Земли 2,3 10 4 . Между северным и южным полушариями, как и между дневной и ночной сторонами нет сколько-нибудь существенных вариаций температуры из-за большой теплоемкости (энтальпии) атмосферного газа. Давление на поверхности равно 92 атм (подобно давлению в океане Земли почти на километровой глубине!), а плотность атмосферы только примерно на порядок меньше плотности воды. Дневные и широтные температурные вариации становятся заметными только в атмосфере выше облачного слоя, в стратосфере/мезосфере и термосфере. В верхней атмосфере плотность спадает с высотой быстрее, чем на Земле из-за большего среднего молекулярного веса. Температура термосферы, в зависимости от солнечной активности, изменяется примерно от 300 до 450 К на дневной стороне и не превышает 100 К на ночной, которую называют криосферой. Выше приблизительно 120 км происходит ионизация атомов и молекул солнечным ультрафиолетовым
Венера
91
и рентгеновским излучением и образуется ионосфера с максимальной электронной концентрацией почти на порядок более низкой, чем на Земле. Весьма экзотичны облака Венеры. Они окутывают без разрывов всю планету, их протяженность по высоте составляет почти 20 км между приблизительно 49 и 68 км от поверхности, а внутри выделяется трехслойная структура, содержащая частицы различного размера от микрона до нескольких микрон. Частицы состоят из капелек концентрированной ( 80%) серной кислоты, а в надоблачной дымке, ответственной за упоминавшиеся ультрафиолетовые контрасты на верхнем слое облаков, вероятно, присутствуют также частицы кристаллической серы. Обнаружена и подоблачная дымка, начинающаяся от нижней границы облаков и сохраняющаяся примерно до 35 км. Это и другие уникальные свойства существенно отличают Венеру от двух других планет земной группы, обладающих атмосферами, — Земли и Марса. Венера, близкий аналог Земли, исключительно информативна с позиций сравнительной планетологии, как своего рода предельная модель эволюции нашей собственной планеты. В то время как Земля — цветущий оазис в Солнечной системе, Венера — безводная горячая планета, крайне неблагоприятное место для обитания всего живого. Поверхность, рельеф, геология, недра. В отличие от оптического диапазона спектра, радиоволны способны проникать через плотную атмосферу и облака Венеры. Именно это обстоятельство позволило в начале 1960-х гг. измерить ее необычно высокую радиояркостную температуру. Наземные радиолокационные измерения позволили надежно измерить радиус Венеры, а значительно позднее использовать более сложную методику (метод апертурного синтеза) для проведения съемки ее поверхности в радиодиапазоне с борта космического аппарата (см. рис. 2.17). Впервые такие измерения были проведены со спутников Венеры «Венера-15 и -16», которые позволили провести радиокартирование северного полушария планеты, а затем аналогичная методика была использована на КА «Магеллан», осуществившим глобальную съемку с лучшим поверхностным разрешением. Эти космические миссии позволили нам достаточно детально исследовать поверхность Венеры, что дало возможность составить топографическую карту, изображенную на рис. 2.18. Были найдены многочисленные особенности рельефа, сохранившие определенные черты ее геологической эволюции, отличные от земных. В целом рельеф Венеры представлен возвышенностями, обширными равнинами и долинами. Типичный ландшафт — Плато Лакшми вблизи экваториальной области, окруженное многочисленными горными хребтами (рис. 2.19). Типичным примером равнин служат сильно деформированные структуры, состоящие из горных хребтов сжатия и борозд растяжения, напоминающие паркет и названные тессерами (рис. 2.20). Наиболее крупные горные массивы в экваториальных
92
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.18. Топографическая карта поверхности Венеры в проекции Меркатора, основанная на радиолокационной съемке с КА «Магеллан». Зеленым цветом обозначены возвышенности, синим цветом — низины. Самые высокие области (от белого до красного) — Земля Иштар с горами Максвелла на высоких широтах (вверху слева) и Область Альфа с Землей Афродиты и Областью Бета в экваториальной области. (С любезного разрешения NASA)
Рис. 2.19. Плато Лакшми в области, прилегающей к экватору, окруженное многочисленными горными хребтами. Изображение с КА «Венера-15, -16», Российская академия наук
и средних широтах — Земля Афродиты и Земля Иштар, которые сопоставимы по размерам с земными континентами. На Земле Иштар находятся самые высокие на Венере горы Максвелла, достигающие высоты почти 11 км (рис. 2.21). Интересно, что Максвелл — одно из трех исторически сохранившихся названий областей повышенной радиояркости (два других — Альфа и Бета), причем Максвелл — един-
Венера
93
Рис. 2.20. Сильно деформированные структуры — горные хребты сжатия и борозды растяжения, называемые тессерами, типичные для равнин Венеры. (С любезного разрешения NASA/JPL)
Рис. 2.21. Горы Максвелла высотой приблизительно 11 км, самая высокая горная система на Венере. Начиная с высоты 5 км они имеют очень высокую яркость поверхности в радиоволновом диапазоне (своего рода «линия снега»), что, вероятно, вызвано повышенной проводимостью веществ, входящих в состав горных пород, таких как пирит, магнетит, гематит, перовскит, теллурит и др. (С любезного разрешения NASA/JPL)
ственное мужское имя на планете, для которой по решению МАС поверхностным деталям присваиваются только женские имена. Возвышенность в Области Бета (рис. 2.22), возможно, имеет тектоническое происхождение, хотя, в отличие от Земли, явных свидетельств глобальных тектонических процессов, формировавших поверхность планеты, на Венере нет.
94
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.22. Область Бета — возвышенность тектонического происхождения, рассеченная каньоном Деваны, простирающимся с юго-запада на северо-восток. Масштаб возвышенности показан вверху справа. (С любезного разрешения NASA)
Вместе с тем, есть многочисленные свидетельства широко распространенного вулканизма, представленного, в частности, большими горами вулканического происхождения (рис. 2.23) и излияниями на поверхностность вулканической лавы, названных «блинами» (рис. 2.24). Наблюдаются также некоторые локальные вулкано-тектонические особенности, представленные венцами в форме круговых или овальных морфологических образований (рис. 2.25). Подобные венцам арахноиды представляют собой специфические кольцевые структуры, оставленные древними геологическими процессами не совсем ясной природы. Глобальная вулканическая деятельность прекратилась на Венере, очевидно, сравнительно недавно ( 100 млн лет тому назад). В тоже время, были обнаружены очаги локального вулканизма, что служит свидетельством сохранившейся геологической активности планеты. Хотя у Венеры очень плотная толстая атмосфера, тем не менее, в течение своей геологической истории она подвергалась ударной бомбардировке очень крупными телами (до нескольких километров в поперечнике), способными достичь поверхности. Доказательством служат ударные кратеры размером приблизительно от 10 до 50 км с характерной
Венера
95
Рис. 2.23. Вулкан Маат в Области Альфа — Земля Афродиты на Венере в перспективной проекции. Высота горы составляет 5 км; отчетливо видны следы потоков лавы. Вертикальный масштаб увеличен для наглядности в десять раз. Яркость поверхности искусственно завышена. (С любезного разрешения NASA)
Рис. 2.24. Излияния на поверхность Венеры вулканической лавы в виде «блинов» в перспективной проекции. (С любезного разрешения NASA)
центральной горкой и выбросами поверхностных пород различной конфигурации, сформировавшимися в плотной атмосфере (рис. 2.26). Прямые солнечные лучи не достигают поверхности из-за большой оптической толщины атмосферы и облаков. Рассеянная радиация преобладает ниже приблизительно 60 км, и сама поверхность освещена довольно слабо — приблизительно от 300 до 3000 люкс в зависимости от зенитного угла Солнца. Так что условия на поверхности Венеры в дневное время напоминают глубокие сумерки на Земле. При этом
96
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.25. Характерная особенность морфологии поверхности Венеры — вулкано-тектонические структуры — короны круглой или овальной формы. (С любезного разрешения NASA)
Рис. 2.26. Типы ударных кратеров на поверхности Венеры с характерной центральной горкой и выбросами пород различной конфигурации, образовавшимися в плотной атмосфере Венеры. Размеры кратеров изменяются от 10 до 50 км и свидетельствуют, что астероиды (прожектали) размером в несколько километров проникали сквозь очень толстую атмосферу Венеры и достигали поверхности. (С любезного разрешения NASA)
Венера
97
при прохождении сквозь атмосферу солнечный свет поглощается сильнее в диапазоне коротких длин волн (в синей части спектра), и у поверхности доминируют красные лучи. Находящийся на поверхности наблюдатель видел бы оранжевое небо и красноватый пейзаж. Увидеть, как выглядят отдельные районы поверхности Венеры в непосредственной близости, позволили черно-белые и цветные панорамы, переданные с посадочных аппаратов «Венера-13», «Венера-14» (рис. 2.27 а, б). В окрестности аппаратов и вплоть до горизонта виден неоднородный рельеф, вероятно, вулканического происхождения, освещенный рассеянным красновато-оранжевым солнечным светом.
Рис. 2.27. а — цветные панорамы поверхности Венеры, переданные КА «Венера-13» (слева) и «Венера-14» (справа). Виден неровный рельеф с грудами камней, возможно, типа туфов. В правом верхнем углу видна линия горизонта, внизу слева — элемент конструкции посадочного аппарата с зубчатым аэродинамическим кольцом и эталонной пластинкой шкалы цветов. Красновато-оранжевый цвет, освещающий поверхность, соответствует рассеянному солнечному свету, смещенному в длинноволновую (красную) область спектра (предоставлено A. Селивановым). б — венерианский ландшафт вблизи посадочного аппарата «Венера-13». Поверхности достигает 3–5 % солнечного света, который поступает на Венеру и частично отражается поверхностью с очень низким альбедо. Монтаж и преобразование перспективы Д. Митчелла
98
Гл. 2. Планеты земной группы
Привлекает внимание необычное небо оранжевого цвета. Монтаж венерианского ландшафта с КА «Венера-13» в перспективном изображении показан на рис. 2.27 б. Структура недр Венеры известна плохо, ее модель, в целом, похожа на внутренне строение Земли. Выделяют три основные оболочки, включающие кору толщиной приблизительно 16 км, под которой находится мантия, простирающаяся на глубину примерно 3300 км, и, наконец, массивное центральное железное ядро, составляющее почти четверть общей массы планеты, плотность которого в несколько раз превышает плотность коры (см. рис. 2.2 a, б). Из-за очень медленного вращения, механизм динамо, очевидно, малоэффективен. В ядре и мантии не генерируются электрические токи и, как следствие, у Венеры нет собственного магнитного поля. Тепловой режим и динамика. Принципиально важно ответить на вопрос о том, почему планета, очень похожая на Землю по размерам, массе, внутренней структуре и находящаяся на расстоянии всего лишь 40 миллионов километров от Земли — совершенно ничтожном по космическим масштабам — пошла по иному пути эволюции, приведшему к совершенно другим природным условиям. Мы подробнее коснемся этой проблемы в последнем разделе данной главы, а здесь рассмотрим некоторые особенности ее теплового режима и динамики. Измерения монохроматического и интегрального потоков солнечной радиации как функции зенитного угла Солнца служат ключевым фактором для оценок теплового баланса. Как показали измерения ослабления потока солнечного излучения в атмосфере Венеры и уровня освещенности поверхности, впервые проведенные на «Венере-8» и в дальнейшем подтвержденные более полными измерениями на КА «Венера-9»–14» и на КА «Пионер-Венера», более 65 % приходящего солнечного излучения поглощается верхним слоем облаков и дымкой (в диапазоне высот 60–90 км), приблизительно 8 % — средним и нижним слоями облаков (49–60 км) и примерно 27 % — нижней атмосферой и поверхностью. При усреднении измеренной солнечной радиации по всей поверхности получаем, что поток на единицу площади поверхности меньше 20 вт/м2 . Это составляет только 10 % усредненной солнечной энергии, поглощаемой Венерой (примерно 160 вт/м2 ). Из анализа данных фотометрических измерений и съемки панорам поверхности следует, что поверхностное альбедо не превышает 10 %, из чего можно заключить, что поверхность поглощает почти 90 % доходящего до нее потока солнечной радиации. Можно думать, что необычный во многих отношениях экзотический климат Венеры был предопределен многими факторами, прежде всего, необратимым парниковым эффектом, который, вероятно, явился результатом потери воды с поверхности планеты при постепенном нагревании, сопровождаемом разложением карбонатов в поверхностных породах. Не имея возможности воспроизвести этот сценарий, мы
Венера
99
можем, однако, рассмотреть физический механизм теплового равновесия на планете. Прежде всего, заметим, что, в отличие от звездных атмосфер, имеющих внутренний источник тепла, тепловой режим планетной атмосферы формируется за счет внешнего притока лучистой энергии, поглощение которой является постоянно действующим неадиабатическим фактором. При поглощении излучения выделяется энергия, неравномерно распределенная в пространстве, в том числе по высоте. Для ответа на вопрос о том, каковы особенности теплового режима атмосферы Венеры, нужно понять, как обеспечивается баланс падающего и уходящего излучения, другими словами, как формируется результирующий тепловой поток и какова взаимосвязь лучистых потоков с динамическим тепловым обменом. При моделировании теплового режима, включая механизм возникновения парникового эффекта, важно, прежде всего, сравнить высотные профили солнечной и тепловой радиации, каждый из которых является разницей восходящего и нисходящего потоков (net flux). В основе расчетов переноса излучения лежат оптические свойства как основных атмосферных компонентов, так и примесей, содержание и распределение по высоте которых может оказаться определяющим для создания парникового эффекта. Инфракрасное (тепловое) излучение поглощается почти всеми газами тропосферы Венеры. Основная составляющая атмосферы, углекислый газ, является сильным поглотителем инфракрасной радиации, что создает условия для положительной обратной связи и приводит к росту температуры и давления, лежащему в основе возникновения необратимого парникового эффекта. Оптические свойства СО2 определяются рядом характерных колебательновращательных полос и несколькими более слабыми полосами, обусловленными асимметричными изотопами. Из-за большого содержания СО2 на пути распространения лучистой энергии ( 109 атм-cм) современная атмосфера Венеры непрозрачна в диапазонах нескольких наиболее интенсивных полос поглощения, и радиация передается между ними только в некоторых «окнах прозрачности». Эти окна становятся еще более узкими, однако, в индуцированном спектре поглощения СО2 при высокой температуре и давлении из-за появления далеких крыльев сильных полос. Слабые полосы, попадающие в эти окна, также способствуют поглощению теплового излучения. Наряду с этим, большой вклад в поглощение вносят малые атмосферные составляющие, в первую очередь, водяной пар и серосодержащие соединения, из которых самой главной является двуокись серы SO2 . Их полосы, попадающие в окна прозрачности CO2 , эффективно влияют на перенос излучения, несмотря на то, что их относительное содержание (часто называемое отношением смеси, mixing ratio) составляет всего сотые или даже тысячные части процента. Заметим, что в однородной среде отношение смеси сохраняется постоянным только для компонентов, не подверженных химическим взаимодействиям или фазовым переходам
100
Гл. 2. Планеты земной группы
в диапазоне рассматриваемых температур, в то время как в атмосфере Венеры концентрации водяного пара и двуокиси серы изменяются с высотой, особенно в облачном слое. Облака сами по себе дополнительно вносят большой вклад в перенос теплового излучения и результирующие оценки уходящего потока. Расчеты переноса тепловой радиации более чем в 500 диапазонах длин волн с высоким спектральным разрешением показали, что почти вся уходящая атмосферная радиация при температуре поверхности 735 K сосредоточена в инфракрасном спектральном диапазоне от 1,5 до 1000 мкм. Пик интенсивности приходится на 4 мкм и перемещается к 8,2 мкм вблизи нижней границы облаков при температуре 365 K, в соответствие с законом излучения Планка. Как оказалось, при таких температурах в углекислой атмосфере тепловой баланс обеспечивается только при условии, что относительное содержание водяного пара в тропосфере составляет от 10 4 до 10 3 , что не противоречит имеющимся доступным данным, полученным прямыми измерениями. Вклад в непрозрачность двуокиси серы незначителен, и проявляется, главным образом, в верхних слоях тропосферы, выше 40 км. Кроме переноса излучения важную роль в формировании теплового режима Венеры играют динамические процессы в атмосфере. С физической точки зрения планетарная динамика отражает баланс между потенциальной энергией, генерируемой солнечным излучением, и потерей кинетической энергии путем ее диссипации в разнообразных движениях. С этой точки зрения планетная атмосфера часто сравнивается с тепловым двигателем, в котором экваториальная и полярная области служат, соответственно в качестве нагревателя и холодильника. Заметим, что КПД такого двигателя очень низкий, он не превышает нескольких процентов. Очевидно, при наличии лучистого равновесия (как в случае земной стратосферы) энергия приходящей солнечной радиации скомпенсирована на каждом высотном уровне атмосферы уходящим потоком излучения. Другими словами, скорости поступления солнечной энергии и охлаждения атмосферы путем инфракрасной радиации в этом случае равны. Если же выполняется условие лучисто-конвективного равновесия (как это имеет место в локальных областях земной тропосферы), то компенсация энергии поступающего солнечного излучения на каждом уровне в атмосфере обеспечивается, помимо уходящего теплового излучения, также конвективным переносом тепла. Фактически, эти два альтернативных случая служат локальным приближением к более полной картине теплового переноса, включающего динамические процессы различных пространственных масштабов, такие как планетарная циркуляция, крупномасштабная конвекция, турбулентность, вихри. В то время как в глобальном масштабе состояние теплового равновесия на планете характеризуется эффективной температурой (для Венеры 228 K вблизи верхней границы облаков), и это равновесие строго выполняется, неравенство между поступлением и излучением
Венера
101
энергии в отдельных областях планеты служит источником различного типа движений. Иными словами, тепловые неоднородности, возникающие из-за неравномерного нагрева и приводящие к горизонтальным градиентам температуры, сбалансированы за счет крупномасштабных движений с широким спектром пространственных масштабов, вплоть до распада атмосферных вихрей, каскадов турбулентной энергии и ее диссипации в тепловую. Такой сценарий позволяет, в частности, объяснить, как компенсируется дисбаланс между потоками лучистой энергии от Солнца и уходящей тепловой радиацией в экваториальной и полярной областях атмосферы Венеры. Между тем, существует зависимость от широты вертикальных температурных профилей, установленная по данным микроволнового зондирования стратосферы Венеры, радиометрических измерений на КА «Пионер-Венера» и фотометрических измерений на КА «Венера Экспресс». Такое различие можно объяснить тем, что с широтой падает как инсоляция, так и относительное содержание H2 O и SO2 , что приводит к росту уходящего теплового потока. В целом же, как говорилось, основную роль в механизме перераспределения тепла играет планетарная циркуляция. Динамические процессы переноса на Венере очень эффективны. В отличие от Земли, влияние сил Кориолиса на медленно вращающейся Венере незначительно, и поэтому, число Россби Ro 1. В результате для Венеры характерен режим не геострофического, как на Земле, а циклострофического баланса. Его отличительной особенностью является то, что зональная компонента скорости, увеличивающаяся с высотой, накладывается на циркуляционную ячейку Хэдли, возникающую из-за температурного градиента между полюсом и экватором. В этом случае происходят восходящие и нисходящие движения атмосферного газа, соответственно, на низких и высоких широтах, сопровождаемые его переносом в меридиональном направлении к полюсам в верхней тропосфере и обратными потоками в нижней тропосфере. При этом на полюсах формируются громадные вихревые структуры, что отвечает условию сохранения углового момента для всей циркуляционной системы (рис. 2.28). Во всем спектре движений в атмосфере Венеры, несомненно, важную роль играет турбулентность, о наличии которой свидетельствуют температурные профили в нижней атмосфере, измеренные на КА «Венера» и «Пионер-Венера». Она могла внести, в частности, важный вклад в формирование теплового режима планеты на ранних этапах ее эволюции. С механизмом планетарной циркуляции атмосферы Венеры, очевидно, связано явление суперротации (карусельной, или Merry-go-round циркуляции) с периодом около четырех земных дней, обнаруженное при наблюдениях с Земли по движению «ультрафиолетовых облаков». Как показали измерения на КА «Венера» с использованием доплеровского сдвига частоты бортовых генераторов при спуске посадочных аппаратов в атмосфере, а также прямые измерения на поверхности
102
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.28. Южное полушарие Венеры в видимой (слева) и инфракрасной (справа) областях спектра. Композитная фотография, полученная спектрометром VIRTIS (Visual Infrared Thermal Imaging Spectrometer) cо спутника Венеры «Венера-Экспресс» 12.04.2006 г. с расстояния 206 453 км от планеты. Вихрь над южным полюсом на верхней границе облаков (темный овал) является элементом общей системы циркуляции атмосферы Венеры. Аналогичная структура облаков существует над северным полюсом. (С любезного согласия ESA)
при помощи чашечных анемометров на КА «Венера-9» и «Венера-10», суперротация отражает общую структуру движений в атмосфере Венеры от поверхности до верхней границы облаков. Зональная скорость ветра устойчиво возрастает от 0,5 м/с у поверхности до 100 м/с на высоте приблизительно 65 км и выше. Скорость 100 м/с как раз соответствует наблюдаемому перемещению облаков с периодом около четырех дней. Ультрафиолетовые контрасты переменных конфигураций (мозаики белых и черных полос), среди которых особо выделяется конфигурация в форме положенной набок латинской буквы Y, вероятно, обусловлены поглощением солнечной УФ-радиации аллотропными модификациями серы, предположительно содержащейся в верхнем слое облаков и надоблачной дымке. Наши современные представления о структуре атмосферы Венеры с выделением наиболее характерных областей на различных высотах и слоями сернокислотных облаков, выше и ниже которых надоблачная и подоблачная дымки, суммированы на диаграмме рис. 2.29. На вертикальных осях слева и справа показаны высотные распределения, соответственно, давления и температуры. Указаны основные механизмы атмосферной динамики, включающие: ячейки слабой конвекции
Марс
103
Рис. 2.29. Диаграмма структуры атмосферы Венеры с наиболее характерными зонами на различных высотных уровнях. Распределение температуры по высоте показано на правой вертикальной оси, а на левой оси — высота и соответствующие ей значения давления. (Согласно Т. Donahue и С. Russell)
в нижней (в целом устойчивой) тропосфере, восходящие потоки на экваторе и нисходящие на полюсах в глобальной системе планетарной циркуляции. Условно обозначено атмосферно-литосферное взаимодействие, поддерживаемое сложными геохимическими процессами и включающее несколько циклов с ключевой ролью серосодержащих соединений в горячей углекислой атмосфере, в том числе ответственные за формирование экзотических сернокислотных облаков,
Марс Основные свойства. Марс — четвертая планета земной группы, расположенная на расстоянии 1,5 а. е. от Солнца и на среднем расстоянии от Земли приблизительно 0,5 а. е., т. е. чуть дальше, чем Венера, и с противоположной от Земли стороны. В древнеримской мифологии Марс — бог войны (в греческой мифологии — Арес). Это название планета получила за красноватый («кровавый») цвет при ее наблюдении с Земли и с земной орбиты (см. рис. 2.1 и 2.30). Визуальная (видимая) звездная величина Марса довольно высокая ( 2,88 в максимуме),
104
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.30. Марс во время Великого противостояния с Землей в 2003 г. Изображение получено космическим телескопом «Хаббл». (С любезного разрешения NASA и Tony Irving, Университет Вашингтона.) Великие противостояния повторяются с промежутком 17 лет, в 2003 г. произошло наибольшее сближение планет, что случается раз в 80 лет
хотя меньше чем у Венеры и Юпитера. Большая полуось марсианской орбиты равна 1,52 а. е., эксцентриситет 0,09. Это означает, что Марс обращается вокруг Солнца по довольно вытянутой эллиптической орбите, приближаясь к Солнцу в перигелии на 206,65 млн км (1,38 а. е.) и удаляясь от него в афелии на максимальное расстояние 249,23 млн км (1,67 а. е.). Сидерический период обращения (относительно звезд), или марсианский год, составляет 686,98 земных суток (1,88 земного года), а синодический период (относительно Земли) равен 779,94 земных суток. Период вращения планеты относительно звезд, соответствующий одному астрономическому дню, составляет 24 ч 37 мин 23 с, в то время как один солнечный день немного длиннее (24 ч 39 мин 35 с). Наклон орбиты Марса к плоскости эклиптики равен 1,85Æ , а угол наклона оси собственного вращения (угловое расстояние между осью вращения и перпендикуляром к плоскости орбиты) в современную эпоху составляет 25,19Æ . Эта величина очень близка к наклону оси вращения Земли, и поэтому Марс испытывает в течение года аналогичные сезонные изменения. Однако из-за большого эксцентриситета орбиты весна и лето в южном полушарии вблизи перигелия короче и жарче, чем те же сезоны в северном полушарии в афелии и наоборот.
Марс
105
Марс приближается к Земле на минимальное расстояние 55,76 млн км, когда Солнце и Марс располагаются с противоположных сторон относительно Земли. Такие положения, называемые противостояниями, повторяются каждые 26 месяцев в различных точках орбиты Марса. Максимальное удаление от Земли достигает 401 млн км, когда Солнце располагается точно между Марсом и Землей. Раз в 15–17 лет противостояние происходит вблизи перигелия, и тогда оно называется великим противостоянием, когда расстояние между Марсом и Землей оказывается минимальным, а сам Марс достигает своего максимального углового размера (25,1 ) и максимальной яркости ( 2,88 ). Последнее великое противостояние было 28 августа 2003 г., когда Марс был на расстоянии 0,373 а. е. от Земли (см. рис. 2.30). Следующее произойдет 27 июля 2018 г. Марс приблизительно вдвое меньше Земли по размеру, а его масса составляет только десятую часть массы Земли. Его экваториальный радиус равен 3 396,2 км, полярный радиус 3376,2 км, и, следовательно, сжатие составляет 0,006, что близко к земному. Масса планеты 6,42 1023 кг, средняя плотность 3,93 г/см3 (0,71 от плотности Земли), ускорение силы тяжести 3,71 м/с2 , скорость убегания (вторая космическая скорость) 5,03 км/с. Солнечная постоянная на орбите Марса в 2,25 раза меньше, чем на Земле, средняя годовая температура поверхности 220 K ( 53 ÆC). Исторически Марс рассматривался как планета, на которой могла существовать жизнь, даже интеллектуальная жизнь. Вот почему из всех планет Марс с древних времен привлекал к себе особое внимание, хотя телескопические наблюдения позволяли обнаружить на поверхности достаточно смутные очертания. Наиболее крупные темные и светлые области по аналогии с Луной были названы морями и континентами, причем было найдено, что наибольшее число морей сосредоточено в южном полушарии. Концепция о наличии жизни на планете была подкреплена наблюдениями некоторых поверхностных особенностей, испытывающих сезонные изменения, и особенно более или менее правильных линейных структур, отождествленных как каналы (по-итальянски «canali»), созданные марсианской цивилизацией. Активным защитником такой идеи был замечательный американский астроном Персиваль Ловелл. Однако, как оказалось, эти каналы были иллюзией, а их геометрические формы следствием доступного в то время плохого разрешения поверхностных деталей. Реальность похоронила надежды встретить подобную нашей цивилизацию, но вместо этого открыла нам чрезвычайно интересный мир природных условий на планете, эволюция которой, подобно Венере, пошла по пути, во многом отличному от эволюции нашей собственной планеты. Современный Марс — это холодная пустыня с множеством кратеров, систем горных хребтов, плато, нагорий и долин, которые сохранили отдельные черты тектоники и древнего широко развитого вулканизма, эрозии изверженных пород под воздействием атмосферной динамики (выветривания)
106
Гл. 2. Планеты земной группы
и даже интригующие следы обилия воды и благоприятного климата в ранней истории планеты. Огромный прогресс в изучении природы Марса был достигнут благодаря полетам космических аппаратов. Первым был американский «Маринер-4» (Mariner 4), который в 1965 г. пролетел вблизи Марса и измерил параметры его атмосферы с большей точностью, чем это можно было сделать с Земли. Последующие пролеты у Марса КА «Маринер-6 и -7» (Mariner 6, 7) в 1969 г. передали первые изображения поверхности планеты. У них было довольно плохое разрешение, и детали на снимках оказались обескураживающими, так как имели сходство с поверхностью Луны. Но уже вскоре после этого изображения высокого качества, переданные в 1971 г. со спутников Марса «Маринером-9», а также «Марс-2 и -3», позволили увидеть совершенно другую планету с разнообразными ландшафтами и следами прошлой геологической активности, и измерить необычные свойства ее разреженной, но очень динамичной атмосферы. Перед выходом на орбиту спутника Марса советского КА «Марс-3» от него был отделен посадочный аппарат, который в 1971 г. впервые совершил мягкую посадку на поверхность Марса в кратере Птолемей, хотя вскоре радиосвязь с ним прервалась. Этот успех, к сожалению, не удалось повторить в 1974 г. с посадочным аппаратом «Марс-6», однако при его спуске в атмосфере были сделаны первые прямые измерения атмосферных параметров (температуры, давления, скорости ветра) с высоты приблизительно 60 км до поверхности. Интересно, что посадочный аппарат «Марс-3» был недавно обнаружен с марсианской орбиты американским спутником MRO, а бортовой камерой HiRISE (с разрешением 25,3 см на пиксель) получено изображение места посадки, на котором можно различить сам посадочный модуль, фрагменты парашюта, теплового экрана и тормозного двигателя. Наиболее успешными были полеты в 1975 г. американских КА «Викинг-1 и -2» (Viking 1, 2), состоявших из орбитального и посадочного аппаратов, которые проводили комплексные научные исследования в течение более одного марсианского года. В программе измерений были эксперименты по поиску жизни на Марсе, которые дали отрицательные результаты. Это привело к неоправданной потере интереса к Марсу, что продолжалось почти двадцать лет, до конца 1980-х гг., когда были запущены советские КА «Фобос», но они оказались только частично успешными. В 1990-х были предприняты два новых запуска к Марсу — американский «Марс Обсервер» (Mars Observer) и российский «Марс-96», но обе миссии были неудачными. Позже та же судьба постигла американский MPL (Mars Polar Lander) и российский «Фобос-Грунт». Новая страница в изучении Марса началась в нынешнем столетии в связи с успешными полетами нескольких американских КА. Это спутники Марса MGS (Mars Global Surveyor), MRO (Mars Reconnais-
Марс
107
sance Orbiter), «Марс Одиссей» (Mars Odyssey) 1), «Феникс» (Phoenix), а также Европейский КА «Марс-Экспресс» (Mars Express). Индийским космическим агентством (ISRO) был выведен на марсиансую орбиту с перицентром 400 и апоцентром 70 000 км спутник Mangalyaan, предназначенный для изучения геологии, минералогического состава поверхности, свойств атмосферы и климата. Наши знания о планете значительно пополнили высаженные на поверхность марсоходы (роверы): сравнительно небольших размеров Pathfinder («Первооткрыватель»), Spirit («Дух») и Opportunity («Возможность»), а с 2012 г. начал работу хорошо оборудованный марсоход Curiosity («Любознательность»). Его целью является получение ответов на многие интригующие вопросы о природе Марса, в первую очередь, о его геологической истории и климатической эволюции, напрямую связанные с проблемами палеобиологии. Аппарат позволил получить ряд интересных данных, в том числе о составе грунта, содержании и распределении воды, о чем мы подробнее расскажем ниже, хотя никаких признаков жизни обнаружено не было. Изучение Марса как антипода Венеры по своим природным свойствам дает нам возможность найти подход к решению ключевой проблемы, что предопределило различные ветви эволюции соседних с Землей планет. Это не простая задача, которая потребует глубоких исследований. Самые актуальные вопросы, на которых будет сосредоточено наше внимание в последующих разделах, включают изучение геологических и геохимических процессов, состава пород, сформировавших кору планеты, вековых и (возможно) периодических изменений климата, содержания воды на разных горизонтах и цикличности ее появления на поверхности. Накопление экспериментальных данных лежит в основе создания геологических и климатических эволюционных моделей, которые так или иначе сфокусированы на истории воды в геологическом прошлом и настоящем Марса, а с ней, в свою очередь, непосредственно связаны перспективы обнаружения следов существующей или исчезнувшей примитивной жизни, в последнем случае в форме бактериальных окаменелостей (fossils). Поверхность, рельеф, геология. Поверхность Марса очень неоднородна, различные формы рельефа преобладают в северном и южном полушариях, причем в северном поверхность находится на 1–2 км ниже среднего уровня. Это так называемая дихотомия фигуры планеты. Южное полушарие представлено сильно кратерированными ландшафтами, а само оно примерно на 3–4 миллиарда лет старше, чем гораздо более молодые равнины и уникальные геологические структуры северного полушария. К наиболее впечатляющим особенностям 1) Ожидается, что этот КА, запущенный в 2001 г., проработает на орбите Марса еще около 10 лет, продолжив исследования состава поверхности и околопланетного пространства.
108
Гл. 2. Планеты земной группы
рельефа относятся большая рифтовая зона — Долина Маринера (Valles Marineris), представляющая собой гигантскую систему рифтообразных депрессий, и высокогорные районы — плато Фарсида и Элизиум с расположенными на них гигантскими щитовыми вулканами, наибольшие из которых горы Олимп, Арсия и Павлина. Долина Маринера — это гигантский каньон шириной, достигающей 600 км, и глубиной 7–10 км, возможно, тектонического происхождения, который простирается на 4500 км вдоль экватора, с самыми разнообразными геологическими структурами внутри этого образования. Гора Олимп является самым высоким вулканом на планетах (рис. 2.31)
Рис. 2.31. Изображения Марса с космического аппарата. Слева: на этом изображении видны облака над огромными щитовыми вулканами на возвышенности Фарсида, рельеф северной полярной области и рифтовая зона Долина Маринера. Справа: мозаика изображений, передающих главные особенности марсианского рельефа, в том числе самые высокие в Солнечной системе щитовые вулканы высотой до 26 км над средним уровнем поверхности на северо-западе и огромный тектонический разлом Долина Маринера протяженностью более 4 500 км вдоль экватора. (С любезного разрешения NASA)
и второй по высоте горой в Солнечной системе после пика Реясильвия на астероиде Веста. Олимп возвышается примерно на 26 км над средним уровнем поверхности Марса, размер его основания почти 600 км, и кратер на вершине (кальдера) достигает 70 км в поперечнике и 3 км по глубине. По высоте он превосходит Эверест — самую большую гору на Земле, высота которого составляет только 8,8 км. Еще одной геологической особенностью Марса является также находящееся в северном полушарии гигантское образование Ваститас Бореалис (Vastitas Borealis Formation, VBF) размером в несколько тысяч километров которое в переводе с латинского означает Северная Пустошь, а по-русски его называют Великой Северной Равниной. Оно могло быть дном древнего океана с мощным накоплением осадков, а возможно и грязевых отложений. Океаническая гипотеза подкрепляется топографическими
Марс
109
особенностями границ VBF, в то время как предположение о грязевых отложениях можно связать с деятельностью грязевых вулканов. Подробное изучение марсианского рельефа было проведено с использованием лазерного альтиметра MOLA, установленного на спутнике MGS (Mars Global Surveyor). Это позволило провести детальное картографирование поверхности (рис. 2.32). На картах наглядно представлены обширные низменные равнины северного полушария, сменяющиеся сильно кратерированными областями южного полушария. Особо выделяются плоскогорье Фарсида с расположенными на нем громадными щитовыми вулканами с крутыми склонами и примыкающая к нему с юго-востока гигантская Долина Маринера вблизи экватора. Более подробно они показаны, соответственно, на рис. 2.33 и 2.34. В южном
Рис. 2.32. Рельеф Марса по результатам лазерной альтиметрии MOLA с марсианского орбитального аппарата MGS (Mars Global Surveyor). Масштаб высоты от темных синих бассейнов до красно-белых возвышеностей/гор показан внизу слева. Марс обладает очень сложным рельефом, от обширных низких равнин в северном полушарии до сильно кратерированных ландшафтов в южном полушарии с областями перехода между ними. На верхнем изображении (северное полушарие) четко выделяются нагорье Фарсида с несколькими огромными щитовыми вулканами с крутыми склонами и расположенная почти параллельно экватору к юго-востоку от нагорья Фарсида огромная рифтовая зона Долина Маринера. На нижнем изображении (южное полушарие) выделяются огромные бассейны: Эллада приблизительно 2 000 км в поперечнике (темно-синего цвета) и Аргир 900 км в поперечнике (светло-синего цвета). (С любезного разрешения NASA)
110
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.33. Марсианские вулканы. а — распределение огромных щитовых вулканов в области Фарсида. Слева показана цветовая шкала высот (от 1 до 27 км), справа вверху показан горизонтальный масштаб слева внизу — в этом же масштабе для сравнения Большой остров на Гавайских островах. б — самый большой марсианский вулкан гора Олимп диаметром 500 км в основании, изображение получено КА «Викинг». в — кальдера на вершине горы Олимп размером 85 60 км, изображение получено КА «Марс-Экспресс». В окрестности горы Олимп и на самом вулкане практически отсутствуют кратеры ударного происхождения, что свидетельствует о его сравнительно молодом возрасте. (С любезного разрешения NASA)
полушарии выделяются огромные котловины — Эллада (Hellas) поперечником приблизительно 2 200 км и Аргир (Argir), размер которого примерно 900 км. На границе между северным и южным полушариями хорошо видны переходные зоны, отделяющие друг от друга геологические провинции с различными чертами рельефа (рис. 2.35).
Марс
111
Рис. 2.34. Рифтовая зона тектонического происхождения Долина Маринера протяженностью свыше 4 500 км вдоль марсианского экватора. Максимальная ширина 100 км, глубина 8 км. (С любезного разрешения NASA)
Рис. 2.35. Типичная область резкого перехода от возвышенного рельефа к равнинам на границе между северным и южным полушариями Марса. (С любезного разрешения NASA)
Большой интерес представляют полярные шапки Марса, которые неразрывно связаны с характером его атмосферной циркуляции и климатом, причем последний, как мы видим, зависит от наклона орбиты (рис. 2.36). Наиболее обширна по размерам и запасам льда северная полярная шапка, температура атмосферы на которой не поднимается выше 70 ÆC даже летом, а зимой она разрастается на 1500 км, достигая 50Æ широты. Зимой на ней конденсируется из атмосферы углекислый газ, осаждаемый в виде тонкого слоя сухого льда приблизительно метровой толщины, а летом он стаивает, обнажая сохраняющийся постоянно водяной лед приблизительно 3,7-километровой толщины 1) 1) Эта оценка была получена путем измерений при помощи бортового радара, установленного на европейском спутнике «Марс-Экспресс».
112
Гл. 2. Планеты земной группы
и объемом 1,6 миллионов кубометров. Для сравнения, объем льда в Антарктиде примерно в 20 раз больше. Южная полярная шапка имеет меньшие размеры, ее поперечник обычно не превышает 400 км. На ней также конденсируется из атмосферы углекислый газ, слой которого зимой толще, а летом он тает быстрее из-за эксцентриситета марсианской орбиты, так как южная сторона планеты ближе к Солнцу. Подобно северной полярной шапке, под покровом сухого льда находится водяной лед, по объему которого обе шапки примерно одинаковы (рис. 2.36). Интересно, что если растопить этот лед, он покрыл бы всю планету слоем воды толщиной приблизительно 20 м.
Рис. 2.36. Северная (слева) и южная (справа) полярные шапки на Марсе. В северной полярной шапке CO2 накапливается тонким слоем толщиной приблизительно 1 м только во время северной зимы. Слой имеет диаметр 1 000 км в течение северного марсианского лета над постоянным слоем водяного льда 3 км и объемом льда 1,6 млн км3 . Южная полярная шапка сотолщиной храняет постоянное покрытие из «сухого льда» толщиной приблизительно 8 м. Ее диаметр 350 км. (С любезного разрешения NASA)
Нет сомнения в том, что поверхность и атмосфера Марса претерпели драматические изменения в течение его геологической истории, как результат интенсивной ударной бомбардировки и вулканических, тектонических и эрозионных процессов, тесно связанных с историей воды и климатом. Тектоника, вероятно, играла существенную роль в геологической истории древнего Марса, хотя она сильно отличалась от глобальной тектоники земных плит. Значительно большее воздействие на формирование рельефа оказала вулканическая активность, по-видимому, длительное время существовавшая на планете. Геологи выделяют три главных эпохи в геологической эволюции Марса. 1) Нойская эра (Noachian), охватывающая 4,6–3,7 млрд лет марсианской истории, когда сформировалась самая древняя кора и прекратилась интенсивная ударная бомбардировка (в том числе относящаяся
Рис. 2.37. Геологическая история Марса, с которой связана история воды и климата. Выделены три главных геологических периода: Нойский, Гесперийский и Амазонийский на временной шкале от 4,56 млрд лет до настоящего времени. Указаны основные процессы в каждом из периодов, которые формировали марсианский ландшафт и климат. (С любезного разрешения Джеймса Хэда/Университет Брауна)
Марс 113
114
Гл. 2. Планеты земной группы
к периоду LHB). В этот период ранний Марс, как предполагают, был теплый и влажный, по поверхности текли реки, возникла сеть русел и долин. По времени нойская эра примерно совпадает с земными катархейским и ранним архейским периодами геологической истории планеты — эонами, когда на Земле, вероятно, возникли первые формы жизни. 2) Гесперийская (Hesperian) эра (3,7–2,9 млрд лет назад) — с развитой вулканической деятельностью, излияниями громадных лавовых потоков, формированием равнин и каналов оттока, а также с предполагаемым существованием достаточно плотной атмосферы и океана. Можно думать, что это вершина эволюции Марса. 3) Амазонийская (Amazonian) эра, (от 2,9 млрд лет назад до нашего времени), во время которой с меньшей интенсивностью образовывались ударные кратеры, возникали более молодые особенности рельефа, в частности, из-за вулканических извержений, включая продолжающуюся активность Олимпа и других соседних вулканов, формирование каналов оттока и последней стадии полярных шапок (рис. 2.37). В течение этого последнего периода климат Марса драматическим образом изменился, что, в конечном счете, привело к современной холодной и сухой планете. Важным геохимическим ключом к ранней геологической истории Марса стало изучение метеоритов класса SNC (см. гл. 4), происхождение которых связывают с Марсом. В частности, в одном из таких метеоритов NWA7533, найденном в Северо-западной Африке (хотя большинство находок принадлежит Антарктиде), были обнаружены обломки пород, идентифицированные как брекчия марсианского реголита. Его уникальный состав отличен от состава реголита Луны, в нем содержатся кристаллы циркона 1), измеренный возраст которых составил 4428,6 млн лет. Это говорит о раннем кристаллическом дифференцировании пород, с вкладом в них расплавов вследствие ударных воздействий и хондритовых (CI) включений. Кроме того, результаты этих исследований позволяют предположить, что марсианская кора и запасы в ней летучих сформировались в течение первых ста миллионов лет марсианской истории, и что ее возраст примерно такой же, как возраст самой ранней коры на Луне и Земле. Внутреннее строение. Геология поверхностных структур тесно связана с внутренним строением планеты. Очевидно, Марс испытал раннюю дифференциацию, завершившуюся выделением жидкого ядра, частично расплавленной мантии и твердой коры, хотя дифференциация не была столь же полной, как на Земле (см. рис. 2.2 a, б). Изучение марсианских метеоритов приводит к выводу, что кора сформировалась 1) Кристаллы циркона обычно образуются во время кристаллизации магмы, и они не подвержены ударным процессам плавления, влияющим на состав вмещающих пород.
Марс
115
в первые сто миллионов лет марсианской истории, в согласии с тем, что происходило на Земле, Луне и других планетах земной группы. Наиболее широко распространенный вулканизм с образованием громадных щитовых вулканов относят к Нойско-Гесперийской эре, когда недра были еще горячими. Марс охладился, однако, достаточно быстро из-за его относительно небольшого размера и, соответственно, ограниченных накопленных запасов радиоактивных долгоживущих изотопов урана, тория и калия. Согласно разработанным моделям недр, современная внутренняя структура Марса включает в себя очень толстую (50–130 км) кору, силикатную мантию толщиной приблизительно 1 800 км и частично жидкое ядро (состоящее в основном из железа с примесью серы), радиус которого около 1 480 км, что составляет 14–17 % массы планеты. Внутренняя структура напоминает структуру Земли с тем, однако, отличием, что фазовые переходы, например, переход от оливина к шпинели, произошли в недрах Марса на гораздо более глубоком уровне из-за меньшего ускорения силы тяжести. В пользу существования в ранней марсианской истории жидкого ядра свидетельствуют признаки магнитного поля, оставившего после себя в современную эпоху остаточную намагниченность поверхностных пород (главным образом, в Южном полушарии). Эти остаточные магнитные аномалии (палеомагнетизм) образуют систему полос на поверхности в областях, богатых гематитом (окисидами железа) (рис. 2.38). Величина магнитного поля в районе экватора, создаваемого
Рис. 2.38. Свидетельства существования на Марсе древнего магнитного поля и генерировавшего его жидкого ядра. а — следы палеомагнитного поля в виде узких полос на поверхности Марса в Южном полушарии (палеомагнетизм). Эти следы хорошо коррелируют с выходами поверхностных пород, обогащенных гематитом (оксидами железа). Данные измерений на орбитальном КА Mars Global Surveyor. б — гематитовые сферулы в марсианском грунте. Данные получены марсоходом «Оппортьюнити» (Mars Exploration Rover Opportunity). (С любезного разрешения NASA)
116
Гл. 2. Планеты земной группы
этими аномалиями, не превышает 60 нТл, что почти в 500 раз слабее, чем на Земле. Из-за слабого магнитного поля и его неоднородного распределения возникают специфические детали при взаимодействии солнечного ветра с марсианской ионосферой, вызывая формирование нерегулярной квазимагнитосферы планеты. История воды. Постепенно накапливаются данные в поддержку идеи о том, что в Нойско-Гесперианскую эпоху природные условия на Марсе сильно отличались от современных. Очевидно, определяющую роль в этом играла вода. Сейчас, при крайне низком атмосферном давлении, жидкая вода не может сохраняться на поверхности, в то время как древняя атмосфера, сопоставимая, как предполагают, по плотности с земной, могла обеспечивать достаточно высокую температуру поверхности и не только удерживать воду, но и обеспечивать ее циркуляцию между поверхностью и атмосферой. Появление гидрологического цикла и вторичной атмосферы 3,9–3,6 млрд лет назад было тесно связано с тектоническими и вулканическими процессами. В свою очередь, метеорологические, гидрологические и гляциологические процессы лежали в основе механизма выветривания (weathering), ответственного за сильную эрозию кратеров и видоизменение марсианского ландшафта. Видимо, самые древние кратеры были фактически стерты с поверхности, что было возможно только в условиях плотной, а не современной атмосферы. Предположительно это произошло более 3,5 млрд лет назад, перед катастрофическим коллапсом древней атмосферы. Действительно, многие характерные черты поверхностных ландшафтов указывают на то, что потоки воды и, возможно, ледники бороздили поверхность Марса в течение миллионов лет его истории, причем наиболее активный период приходится, вероятно, на время приблизительно от 3,8 до 3,6 млрд лет (рис. 2.39 и 2.40). В поддержку этой идеи свидетельствуют системы долин, напоминающих русла древних высохших рек с многочисленными притоками, простирающимися на сотни километров. Некоторые из них могут быть связаны с интенсивными водными потоками, вызванными таянием подповерхностного льда во время денудации ледяных линз, другие уподоблены движениям Антарктических ледников. Примером структур, где вода могла подниматься к поверхности через разломы в марсианской коре, служит область к северу от плато Элизиум. Некоторые из многочисленных примеров водной эрозии показаны на рис. 2.41. Это борозды и овраги — следы потоков разрушительной силы на крутых склонах, которые могли быть вызваны проливными дождями или ливнями, среди них впечатляющий район Кандор в центральной части Долины Маринера. В некоторых областях древней тектонической активности встречаются упорядоченные структуры, образованные на фоне повсеместного хаотического рельефа, очевидно, с участием воды, особенно, те из них, которые располагаются в устьях рек. Особый интерес представляют овраги, которые могли образоваться из-за появления
Марс
117
Рис. 2.39. Флювиальные процессы на поверхности Марса — русла древних высохших рек с многочисленными притоками, простирающимися на сотни километров, свидетельствующие о потоках жидкой воды на древнем Марсе. Изображение КА «Викинг». (С любезного разрешения NASA)
Рис. 2.40. Борозды на поверхности Марса, очевидно оставленные текущей водой, — древние сухие русла рек. (С любезного разрешения J. Green / NASA)
(просачивания) воды на поверхность снизу (seepage). Существенно заметить в этой связи, что в условиях сильно разреженной атмосферы даже при достаточно низкой температуре вода (особенно соленая вода, вероятно свойственная Марсу) должна вскипать, оставляя специфические формы рельефа. Некоторые из морфологических особенностей и сопутствующих им ниш, каналов и конусов выноса веерной формы связывают с районами предполагаемых обширных отложений льда,
118
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.41. Примеры водной эрозии на Марсе: а — расщелины, образованные вероятнее всего, потоками воды, стекавшими с крутых склонов; б — овраги, которые могли образоваться из-за выхода (просачивания) воды на поверхность; в — каньон Кандор в центральной части Долины Маринера. Видны изолированные, более или менее упорядоченные структуры, образование которых, очевидно, связано с гигантскими водными потоками. Они выделяются на фоне хаотической морфологии рельефа, относящейся к ранним тектоно-вулканическим процессам. г — следы водной эрозии, образующие специфические локальные упорядоченные структуры в хаотическом ландшафте, формирование которых может быть связано с гигантскими потоками воды. (С любезного разрешения NASA)
а также с извержением в этих областях планеты подледных вулканов (рис. 2.42). О важной роли жидкой воды в истории планеты говорит форма конгломератов на поверхности Марса, отснятых с марсохода (рис. 2.43). Еще более удивительным является большое ледяное озеро внутри одного из ударных кратеров, обнаруженное на снимке со спутника «Марс-Экспресс», служащее доказательством спорадического появления обширных объемов жидкой воды даже на современной планете (рис. 2.44). Не менее интригующим является вопрос о возможности появления воды на поверхности Марса в связи с вероятными периодическими изменениями его климата на интервалах от сотен тысяч до миллионов лет. С этой идеей связано, в частности, обнаружение на внутренних
Марс
119
Рис. 2.42. Корреляция обогащенных льдом покровов и особенности сопутствующих им оврагов в зависимости от широты: а — обнаженный слоистый покров; б — овражные альковы и каналы; в — овражные каналы и конусы выноса (веера). (Согласно J. Dickson; S. Schon and J. Head)
склонах древних ударных кратеров или на стенках глубоких котловин (главным образом, на их южной стороне) довольно молодых оврагов, образованных потоками воды, возраст которых не превышает нескольких миллионов лет. Такие климатические вариации могут происходить вследствие периодических изменений наклона оси вращения Марса в пространстве из-за сильного влияния гравитационного поля Юпитера. К тому же у Марса нет большого спутника, который мог бы, подобно Земле в системе Земля–Луна, застабилизировать положение оси вращения Марса в пространстве (два небольших его спутника не могут выполнить эту роль). На вариации наклона оси вращения
120
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.43. Конгломераты пород с признаками потоков воды. Изображение получено марсоходом «Кьюриосити» (Curiosity). (С любезного разрешения James Green/NASA)
Рис. 2.44. а — ледяное озеро на дне марсианского кратера. Изображение получено со спутника «Марс-Экспресс» (Mars Express). (С любезного разрешения ESA); б — свидетельство заполнения кратера Эндевор водой, возможно, дважды за геологическую историю. (С любезного разрешения R. Arvidson, Saint Lewis University)
Марс
121
Рис. 2.45. а — периодические вариации наклонения Марса, вызванные совместным эффектом изменений наклона марсианской орбиты и прецессии оси его собственного вращения. б — вариации наклонения в течение последних трех миллионов лет. Современная величина наклонения соответствует 24Æ . (Согласно J. Laskar)
накладывается ее периодическая прецессия (рис. 2.45). В совокупности это приводит к отклонениям оси вращения от перпендикуляра к эклиптике от 15Æ до 35Æ на временной шкале в несколько миллионов лет. Другими словами, на эти периодические изменения наклонения наложена модуляция за счет прецессии оси вращения, период которой составляет примерно сто тысяч лет. Очевидно, чем больше наклон оси вращения, тем больше инсоляции на полюсах и, таким образом, в условиях более теплого полярного лета возрастает интенсивность испарения/сублимации льдов полярных шапок и перехода в атмосферу углекислого газа, воды и других летучих, наряду с изменением границ вечной мерзлоты (рис. 2.46). Это, в свою очередь, приводит к росту температуры поверхности и атмосферы за счет парникового эффекта.
Рис. 2.46. Предельные вариации наклонения Марса и следствия их влияния на свойства поверхности и климат Марса. При очень малом наклонении ( 20Æ ) происходит падение давления углекислой атмосферы, отложение CO2 около полюсов и непрерывное накопление углекислоты на крутых cклонах. При высоком наклонении (35–40Æ ) средняя температура возрастает из-за более высокой летней инсоляции на полюсах, что приводит к росту выделения водяного пара/пыли, которые перемещаются в атмосферу, и к повышению отложения воды на более низких широтах. Зона стабильности льда на поверхности сужается, атмосфера становится толще, а ее непрозрачность выше из-за более высоких содержаний воды и пыли. Согласно М. Kreslavsky & J. Head, Vernadsky Institute & Brown University
122 Гл. 2. Планеты земной группы
Марс
123
Рельеф высокоширотных областей в целом совместим с таким сценарием. В частности было найдено, что поверхность между полюсами и экватором покрыта осадочными породами толщиной 4–6 км на севере и 1–2 км на юге, в то время как сама поверхность пересечена крупными хребтами и разломами. Осадочное покрытие имеет слоистую структуру, что подтверждает предположение о периодических изменениях климата. Теория предсказывает, что на более длительных временных интервалах гравитационные возмущения (пертурбации) могут приобрести хаотический характер, так что наклонение оси вращения может изменяться от 0Æ до 60Æ . Это создает предпосылки для еще более грандиозных климатических изменений. Обращаясь к проблемам, связанным с историей воды на Марсе, мы, естественно, задаемся вопросом, где она находится и каковы ее запасы в современную эпоху. К сожалению, огромные наслоения песка и пыли на поверхности скрывают не только многие из первоначальных структур рельефа, но и, возможно, большие залежи подповерхностного водяного льда, сохранившиеся после предполагаемого катастрофического изменения климата на Марсе. Присутствие таких залежей на глубине приблизительно 1 м преимущественно на высоких широтах было подтверждено результатами нейтронной спектрометрии при мониторинге с орбиты спутника «Марс-Одиссей», а позже с марсохода 1). Было найдено, что содержание льда в породах в отдельных областях может достигать 50 % по массе. Как мы уже отмечали, существуют многие характерные особенности рельефа, вероятно, сформированные с участием воды, и некоторые особенности поверхностных структур, которые заманчиво связать с периодическим просачиванием подповерхностной воды в недавнем прошлом. Это могут быть потенциальные районы, где обнаружена вода методом нейтронного мониторинга. Как уже говорилось, скорее всего, это соленая вода, которая легче сохраняется в марсианских условиях. Данное предположение подтверждается обнаружением хлора в том же эксперименте на марсоходе «Кьюриосити». Спектральные исследования со спутника Mars Reconnaissance Orbiter также показали, что вода (и, возможно, связанное с ней появление темных полос на поверхности) насыщена солями хлорной кислоты (перхлоратами HClO4 ). Наличие таких гидратированных солей, содержащих молекулы кристаллизационной воды, подкрепляет представления о возможности периодического появления соленой жидкой воды на Марсе. В совокупности полученные данные измерений позволяют считать, что в современную эпоху среднее содержание водяного льда в приповерхностной зоне Марса эквивалентно сферическому слою толщиной 30 м. Можно ожидать, однако, что значительно большие запасы воды 1) Строго говоря, этот метод позволяет обнаружить наличие водородсодержащих соединений, наиболее вероятным кандидатом которых может быть вода.
124
Гл. 2. Планеты земной группы
сохранились под поверхностью на глубине нескольких сотен метров в виде ледяных линз и прослоев. Нельзя исключить, что жидкая вода может образовываться у нижней поверхности ледяной линзы, подтаивающей из-за накопления тепла вследствие внутреннего теплового потока и сохраняющейся благодаря очень низкой теплопроводности льда. Основные идеи о современной гидрологической системе на Марсе, охватывающей как северное, так и южное полушария, показаны на рис. 2.47. Система охватывает слой под поверхностью вплоть до мегареголита и слой вечной мерзлоты (криосферу) с температурой ниже и выше точки замерзания воды, а также полярные шапки и тропосферу.
Рис. 2.47. Схематичное представление современной гидрологической системы на Марсе. Система охватывает различные области северного и южного полушарий, начиная от подповерхностной зоны до мегареголитовых и криосферных слоев (ниже и выше точки замерзания воды) и вплоть до тропосферы/облаков, с учетом полярных шапок. (Согласно James Head/Brown University)
Климатические вариации вследствие изменений наклонения оси вращения слабо проявляются на этой диаграмме. Исходя из этого, ряд геологов считают маловероятным появление воды в реках на поверхности Марса в период сравнительно краткосрочного климатического потепления. Доказательством служит возраст кратеров около этих и других форм рельефа, которые датируются поздним периодом эволюции планеты. В то же время, с этими представлениями трудно согласовать слоистую структуру осадочных пород в средних широтах, что никоим образом не исключает эпизодическую гидрологическую активность на современном Марсе, особенно при сохранении остаточного вулканизма.
Марс
125
С такой активностью могло быть, в частности, связано образование озера внутри ударного кратера (см. рис. 2.44). Разрешению этой проблемы могло бы помочь картирование минералогии планеты, особенно поиск таких минералов, которые образуются только в присутствии воды. К сожалению, на сегодняшний день сведения о минералогическом составе марсианских пород весьма ограничены. Известно, что поверхность Марса состоит, в основном, из базальтов и обогащена оксидами железа (до 15–18 %), что согласуется с базальтовым составом его коры и объясняется менее полным дифференцированием недр Марса по сравнению с Землей. Более детальная информация доступна лишь для отдельных локальных областей и основана на данных измерений с посадочных аппаратов. В этих экспериментах были обнаружены некоторые вариации в составе минералов, содержащих соединения кремния, магния, алюминия, кальция, натрия и серы. Характерный красноватый цвет Марса обусловлен отложениями на его поверхности пыли, напоминающей смесь глины с оксидами железа, подобную тем, которая образуется при выветривании земных лав. Особый интерес представляет обнаружение на посадочном аппарате «Опортьюнити» образцов пород, состоящих из глины и обогащенных алюминием, типа монтмориллонита. Такие породы могли сформироваться на древнем Марсе только в присутствии пресной, а не соленой воды. Большой интерес представляет обнаружение пород, обогащенных натрием, что приближает их минеральный состав к полевым шпатам, уподобляя некоторым изверженным породам на океанических островах Земли. Интересно отметить, что щелочность поверхности Марса близка к щелочности Земли и теоретически могла бы быть подходящей для культивации и выращивания растений.
Рис. 2.48. Породы на марсианском Плато Меридиана, напоминающие структуры на дне земных океанов. Высокие концентрации солей хлора и брома, обнаруженные в этих породах, также связывают их происхождение с древним марсианским океаном. Область, показанная на изображениях, возможно, представляет собой береговую линию океана, где на мелководье происходили циклические процессы испарения и/или вымерзания. Снимки с марсохода «Опортьюнити» (Opportunity). (С любезного разрешения NASA)
126
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.49. а — механизм потери воды из атмосферы Марса вследствие аэрономических процессов образования и диссипации сверхтепловых частиц. За счет этого механизма в течение геологического времени могла быть потеряна приблизительно треть древнего марсианского океана. б — схема механизмов диссипации водорода и кислорода из атмосферы, как следствие фотолиза молекул воды и дезактивации возбужденных атомов O, с образованием сверхтепловых атомов кислорода с энергией, достаточной для их убегания с Марса. (Согласно В. Шематовичу и М. Марову)
Марс
127
Наиболее интригующей является идея о существовании на Марсе древнего океана. Действительно, как показали наблюдения со спутника Марса «Глобал Сервейор», структуры рельефа в северных областях планеты напоминают береговые линии океана, ограничивающего области одинаковой высоты на поверхности. Это можно было бы объяснить однородными осаждениями осадков, накопленных в больших объемах воды на марсианских северных равнинах. Кроме того, сообщалось об обнаружении марсоходом «Опортьюнити» на Плато Меридиана (Meridiani Planum) слоистых структур, напоминающих осадочные породы на океаническом ложе Земли, с высокой концентрацией солей хлора и брома (рис. 2.48). Эти отложения могли быть связаны с береговой линией древнего океана, где происходили циклические процессы испарения и/или замерзания на мелкой воде, оставлявшие после себя слоистые осадочные породы, богатые солями хлора и брома. Конечно, сегодня мы не можем с уверенностью утверждать, что в далеком прошлом у Марса был водный океан. И, тем не менее, помимо приведенных выше данных, существуют другие соображения в поддержку этой идеи. Они основаны, прежде всего, на анализе геологических структур и появились уже вскоре после того, как были получены первые изображения с хорошим разрешением. Согласно оценкам геологов, средняя глубина древнего марсианского океана (если его разлить равномерно по всей поверхности планеты) могла бы составить 0,5 км (для сравнения на Земле средняя глубина Мирового океана 2,9 км). Эта величина ограничивает максимальные запасы воды на Марсе, за вычетом потерь, составивших за всю его историю 30 %. Источником этих потерь были, главным образом, процессы аэрономии, обусловленные фотохимическими реакциями в верхней атмосфере и ее взаимодействием с солнечным ветром. Важную роль в этих процессах могли играть так называемые нетепловые потери атомов водорода и кислорода из атмосферы планеты. Возможный аэрономический механизм, в основе которого лежат расчеты потери энергичных частиц из атмосферы Марса, изображен схематично на рис. 2.49. Такой механизм можно связать не только с потерей воды, но и с драматическим изменением климата Марса, что привело к пустынным унылым ландшафтам на его поверхности в современную эпоху. Исследования на поверхности. Марсоход «Кьюриосити». Начало нового столетия отмечено широкомасштабной программой научных исследований Марса, что призвано дать ответы на многие принципиальные вопросы относительно его природы и эволюционных процессов. В будущей программе особенно важная роль будет отведена непосредственным исследованиям (прямым измерениям) на поверхности с использованием марсоходов. Выше говорилось о работавших на Марсе небольших передвижных аппаратах. Новым этапом на этом пути стал запуск в 2011 г. большого американского марсохода «Кьюриосити» (рис. 2.50). Эта научная лаборатория начала работу с августа 2012 г. на дне большого ударного кратера Гейла диаметром
128
Гл. 2. Планеты земной группы
Рис. 2.50. а — эскиз марсохода «Кьюриосити» (Curiosity); б — места посадок марсианских космических станций на поверхности Марса (отмеченные желтым цветом). Место посадки «Кьюриосити» находится в кратере Гейл (правый край на карте). (С любезного разрешения NASA)
150 км (рис. 2.51), образованного на рубеже поздней Нойской и ранней Гесперийской эпох 3,7–3,5 млн лет назад, и о полученных к настоящему времени результатах следует рассказать более подробно. Проблема геологической эволюции Марса и скорости дифференциации его недр напрямую связана с изучением химического и минералогического состава вещества. С целью изучения химического состава проводился анализ поверхностных пород на пути движения марсохода при помощи бортового инструмента SAM, включающего газовый хроматограф и масс-спектрометр. Для сбора грунта и пыли использовались совок специальной формы и бурение на глубину несколько десятков сантиметров. Грунт отличается разнообразием, он гранулирован и по структуре «мельче сахара, но грубее муки». Измерение состава вулканических пород проводилось путем пиролизного анализа — дегазации взятых образцов при нагреве до температуры 835 ÆC в среде нейтрального гелия. Кроме значительного содержания двуокиси углерода СО2 , кислорода О2 , серосодержащих соединений SО2 и хлора Сl, была найдена вода. Источником СО2 , вероятно, служат содержащиеся в породах Fe- или Mg-карбонаты. Хлор, повидимому, имеет марсианское происхождение и вместе с кислородом выделяется из перхлоратов (солей хлорной кислоты — перхлоратов металлов, неметаллов и др.), которые ранее были обнаружены на Марсе. Содержание извлеченной воды оказалось весьма высоким, от полутора до трех весовых процентов, причем молекулы воды связаны с мелкозернистыми частицами грунта. Поскольку такое содержание воды было обнаружено в нескольких образцах, взятых по маршруту марсохода, можно, видимо, говорить о распределении воды по всей планете, а не о сосредоточении ее только, главным образом, на высоких широтах, как свидетельствуют полученные ранее данные нейтронного мониторинга с орбиты. Этим же методом, при помощи установленного на борту марсохода нейтронного спектрометра ДАН российского
Марс
129
Рис. 2.51. а — кратер Гейл (4,5Æ ю. ш., 137Æ в. д., глубина 4,5 км) содержит последовательность слоев протяженностью 5 км, состав которых изменяется от богатых глиной пород вблизи основания до сульфатов на более высоких уровнях. Место посадки «Кьюриосити» показано желтым кружком; б — место посадки «Кьюриосити» в перспективе, представляющее собой холмистый ландшафт (с любезного разрешения James Green/NASA); в — марсианский ландшафт снятый «Кьюриосити» на участке сбора образцов пород 14 апреля 2014 г. (С любезного разрешения W. Huntress/NASA)
производства 1), независимо изучается содержание воды и хлора в марсианских породах по трассе движения, причем с гораздо более высоким разрешением, чем с орбитального аппарата. В экспериментах с использованием прибора «Анализ марсианских образцов» было найдено, что марсианская вода, извлеченная из грунта, обогащена с тяжелым изотопом 2) водорода, дейтерием, в пропорции, аналогичной его относительному содержанию в атмосфере. Аналогичное сходство с атмосферой установлено для изотопов углерода. Это указывает на то, 1)
По принципу функционирования этот прибор аналогичен спектрометрам LAND, установленному на лунном спутнике LRO, и HAND, установленному на марсианском спутнике Mars Odyssey. 2) Изотопы являются вариантами того же самого химического элемента с одинаковым зарядом ядра, но с различным числом нейтронов в ядре и поэтому с различными атомными весами.
130
Гл. 2. Планеты земной группы
что поверхность Марса интенсивно взаимодействует с атмосферой и существенную роль в этом взаимодействии играет пыль, глобально перемещающаяся по планете и реагирующая с атмосферными газами. Более сложной является проблема обнаружения органических веществ, которые едва ли могли сохраниться на поверхности, подверженной воздействию жесткой радиации и окислению. Прибором SAM были обнаружены следы органики, содержащей углерод и хлор, хотя эти результаты нельзя истолковать однозначно. Для выяснения происхождения органики важно знать изотопный состав углерода, поскольку на Земле преобладает 12 С, а в метеоритах 13 С. Вместе с тем, нельзя исключить загрязнения образцов фоновой земной органикой при их нагреве. Нельзя также утверждать, что данные о наличии углерода относятся к веществу, имеющему марсианское происхождение, так как его источником могли быть как минералы (например, соли магния), так и бомбардировка раннего Марса кометами и астероидами. Экзогенная органика могла взаимодействовать с перхлоратами с выделением атомарного хлора. Эти токсичные соединения были ранее (в 2008 г.) найдены в полярных областях Марса, а позднее обнаружены также на низких широтах. Заметим, что распространенность токсичных веществ на Марсе не только уменьшает предпосылки обнаружить органику и следы жизни на поверхности планеты, но и создает дополнительные проблемы для экипажей будущих экспедиций на Марс. На марсоходе «Кьюриосити» проводились также детальные исследования минералогического состава поверхностных пород с использованием стандартного лабораторного метода идентификации минералов на Земле — рентгенографического анализа. Это позволило отождествить десять различных кристаллических минералов и, кроме того, найти в минеральных структурах неожиданно большое число аморфных компонентов. Аморфные материалы, подобные стекловидным веществам, являются компонентом некоторых вулканических отложений на Земле. Поэтому полученные результаты, как по химическому составу, так и фазовому состоянию пород, дают ключ к реконструкции вулканической истории Марса и пониманию того, при каких значениях тепловых и химических параметров происходила кристаллизация. Атмосфера. Марс обладает очень тонкой, разреженной атмосферой. Среднее давление на поверхности (соответствующее тройной точке воды на диаграмме фазовых переходов) равно 6,1 мбар, что в 160 раз ниже давления на Земле. Давление меняется в зависимости от рельефа, увеличиваясь до 12,4 мбар на дне котловины Эллада и уменьшаясь до 0,5 мбар на вершине горы Олимп. Атмосфера состоит, главным образом, из углекислого газа (95 % по объему), т. е., почти так же, как на Венере. Другими компонентами являются азот (2,7 %) и аргон (1,6 %). На уровне примесей содержатся кислород (0,13 %), окись углерода (0,02 %) и водяной пар (0,01 %). Аналогичное содержание воды найдено марсоходом «Кьюриосити» в составе марсианской пыли и свидетельствует о чрезвычайно низкой влажности на планете, ее
Марс
131
очень сухой атмосфере. Измеренное содержание воды в атмосфере соответствует десяткам или сотням микрометров осажденной воды. Тем не менее, такое содержание оказывается близким к насыщению в очень разряженной атмосфере, и вода может конденсироваться на холодной поверхности в виде инея. Особый интерес с точки зрения возможной биологической активности вызывает метан. Сообщалось о его обнаружении в атмосфере на пределе содержания порядка одной сто миллионной доли, хотя в других измерениях не регистрировались даже следы. Следует иметь в виду, что метан может быть как органического, так и неорганического (вулканического) происхождения, подверженного вариациям. Так или иначе, его обнаружение не может быть решающим аргументом, чтобы судить о наличии потенциальной марсианской биоты. В отличие от Венеры, на Марсе нет ощутимого парникового эффекта, хотя даже сильно разреженная атмосфера повышает температуру поверхности на несколько градусов. Сезонно-суточные температурные колебания превышают 150 ÆC, от 20 ÆC в некоторых областях вблизи экватора летом до 130 ÆC в районах зимней полярной шапки, где конденсируется сухой лед (СО2 ). Температурный градиент в тропосфере равен приблизительно 2,5 ÆC/км, а выше тропопаузы (в стратосфере) температура достигает почти постоянной величины 129 ÆC. В атмосфере Марса, несмотря на ее низкую плотность, постоянно присутствует взвешенная пыль, вследствие чего цвет неба на Марсе отличается от земного. В то время как на Земле голубой цвет неба обусловлен рэлеевским рассеянием, дневное небо на Марсе из-за рассеяния света мелкими пылевыми частицами — оранжево-красное, а на горизонте оно становится темно-фиолетовым. Динамика марсианской разреженной атмосферы с низкой тепловой инерцией значительно отличается от земной, прежде всего из-за отсутствия на планете в современную эпоху океанов, которые на Земле являются аккумуляторами тепла и сглаживают суточные и сезонные температурные неоднородности. Для быстро вращающегося Марса выполняется условие геострофического баланса. Глобальная модель циркуляции (GCM) предсказывает топологию движений в тропосфере и стратосфере, в целом подобную топологии движений в земной атмосфере, с преобладанием ветров, дующих в восточном направлении в высоких широтах зимой, около субтропиков — летом и на запад — на других широтах. В то же время, в отличие от Земли, важную роль в планетарной циркуляции на Марсе играют полярные шапки. Как говорилось выше, они состоят из водяного льда, покрытого зимой льдом из углекислого газа с более низкой температурой фазового перехода, вследствие чего этот лед накапливается зимой и стаивает летом. Сезонный обмен углекислоты между атмосферой и криосферой в полярных шапках служит главным движущим механизмом атмосферного переноса в меридиональном направлении, как это показано на схеме рис. 2.52. Это проводит к образованию конфигураций типа
132
Гл. 2. Планеты земной группы
конвективных ячеек Хэдли с восходящими и нисходящими потоками, вызывающими перестройку системы ветров у поверхности и на высоких широтах в летнем и зимнем полушариях, которая сопровождается сезонными изменениями облачного покрова.
Рис. 2.52. Криосферно-атмосферный обмен летучими, приводящий к глобальной атмосферной циркуляции на Марсе. (С любезного разрешения James Head/Brown University)
Конвекция компенсирует сильную статическую неустойчивость марсианской атмосферы, близкой к насыщению даже при очень низком относительном содержании водяного пара. Тем не менее, даже в условиях низкой влажности и температурного градиента, близкого к сухоадиабатическому, образуются довольно массивные облака. Эффективность конвективного обмена в течение дневных часов примерно на порядок выше, чем в атмосфере Земли, в то время как в течение ночи конвекция полностью блокируется образующимся инверсионным слоем с положительным температурным градиентом вблизи поверхности. Конвекция поддерживает также постоянно высокое содержание пыли в марсианской тропосфере и создает дополнительный динамический эффект, накладывающийся на глобальную систему ветров и на процесс формирования дрейфа переносимых ветром песка и пыли. Этот эффект является результатом положительной обратной связи между содержанием пыли и степенью нагревания атмосферного газа, которое проявляется, как термически генерируемые суточные и полусуточные приливы. Эта специфическая особенность марсианской атмосферы проявляется наиболее сильно во время периодически возникающих глобальных пылевых бурь, когда мелкая пыль поднимается на высоту более чем
Марс
133
30–40 км благодаря турбулентному перемешиванию. Так как из-за пыли тропосфера очень непрозрачна, возникает антипарниковый эффект, который сильно ослабляет циркуляционный перенос у поверхности. Открытие этого уникального природного явления во время глобальной пылевой бури на Марсе в 1971 г. послужило основой для проведения аналогии между этим явлением и возможностью возникновения «ядерной зимы» на Земле, как неизбежного следствия при широкомасштабном использовании атомного оружия, и помогла остудить политические амбиции. Следует также отметить, что циркуляция марсианской атмосферы сильно воздействует на рельеф поверхности — ареографию, а та, в свою очередь, влияет на характер ветров и генерацию горизонтальных волн различного пространственного масштаба. В свою очередь, планетарные волны, вызываемые бароклинной неустойчивостью атмосферы, а также внутренние гравитационные волны проявляются как нерегулярности в профилях температуры и вертикальных движений в стратосфере. С ареографией связаны также волны, наблюдаемые в структуре облаков с подветренной стороны при их перемещении вокруг препятствий, что предполагает существование в атмосфере Марса сильных потоков с поперечным градиентом скорости. Благодаря потокам с поперечным градиентом скорости вся приповерхностная атмосфера оказывается турбулентной, даже при условиях ее относительно устойчивой стратификации. Турбулентность дисперсной среды, сильно зависящая от динамического и энергетического взаимодействия газовой и пылевой фаз, несомненно, играет важную роль в комплексе процессов, ответственных за формирование, поддержание и затухание марсианской глобальной пылевой бури, хотя детали этого механизма до конца не ясны. Тем не менее, можно сделать некоторые оценки, основываясь на величинах турбулентных потоков импульса и тепла, полученных из измеренных высотных профилей средней скорости и температуры в поверхностном пограничном слое, хотя эти оценки изменяются для турбулентных потоков при наличии тяжелой примеси. Однако такой подход позволил прийти к выводу, что присутствие относительно мелких частиц пыли в приповерхностном потоке вызывает рост градиента скорости и увеличение эффекта отрыва частиц с поверхности (saltation), приводящий к переносу возрастающего количества пыли в атмосферу. Такой механизм может лежать в основе не только возникновения глобальной пылевой бури, поднимающей миллиарды тонн пыли в атмосферу, но и быть ответственным также и за образование локальных вихрей — пылевых дьяволов (dust devils), в тысячи раз превосходящих те, что образуются на Земле. В отличие от Земли, на Марсе, как и на Венере, нет собственного регулярного магнитного поля, и атмосфера непосредственно взаимодействует с натекающим солнечным ветром. На дневной стороне при наличии ионосферы возникает магнитный барьер, а силовые линии
134
Гл. 2. Планеты земной группы
магнитного поля выше ионопаузы сносятся на ночную сторону, создавая магнитный шлейф, который простирается далеко в космическое пространство. Эта область заполнена заряженными частицами, «вытягиваемыми» из атмосферы образующимися электрическими полями, подобно полярному ветру в верхней атмосфере Земли, создавая устойчивую конфигурацию обтекания планеты солнечной плазмой. Процессы в верхней атмосфере напрямую связаны с эволюцией Марса, в том числе с потерями воды. Изучение этих проблем и особенностей аэрономии Марса было главной задачей американского спутника MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN). Он провел комплекс исследований состава и динамики верхней атмосферы, включая ее взаимодействие с солнечным ветром и механизм убегания (диссипации) частиц в космическое пространство. Спутники. У Марса есть два небольших спутника нерегулярной формы: Фобос (27 22 18 км) и Деймос (15 12 10 км), см. рис. 2.53. В переводе с греческого — это Страх и Ужас и, согласно греческой мифологии, имена двух сыновей Ареса, сопровождавших его в сражениях. Оба спутника обращаются вокруг Марса синхронно с периодами их собственного вращения, вследствие чего они, подобно Луне, всегда обращены к Марсу одной и той же стороной. Их орбиты лежат вблизи плоскости марсианского экватора. Интересно, что период обращения Фобоса вокруг Марса почти в два раза короче, чем период вращения самого Марса вокруг своей оси, и поэтому, наблюдатель на поверхности Марса видел бы дважды в день восход и заход Фобоса, быстро пересекающего марсианский небосвод в течение ночи. Период обращения Деймоса гораздо длиннее, и оба спутника часто могут наблюдаться одновременно. Изображения обоих спутников, полученные с достаточно высоким разрешением космическими аппаратами, принесли свидетельства наличия на их поверхности многочисленных ударных кратеров. Размеры некоторых из них (например, Стикни на Фобосе размером 9 км) сопоставимы с крупными кратерами на Луне. Объемная плотность спутников оказалась довольно низкой, что свидетельствует о преимущественно пористой структуре их недр. Подобно некоторым астероидам, они могли быть изначально разрушены при столкновениях, а отдельные фрагменты могли соединиться вновь и образовать структуру, подобную рыхлой груде щебня (ribble-pile). Альтернативная возможность состоит в том, что, наряду с каменными породами, в составе спутников присутствует большое относительное содержание льда. Метеоритная бомбардировка создает рыхлую структуру поверхности (реголит), при этом в условиях незначительной силы тяжести происходит постоянный унос и осаждение пыли на поверхность, и вдоль орбиты Фобоса создается пылевой тор. Можно думать, что, помимо метеоритного вещества, Фобос и Деймос содержат на своей поверхности вещество с Марса, включая обломки и камни, выбитые с его поверхности при ударах крупных метеоритов и частично осажденные
Марс
135
Рис. 2.53. Спутники Марса Фобос (a, б) и Деймос (в). Фобос на фоне Марса, изображение получено российским КА «Фобос-88» (г). На поверхности спутников, имеющих нерегулярную форму и сложный рельеф, вероятно, накопились за геологическое время пыль и осколки пород, выбитых при ударной бомбардировке с поверхности Марса. Поэтому космическая миссия, нацеленная на возврат образцов с Фобоса, могла бы также доставить на Землю вещество с Марса. (Снимки a, б, в — с любезного разрешения NASA, снимок г предоставлен Роскосмосом)
на спутниках. Такой сценарий вполне вероятен, если учесть, что метеориты с Марса выпадали даже на Землю после миллионов лет блуждания в космосе (см. гл. 4). Заметим, что это соображение значительно повышает ценность возврата вещества с Фобоса, поскольку в составе образцов может находиться и вещество с Марса, другими словами, открывается возможность одновременного лабораторного изучения пород как со спутника, так и с самой планеты, без высадки на ее поверхность. К сожалению, российская миссия «Фобос-Грунт», предназначенная для возвращения образцов вещества с Фобоса, была неудачной и ее планируется повторить в начале 2020-х гг. под названием «Бумеранг» с участием Европейского космического агентства.
136
Гл. 2. Планеты земной группы
Проблема происхождения марсианских спутников остается нерешенной. Они могли быть либо сохранившимися остатками первичных тел, из которых образовалась планета, либо астероидами, захваченными Марсом гораздо позднее. Последний сценарий кажется более вероятным, хотя не ясно, как орбиты астероидов, эволюционировали от первоначально эллиптических к почти круговым. Фобос испытывает существенное приливное воздействие Марса, что приводит к медленному сокращению его орбиты, и, в конечном счете, через несколько сот миллионов лет он упадет на планету. Интересно, что изменения параметров орбиты Фобоса были замечены еще в середине прошлого столетия, и для объяснения его быстрого торможения нашим известным астрофизиком И. С. Шкловским была выдвинута идея о том, что спутник является полым, искусственным по происхождению, созданным марсианами. Эта интригующая гипотеза была, однако, вскоре отвергнута после того, как были определены возмущения, вызываемые аномалиями в нерегулярном гравитационном поле Марса. Между тем, последние исследования указывают на то, что сильное приливное воздействие Марса на столь близко расположенный спутник имеет для его судьбы катастрофические последствия. Гравитационным влиянием планеты, очевидно, обусловлены длинные широкие борозды на поверхности, которые ряд исследователей связывает с образованием ударного кратера Стикни, оставившего трещины или следы выброса обломков, но скорее они приурочены к другому центру. Расчеты привели к выводу, что каждые 100 лет Фобос приближается к Марсу на 10 км, и это увеличивает приливное воздействие. Поэтому их влияние на структуру поверхности и недр будет становится все более ощутимым, и в сравнительно недалеком будущем Фобос может разрушиться. Есть ли жизнь на Марсе? Этот едва ли не сакраментальный вопрос длительное время волнует не только ученых, но и широкую общественность. Исторический интерес к проблеме обитаемости Марса, во многом подогревавшийся литературными произведениями, сменился за последние десятилетия попытками найти хоть какие-то признаки существования бактериальной жизни. В основе лежит стремление понять, возникла ли биота на соседней с Землей планете в период благоприятных климатических условий, перед тем, как резко сменился путь ее эволюции, могла ли она сохраниться в новой суровой природной среде и есть ли вероятность обнаружить, по крайней мере, ее окаменелые остатки. Подобно существующим концепциям появления первичных живых форм на Земле в результате начального абиогенного синтеза, наиболее вероятные очаги возникновения (и, возможно, сохранения) примитивной жизни на Марсе связывают с кругооборотом подземных вод в вулканических областях, как это схематично показано на рис. 2.54. В последней декаде прошлого столетия большой ажиотаж породили результаты изучения метеоритов класса SNC, собранных на ледяном щите в Антарктиде, происхождение которых, как отмечалось, связы-
Марс
137
Рис. 2.54. Схематичное представление цикла грунтовых вод в вулканическом регионе на Марсе как возможный источник абиотического зарождения жизни. (С любезного разрешения James Head/Brown University)
вают с Марсом. Особый интерес вызвал антарктический метеорит ALH 84001 (рис. 2.55), в котором, как объявили исследователи, были найдены следы бактериальных ископаемых. Однако последующие независимые анализы поставили эти результаты под сомнение, связав найденные формы и их минеральный состав со структурами неорганического происхождения.
Рис. 2.55. Антарктический метеорит класса ахондритов ALH 84001 (масса 1,931 кг), найденный 27 декабря 1984 г. в горах Алана Хиллса в Антарктиде (слева). В нем были найдены структуры, вначале отождествленные со следами бактериальных окаменелостей (микрофоссилов) в форме «червей» (справа). Позднее более полное изучение показало, что эти структуры имеют скорее неорганическое происхождение. (Согласно David McKay)
138
Гл. 2. Планеты земной группы
К сожалению, пока мы не можем дать ответ на поставленный вопрос о жизни на Марсе. Эксперименты, как ранее проведенные на «Викингах», так и значительно более поздние, проведенные на марсоходе «Кьюриосити», принесли отрицательные результаты. Конечно, сейчас мы лучше осознаем, что даже при наличии воды, существование которой доказано на Марсе, но в условиях жесткой солнечной радиации 1), высокой степени окисленности пород и распространенности токсинов жизнь на поверхности вряд ли возможна. Это не исключает, однако, возможности отыскать ее на более глубоких горизонтах и обнаружить на Марсе глубинную бактериальную биосферу (процессы метаболизма в которой принципиально отличаются от фотосинтеза), подобную той, которая существует на Земле (см. гл. 9). Марс не только вызывает растущий интерес ученых, но и привлекает большое внимание общественности, что в немалой степени связано с еще не утраченными надеждами найти на нем жизнь. Совершенствование космических и информационных технологий делают возможным осуществление проектов, связанных с виртуальным присутствием людей на Марсе. Интересное предложение было выдвинуто американским Планетным обществом (Planetary Society). Речь идет о возможности доступа к работающим на поверхности аппаратам (марсоходам) через Интернет. На первом этапе это могло бы быть получение в режиме реального времени научных данных, в первую очередь изображений и сопровождающей их информации, а в дальнейшем даже доступ к управлению космическим аппаратом для организованных групп неспециалистов. Кроме того, можно было бы выбрать несколько наиболее интересных участков на поверхности Марса и развернуть там своего рода форпосты для проведения систематических исследований с широким участием любителей астрономии и космоса, прежде всего студентов, привлекаемых в качестве полноправных участников научных исследований и ассистентов технических специалистов. Подобные стационарные станции могли бы служить опорными пунктами для сети марсоходов, запуска аэростатов, геолого-геохимических исследований, мониторинга атмосферной динамики и погоды, отработки систем использования местных ресурсов и средств жизнеобеспечения. Несколько роверов могли бы работать параллельно, например, при изучении геологической истории на обнаженной крутой стенке утесов. Развертывание буровой установки на стационарной станции, особенно в областях древних озер, представляющих особый интерес для биологии, позволило бы изучать образцы пород с различных горизонтов, включая поиск следов жизни. Сегодня создание комплекса таких стационарных и мобильных систем с виртуальным присутствием человека на Марсе может пока1) Здесь уместно, правда, провести аналогию с ранней Землей, которая в архейский период не имела защитного озонового слоя.
Марс
139
заться фантастическим, но осуществление этой идеи возможно уже с современными технологиями при относительно небольших затратах. Вместе с тем, такой проект, сочетающий интересы фундаментальной науки с общественным интересом, позволил бы приблизить космос к рядовому налогоплательщику и значительно поднять уровень образования, а участие в нем представителей разных стран способствовало бы международному сотрудничеству. Перспективы. Попытаемся теперь обозначить основные цели и направления дальнейшего изучения Марса, на которых будет в ближайшие годы сосредоточено внимание исследователей. К наиболее актуальным можно было бы отнести следующие проблемы. — Изучение геологической истории планеты, основных этапов эволюции, включая раннюю тектонику, широкомасштабный вулканизм, проблему воды и климата и их связи с геологическими структурами и составом пород. — Получение более надежных свидетельств существования раннего влажного и теплого климата на планете и причин, вызвавших глобальное изменение природных условий. — Исследования топологии гидрологической системы и ее преобразования в Нойский, Гесперийский и Амазонийский периоды в геологической истории Марса. — Изучение связи гидрологических и гляциологических процессов с изменениями структуры коры и мантии, роли эндогенных и экзогенных факторов, в том числе происхождение долин, русел, озер и других открытых водных бассейнов с характерными особенностями осадконакопления; поиск точечного вулканизма и гидротермальных источников, изменяющих состав коры. — Изучение процессов эволюции марсианской коры во взаимосвязи с морфологией поверхностных структур, их минералогическим составом, степенью выветривания и отложениями рыхлого пыле-песчаного материала. — Поиск свидетельств наличия на Марсе древнего океана, получение оценок начальных и современных запасов воды и механизмов ее потери, изучение сезонных изменений гидратации, районов вечной мерзлота, структуры полярных шапок и ледников. — Изучение элементного состава поверхностных пород и распространенности водородсодержащих соединений, сульфатов, хлоридов, металлоносных глин, карбонатов. — Создание на основе доступных экспериментальных данных более полных моделей внутреннего строения, реконструкция истории магнитного поля и остаточного магнетизма. — Исследования теплового режима и динамики атмосферы Марса, включая вариации содержаний CO2 , H2 O, SO2 , соединений хлора и роль аэрозолей в тепловом балансе; получение надежных данных о содержании и вариациях примесей, в первую очередь метана, благородных газов и их изотопных отношений.
140
Гл. 2. Планеты земной группы
— Изучение аэрономии Марса, его взаимодействия с плазмой солнечного ветра и топологии индуцированной магнитосферы; получение оценок скорости диссипации атмосферных компонентов, включая нетепловой механизм убегания и роль солнечного ветра на разных этапах эволюции. — Поиск органических веществ и биологических признаков жизни, следов существующей или вымершей биоты в виде окаменевших остатков (fossils) с особым вниманием на области потенциального нахождения древних водных резервуаров, а также поиск признаков существования глубинной биосферы. Этот список можно было бы продолжить, но и перечисленных проблем достаточно для того, чтобы сформировать комплексные перспективные программы исследований с использованием различного типа автоматических космических аппаратов-роботов. Проекты новых полетов к Марсу находятся в повестке дня национальных космических агентств ряда стран. Среди них — совместный российско-европейский проект «ЭкзоМарс» (рис. 2.56), состоящий из двух этапов. Осуществление первого этапа началось в марте 2016 г.
Рис. 2.56. Совместный проект Роскосмоса и Европейского космического агентства по изучению Марса «ЭкзоМарс». (С разрешения Роскосмоса и ESA)
запуском аппарата, состоящего из марсианского спутника и посадочного блока (демонстрационного модуля) «Скиапарелли» (Schiaparelli) для отработки системы посадки на Марс. Он имеет очень небольшой состав научной аппаратуры (DREAMS) с ограниченным временем жизни из-за малой энергоемкости. Спутник оснащен четырьмя научными приборами для измерения содержания в атмосфере малых газовых составляющих, прежде всего метана, в связи с чем сам КА получил название «Спутник ЭкзоМарс для измерения газовых примесей» (ExoMars Trace Gas Orbiter, TGO), и рассчитан приблизительно на 5 лет наблюдений 1). На втором этапе со сроком запуска в 2020 г. предусмотрены комплек1) 31 октября 2016 г. TGO успешно вышел на орбиту вокруг Марса, в то время как посадочный аппарат Schiaparelli вероятно разбился при посадке из-за нештатной работы автоматики бортовой системы управления.
Марс
141
сные исследования на поверхности планеты, которые будут проводится на 345-килограммовом марсоходе и посадочной платформе. Обсуждается интересная идея развертывания на Марсе нескольких когерентно работающих малых посадочных аппаратов, управляемых находящимся на орбите спутником. Такая система представляет первостепенный интерес для обнаружения сейсмической активности планеты и детального изучения метеорологических процессов, включая проблему возникновения и эволюции глобальных пылевых бурь. Планируется повторение миссии к Фобосу с забором образцов вещества и их возвратом на Землю под новым названием «Бумеранг» в сотрудничестве с европейским космическим агентством. Амбициозную программу исследований Марса, предусматривающую создание орбитального и посадочного аппаратов, а вслед за тем забор и возвращение на Землю марсианского грунта, планируют китайские ученые. В современную эпоху Марс с его негостеприимными природными условиями — это холодный мир с разреженной атмосферой и жесткой радиацией, унылая пустыня, к которой нелегко адаптироваться людям (рис. 2.57). Тем не менее, среди других планет Солнечной системы это
Рис. 2.57. Панорама марсианской поверхности в месте посадки КА «Пэсфайндер» (Pathfinder) в Долине Арес. На переднем плане — серые камни, покрытые красно-коричневой пылью, на горизонте — холмы. (С любезного разрешения NASA)
самое подходящее место для посещения, а в перспективе — возможно, и для обитания. Благодаря исследованиям на космических аппаратах мы получили неоценимую информацию, по существу, открыв для себя новый Марс. Возможности автоматических аппаратов далеко не исчерпаны, и новые амбициозные миссии растущей сложности и с новыми возможностями призваны значительно пополнить наши знания относительно настоящего и прошлого этого увлекательного мира. Они рассматриваются также как предшественники будущих полетов человека и как долгосрочная цель освоения Марса. Предложены и обсуждаются различные сценарии марсианских экспедиций, которые можно было бы осуществить до середины этого столетия.
142
Гл. 2. Планеты земной группы
Насколько это реалистично? В принципе, такой полет возможен на существующих технических средствах, однако более целесообразно использование новых прогрессивных технологий, в первую очередь, бортовых ядерных установок и электрических плазменных/ионных двигателей. Разумеется, должны быть минимизированы риски для астронавтов, прежде всего, обеспечена надежная защита с точки зрения безопасного возвращения и защиты от проникающей радиации, что представляет собой очень сложную задачу. Существует большой комплекс медико-биологических проблем, включая проблему обеспечения психологической совместимости экипажей космонавтов. На подготовку к их решению нацелены проводимые на земле эксперименты длительностью год и более с участием отобранных добровольцев в условиях, максимально приближенных к космическим, включая полную изоляцию. Такие эксперименты проводились как в России, в Институте медико-биологических проблем, так и в США в специальном центре вблизи астрономической обсерватории Мауна Кеа на Гавайях. Помимо научных, технических и медицинских проблем, надо, конечно, отдавать себе отчет в том, что полет человека на Марс потребует огромных финансовых ресурсов, которые в настоящее время оцениваются, по меньшей мере, в шестьсот миллиардов долларов. Можем ли мы позволить это себе сегодня, когда человечество сталкивается со многими очень серьезными проблемами на собственной планете? Будут ли оправданы затраты с точки зрения содействия будущему развитию технологий, соотношения потенциальных выгод и потерь? Удастся ли объединить усилия наиболее развитых стран вокруг такого проекта, чтобы предпринять его на международной основе? И, наконец, какая конечная цель полета человека на Марс? Положит ли это начало освоению другого мира за пределами Земли, или окажется простой демонстрацией возможностей, подобной программе «Аполлон», без дальнейшего продолжения? Не является ли гораздо более оправданной целью на современном этапе, как было сказано выше, ограничиться освоением Луны? Это не простые, в первую очередь, политические и социальноэкономические вопросы, которые неизбежно ставит сам ход развития цивилизации. В любом случае, в ближайшие десятилетия следует развивать программу робототехнических исследований Марса, совмещая ее с требованиями, выдвигаемыми для пилотируемого полета. Это предполагает, в частности, изучение предпосылок для создания инфраструктуры, предшествующей осуществлению высадки на поверхность Марса и даже сравнительно кратковременного там пребывания. Необходимо на первом этапе не только детальное изучение выбранных участков и мониторинга их природных условий, но организация надежной системы связи и навигации (маяков), предварительное развертывание материально-технического обеспечения (запасов), получение данных для прогноза возникновения опасных ситуаций. Развитая робототехническая инфраструктура на Марсе рассматривается нами
Некоторые общие проблемы эволюции соседних планет
143
Рис. 2.58. Первые астронавты на Марсе в изображении художника. (С любезного разрешения NASA)
в качестве необходимого этапа осуществления пилотируемой экспедиции и как элемент в продвижении на практике проблемы будущего симбиоза «человек–машина». Нет сомнения в том, что со временем полет человека на Марс состоится — конечно, при условии, что проблемы, существующие на собственной планете, не окажутся у опасной черты. Он должен быть осуществлен на международной основе, как общая цель и следующий шаг на пути прогресса человечества (рис. 2.58). Обсуждаются даже проекты терраформирования (изменения природных условий) Марса в отдаленном будущем.
Некоторые общие проблемы эволюции соседних планет Вернемся теперь к более детальному обсуждению ключевых проблем, тесно связанных с формированием природных условий на соседних с Землей планетах. Почему Венера и Марс пошли по другому пути эволюции? Что сформировало специфический тепловой режим Венеры и какое катастрофическое событие вызвало драматическое изменение предполагаемого первоначально мягкого климата на Марсе? Прежде всего, следует иметь в виду, что Солнечная система очень удачно расположена в весьма ограниченной зоне нашей Галактики, где существуют условия, подходящие для появления биоты (см. гл. 10). Но, помимо этого, внутри Солнечной системы Земля расположена в сравнительно узкой зоне околосолнечного пространства, где возможно развитие благоприятных для существования жизни климатических условий. Это так называемая зона обитания. Ее внутренняя граница расположена на 10–15 млн км ближе к Солнцу, чем орбита
144
Гл. 2. Планеты земной группы
Земли, в то время как внешняя граница простирается приблизительно до орбиты Марса. Орбита Венеры располагается вне этой зоны ближе к Солнцу, на расстоянии, которое почти втрое превосходит критическую границу. Очевидно, если переместить Землю на место Венеры (фактически, даже не столь близко к Солнцу), то на ней возникли бы природные условия, подобные условиям на Венере. Действительно, допустим, что на ранней Земле альбедо определялось, главным образом, поверхностью и соответствовало лунному ( 0,07). Тогда, исходя из оценок среднего теплового баланса между солнечной радиацией, поглощаемой земной поверхностью, и тепловой (болометрической) радиацией, испускаемой Землей (с учетом более низкой яркости молодого Солнца), эффективная (равновесная) температура была бы 255 K, что даже ниже точки замерзания соленой воды. Нужно, поэтому предположить, что в первичной земной атмосфере развился парниковый эффект, который внес существенный вклад в повышение температуры на ранних стадиях эволюции нашей планеты (в настоящее время парниковый эффект увеличивает среднюю температуру на Земле до 288 K). Это означает, что даже при довольно низком начальном атмосферном давлении ( 0,01 атм) Земля могла сохранить свою воду, которая была сконцентрирована в первичных водных резервуарах и в атмосфере. В свою очередь, углекислый газ накопился в земной гидросфере и карбонатах осадочных пород при связывании с оксидами металлов, содержащимися в океанической коре и верхней мантии, с формированием гидросиликатов, а также биогенным путем, при отложении известковых скелетов морских организмов. Венера. Обратимся теперь, к Венере. Исходя из оценок первичного теплового баланса, аналогичного приведенному для Земли, легко прийти к выводу, что при том постулированном начальном альбедо равновесная температура на ранней Венере оказывается равной, по крайней мере, 325 K, что выше температуры кипения воды вплоть до давления 0,2 атм. Поэтому, чтобы сохранить на поверхности воду, Венера должна была бы иметь первоначальную атмосферу, превосходящую по плотности атмосферу Земли на порядок величины. При равных скоростях дегазации мантийного вещества и атмосферной диссипации в открытый космос это маловероятно. Более вероятно, что углекислый газ постепенно накапливался в атмосфере вместе с водяным паром, что привело к дальнейшему повышению поверхностной температуры и, в конечном счете, к развитию необратимого парникового эффекта, Это, в свою очередь, вызвало перенос все возрастающих количеств СО2 и Н2 О в атмосферу, до тех пор, пока не было достигнуто некоторое равновесное состояние. Оно характеризуется отношениями между минеральными фазами и летучими на поверхности, в первую очередь, карбонатносиликатным взаимодействием в верхнем слое коры планеты. Заметим, что такой сценарий характерен для системы с положительной обратной связью и внутренней неустойчивостью, когда начальные возмущения не подавляются, а, наоборот, довольно быстро
Некоторые общие проблемы эволюции соседних планет
145
нарастают. Неслучайно поэтому такой механизм на Венере называют необратимым парниковым эффектом, приводящим, в конечном счете, к высокой поверхностной температуре. При такой температуре в безводной среде углекислый газ не связывается в карбонатах осадочных пород, как на Земле (и, вероятно, на Марсе), а при их разложении поступает в атмосферу, приводя к росту давления. Согласно модельным оценкам, количество углекислого газа, запасенного в осадочном чехле Земли, сопоставимо с содержанием СО2 в атмосфере Венеры. В то время как причину высокого содержания углекислого газа в атмосфере Венеры можно понять исходя из довольно простой равновесной модели (хотя, конечно, реальные геохимические процессы, включающие серосодержащие и другие соединения, являются гораздо более сложными), ситуацию с водой объяснить труднее. При допущении «геохимической аналогии» в эволюционных сценариях на планетах земной группы, с привлечением как эндогенных, так и экзогенных процессов, объемы летучих и, соответственно, запасы воды на Венере, должны соответствовать объему земной гидросферы. Этот объем составляет приблизительно 1370 млн км3 или больше чем 1,37 1024 г. Между тем, вода не могла сохраниться на поверхности Венеры при температуре выше критической (647 K). Та же причина справедлива для водных растворов (рассолов) с несколько более высокой критической температурой (675–700 K). Что касается атмосферы, то количество содержащейся в ней воды, отвечающее среднему относительному содержанию (отношению смеси) водяного пара 5 10 4 , не превышает 3,5 1020 г. Это значительно больше, чем абсолютное содержание воды в земной атмосфере (из-за гораздо большего объема газа), но почти на четыре порядка величины меньше, чем запасы воды в гидросфере Земли. Таким образом, ключевая проблема эволюции, когда мы обращаемся к Венере, состоит в том, была ли вода на ранней Венере, и если да, то как долго она сохранялась, и как и когда была потеряна. Исходя из сценария внутренних (эндогенных) источников, допустимо предположить, что Земля и Венера получили приблизительно те же самые объемы летучих, включая воду, путем дегазации из мантии, сопровождавшей процесс дифференциации недр. Другим (экзогенным) источником, также сопоставимым по объему летучих для обеих планет, могла быть гетерогенная аккреция за счет выпадения остатков планетезималей в виде комет и астероидов класса углистых хондритов из внешних областей Солнечной системы (см. гл. 4). В этом случае следовало бы ожидать, что Венера на начальной стадии своей эволюции обладала океаном, сопоставимым по объему с земным, но который, однако, был потерян. Такой сценарий подтверждает отношение дейтерия к водороду (D/H), измеренное в венерианской атмосфере, которое оказалось на два порядка больше, чем в атмосфере Земли. Действительно, столь высокое накопление в атмосфере дейтерия можно объяснить эффективным тепловым убеганием более легкого водорода, чем его более
146
Гл. 2. Планеты земной группы
тяжелого изотопа, дейтерия, при испарении первичного океана, сопровождаемого диссоциацией молекул воды под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения и диссипацией из атмосферы. Между тем, чтобы принять такой сценарий, требуется также объяснить, как одновременно с водородом были эвакуированы из атмосферы огромные массы выделившегося кислорода, тепловой механизм диссипации которого невозможен. Столь же маловероятно допущение о произошедшей связи этой массы кислорода с поверхностными породами. Чтобы обойти эту трудность, был предложен гидродинамический механизм выноса атомов из атмосферы, действовавший на этой стадии эволюции планеты (blow off assist mechanism). Существует и другая точка зрения, согласно которой Венера первоначально сформировалась как «сухая» планета, хотя эта гипотеза не исключает важного вклада летучих при их поступлении посредством механизма гетерогенной аккреции. В этой модели содержание воды было, по существу, постоянно в течение всей геологической истории Венеры, оставаясь примерно на современном уровне, в то время как эффективность гетерогенной аккреции и диссипации водорода из атмосферы были значительно ниже. В этом случае сложнее, однако, объяснить наблюдаемое обогащение венерианской атмосферы дейтерием вследствие разделения изотопов водорода при их диссипации из атмосферы планеты. Как видим, в настоящее время, трудно ответить на вопрос о том, был ли у Венеры первичный океан и, таким образом, сделать выбор между двумя предполагаемыми сценариями ее эволюции из-за ограниченности экспериментальных данных для подкрепления той или иной модели. Вместе с тем, оба сценария приводят к развитию необратимого парникового эффекта и современным климатическим условиям. В то же время, нельзя исключить возможность того, что на самых ранних этапах эволюции Венера обладала более умеренным климатом. Соответствующая модель постулирует наличие отрицательной обратной связи, стабилизирующей некоторое равновесное состояние, перед тем, как она сменилась положительной обратной связью, приведшей к росту температуры из-за необратимого парникового эффекта. Отрицательная обратная связь могла быть, в принципе, обусловлена иным характером атмосферно-литосферного взаимодействия, контролируемого, как уже говорилось, карбонатно-силикатным циклом, и возникновением в атмосфере порога влажности (своего рода «холодной ловушки») при более низком притоке солнечного тепла. Она могла сохраняться до тех пор, пока Солнце не перешло на Главную последовательность на диаграмме Герцшпрунга–Рассела (см. гл. 6) и его светимость возросла примерно на 30 %. Механизм, лежащий в основе этого сценария, был назван влажным парниковым эффектом. Как показали расчеты, перехода от влажного парникового эффекта к необратимому не случилось, если бы увеличение альбедо планеты к его нынешней величине произошло раньше, чем повышение солнечной светимости и, таким образом,
Некоторые общие проблемы эволюции соседних планет
147
не скомпенсировало увеличение притока солнечной энергии. Венера тогда, возможно, обладала бы влажной углекислой атмосферой с давлением около поверхности не более нескольких атмосфер и температурой менее 100 ÆC. Такая планета могла бы оказаться пригодной для появления, по крайней мере, примитивных форм жизни. Рассмотренные модели приводят нас к мысли о том, что механизмы эволюции Венеры содержали как детерминированные, так и стохастические компоненты, при взаимодействии которых сложились, в итоге, существующие природные условия. В основе лежало, прежде всего, то, что планета, почти аналогичная Земле по размерам и массе, сформировалась на близком расстоянии от Солнца, что предопределило развитие на ней климата, принципиально отличного от земного. В процессе геологической эволюции, потери воды и иного характера литосферно-атмосферного взаимодействия произошло разложение карбонатов коры и накопление в атмосфере, наряду с углекислым газом, различных примесей, прежде всего серосодержащих и галогенов, поддерживаемых вулканической деятельностью, что привело к образованию сернокислотных облаков. Высокая непрозрачность атмосферы для уходящей тепловой радиации привела к возникновению необратимого парникового эффекта, формирующего, вместе со специфическими особенностями планетарной циркуляции, тепловой режим планеты. Так по современным представлениям возникла существующая необычная природа Венеры. Мы не можем исключить, однако, что мог реализоваться другой сценарий на ранней стадии эволюции планеты, как нелинейной диссипативной системы, если она по каким-то причинам была бы выведена из промежуточного равновесного состояния и перешла к другому устойчивому состоянию равновесия с иными природными условиями. К сожалению, эти условия на Венере, вероятно, более устойчивы, чем современное климатическое состояние Земли. Главная проблема состоит в непрерывно растущем вмешательстве человечества в окружающую среду, которое постепенно становится сопоставимым с естественными природными процессами. Антропогенное воздействие на климат вследствие повышения содержания в атмосфере парниковых газов и, как следствие, рост температуры, имеет опасные тенденции. Неконтролируемый нагрев может привести к разложению карбонатов, повышенному испарению воды и, соответственно, резкому повышению температуры и давления атмосферы. Существующие на Земле механизмы обратной связи, контролирующие устойчивость климата, могут оказаться нарушенными, и нельзя исключить того, что Земля «соскользнет» на путь Венеры и пойдет в дальнейшем по пути ее эволюции. Венера служит, поэтому, своего рода предостережением для Земли, чтобы избежать такого опасного сценария. В этой связи, уместно вспомнить нобелевского лауреата Илью Пригожина, который в книге «Конец определенности», 2001, заметил, что человеческое существование состоит из непрерывного создания непредсказуемых новшеств. Хочется надеяться, что новшества, порожденные нашей цивилизацией
148
Гл. 2. Планеты земной группы
и грозящие изменением климата, не окажут катастрофического влияния на судьбу нашей планеты. Марс. От Венеры перейдем к Марсу, эволюция которого, в противоположность Венере, пошла по совершенно иному сценарию. Прежде всего, необходимо ответить на вопрос о механизмах, которые оказали решающее воздействие на вполне благоприятные природные условия, которые, как предполагают, были на Марсе в раннюю эпоху. Эти представления подкрепляются целым рядом обсуждавшихся выше факторов, среди которых многочисленные геолого-морфологические особенности поверхности, сохранившие очевидные следы жидкой воды на древнем кратерированном ландшафте южного полушария и более плотной атмосферы. Предполагая, что интегральное сферическое альбедо раннего Марса было таким же, какое было постулировано для ранних Земли и Венеры, мы получаем, что его равновесная температура не превышала 220 K. При такой температуре и разреженной атмосфере Марс был способен сохранить на своей поверхности только лед, а не жидкую воду. Тем не менее, многочисленные свидетельства присутствия водных потоков и водоемов позволяют считать, что на Марсе существовала значительно более плотная, чем сегодня, атмосфера и гораздо более благоприятный климат. Но это немедленно ставит перед нами следующий фундаментальный вопрос: были ли современные природные условия сформированы в результате продолжительной и сложной эволюции, или эти изменения произошли внезапно в геологическом масштабе времени? Состав метеоритов SNC (в частности измеренное отношение D/H) налагает некоторые ограничения на стандартную модель тепловой эволюции планеты. Такая модель предполагает, что вскоре после завершения аккреции произошла дифференциация слагающего вещества на оболочки с выделением достаточно массивного железо-сульфидного ядра, хотя дифференциация была менее полной, чем для Земли, о чем свидетельствует существенно более высокое содержание железа в марсианской коре. Конвекция в ядре привела к возникновению магнитного поля посредством механизма динамо, а конвективный тепловой перенос в мантии вызвал широкомасштабный вулканизм и, вероятно, ранние тектонические процессы. Примесь серы к железу приводит к понижению температуры плавления ядра, и оно, возможно, сохранилось частично жидким в современную эпоху. Не ясно, однако, согласуется ли эта модель с образованием Марса из наиболее древнего первичного вещества, подобно другим планетам земной группы. Так, принято считать, что первичное вещество входит в состав хондритовых метеоритов, для которых, в частности, отношение содержаний железа и кремния составляет 1,7, что соответствует земной величине. В то же время, для Марса ситуация, вероятно, была более сложной, и его эволюция несколько отличалась от путей эволюции Земли и Венеры. Это было изначально предопределено его формированием в области кольцевого сжатия газопылевого диска
Некоторые общие проблемы эволюции соседних планет
149
на сравнительно близком расстоянии от Юпитера, возмущения от которого могли оказать влияние на состав первичной материи и отклонение от хондритовой модели образования остальных внутренних планет. Интересно отметить, что при изучении метеоритов SNC были получены данные, свидетельствующие о том, что спустя 1700 млн лет после формирования Марс испытал сильное ударное внешнее воздействие, что отразилось на его составе. С этим и другими подобными катастрофическими событиями заманчиво связать потерю плотной атмосферы, воды и изменение климата, как это предполагает одна из эволюционных моделей Марса. В пользу такого сценария свидетельствуют изотопные отношения ряда летучих на марсианской поверхности, в частности высокое отношение D/H. Подчеркнем, что природу современного Марса нельзя объяснить только тем фактом, что он находится на 0,5 а. е. дальше от Солнца, чем Земля. Более вероятно, что причиной потери его геологической активности является размер планеты, который приблизительно наполовину меньше земного, а масса меньше почти на порядок. Следствием является обеднение Марса радиоактивными изотопами, запасаемыми при аккумуляции планеты и служащими в дальнейшем источником внутренней энергии. Оно предопределяет тепловую историю и геологию планеты, свойства ее атмосферы. Марс, в основном, исчерпал источники внутреннего тепла в первые миллиарды лет, после чего начал охлаждаться, что привело к прекращению глобального вулканизма, уменьшению плотности атмосферы, климатическим изменениям. Таким образом, можно утверждать, что ограниченные запасы радиогенных источников, а не расстояние от Солнца, оказали наибольшее влияние на эволюцию Марса. Хотя такая модель кажется довольно правдоподобной, она никак не исключает возможности упомянутых катастрофических сценариев в истории Марса, таких, например, как столкновение с большим астероидом, предположительно вызвавшее образование котловины Эллада и находящегося диаметрально противоположно нагорья Фарсида. Эту гипотезу связывают с колоссальным выходом магматических пород сквозь молодую марсианскую кору и широкое распространение вулканизма. Это, в свою очередь, привело к радикальному изменению рельефа северного полушария и, вероятно, оказало сильное влияние на атмосферу, вплоть до потери («срыва») значительной ее части. Не исключены и другие подобные катастрофические события, о чем свидетельствуют упоминавшиеся результаты изучения SNC метеоритов. С потерей атмосферы, по-видимому, связан переход Марса от эволюционного пути, подобного земному, в течение примерно первого миллиарда лет к полностью отличному от него сценарию дальнейшей эволюции. Надо сказать, что гипотезы катастрофических событий нельзя считать чем-то умозрительным и маловероятным за миллиардную историю Солнечной системы, а в случае Марса необходимо принять во внимание также высокую эффективность импактных событий вблизи Юпитера.
150
Гл. 2. Планеты земной группы
Подводя итоги этого раздела, мы хотим еще раз обратить внимание на важности расширения геофизических исследований, сфокусированных на Земле, на все планеты земной группы. Обращаясь к нашему ближайшему космическому окружению, мы, естественно, хотим не только ответить на вопрос, как возникла Солнечная система, но и понять, что отличает Землю, с ее уникальными природными условиями, от других планет и, прежде всего, почему ее ближайшие соседи, Венера и Марс, пошли по другому пути эволюции. Необходимо, опираясь на сравнительно-планетологический подход, установить, какие существуют пределы регулирования для механизмов обратной связи на Земле, чтобы предотвратить неблагоприятные тренды ее эволюции. С этим тесно связаны оценки допустимых пределов антропогенных воздействий на окружающую природную среду, как открытой нелинейной диссипативной системы, накопление изменений в которой может привести к потере устойчивости и резкой смене (бифуркации) состояния. Для ответа на этот ключевой вопрос требуется интеграция наук о Земле и планетах, нацеленная на лучшее понимание настоящего, прошлого и будущего Земли. Такой подход будет одновременно способствовать прогрессу в решении кардинальных проблем планетной космогонии и, в частности, возможности наложить строгие ограничения на диапазон параметров, используемых при разработке моделей происхождения и эволюции Солнечной системы.
Г л а в а 3.
ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ
Общие сведения Газово-ледяные планеты-гиганты (рис. 3.1) с их многочисленными спутниками и кольцами совершенно отличаются от планет земной группы. Эти планеты также подверглись дифференциации их внутренних структур и в результате возникли большие твердые ядра и протя-
Рис. 3.1. Планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (масштаб не выдержан). (С любезного разрешения NASA)
женные газовые и ледяные 1) мантии, а внешняя оболочка рассматривается как атмосфера (рис. 3.2). Основной состав атмосфер — водород, гелий и водородсодержащие соединения, прежде всего, вода, аммиак и метан. Эти же компоненты входят в состав мантийного вещества, находящегося в различных фазовых состояниях, в то время как ядра сложены тяжелыми горными (железо-каменными) породами. Коры и твердой поверхности у этих планет нет. От планет земной группы их отличает также очень низкая средняя плотность, несмотря на огромное давление в их недрах. Эффективные температуры планет-гигантов находятся в диапазоне от 135 K ( 138 ÆC) для Юпитера до 38 K ( 235 ÆC) для Нептуна. Из-за продолжающегося гравитационного сжатия этих массивных планет они, помимо отражения солнечной радиации, излучают энергию в космос, медленно уменьшаясь в размерах и охлаждаясь. Величина сжатия для Юпитера составляет примерно 2 см в год. Однако, в отличие от звезд, у них нет никаких определенных соотношений между массой и светимостью (см. гл. 5). За счет внутреннего тепла поток энергии, излучаемой планетами-гигантами (кроме Урана), более чем в два раза превышает приток энергии от Солнца. Обратим внимание на то, что внутреннее тепло, излучаемое этими планетами, на много 1)
Название «ледяные» является условным, на самом деле это вещество, представляющее собой при высоких значениях температуры и давления в недрах горячую плотную жидкость.
152
Гл. 3. Планеты-гиганты
Рис. 3.2. Внутреннее строение планет-гигантов: а — соотношение слагающих газов и льдов, определяющих состав недр планет-гигантов; б — газово-жидкие Юпитер и Сатурн и ледяные Уран и Нептун (по диагонали слева направо). (Источник: Википедия)
порядков величины больше чем у планет земной группы. Как мы увидим дальше, с этим связаны многие специфические особенности атмосферной циркуляции на этих планетах, включая широтную систему зон и поясов на Юпитере и Сатурне. Они создают сильную сдвиговую турбулентность и образование вихрей циклонического типа, блестящими примерами которых служат долгоживущее Большое Красное Пятно (БКП) на Юпитере и относительно короткоживущее Большое Темное Пятно (БТП) на Нептуне (см. рис. 3.1). В отличие от планет земной группы, которые были сформированы вблизи Солнца из тяжелой высокотемпературной фракции первичного
Общие сведения
153
вещества протопланетного облака, планеты-гиганты аккумулировали значительно более легкие и обильные компоненты, в соответствие с космической распространенностью элементов. Юпитер и Сатурн образовались, главным образом, из самых распространенных элементов — водорода и гелия, и имеют почти солнечный состав. Только самые тяжелые планеты с пороговой массой 10 E ( E — масса Земли) были способны накопить и удержать эти легкие газы из протопланетного облака. Очевидно, эти компоненты преобладают и в недрах, хотя прямые измерения их химического состава недоступны. В то же время атмосферы планет-гигантов обогащены более тяжелыми элементами, в частности углеродом, обилие которого выше солнечного втрое на Юпитере и почти в 30 раз на Уране и Нептуне. Это можно, в принципе, отнести на счет так называемой углеродно-азотной циклической реакции, в результате которой происходит синтез углерода и азота Эта реакция относится к процессу -синтеза — слияния ядер гелия: при слиянии трех -частиц происходит в основном энергичный синтез углерода, а на следующей стадии углерод захватывает последовательно четыре протона, выделяя попутно два позитрона ( ), и превращается сначала в азот, а затем распадается на гелий и углерод. Такой синтез происходит при температурах в миллионы градусов, существовавших на протосолнце, в процессе эволюции которого мог произойти выброс оболочки, обогащенной водородом, гелием, углеродом и азотом. В свою очередь, углерод и азот в виде аммиака (NH3 ) и метана (CH4 ) могли войти в состав планетезималей, бомбардировка которыми продолжалась долгое время после завершения основной фазы аккумуляции планет. Имеющиеся на сегодня данные о составе атмосфер планет-гигантов приведены в табл. 3.1. Содержание газов, в том числе более сложных «родительских» молекул, контролируется термохимическим равновесием и атмосферным переносом. При низких температурах на уровне видимости могут удерживаться только наиболее летучие молекулы, где они взаимодействуют с солнечной ультрафиолетовой радиацией, в то время как большинство равновесных составляющих конденсируется глубоко в атмосфере. Поэтому фотохимия атмосфер планет-гигантов определяется относительно малым содержанием молекулярных летучих, в состав которых входят углерод, азот, фосфор и сера, а также различными углеводородами. Вообще, следует заметить, что водородсодержащие составляющие, такие как вода, аммиак, метан, входят в различных соотношениях в виде льдов в состав, главным образом, Урана и Нептуна. Они наиболее эффективно конденсируются при очень низких температурах в областях Солнечной системы между 10 и 30 а. е. Еще более тяжелые компоненты в виде горных пород сконцентрированы только в ядрах, на которых аккумулированы легкие элементы и соединения. На Юпитере и Сатурне, состоящих почти целиком из водорода и гелия, ядра составляют относительно малую долю планетной массы, примерно
154
Гл. 3. Планеты-гиганты Т а б л и ц а 3.1 Состав атмосфер планет-гигантов в сравнении с Протолнцем Газ
Элемент а
Протосолнце б
Юпитер
Сатурн
H2
H
0,835
0,8645
0,88
0,83
0,82
He
He
0,162
0,136
0,119
0,15
0,15
H2 O
O
8,56 10 4
CH4
C
4,60 10 4
NH3
N
1,13 10 4
H2 S
S
4,2 10 4 2,0 10 3 7 10 4 7,7 10 5 2,6 0,7
D/H 10 5 в
2,59 10 5 2,1
4,5 10 3
Уран
0,023
Нептун
0,03
5 10 4 0,75 1,7 0,45
4,4 4,0 4,1 4,0
Согласно de Pater and Lissauer (2010). Там же приведены ссылки на первоисточники. Все числа — объемные доли. а Элементы O, C и N на планетах гигантах находятся в виде H2 O, CH4 , NH3 . б Состав Солнца на уровне фотосферы: Н2 73,46 %; He 24,85 %; O2 0,77 %; C 0,29 %; Fe 0,16 %; Ne 0,12 %; 0,09 %; Si 0,07 %; Mg 0,05 %. в Согласно В. А. Дорофеевой (сводка по литературным данным).
от 3 до 15 %. В то же время на Уране и Нептуне, при большом содержании на них компонентов тяжелее водорода, отношение массы внутренних оболочек к общей массе планеты достигает 80–90 %. Такие различия можно отнести на счет более низкого содержания первичных газов в области формирования Урана и Нептуна и определенных различий процессов эволюции. Как видим, в целом наблюдаемые различия химического состава вещества планет-гигантов удовлетворяют существующим моделям их формирования. Сценарий предполагает первоначальное образование массивных ( 10–30 E ) твердых ядер, которое сопровождалось аккрецией на них газов из протопланетного облака, состоящего из наиболее распространенных элементов — водорода и гелия. Сформировавшиеся раньше остальных и наиболее массивные Юпитер и Сатурн поглотили львиную долю исходных газов, в то время как аккреция оставшихся газов на Уран и Нептун произошла намного позже, после того, как они достигли необходимой для этого критической массы. Поздняя аккреция, наряду с более низкими температурами в зонах формирования этих планет, оказала влияние на их химический состав, особенно на обогащение тяжелыми элементами. Суммарно процесс аккумуляции ядер и аккреции газов занял, по оценкам, 100 млн лет, причем стадия аккреции, вероятно, была намного короче. Существует, однако, еще один нюанс в этой довольно простой модели. Дело в том,
Юпитер
155
что среди планет-гигантов наибольшее время образования должно было быть у Урана и Нептуна. Чтобы обойти эту трудность, была предложена так называемая «удобная» модель (Nice Model), согласно которой формирование Урана и Нептуна началось ближе к Солнцу, в зоне питания Юпитера и Сатурна, а затем они мигрировали наружу. Действительно, в современную эпоху существуют резонансы в поясе Койпера, в частности, резонанс 2 : 5 и ряд других (см. гл. 4), которые могли возникнуть благодаря перемещению Нептуна к его современному положению. Эту идею подкрепляет также произошедшая хаотизация объектов в поясе Койпера и, возможно, возникновение поздней ударной бомбардировки (LHB) внутренних планет. Мы вначале кратко охарактеризуем каждую из планет-гигантов, затем обсудим уникальную динамику их атмосфер, и, наконец, обратимся к захватывающему миру многочисленных спутников и колец с их специфическими природными свойствами.
Юпитер Юпитер (названный по имени римского верховного божества, аналогом которого в греческой мифологии был Зевс) — пятая планета от Солнца, обращающаяся вокруг него на расстоянии приблизительно 5 а. е. Из-за большого размера и огромной массы Юпитер часто называют королем планет. Большая полуось слегка эллиптической орбиты Юпитера составляет 778,57 млн км (5,2 а. е.), а эксцентриситет равен 0,05. Юпитер находится на расстоянии 740,52 млн км (4,95 а. е.) от Солнца в перигелии и на расстоянии 816,62 млн км (5,46 а. е.) в афелии. Его сидерический период обращения (относительно звезд) равен 11,86 лет (юпитерианский год), в то время как синодический период обращения (относительно Земли) составляет всего 398,88 дней. Орбита Юпитера наклонена к плоскости эклиптики на 1,03Æ , в то время как наклон оси собственного вращения (отклонение от перпендикуляра к плоскости орбиты) равен 3,13Æ , что, по существу, означает, отсутствие на планете сезонных изменений. На нашем ночном небе Юпитер хорошо виден как очень яркая звезда, уступающая (в периоды его великого противостояния, повторяющегося каждые 13 месяцев) только Луне и Венере. Визуальная звездная величина Юпитера изменяется от 2,94 в перигелии до 1, 61 в афелии его орбиты. Противостояния Юпитера происходят с периодом раз в 13 месяцев. Интегральное сферическое альбедо Юпитера равно 0,34, что очень близко к альбедо Земли. Экваториальный радиус Юпитера J 71 492 км (полярный радиус 66 854 км), что более чем в десять раз превышает радиус Земли (рис. 3.3). Большое различие между экваториальным и полярным радиусами (сжатие 0,065) вызвано очень быстрым вращением Юпитера вокруг своей оси: период составляет около 10 часов — меньше, чем у всех других планет Солнечной системы и почти в два с половиной
156
Гл. 3. Планеты-гиганты
Рис. 3.3. Сравнение размеров Юпитера и Земли (монтаж). (Источник: Википедия)
раза короче периода вращения Земли. Соответственно, у Юпитера очень короткие сутки. Отметим, что экваториальные области Юпитера вращаются быстрее, чем полярные на 5,5 минуты (9,83 часа по сравнению с 9,92 часами у полюсов). Это так называемое дифференциальное вращение атмосферы. Из-за преимущественно газового состава у Юпитера очень низкая средняя плотность 1,33 г/см3 , которая очень близка к плотности Солнца. Тем не менее, его масса огромна: J 1,90 1027 кг, что в 318 раз больше чем масса Земли, в 2,5 раза больше, чем масса всех остальных планет, вместе взятых, и составляет почти 0,1 % массы Солнца. Юпитер в первую очередь ответственен за то, что общий гравитационный центр Солнечной системы (барицентр) не совпадает с центром Солнца, а отклонен от него в пределах солнечного радиуса по направлению к Юпитеру. Заметим, что масса Юпитера лишь на два порядка величины меньше массы, необходимой для начала термоядерной реакции в циклах водород–дейтерий ( 0,11 ) и водород–гелий ( 0,8 ) соответственно. Поэтому считается, что Юпитер занимает положение вблизи нижней границы звездной эволюции, приближаясь к коричневому карлику (см. гл. 6). Из-за огромной массы ускорение силы тяжести на Юпитере 24,79 м/с2 (2,535 ) и очень большая скорость убегания 59, 5 км/с. Масштабы природных явлений на Юпитере, таких как атмосферные вихри, молнии, полярные сияния, во много раз превосходят аналогичные явления на Земле, а размер его магнитосферы на порядок величины больше земной. О химическом составе Юпитера можно судить по данным измерений, относящимся к его верхнему газовому слою — атмосфере. Помимо молекулярного водорода ( 90 %) и гелия ( 10 %), которые составляют
Юпитер
157
основную массу планеты, были найдены различные примеси — углерод, азот, сера, кислород и фосфор, входящие в состав таких соединений, как вода, метан, аммиак, сероводород и фосфин. Обнаружены также благородные газы — неон, аргон, криптон и ксенон, причем в количествах, превышающих их распространенность на Солнце (кроме неона). Присутствуют некоторые углеводороды и, возможно, органические вещества. Ряд примесей, в первую очередь, сера и фосфор, ответственны за богатую окраску видимого диска Юпитера, относящуюся к верхним слоям облаков. Яркая окраска диска является характерной особенностью планеты, отражающей сложную динамику его атмосферы. К ней относятся сильные ветры переменных направлений, конвективные ячейки, хорошо развитая турбулентность и грандиозные вихри, подобные Большому Красному Пятну (Great Red Spot — GRS), и белые овалы различных размеров, которые мы обсудим ниже. Внутри вихрей наблюдаются мощные молнии, причем бушующие грозы охватывают площади в тысячи километров, а их энергия превосходит земные стандарты на три порядка величины. Модель внутреннего строения Юпитера (см. рис. 3.2) основана на вполне обоснованном предположении, что планета находится одновременно в состояниях гидродинамического и термодинамического равновесия. Выделяют три главных области: верхняя оболочка, включающая атмосферу, мантия и ядро, хотя никаких четких границ между ними нет. В атмосфере условно выбран уровень тропопаузы, находящийся на 50 км выше видимой границы облаков, где давление 100 мбар и температура 120 K. Температура и давление устойчиво растут с глубиной, и этот рост сопровождается фазовыми переходами. Структура облаков включает три слоя конденсатов, расположенных в атмосфере между уровнями с давлением 1–20 атм и в температурном диапазоне 200–450 K. Верхний слой состоит из аммиака, средний — из гидросульфида аммония (NH4 HS) и самый нижний — из кристаллов и капелек воды. Ниже облаков первый фазовый переход происходит на высоте 20 000 км при температуре 6 000 K, когда водород переходит из газообразного в жидкое состояние. Еще ниже, при давлении свыше одного миллиона атмосфер (1 Mбар) происходит еще один фазовый переход, в результате которого водород переходит в металлическое состояние 1), и эта область распространяется вплоть до глубины примерно 45 000 км. Центральная часть Юпитера занята твердым (железо-каменным) ядром размером приблизительно в полтора радиуса 1)
Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества. Он образуется при очень высоком давлении, когда внешние оболочки атома водорода оказываются «раздавленными» и он приобретает свойства металлов. Есть предположение, что он может обладать высокотемпературной сверхпроводимостью. В лабораторных условиях металлический водород не получен.
158
Гл. 3. Планеты-гиганты
Земли и массой почти десять земных масс. Температура внутри ядра составляет 25 000 K, а давление 80 Mбар. Подобно другим планетам-гигантам (кроме Урана), Юпитер обладает внутренним источником тепла, вызванным продолжающимся сжатием планеты со времени ее аккумуляции, что приводит к гравитационному выделению энергии. Этот внутренний источник тепла превышает энергию, которую Юпитер получает от Солнца, почти вдвое, вследствие чего его равновесная (эффективная) температура ( 135 K) существенно выше, по сравнению с той, которая была бы, если бы Солнце было единственным источником энергии. Как уже отмечалось, внутреннее выделение тепла соответствует сжатию Юпитера примерно на 2 см в год. Область металлического водорода обладает высокой электрической проводимостью и с ней, главным образом, связывают генерацию мощного магнитного поля Юпитера. Поле имеет, в основном, дипольный характер, хотя существенный вклад вносят мультипольные компоненты (квадруполь, октуполь). Ось магнитного диполя наклонена к оси собственного вращения планеты под углом 10,2Æ , а напряженность поля составляет приблизительно 4 Э на экваторе и 11–14 Э на полюсах. Это больше чем на порядок превышает напряженность магнитного поля Земли. Магнитное поле вместе с захваченными частицами (электронами и протонами) солнечного ветра формирует огромную магнитосферу Юпитера, которая на дневной стороне находится на расстоянии приблизительно 20 J ( J — радиус Юпитера), а на ночной стороне простирается за пределы орбиты Сатурна (рис. 3.4). Радиационные пояса внутри магнитосферы Юпитера обладают огромной энергией, значительно превышающей энергию частиц в радиационных поясах Земли.
Рис. 3.4. Магнитосфера Юпитера. Ее размер составляет около 20 J по направлению к Солнцу, а протяженность на ночной стороне достигает 10 а. е., уходя за орбиту Сатурна. Захваченные заряженные частицы от натекающего солнечного ветра (желтые стрелки) образуют внутри магнитосферы огромные радиационные пояса, создавая большую радиационную опасность для КА. (Источник: Википедия)
Юпитер
159
За счет синхротронного механизма при взаимодействии электронов с магнитным полем возникает эмиссия радиоволн в диапазоне 5–40 МГц, обнаруженная еще в середине прошлого века. Из-за взаимодействия магнитосферы Юпитера с ионосферой и плазмой солнечного ветра в полярных областях возникают почти постоянные полярные сияния. Особый интерес представляет взаимодействие магнитосферы с тором, образованным вдоль орбиты спутника Ио на расстоянии в 5,9 J и состоящим из ионов серы и кислорода (S , O , S2 , O2 ). Эти частицы являются продуктами вулканизма на Ио, выбрасываемыми на сотни километров и ионизуемыми солнечной радиацией. Все это обусловливает исключительно сложную динамику магнитосферы Юпитера. У Юпитера есть неплотное кольцо и многочисленные спутники. К настоящему времени известны 67 спутников, наиболее впечатляющими из которых являются четыре самых больших спутника, обнаруженных еще в 1610 г. Галилео Галилеем и потому названых галилеевыми спутниками. Ниже мы подробно обсудим их уникальные свойства. До настоящего времени Юпитер посетили пять космических аппаратов, первыми из которых были пролеты вблизи планеты КА «Пионер-10 и -11» (Pioneer 10, 11) в 1973–74 гг. и «Вояджер-1 и -2» (Voyager-1, 2) в 1979 г. В 1989 г. КА «Галилей» (Galileo) вышел на орбиту вокруг Юпитера и, кроме того, отделил атмосферный зонд, который вошел в атмосферу и осуществил спуск на парашюте, проводя измерения атмосферных параметров до глубины 22 км от верхней границы облаков. Орбитальный аппарат длительное время проводил исследования самого Юпитера и его галилеевых спутников. В августе 2011 г. американское космическое агентство NASA запустило к Юпитеру новый космический аппарат «Юнона» (Juno) размером около 2,5 м, который продолжит изучение Юпитера с полярной орбиты. Аппарат достиг планеты в начале июля 2016 г. и вышел на высокоэллиптическую орбиту ее спутника с периодом 54 земных суток, а в октябре 2016 г. он был переведен на более низкую орбиту с периодом 14 земных суток, с которой запланирован 20-месячный этап исследований планеты и ее окрестностей. Основной целью является детальное изучение динамических свойств атмосферы и облаков и получение изображений высокого разрешения с высоты 5 000 км. проведение исследований гравитационного и магнитного полей, внутреннего строения и магнитосферы планеты, включая ее взаимодействия с солнечным ветром и связанных с ним явлений типа полярных сияний. Это существенно дополнит наши знания о природе Юпитера. Американским, европейским и российским космическими агентствами обсуждаются также проекты запуска на Юпитер КА для детального изучения галилеевых спутников, в первую очередь, Европы и Ганимеда. Российско-европейский проект предварительно назван «Европейская миссия в систему Юпитера — Лаплас» (Europa Jupiter System Mission — Laplace), но возможность и сроки ее осуществления не определены.
160
Гл. 3. Планеты-гиганты
Сатурн Сатурн — шестая планета от Солнца. Древние греки называли эту планету Кроносом в честь бога — хранителя времени, ведающего тайнами жизни и смерти. Этому названию планета обязана своему неторопливому движению по небосклону. Кронос, предводитель титанов и отец Зевса, считался пожирателем своих детей, по этой причине он не был популярен в греческой мифологии. Аналогом древнегреческого Кроноса в Древнем Риме являлся бог земледелия и плодородия Сатурн, в честь которого и была в конце концов названа планета. Сатурн находится вдвое дальше от Солнца, чем Юпитер, на среднем расстоянии 9,58 а. е. (рис. 3.1 и 3.5). По размеру он уступает Юпитеру, его экваториальный радиус ( S 60 268 км) примерно на 11 000 км меньше. Большая полуось орбиты Сатурна составляет 1,433 млрд км, эксцентриситет 0,06, наклон орбиты к плоскости эклиптики 2,46Æ . Сидерический период обращения (относительно звезд) составляет 29,46 лет (год на Сатурне), синодический период обращения (относительно Земли) — 378,09 дня. Из-за эллиптичности орбиты Сатурн приближается к Солнцу на расстояние в 1,353 млрд км (9,05 а. е.) в перигелии и удаляется от него на 1,513 млрд км (10,12 а. е.) в афелии. Расстояние между Сатурном и Землей изменяется от 8,0 до 11,1 а.е., среднее расстояние в противостоянии равно 1,28 млрд км. В отличие от Юпитера, наклон оси собственного вращения Сатурна (относительно перпендикуляра к плоскости орбиты) весьма высок (26,73Æ ) и поэтому, на нем происходят существенные сезонные изменения. Орбитальные движения Сатурна и Юпитера находятся в резонансе 2 : 5. Масса Сатурна уступает массе Юпитера, она составляет 5,68 1026 кг (95 масс Земли). Ускорение силы тяжести равно 10,44 м/с2, вторая космическая скорость 35,5 км/с. Визуальная звездная величина изменяется от 0,24 до 1,47 . Это означает, что яркость Сатурна слабее яркости Юпитера, хотя значение его интегрального сферического альбедо ( 0,47) близко к юпитерианскому. Сатурн вращается вокруг своей оси почти с такой же скоростью, как Юпитер: один оборот за 10,57 часов. Это — сатурнианский день. Быстрое вращение приводит к большому различию между экваториальным и полярным радиусами планеты S (60 268 км и 54 364 км, соответственно) и большому полярному сжатию (0,098), превышающему сжатие Юпитера. Вообще у Сатурна наибольшее сжатие из всех планет Солнечной системы. Средняя плотность Сатурна, основная масса вещества которого находится в газообразном состоянии, всего 0,69 г/см3 , что меньше средней плотности Юпитера и даже меньше плотности воды. Ни одна другая планета не имеет столь низкой плотности. Если представить себе таз огромного размера, заполненный водой, куда можно было бы поместить Сатурн, то он бы в нем плавал! Наши знания о Сатурне, системе его многочисленных спутников и знаменитых колец значительно расширились благодаря космическим
Сатурн
161
Рис. 3.5. а — изображение Сатурна (цветовой контраст искусственно усилен). Голубой, красновато-оранжевый и зеленый цвета отвечают, соответственно, основным облакам, высотным облакам и надоблачной дымке. В кольцах, окружающих Сатурн, выделяются три основных кольца, в порядке увеличения радиального расстояния: С, В и А. Между кольцами А и В находится щель Кассини (снимок космического телескопа «Хаббл»); б — атмосфера Сатурна. Хорошо различаются полосчатая структура облачного слоя, обусловленная планетной циркуляцией, и турбулизованная структура облаков вблизи экватора (снимок, полученный КА «Кассини» (Cassini)). (С любезного разрешения NASA и ESA)
исследованиям. Три космических аппарата совершили пролеты вблизи планеты — «Пионер-11» в 1979 г. и «Вояджеры -1 и -2» в 1980–81 гг., а четвертый КА «Кассини-Гюйгенс», состоящий из орбитального («Кассини») и посадочного («Гюйгенс») аппаратов, в 2004 г. вышел на орбиту спутника Сатурна и отделил посадочный аппарат, который совершил посадку на поверхность его самого крупного спутника — Титана. Эта очень успешная космическая миссия позволила получить наиболее полную на сегодняшний день информацию о планете и ее спутниках.
162
Гл. 3. Планеты-гиганты
Находясь на почти экваториальной (0,3Æ ) орбите вокруг Сатурна с периодом 18,9 земных дней, «Кассини» совершил пролеты на сравнительно небольших расстояниях вблизи восьми из известных 62 спутников планеты: Дионы (516 км), Полидевка (35 000 км), Tелесто (44 000 км), Януса (101 000 км), Meтоны (110 000 км), Aтласа (111 000 км), Пана (118 000 км) и Tитана (958 000 км), и получил ряд интересных данных. Исключительный интерес представляют данные прямых измерений «Гюйгенса» в атмосфере и на поверхности Титана. «Кассини» продолжает комплекс научных исследований с орбиты вокруг планеты с периодом 16 земных суток. Планируется совершить еще 8 пролетов вблизи Титана, 2 вблизи Энцелада и близкий пролет около далекого спутника Гипериона, а затем либо понизить орбиту, либо завершить в 2017 г. миссию, войдя в атмосферу Сатурна. Американское и европейское космические агентства предполагают провести дальнейшее детальное изучение Сатурна и его спутников, запустив новый космический аппарат, предварительно названный «Миссия Сатурн–Титан» (Titan Saturn System Mission (TSSM)), но проект пока не утвержден. Подобно Юпитеру, Сатурн состоит, главным образом, из водорода и гелия, хотя содержание гелия на нем примерно в три раза меньше. Среди основных примесей вода, метан и аммиак. Из аммиака, гидросульфида аммония (NH4 HS) и кристаллов водяного льда состоят облака. На видимом диске Сатурна также различается система зон и поясов, хотя менее отчетливая и более тусклая по цвету, чем на Юпитере (см. рис. 3.5). В атмосфере наблюдаются неоднородности, перемещающиеся с различными скоростями, бушуют сильные грозы. На высоких широтах образуются специфические гексагональные структуры. Мощные бури простираются на тысячи километров, формируются гигантские вихри, такие как Большой белый овал, хотя подобные образования появляются нерегулярно и существуют ограниченное время. Более детально атмосферная динамика Сатурна, так же как и природа его специфических спутников и колец, обсуждается ниже в специальных разделах этой главы. Внутреннее строение Сатурна в целом подобно структуре недр Юпитера (см. рис. 3.2) и определяется его главными составляющими — водородом и гелием. Для наблюдений доступен только самый верхний слой, ассоциируемый с атмосферой. На этом условном уровне при давлении в 1 бар температура составляет 134 К. и устойчиво растут с глубиной, достигая сначала первого фазового перехода водорода от газообразного к жидкому, а затем к металлическому состоянию, когда давление на глубине около 30 тыс. км достигает 3 Мбар. Согласно модели внутреннего строения, в центре Сатурна находится массивное железо-каменное ядро с радиусом примерно 12 000 км и температурой в центре 11 700 K. Его масса может достигать 20 масс Земли. Продолжающееся со времени аккумуляции гравитационное сжатие планеты обуславливает большой внутренний тепловой
Уран
163
поток, излучаемый в космос. Этот поток превышает поток излучения, получаемый Сатурном от Солнца, в 2,5 раза 1). Сатурн обладает значительным магнитным полем, причем его напряженность (0,21 Э) очень близка к напряженности магнитного поля Земли (0,35 Э) на экваторе. Поле генерируется в металлической водородной оболочке и внешнем металлическом ядре благодаря эффекту динамо. В целом оно имеет структуру диполя, ось которого практически совпадает с осью собственного вращения планеты. Это приводит к уникальной симметрии структуры магнитосферы Сатурна. Магнитосфера заполнена как частицами солнечного ветра, так и ионами, источником которых служат спутники планеты, среди которых доминирующая роль принадлежит Энцеладу. Многочисленные особенности поведения магнитосферной плазмы и ее взаимодействия с солнечным ветром, по всей вероятности, связаны с механизмом пересоединения магнитных силовых линий. На обоих полюсах планеты почти постоянно наблюдаются мощные полярные сияния, свидетельствующие о наличии определенной асимметрии плазменных процессов, ответственных за их генерацию. Граница взаимодействия магнитосферы с натекающим на нее солнечным ветром (магнитопауза) расположена приблизительно на расстоянии 22 S , в то время как магнитосферный хвост простирается в космос далеко за пределы его орбиты на сотни радиусов Сатурна S .
Уран Уран, названный в честь бога небес в греческой мифологии, супруга Геи (Земли), — седьмая планета по удаленности от Солнца (см. рис. 3.1). Неизвестный древним цивилизациям, он был открыт только в 1781 г. при наблюдениях с помощью телескопа выдающимся астрономом Уильямом Гершелем, который первоначально принял его за комету. Уран обращается вокруг Солнца на расстоянии приблизительно 20 а. е. по слегка эллиптической орбите (эксцентриситет 0,04) с большой полуосью 2,88 млрд км (19,23 а. е.) и наклонением к плоскости эклиптики 0,77Æ . Уран приближается к Солнцу на расстояние 2,75 млрд км (18,38 а. е.) в перигелии и удаляется от него на расстояние 3,00 млрд км (20,08 а. е.) в афелии. Интенсивность солнечного 1)
Подобно Юпитеру, значительная часть этой энергии генерируется за счет механизма Кельвина–Гельмгольца, в основе которого лежит сжатие планеты за счет падения давления при остывании, в результате чего потенциальная энергия ее вещества переходит в тепло. Однако предполагается, что на Сатурне этот механизм не является единственным и что определенный вклад в генерацию тепловой энергии вносит конденсация гелия и падение вглубь ядра капель He через слой менее плотного водорода с переходом потенциальной энергии этих капель в тепловую.
164
Гл. 3. Планеты-гиганты
излучения на таком расстоянии составляет всего 1/400 от величины солнечной постоянной на орбите Земли. Его сидерический период обращения (относительно звезд) равен 84,32 года (год на Уране), в то время как синодический период обращения (относительно Земли) составляет только 369,66 земных дней. Период вращения Урана вокруг своей оси (день на Уране) составляет 17 ч 14 мин (0,72 дня Земли), т. е. он вращается медленнее, чем Юпитер и Сатурн. Наклон оси собственного вращения Урана относительно перпендикуляра к плоскости околосолнечной орбиты равен 97,77Æ . Это означает, что ось вращения лежит почти в плоскости орбиты, а само вращение происходит не в прямом (против часовой стрелки), а обратном направлении, если, как обычно, смотреть с северного полюса мира. Вследствие такого необычного наклона оси планета обращена к Солнцу последовательно тем или иным полюсом, так что полюса полностью освещаются и затмеваются при солнцестояниях, а экваториальные области полностью освещаются в течение сравнительно короткого времени в равноденствиях, когда происходят «нормальные» суточные вариации. Все это в результате приводит ко многим уникальным природным явлениям на планете, в основе которых лежит необычный характер перераспределения солнечной энергии, а также к специфическому взаимодействию магнитного поля с солнечной плазмой (рис. 3.6). Причина столь необычного положения Урана в пространстве остается до конца не понятой. Для объяснения этого феномена была выдвинута гипотеза катастрофического столкновения Урана с крупным телом в раннюю эпоху его эволюции, и такое столкновение «опрокинуло» его ось вращения.
Рис. 3.6. Положение дипольного магнитного поля Урана относительно оси вращения. Помимо их различной ориентации, магнитный диполь смещен относительно геометрического центра планеты. (Источник: Википедия)
Уран
165
На нашем ночном небе Уран виден, как очень тусклая звезда. Его угловой размер равен приблизительно 4 , а визуальная звездная величина изменяется от 5,3 в перигелии до 5,9 в афелии его орбиты. Интегральное сферическое альбедо равно 0,3. По размеру Уран уступает только Юпитеру и Сатурну, а по массе подобен Нептуну. Его экваториальный радиус U равен 25 559 км, полярный радиус 24 973 км, и, соответственно, полярное сжатие 0,02. Валовый состав Урана — это смесь газов и льдов, масса U 8,68 1025 кг (14,5 масс Земли), средняя плотность 1,27 г/см3 , ускорение силы тяжести (на экваторе) 8,2 м/с2 , а вторая космическая скорость 21,3 км/с. Атмосфера Урана менее динамичная, чем у Нептуна, хотя обе планеты очень похожи по размеру и массе. Сведения об атмосфере были впервые получены с космического аппарата «Вояджер-2», пролетевшего вблизи Урана в 1986 г. Переданные им изображения планеты были впоследствии дополнены результатами наблюдений на космическом телескопе «Хаббл». В отличие от других планет-гигантов Уран выглядит невыразительно и на фоне сплошных облаков различимы лишь слабые следы атмосферных движений и вихрей. Тем не менее, были обнаружены сильные ветры, дующие в облаках, связанные с системой планетарной циркуляции и атмосферной суперротацией. В южном полушарии были выделены две наиболее характерных особенности: узкое кольцо на средних широтах и яркий полярный воротник. Были найдены некоторые различия в структуре облаков обоих полушарий, причем облачные образования существуют ограниченное время. На диске Урана обнаружено большое темное пятно, но его происхождение и природа не ясны. Вследствие специфического положения оси вращения относительно Солнца на Уране происходят выраженные сезонные изменения, при рекуррентной смене освещения северного и южного полушарий и экваториальных областей. Каждый сезон длится одну четверть года на Уране, т. е. примерно 21 земной год. Уран состоит из водорода, гелия и водородсодержащих соединений. Они измерены на верхнем уровне атмосферы и облачном слое. Неожиданным результатом явилось необычно высокое содержание гелия — до 15 % по объему, а по массе это составляет 0,26 0,05, что близко к протозвездной массовой доле гелия, равной 0,28 0,01. Такое содержание служит подтверждением идеи о том, что состав вещества во внешних областях газопылевого диска, из которого формировались далекие планеты Солнечной системы, был близок к первоначальному веществу протопланетной туманности, состав которого соответствовал космической распространенности элементов. Из других компонентов в относительно большом количестве содержится метан, которого более 2 % и с которым связана структура облаков. Метан ответственен за зеленовато-голубой (аквамариновый) цвет планеты. Есть также следы углеводородов более сложных, чем метан (вероятно, это продукты фотолиза в верхней атмосфере), а также CO2 и CO.
166
Гл. 3. Планеты-гиганты
Облака на Уране, по-видимому, имеют многослойную структуру и состоят из метана, аммиака, гидросульфида аммония (NH4 HS), воды и сероводорода (H2 S). На уровне с давлением 1 бар температура равна 76 K; этот уровень условно принят за «поверхность» планеты (которой в действительности не существует). В тропопаузе на уровне с давлением 0,1 мбар температура понижается до 49 K ( 224 ÆC). Это самая низкая температура из всех, существующих на планетах Солнечной системы, даже ниже, чем на более удаленном Нептуне, что обусловлено очень специфическим тепловым балансом на Уране. Другой интересной особенностью Урана является его необычная верхняя атмосфера, точнее, горячая термосфера, в которой происходит устойчивый рост температуры с высотой. Она состоит из молекулярного и атомного водорода и простирается более чем на два радиуса планеты. Электронная плотность в ионосфере Урана, находящейся в пределах его термосферы, даже выше, чем в ионосферах Юпитера и Сатурна. Внутреннее строение планеты (см. рис. 3.2) представлено высокотемпературными модификациями водородсодержащих соединений — воды, аммиака и метана, которые представляют собой горячую, плотную и вязкую жидкость — флюидную смесь, проявляющую свойства льдов, хотя она не имеет ничего общего с традиционным определением льда. Саму эту жидкость, содержащую также воду и обладающую высокой электропроводностью, иногда называют «водно-аммиачно-метановым океаном», который занимает до 90 % общей массы Урана, что соответствует 9–13 массам Земли. Как мы увидим, аналогичное внутреннее строение у Нептуна, и обе планеты называют «ледяными гигантами», хотя их скорее следовало бы называть газово-ледяными телами, в отличие от газово-жидких гигантов Юпитера и Сатурна. Согласно результатам моделирования недр Урана, в центре находится небольшое каменное ядро, составляющее менее 3–4 % общей массы планеты. Его радиус оценивается величиной приблизительно 5 000 км, а плотность составляет 9 г/см3 . Давление и температура на границе между ядром и мантией составляют, по оценкам, 8 Мбар и 5 000 K соответственно. Такая трехслойная модель с маленьким ядром, протяженной ледяной мантией и тонкой газовой оболочкой, состоящей, в основном, из водорода и гелия, наилучшим образом удовлетворяет имеющимся экспериментальным данным и современным представлениям об Уране. Особый интерес представляет собой магнитосфера Урана. Ее пространственная конфигурация определятся диполем собственного магнитного поля, который не совпадает с осью собственного вращения планеты (см. рис. 3.6), что приводит к необычным явлениям. Измерения с КА «Вояджер» привели к выводу, что, в отличие от других планет, ось магнитного диполя отклонена от оси вращения на угол 59Æ и смещена от геометрического центра к Южному полюсу примерно на 1/3 радиуса планеты. Это приводит к сильной асимметрии магнитного поля, напряженность которого изменяется от 0,1 Э в южном
Нептун
167
полушарии до 1,1 Э в северном полушарии. Такую асимметрию можно было бы объяснить механизмом генерации магнитного поля на Уране (и Нептуне), отличном от других планет, а именно, его возникновением в жидком токопроводящем слое мантии (водно-аммиачно-метановом океане), а не в ядре. Тем не менее, в целом, магнитосфера Урана имеет вполне регулярную структуру, несмотря на довольно специфическое взаимодействие магнитосферы с плазмой солнечного ветра. Магнитопауза находится на расстоянии 18 U , имеются четко выделяемые радиационные пояса и длинный магнитный хвост. Радиационные пояса содержат энергичные протоны и электроны, а также небольшую долю молекулярного водорода. Сильное влияние на магнитосферу оказывают спутники Урана, с которыми связано образование полостей в ее структуре. Вокруг магнитных полюсов наблюдаются яркие дуги полярных сияний.
Нептун Нептун (см. рис. 3.1 и 3.7) — восьмая, считая от Солнца, и самая удаленная от него планета Cолнечной системы. Ее назвали в честь бога морей в римской мифологии, греческим эквивалентом которого был Посейдон. Существование этой планеты было предсказано на основании математических вычислений, сделанных независимо Жаном Жозефом Леверье и Джоном Адамсом, а само событие часто называют «открытием на кончике пера». Результаты вычислений были вскоре подтверждены телескопическими наблюдениями Иоганна Годфрида Галле, обнаружившего планету очень близко (в пределах 1Æ ) от предсказанного положения в сентябре 1846 г.
Рис. 3.7. a — Нептун с системой полос, обусловленных зональной циркуляцией на уровне облаков. Аквамариновый цвет диска планеты обусловлен поглощением метаном красной области солнечного спектра; б — Большое Темное Пятно (БТП) на Нептуне. (С любезного разрешения NASA)
168
Гл. 3. Планеты-гиганты
Нептун обращается вокруг Солнца на среднем расстоянии приблизительно 30 а. е. Большая полуось его орбиты равна 4,50 млрд км (30,1 а. е.), эксцентриситет 0,01, наклон орбиты к плоскости эклиптики 1,77Æ . Находясь почти на круговой орбите, Нептун приближается к Солнцу на расстояние 4,45 млрд км (29,77 а. е.) в перигелии и удаляется от него на 4,55 млрд км (30,44 а. е.) в афелии. Его сидерический период обращения (относительно звезд) составляет 164,79 земных года (год на Нептуне), в то время как синодический период обращения (относительно Земли) — 367,49 земных суток. Ось собственного вращения отклонена от перпендикуляра к плоскости орбиты на 28,32Æ , поэтому планета испытывает существенные сезонные изменения, подобные тем, которые происходят на Земле и Марсе. Однако каждый сезон на Нептуне продолжается 40 лет! Нептун недоступен для наблюдений невооруженным глазом: его угловой диаметр составляет всего лишь 2,2 –2,4 , интегральное сферическое альбедо 0,29, а визуальная звездная величина колеблется между 8,0 и 7,7 . По размеру Нептун чуть меньше Урана, но, в то же время, слегка превышает его по массе. Экваториальный радиус планеты N 24 764 км, полярный радиус — 24 341 км и, соответственно, полярное сжатие 0,02. Нептун вращается вокруг своей оси быстрее, чем Уран: период его собственного вращения (день на Нептуне) равен 16,11 ч (0,67 земного дня). Подобно Урану, основной (валовый) состав Нептуна — это смесь газов и льдов. Из-за большей доли более тяжелых (ледяных) компонентов, его средняя плотность 1,64 г/см3 . Этим объясняется то, почему Нептун более массивен, чем Уран, который больше по размеру. Масса Нептуна равна 1,02 1026 кг (в 17,1 раза больше массы Земли), ускорение силы тяжести 11,15 м/с2 , вторая космическая скорость 23,5 км/с. Гравитационное поле Нептуна оказывает сильное влияние на орбитальные движения карликовых ледяных планет и малых тел, населяющих пояс Койпера, внутренняя граница которого находится на расстоянии около 40 а. е. (см. гл. 4). С этим влиянием связана, в частности, структура пояса, его стабильность и вековые резонансы. Вековой резонанс означает, что существует соизмеримость периодов обращения данного тела и Нептуна в виде простого целочисленного соотношения, выраженного как отношения натуральных чисел (например, 1:2, 2:3, 3:5 и т. д.). Заметим, что этот механизм сопоставим с влиянием Юпитера на Главный пояс астероидов, расположенный между орбитами Юпитера и Марса. По своей природе Нептун очень похож на Уран, оба называют ледяными гигантами, имеющими примерно одинаковый состав, внутреннее строение, структуру атмосферы. Однако метеорология Нептуна значительно более сложная, чем у Урана. В атмосфере и облаках Нептуна наблюдаются разнообразные динамические структуры, что хорошо видно на изображениях, переданных «Вояджером-2», а также полученных с космического телескопа «Хаббл». В облаках Нептуна
Нептун
169
дуют сильные ветры переменных направлений, интенсивность которых даже выше, чем на Юпитере и Сатурне, периодически возникают мощные бури, определяющие погоду на планете. Наиболее впечатляющим является гигантский вихрь, отснятый «Вояджером-2», по форме напоминающий Большое Красное Пятно на Юпитере и по этой причине названный Большим Темным Пятном (рис. 3.7 б). По своей природе, это тоже антициклон, и первоначально предполагалось, что, подобно БКП, у него должно быть продолжительное время жизни, но, как показали наблюдения «Хаббла», оно исчезло спустя всего пять лет. Вместо него образовались различные большие и маленькие темные пятна, свидетельствующие о неустойчивости атмосферы Нептуна, изменчивости формирования облаков и высокой циклонической активности. Нептун получает намного меньше энергии от Солнца, чем Уран, — всего 1 900 от солнечной постоянной на орбите Земли. Более существенным в тепловом балансе является внутреннее тепло планеты. В то время как Уран излучает в окружающее космическое пространство приблизительно в 1,1 раза больше тепла, чем получает от Солнца, излучение Нептуна превышает солнечный падающий поток в 2,61 раза. Это означает, что внутренний поток тепла из недр почти вдвое выше солнечного. В отличие от высвобождаемой гравитационной энергии вследствие продолжающегося сжатия со времени аккумуляции, как в случае Юпитера и Сатурна, источник внутреннего тепла на Нептуне скорее связан с распадом радиогенных изотопов или с химическими процессами с участием углеводородов. Очевидно, особенности энергообмена с большим вкладом внутреннего тепла определяют множество отмеченных выше динамических свойств атмосферы Нептуна, которые выражены намного сильнее и четче, чем на Уране. В атмосфере наблюдается сильное дифференцированное вращение, значительно превышающее аналогичный эффект, присутствующий на других планетах-гигантах, не имеющих твердой поверхности. Однако, в отличие от других гигантов (и Солнца), экваториальные области атмосферы Нептуна вращаются медленнее (с периодом 18 ч), в то время как полярные области — гораздо быстрее (с периодом 12 ч). Это оказывает сильное влияние на структуру планетарной циркуляции, особенно на широтные вариации скорости ветра (сдвиг ветров). Естественно, что вращение атмосферы отличается от собственного вращения планеты, период которого (16,1 ч) был определен по измерениям вращения магнитного поля, относящегося к самому планетному телу. Подобно Урану, в верхнем слое Нептуна, ассоциируемом с атмосферой и доступном измерениям, находятся, в основном, водород и гелий, причем среднее содержание гелия (19 % по объему) еще выше, чем на Уране, и, вероятно, объясняется тем же источником. Существенную долю в атмосфере составляет метан, относительное содержание которого приблизительно 1,5 %. Интенсивное поглощение метаном
170
Гл. 3. Планеты-гиганты
красно-желтой области солнечного спектра объясняет наблюдаемый яркий ультрамариновый цвет планеты. Облака Нептуна имеют многослойную структуру и состоят из метана, аммиака, гидросульфида аммония (NH4 HS), сероводорода (H2 S) и воды. Обнаружены следы углеводородов более сложного, чем метан состава (этан, ацетилен), которые, по-видимому, синтезируются в процессе фотолиза в верхней атмосфере. Их содержание в экваториальных областях планеты в сотни раз больше, чем на полюсах. Очевидно, фотохимические процессы, ответственные за синтез сложных углеводородов, происходят в метановой атмосфере и облаках Нептуна даже при сравнительно низком потоке солнечных ультрафиолетовых фотонов на расстоянии 30 а. е. Твердой поверхности на Нептуне нет, в качестве «опорного» условно принят уровень в атмосфере с давлением 1 бар и температурой 72 K. Тропопауза находится на уровне с давлением 0,1 мбар, где температура падает до 55 K. Затем она быстро повышается за счет прямого поглощения солнечной коротковолновой радиации, достигая необычайно высокой величины 750 K в термосфере. В нагревание верхней атмосферы, возможно, вносит вклад диссипация распространяющихся с нижних уровней внутренних гравитационных волн. Модель внутреннего строения Нептуна (см. рис. 3.2) практически аналогична модели недр Урана. Основой служат высокотемпературные модификации водородсодержащих соединений (вода, метан, аммиак), условно называемых льдами, как говорилось выше. Льды составляют более 90 % общей массы Нептуна. Под внешней газовой оболочкой (атмосферой) находится обширная ледяная мантия, где температура увеличивается до 2 000–5 000 K, а под ней расположено каменное (железо-силикатное) ядро, в центре которого давление достигает 7 Мбар, а температура 6 000–7 000 K. Ядро, по оценкам, в 1,2 раза массивнее ядра Земли. Нептун обладает сильным магнитным полем, напряженность которого составляет 1,4 Э. Оно, вероятно, генерируется конвективными потоками в электропроводной жидкой водно-аммиачно-метановой мантии и отвечает механизму гидромагнитного динамо. Поле имеет довольно сложную конфигурацию, на его дипольную структуру накладывается квадрупольный компонент. Магнитосфера Нептуна в целом напоминает магнитосферу Урана. Она похожа на «наклонный ротатор», причем ось магнитного диполя отклонена от оси собственного вращения на 47Æ и смещена относительно геометрического центра планеты. В результате образуется конусообразная конфигурация вращающегося магнитного поля, сильно влияющая на структуру магнитосферы и на особенности ее взаимодействия с солнечным ветром. Граница взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой (магнитопауза) расположена на расстоянии 25 N , а магнитный хвост простирается от планеты в антисолнечном направлении на расстояние свыше сотни N .
Атмосферная динамика
171
Атмосферная динамика Остановимся теперь подробнее на некоторых общих свойствах атмосферной динамики, ответственной за климат и метеорологию на планетах-гигантах. Их общие черты и различия, как показали результаты наблюдений и моделирования, имеют исключительно большое значение для лучшего понимания ключевых физических механизмов и гидродинамических процессов различных масштабов, происходящих в природе. Главное свойство атмосферной циркуляции на планетах-гигантах — это чередование прямых и обратных (соответственно, в восточном и западном направлении) сильных экваториальных потоков на Юпитере, Сатурне Уране и Нептуне. Эти потоки имеют различные скорости и ширину охвата и создают упомянутую выше упорядоченную систему светлых зон и темных поясов в низких и средних широтах, наиболее отчетливо проявляющихся на Юпитере и Сатурне (рис. 3.8). Наиболее детальные исследования структур в атмосфере и облаках на этих планетах и механизмов планетарной динамики были осуществлены при полетах КА «Галилей» и «Кассини». Они выявили наиболее надежно характер движений в атмосферах Юпитера и Сатурна, что позволило выделить отличительные особенности в трех главных динамических областях — вблизи экватора, в средних широтах и на полюсах. В динамике экваториальной области доминирует широкий поток, направленный на восток, а вихри отсутствуют, в то время как в средних широтах присутствуют более узкие зональные потоки с чередованием движений в восточном и западном направлениях, сосуществующие с вихрями. Здесь создаются облачные полосы, соответствующие циклоническим и антициклоническим сдвиговым зонам между потоками. Морфология полярных областей полностью контролируется турбулентными струями с многочисленным взаимодействием и слиянием вихрей. На Сатурне проявляется более регулярная зональная организация, простирающаяся до полюсов и завершающаяся большим циклоническим вихрем на каждом из полюсов. Скорости потоков на Сатурне также вдвое выше, чем на Юпитере. В отличие от Земли, где циркуляция вызывается различием солнечного нагревания на низких и высоких широтах, циркуляция на Юпитере и Сатурне обусловлена, в основном, восходящими внутренними потоками тепла. Поскольку для этих быстро вращающихся планет число Россби Ro 1, то из-за взаимодействия сил Кориолиса и меридиональных потоков между зонами и поясами возникают сильные зональные потоки. Газ движется вверх в зонах и вниз в поясах. В зонах под воздействием сил Кориолиса газовые потоки расширяются вдоль меридианов и отклоняются в восточном или западном направлениях, в зависимости от направления меридиональных потоков (которые различны в северном и южном полушариях). Противоположные края этих зон, перемещающихся в разных направлениях, вызывают наиболее
172
Гл. 3. Планеты-гиганты
Рис. 3.8. а — Юпитер с характерными светлыми зонами и темными поясами в сильно турбулизованной атмосфере планеты на верхней границе облаков; б — структура зон и поясов на Юпитере. Более светлые области восходящих течений — зоны; более темные области нисходящих течений — пояса. Сплошной кривой показаны скорости ветра переменного направления (в направлении вращения планеты в зонах и в противоположном направлении в поясах), вследствие чего в переходных зонах возникают сильные сдвиговые (shear) течения. На эти течения накладываются неупорядоченные движения различных масштабов, наблюдаемые в структуре облаков. (С любезного разрешения NASA)
сильные ветры переменного направления в переходных областях, создавая вихри и сдвиговую турбулентность. Здесь, на фоне отсутствия значительного различия температур между экватором и полюсами, наблюдаются самые большие температурные градиенты. Средняя зональная скорость ветра на Юпитере составляет 150 м/с, в то время как на Сатурне она достигает 500 м/с (см. рис. 3.8). Еще более сильные ветры были измерены в атмосфере Нептуна. Согласно прямым измерениям на спускаемом аппарате (зонде) «Галилей» отмечался рост зональной скорости ветра в атмосфере Юпитера с глубиной от 70 до 175 м/с между уровнями с давлением 0,4 и 5 бар соответственно. Отметим, что атмосфера Земли имеет, в основном, ту же самую структуру воздушных потоков, но с гораздо более низкими скоростями.
Атмосферная динамика
173
Другим важным механизмом планетарной динамики на планетахгигантах является естественная конвекция, которая также объясняется существованием внутреннего теплового источника. Она приводит к беспорядочным движениям и многочисленным когерентным структурам вихрей в виде конвективных ячеек, наблюдаемых в высоких широтах. Этот механизм во многих отношениях подобен классической гидродинамической неустойчивости Рэлея–Тейлора, возникающей в горизонтальном потоке жидкости, подогреваемой снизу (конвекция Рэлея–Бенара). Однако в случае планет-гигантов конвективные внутренние структуры находятся в тесном динамическом взаимодействии с вышележащим слоем газа, в котором поглощается солнечная энергия. Другими словами, конвекция, генерируемая потоком тепла из глубины, проникает в верхнюю тропосферу, где возникают экваториальные волны Россби. Это приводит к очень сложной картине потока с многочисленными вихревыми структурами и высокой степенью турбулизации, что наиболее отчетливо наблюдается на диске Юпитера. В свою очередь, формирование зонального потока и сохранение планетарной циркуляции на вращающейся планете можно объяснить нелинейным механизмом преобразования вихревой энергии в кинетическую энергию среднего движения. Действительно, трехмерное моделирование общей циркуляции атмосферы и дифференциального вращения, воспроизведенное в лабораторных экспериментах, принесло доказательство того, что существуют универсальные механизмы для всех планет-гигантов, вызывающие различные типы потоков, при условии, что приняты во внимание различия радиационного нагрева и внутреннего источника тепла. Тем не менее, мы пока не можем с достаточной полнотой объяснять очень сложную динамику и механизмы образования потоков различной конфигурации на планетах-гигантах. Важным индикатором разнообразных движений в сильно турбулизованных атмосферах Юпитера и Сатурна служат облака (рис. 3.9). На Юпитере в восходящих потоках зон облака расположены приблизительно на 20 км выше, чем в нисходящих потоках поясов. Яркий белый цвет холодных зон объясняется наличием в них кристаллов аммиака. Вместе с тем, за счет основных конденсатов невозможно объяснить наблюдаемую палитру цветов на дисках этих планет, особенно в расположенных ниже более теплых поясах, представляющих собой уникальное явление природы. Для объяснения этой богатой цветовой гаммы было сделано предположение, что на этих уровнях присутствуют более сложные соединения, в том числе фосфин (РН3 ), углеводороды (C H ) и органические полимеры, которые, возможно, образовались под действием солнечной ультрафиолетовой радиации и грозовых разрядов в атмосфере и облаках. В свою очередь, на Уране и Нептуне верхние облачные слои при более низких эффективных температурах состоят, в основном, из метана вместе с аммиаком и серосодержащими соединениями, находящимися в нижних слоях облаков. Для многокомпонентной турбулентной среды планет-гигантов типичны
174
Гл. 3. Планеты-гиганты
Рис. 3.9. a, б — Большое Красное Пятно (БКП) в атмосфере Юпитера размером 25 000 12 000 км. Само пятно и сильно турбулентные зоны облаков в его окрестности отличаются богатой цветовой гаммой. Западнее и южнее БКП также наблюдаются области сильно турбулизованных потоков. Справа от него видны вихри меньшего размера — «белые овалы». Максимальное разрешение на снимке — 95 км; в — некоторые детали движений внутри БКП. (С любезного разрешения NASA)
также химические преобразования, связанные с динамическими процессами. Очевидно, формирование упорядоченных вихревых образований на фоне хаотических структур сильно развитой турбулентности, сопровождаемое обменом энергии на микроуровне, можно отнести к процессам самоорганизации. Подобно Юпитеру и Сатурну, тепловая конвекция играет важную роль в атмосферной динамике Нептуна, на котором, в отличие от Урана, источник внутреннего тепла почти вдвое превышает приток энергии от Солнца. На тепловой режим и атмосферную динамику Урана должно оказывать воздействие ориентация его оси вращения в пространстве. Между тем, несмотря на большое различие в наклоне и характере обмена энергией, меридиональные и зональные профили ветра
Атмосферная динамика
175
на уровне облаков, наблюдаемые на обеих планетах, качественно идентичны, хотя на Уране ветры слабее. Ветры дуют в обратном направлении в экваториальных и средних широтах и в прямом направлении (совпадающем с направлением вращения планеты) вблизи полюсов. Особенно интересен тот факт, что скорости ветра в атмосфере Нептуна почти в 2,5 раза выше, чем в атмосферах Юпитера и Сатурна — до 600 м/с на экваторе. Таких скоростей атмосферных движений нет ни на одной другой планете Солнечной системы. И это при том, что мощность источника энергии на единицу площади на Нептуне приблизительно в 20 раз ниже, чем, скажем, на Юпитере. Данное явление можно, вероятно, объяснить тем, что атмосфера Нептуна имеет очень низкую турбулентную вязкость и, соответственно, низкий уровень диссипации энергии ветровых движений и сдвиговой турбулентности. Интересно заметить, что, в противоположность Нептуну, наша земная атмосфера имеет самый высокий уровень диссипации энергии, главную роль в которой играют процессы, связанные с гидрологическим циклом, мелкомасштабной конвекцией и поверхностным трением. Поэтому, хотя Земля получает несравнимо больше солнечной энергии, максимальные скорости ветра на ней почти на порядок ниже скоростей на Нептуне. Другая интересная особенность состоит в том, что направление ветров на Нептуне и Уране противоположно направлению их вращения. Это отличает их от Юпитера, Сатурна и Венеры (а также от Солнца и Титана), на которых существует эффект экваториальной суперротации. Среди замечательных характерных черт облачных структур на планетах-гигантах особенно выделяются многочисленные крупномасштабные вихревые структуры, происхождение которых обусловлено переменными направлениями зональных ветров под действием силы Кориолиса. Самой известной такой структурой является Большое Красное Пятно (БКП) на Юпитере (см. рис. 3.9). Оно расположено примерно на 22Æ южной широты и перемещается параллельно экватору планеты. Его размер в настоящее время составляет 15 000 км в широтном и 30 000 км в продольном направлениях, хотя оно было почти в 1,5 раза больше в прежние времена. В сильно турбулизованных атмосферах Юпитера и Сатурна наблюдаются также другие структуры овальной формы, также образованные процессами сильного зонального и меридионального переноса газа. БКП на Юпитере является гигантским антициклоном, время существования которого, оцененное с использованием критериев подобия, составляет несколько тысяч лет, в отличие от земных циклонических структур с типичным сроком существования порядка одной-двух недель. Оно расположено в атмосфере выше слоя окружающих облаков благодаря восходящим движениям и выделению скрытой теплоты парообразования, которая служит дополнительным источником энергии. Верхний слой БКП находится примерно на 8 км выше верхней кромки окружающих облаков, его температура несколько ниже прилегающих
176
Гл. 3. Планеты-гиганты
участков и составляет около 160 ÆC, а центральная часть пятна на несколько градусов теплее периферийных областей. БКП имеет очень яркую гамму цветов и сложную морфологию внутренних вихревых потоков. Предполагается, что в его состав входит красный фосфор, хотя нельзя исключить еще более высокое содержание других элементов и соединений. Наиболее сильная турбулизация потока происходит между вихревыми и соседними зонами, в которую вовлечен обмен газа с частицами облаков. Газ в БКП вращается против часовой стрелки, совершая полный оборот примерно за 6 земных суток. Скорости на периферии пятна превышают 100 м/с, а внутри него достигают 500 м/с. БКП периодически дрейфует в широтном направлении. В течение XX столетия оно совершило три полных оборота вокруг планеты. На Сатурне нет таких больших образований, как БКП, но наблюдаются многочисленные вихри (овалы) с меньшими размерами и более коротким временем жизни. Кроме того, в атмосфере Сатурна часто происходят мощные бури. Движение внутри овалов направлено по часовой стрелке, причем одновременно происходят колебания в широтно-долготном направлении, напоминающие движения в верхней части вихря в устойчиво стратифицированном сдвиговом потоке. Подобно тому, как упорядочиваются зональные потоки, динамику овалов можно рассматривать с точки зрения формирования гидрологического цикла в стратифицированной среде газ-жидкость, с учетом химического состава, энергии и удовлетворения условию устойчивости. Еще одна гигантская вихревая структура, подобная БКП, была найдена в динамичной турбулизованной атмосфере Нептуна (см. рис. 3.7). Как уже упоминалось, она была названа Большим Темным Пятном (БТП), и сначала думали, что БТП тоже представляет собой долгоживущий антициклон. Однако оно исчезло через несколько лет, как показали наблюдения космического телескопа «Хаббл». Тем не менее, в этой области были обнаружены большие и малые темные пятна, убедительно свидетельствующие о неустойчивости атмосферы Нептуна, изменчивости облачных образований и высокой активности циклонической деятельности. Мы видим, что в атмосферах планет-гигантов периодически появляются более или менее устойчивые структуры на фоне хаотических (турбулентных) движений газов. Они возникают в открытой нелинейной системе, обменивающейся энергией с окружающей средой, и проявляют внутреннюю неустойчивость. Циклоны и антициклоны на Земле существенно менее устойчивы, чем БКП и овалы в атмосферах Юпитера и Сатурна, которые являются примерами наиболее устойчивых структур. Значительно менее устойчивы явления типа пылевых бурь на Марсе или БТП на Нептуне. Вместе с тем в атмосферах планет мы имеем многочисленные примеры сильной неустойчивости и/или спорадической активности в форме относительно небольших облаков, появляющихся и исчезающих в течение нескольких часов в турбулентной
Спутники и кольца
177
среде на фоне мелкомасштабных хаотических движений. Исходя из концепции нелинейной динамики диссипативных систем, многие из этих явлений можно рассматривать с точки зрения процессов самоорганизации в хаотической турбулентной среде на различных временных интервалах, когда в системе, вследствие накопления неустойчивости, происходит ее переход (бифуркация) в качественно новое состояние.
Спутники и кольца Все планеты-гиганты имеют спутники и кольца. Они формируют очень сложные структуры, включая приливные взаимодействия между планетой, спутниками и кольцами и резонансы. Спутники. Системы спутников и колец вокруг Юпитера и Сатурна показаны на рис. 3.10 и 3.11. Произошедший за последние десятилетия громадный прогресс в технологиях и методах наблюдений наземной астрономии и полеты космических аппаратов позволили обнаружить большое число новых ранее неизвестных спутников у всех планетгигантов, так что их общее число возросло в несколько раз и к началу 2015 г. достигло 170. Из них 67 у Юпитера (наибольшее из всех планет Солнечной системы), 62 у Сатурна, 27 у Урана и 14 у Нептуна. Была обнаружена также тонкая структура в системах колец.
Рис. 3.10. Система спутников и колец вокруг Юпитера. (Источник: Википедия)
Имена спутникам даются либо исходя из мифологии, связанной с названием планеты, либо по именам действующих лиц из произведений Уильяма Шекспира. Размер большинства спутников не превышает десятков и сотен километров, но некоторые из них сопоставимы
Рис. 3.11. Система колец и спутников вокруг Сатурна. В верхней части рисунка все тела изображены в масштабе, кроме Пана, Атласа, Телесто, Калипсо, и Елены, чьи размеры увеличены в пять раз, чтобы показать приблизительную топографию. (Источник: Википедия)
178 Гл. 3. Планеты-гиганты
Спутники и кольца
179
с Луной и даже Меркурием. Это четыре галилеевых спутника Юпитера — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, спутник Сатурна Титан, и спутник Нептуна Тритон. Однако для каждой из планет-гигантов отношение суммарной массы ее спутников к массе планеты составляет не более 0,01 %, в то время как масса нашей Луны превышает 0,1 % массы Земли. Подобно Луне, все крупные спутники гигантов из-за приливных взаимодействий вращаются синхронно с планетой и, следовательно, всегда повернуты к ней одной стороной. В отличие от газово-жидких и ледяных тел самих планет, их спутники — это твердые тела, имеющие поверхность. У них относительно низкая средняя плотность, что предполагает значительную долю льдов, прежде всего водяного льда, в их валовом составе. Очевидно, крупные спутники были сформированы из материала того же самого диска, из которого образовалась сама планета, и находились намного ближе к ней, а радиальные расстояния впоследствии увеличились благодаря приливным взаимодействиям с планетой. В то же время многие спутники, находящиеся значительно дальше от планеты, являются, главным образом, захваченными астероидами и ядрами комет. Заметим, что у каждой из планет система спутников, находящихся вблизи плоскости ее экватора, напоминает Солнечную систему в миниатюре. Спутники Юпитера. Обратимся, прежде всего, к галилеевым спутникам Юпитера — Ио, Европе, Ганимеду и Каллисто (рис. 3.12). У них различный валовый состав, что проявляется в различии средней плотности, понижающейся от 3,53 г/см3 для Ио до 2,99 г/см3 для Европы, 1,94 г/см3 для Ганимеда и 1,83 г/см3 для Каллисто. Это указывает на то, что Ио состоит практически целиком из горных пород, а по мере удаления от Юпитера происходит изменение к каменно-ледяному составу с прогрессивно возрастающей долей водяного льда. Как уже отмечалось, галилеевы спутники, вероятно, сформировались одновременно с Юпитером и вблизи него, а в дальнейшем удалились под действием гравитационных (приливных) взаимодействий. Теория их движения имеет характерную особенность, найденную выдающимся французским математиком Жаном Пьером-Симоном Лапласом — тройной резонанс (1:2:4) в системе спутников. Это означает, что периоды обращения Ио, Европы и Ганимеда вокруг Юпитера находятся в таком кратном отношении. Помимо этого, существует еще соотношение между их средними движениями, вызывающими либрацию спутников, в то время как сами они испытывают возмущения вследствие сильных гравитационных взаимодействий друг с другом. В результате возникают уникальные особенности, присущие каждому из галилеевых спутников, но особенно выделяются самые близкие к Юпитеру, Ио и Европа, с периодами обращения 1,77 и 3,55 земных дня соответственно. Очевидно, формирование таких специфических природных комплексов связано с процессами самоорганизации в открытых нелинейных диссипативных системах, подобно обсуждавшимся нами
180
Гл. 3. Планеты-гиганты
Рис. 3.12. а, б — галилеевы спутники Ио, Европа, Ганимед, и Каллисто. Под каждым из них показаны снимки наиболее характерных уникальных особенностей поверхности спутников. в — галилеевы спутники на фоне Большого Красного Пятна Юпитера (монтаж). Снимки получены с КА «Вояджер» и «Галилей». (С любезного разрешения NASA)
Спутники и кольца
181
динамическим образованиям в атмосферах планет, но на значительно более длительной временной шкале. Полеты космических аппаратов «Вояджер-1,-2» и «Галилей» внесли определяющий вклад в познание удивительной природы галилеевых спутников. На Ио, сопоставимой по размерам с Луной (радиус 1 821 км), была неожиданно обнаружена глобальная, широко распространенная вулканическая активность, продолжающаяся в современную эпоху (рис. 3.13). Как правило, на ее поверхности одновременно
Рис. 3.13. Широко распространенный вулканизм на Ио: а — часть поверхности Ио с действующим вулканом на изображениях, полученных «Вояджером» в 1981 г. (слева) и «Галилеем» в 1996 г. (справа). За это время поверхность подверглась небольшим изменениям. Отсутствие на поверхности ударных кратеров свидетельствует о ее молодом возрасте, обусловленном активным вулканизмом; б — извержение лавы из действующего вулкана на Ио (снимок КА «Галилей»); в — вулканическое извержение (плюмаж) на лимбе Ио (снимок КА «Вояджер»). (С любезного разрешения NASA)
наблюдаются несколько действующих вулканов, самые большие из которых были названы Прометей и Пеле. Поверхность фактически лишена каких-либо следов ударных кратеров из-за ее непрерывного обновления с расчетной скоростью приблизительно 1 см/год. Области обширных долин покрыты отложениями серы и ее аллотропными модификациями, образующимися при фазовых переходах в вулканических извержениях, которые придают поверхности характерный желтоватооранжево-коричневый оттенок (рис. 3.13 a, б). Кроме лавы, в формирование свойств поверхности, вероятно, вносили вклад непосредственная
182
Гл. 3. Планеты-гиганты
конденсация летучих и пирокластика 1). Выделяются горы до 15 км высотой и многочисленные кальдеры от 10 до 200 км шириной и до 1 км глубиной, а следы потоков лавы простираются на сотни километров. Интересно, что на фоне окружающей холодной поверхности имеются многочисленные тепловые аномалии, среди которых особенно выделяется вулканическая впадина — патера Локи. Другим захватывающим явлением, наблюдаемым на Ио, являются извержения лавы и газов в космический вакуум со скоростью приблизительно 1 км/с, которые в условиях низкой гравитации на этом небесном теле образуют струи (плюмажи) высотой более 200–400 км (рис. 3.13 в). Лава состоит, главным образом, из силикатов и соединений серы. Это означает, что вулканизм на Ио мало отличается по своей природе от силикатного взрывного вулканизма на планетах земной группы за исключением того, что при этом образуется SO2 вместо газообразных Н2 О и СО2 . Лава обладает высокой температурой (свыше 1500 K), что также согласуется с силикатным вулканизмом. Однако, в отличие от Земли, Венеры и Марса, где причиной вулканизма является радиогенное тепло, радиоактивные изотопы на Ио (также как и на Луне) были давно исчерпаны из-за ее небольшого размера. Вулканизм на Ио имеет совершенно иную природу, в основе которой лежит диссипация приливной энергии из-за гравитационного взаимодействия Ио с другими галилеевыми спутниками в процессе их орбитальных движений в гравитационном поле Юпитера. Приливная энергия вызывает периодические сильные деформации формы Ио. Согласно существующим оценкам, эффективность этого механизма превышает другие возможные источники энергии приблизительно на два порядка величины. Модель внутреннего строения Ио предполагает наличие железного или железо-сульфидного жидкого ядра ( 20 % по массе), частично расплавленной конвективной силикатной мантии (возможно, обогащенной магнием) и литосферы толщиной 30 км. Довольно высокая средняя плотность Ио (3,53 г/см3 ) предполагает, что она состоит почти полностью из горных пород, а ее ледяная оболочка (если она когда-либо существовала) была, очевидно, потеряна благодаря интенсивному внутреннему нагреву и вулканизму еще на ранней эволюционной стадии. Интересно, что энергия, излучаемая Ио в открытый космос (2,5–5 Вт/м2 ), превышает внутренний тепловой поток на Земле (0,08 Вт/м2 ) и Луне (0,02 Вт/м2 ) приблизительно на два порядка величины. Кроме того, поскольку в современную эпоху эта энергия почти на порядок величины большее равновесной (0,8 Вт/м2 ), можно предполагать, что скорость приливной диссипации энергии претерпела значимые изменения на протяжении всего времени эволюции. 1) Пирокластикой называют обломочные горные породы (отложения, пирокласты), образующиеся из лав при извержении вулканов.
Спутники и кольца
183
Вследствие вулканической деятельности, Ио обладает атмосферой, состоящей, в основном, из двуокиси серы. Атмосфера очень тонкая, с многочисленными облаками. Характерной особенностью облаков является сильное рассеяние солнечного света и натриевая эмиссия на фоне излучения кислорода и серы. В ионизованном состоянии те же компоненты образуют ионосферу Ио и плазменный тор вдоль ее орбиты, которые активно взаимодействуют с массивной магнитосферой Юпитера. Это взаимодействие вызывает, в частности, известную модуляцию декаметрового излучения Юпитера, обнаруженного еще в середине прошлого столетия. Находясь на радиальном расстоянии 5,91 J от планеты, Ио буквально погружена в магнитосферу Юпитера. Поэтому нейтральные частицы выбиваются с поверхности Ио энергичными магнитосферными ионами в результате так называемого эффекта, распыления (sputtering). Он служит основным механизмом потерь вещества спутника и пополнения атмосферы и тора. При взаимодействии плазменной оболочки Ио с магнитосферой Юпитера возникают токи силой до миллиона ампер, проектирующиеся из тора в ионосферу планеты. Второй из галилеевых спутников, Европа, с радиусом 1561 км и средней плотностью 3 г/см3 считается одним из наиболее интригующих тел в Солнечной системе (рис. 3.14). Хотя Европа расположена чуть дальше от Юпитера, чем Ио, и имеет наименьший размер среди всех галилеевых спутников, она испытывает аналогичное, хотя и более слабое приливное взаимодействие. Между тем, если интенсивное нагревание недр Ио и сопутствующий ему вулканизм привели к потере предполагаемой первоначальной ледяной оболочки, то на Европе она частично превратилась в глубинный водный океан под ледяной оболочкой толщиной 10–20 км, а глубина океана оценивается величиной 50–100 км (рис. 3.14 a). Расчеты показывают, что появление жидкой воды на такой глубине возможно при потоке внутреннего тепла приблизительно 5 K/км, что действительно обеспечивается диссипацией приливной энергии. В пользу предположения о наличии океана на Европе свидетельствует вызываемое приливами асинхронное вращение внешней оболочки по отношению к внутреннему твердому телу, отмеченная некоторая нестабильность вращения, а также необычайно сглаженный рельеф ледяной поверхности. На поверхности присутствуют многочисленные трещины, ей свойственна необычная форма крайне малочисленных ударных кратеров и формирование областей с хаотическим скоплением блоков, которые могут быть уподоблены айсбергам. Крайняя малочисленность кратеров свидетельствует о молодости поверхности. Из-за периодического подогрева за счет внутренней энергии океан может быть теплым и содержать такие газы, как углекислота и кислород. А это, в свою очередь, дает основание считать, что он мог бы быть подходящей биогенной средой и даже содержать некоторые примитивные формы жизни. Интересно, что при существующих
184
Гл. 3. Планеты-гиганты
Рис. 3.14. Европа — один из Галилеевых спутников Юпитера: а — современная модель внутреннего строения Европы (разрез слева) предполагает наличие водяного океана глубиной 50–100 км под относительно тонкой ледяной корой толщиной 10–15 км, ниже него находится силикатная мантия и ядро, состоящее из скальных пород; б — область Конамара на поверхности Европы размером 35 30 км (снимок с КА «Галилей»). Цвета усилены, чтобы подчеркнуть особенности рельефа, Солнце — справа. Белые и синие области соответствуют свежей поверхности, частично покрытой пылью, а коричневые, вероятно, обязаны своим происхождением минеральным отложениям. Участки размером 10 км несут на себе следы смещений верхнего ледяного слоя коры, что можно связать с присутствием воды или мягкого льда на сравнительно небольшой глубине; в — композитное изображение водяных выбросов (плюмажей) на лимбе Европы (внизу диска), полученное телескопом «Хаббл» 26 января 2016 г. Силуэты выбросов на лимбе, достигающих высоты 160 км над поверхностью спутника, наложены на изображение Европы, полученное ранее с КА «Вояджер» и «Галилей». (С любезного разрешения NASA)
оценках глубины океана Европы его объем значительно превышал бы запасы воды на Земле. Несколько сближений спутника «Галилей» с Европой принесли достаточно убедительные данные в поддержку этой идеи. Изображения, переданные на Землю, показали, что ее ледяная поверхность буквально испещрена пересекающимися невысокими горными хребтами и рвами протяженностью до 3000 км длиной, до 70 км шириной и нескольких сот метров глубиной — и это на фоне в целом уникально гладкой фигуры Европы (рис. 3.14 б). Эти геологические особенности, лишенные какой-либо упорядоченности, очевидно, сформировались сравнительно недавно, о чем свидетельствует отсутствие на поверхности древних ударных кратеров. Происхождение форм рельефа, в частности, разломов и рвов, может быть отнесено на счет конвективных и других динамических процессов в океане, вызывающих подвижки льда и, возможно, частичный выход к поверхности воды, на которой возникают трещины, заполняемые свежим хрупким льдом. Эта идея согласуется с обнаруженным сравнительно недавно космическим телескопом «Хаббл» шлейфом у поверхности Европы, который можно объяснить, предположив испарение океанической воды в космос
Спутники и кольца
185
и даже эруптивных водяных фонтанов (гейзеров в виде плюмажей) на лимбе (рис. 3.14 в). С выходом к поверхности воды можно также связать интенсивную эрозию, приводящую к сглаживанию следов ударной бомбардировки. Наконец, еще одним важным аргументом в пользу существования на Европе океана является обнаружение у нее сравнительно слабого собственного магнитного поля. Оно, вероятно, обусловлено электропроводящим соленым океаном, в котором при вращении спутника наводятся электрические токи, из-за чего магнитосфера Юпитера испытывает довольно сильные возмущения. Магнитные поля были обнаружены также у двух других галилеевых спутников Юпитера — у Ганимеда и Каллисто (рис. 3.15). Ганимед — самый большой спутник не только среди галилеевой группы, но и во всей Солнечной системе. Его размер больше размера Меркурия.
Рис. 3.15. Галилеевы спутники Юпитера — Ганимед и Каллисто: а — на темной сильно кратерированной ледяной поверхности Ганимеда, покрытой минеральной пылью, с многочисленными горными хребтами, молодыми желобами и крупными депрессиями различаются ярко-белые области — относительно свежие обнажения ледяной коры, возникшие при ударной бомбардировке. Некоторые особенности морфологии поверхности, вероятно, обусловлены криовулканизмом. Аналогично Европе, у Ганимеда, по-видимому, есть водяной океан под его каменно-ледяной поверхностью; б — сильно кратерированный ландшафт Каллисто, хотя и у нее предполагается наличие жидкой водно-ледяной мантии. Самая примечательная особенность на поверхности Каллисто — огромный ударный бассейн Вальхалла с системой концентрических горных хребтов, образованных ударными волнами, из замерзших расплавов льда и горных пород. Снимки КА «Вояджер» и «Галилей». (С любезного разрешения NASA и ESA)
Подобно Ио и Европе, Ганимед захвачен в орбитальный динамический резонанс Лапласа, но испытываемые им приливные воздействия значительно слабее. У Ганимеда сложная морфология поверхности, отражающая его геологическую историю. Четко выделяются светлые и темные области, происхождение которых, вероятно, связано с обнажениями
186
Гл. 3. Планеты-гиганты
свежего водяного льда, либо, наоборот, отложениями материала вследствие метеоритной бомбардировки поверхности, включая крупные астероиды и кометы. Существуют также системы хребтов, впадин и трещин, вероятно связанные с тектонической деятельностью (рис. 3.15). Помимо диссипации приливной энергии, определенный вклад в геологическую активность Ганимеда могло вносить радиогенное тепло из-за сохранившихся запасов радионуклидов в силикатной мантии этого довольно массивного тела. В любом случае, эти источники энергии привели к дифференциации внутренней структуры Ганимеда на оболочки — кору, мантию, ядро. Кора, в основном, ледяная, а под ней предполагается существование соленого водного океана, еще более глубокого, чем на Европе. Внешняя водно-ледяная оболочка может достигать толщины 300 км, протяженность силикатной мантии составляет свыше 1000 км, а в центре находится частично расплавленное железное или железо-сульфидное ядро, радиус которого, по оценкам, также равен 1000 км. Магнитное поле может создаваться как механизмом динамо в ядре, так и индукцией в соленом водном океане. Последняя, вероятно, наиболее эффективна в генерации магнитного поля Ганимеда, взаимодействующего с магнитным полем Юпитера и существенно влияющего на топологию полярных сияний, как показали наблюдения космического телескопа «Хаббл». Основываясь на этих наблюдениях, можно прийти к выводу, что глубина океан на Ганимеде примерно в десять раз больше земного (около 100 км) и он находится под преимущественно ледяной корой толщиной свыше 150 км. Каллисто немного уступает Ганимеду по размеру и очень близка к нему по объемной средней плотности. Среди всех галилеевых спутников Каллисто претерпела наименьшие геологические изменения. Степень кратерирования ее поверхности близка к насыщению, что связано с высокой интенсивностью ударной бомбардировки вблизи Юпитера. В условиях слабой эрозии крупные старые кратеры сохранились гораздо лучше, чем на Ганимеде. Особый интерес представляет известная область Вальхалла с системой концентрических борозд и гребней в несколько сот метров по высоте и несколько тысяч километров по ширине, которые, вероятно, возникли при падении очень большого астероида, который сформировал обширный бассейн, подобный лунным (рис. 3.16). Однако, в отличие от Луны, ледяная поверхность этого спутника сохранила следы распространения ударной волны от эпицентра взрыва вследствие пластичности корки льда. Поверхность Каллисто почти целиком покрыта слоями темного материала, вероятно экзогенного происхождения, в состав которого входят углеродсодержащие соединения, такие как CH, CO2 , CN, а так же SO2 и, возможно, радикалы SH. В отличие от трех других галилеевых спутников, Каллисто не подвержена приливному воздействию вследствие резонанса Лапласа, и на ее поверхности нет никаких следов эндогенной деятельности. Очевидно, по этой причине степень дифференциации недр Каллисто
Спутники и кольца
187
Рис. 3.16. Один из утесов, окружающих бассейн ударного происхождения Вальхалла на Каллисто. Снимок КА «Вояджер». (С любезного разрешения NASA)
значительно ниже, чем для Ганимеда. Это предположение подтверждается ее безразмерным моментом инерции 0,359 0,005 по сравнению с Ганимедом, у которого 0,3105 0,0028. При отсутствии внешнего источника энергии и ограниченном запасе радионуклидов едва ли можно ожидать, чтобы жидкая вода сохранилась на глубине, даже если она когда-то там была. Поэтому недра Каллисто должны были охладиться за геологическое время путем конвекции при достижении температуры солидуса 1) регулируемой вязкостью льда, хотя на Каллисто этот процесс менее эффективен, чем на Ганимеде. Есть, однако, иная точка зрения, подкрепляемая отсутствием заметных следов сейсмичности, которые должны были возникнуть при падении крупного тела на стороне, противоположной впадине Вальхалла. Этот факт можно объяснить поглощением ударной энергии жидким слоем в недрах Каллисто. Другими словами, и на этом галилеевом спутнике предполагается наличие соленого океана с высокой электрической проводимостью, аналогичного океанам на Европе и Ганимеде. Обнаружение собственного магнитного поля на Каллисто, сопоставимого по напряженности с полями на Европе и Ганимеде, и его вариации, зависящие от ориентации Каллисто относительно магнитосферы Юпитера, служат дополнительным подтверждением этой гипотезы. Другие спутники Юпитера (см. рис. 3.10), расположенные внутри и вне орбит галилеевых спутников, гораздо меньше по размерам и состоят преимущественно из горных пород с различными примесями водяного льда. Это Метис, Адрастея, Амальтея и Фива (Теба — латинизированная форма) (см. табл. 1.2). Среди них наибольший интерес представляет Амальтея, имеющая размер приблизительно 200 км и находящаяся ближе к Юпитеру, чем галилеевы спутники. Ее плотность свидетельствует о неоднородной внутренней структуре, которая, 1) Солидусом называют границу равновесия между жидкой и твердой фазами на фазовой диаграмме. Эта граница соответствует температуре, при которой жидкая фаза превращается в твердую.
188
Гл. 3. Планеты-гиганты
возможно, связана с предшествующим разрушением первичного тела и последующей «сборкой осколков». Некоторые спутники на внешнем крае спутниковой системы (которая простирается примерно на 24 млн км) вращаются в обратном направлении и, скорее всего, являются астероидами или ядрами комет, захваченными гравитационным полем Юпитера. Этим спутникам присваивают названия, оканчивающиеся на букву «е», выделяя тем самым несколько групп нерегулярных спутников, к которым они принадлежат, типа Ананке, Карме, Пасифе и др. Спутники Сатурна. Как и у Юпитера, большинство из 62 спутников Сатурна — относительно небольшие тела размером от десятков до сотен километров (см. рис. 3.11). Однако семь спутников — Мимас Энцелад, Тефия, Диона, Рея, Гиперион, Япет — имеют размеры в несколько сот километров в поперечнике, а Титан диаметром 5150 км является одним из самых крупных спутников в Солнечной системе, уступающим по размеру только Ганимеду. Он даже больше Меркурия, хотя вдвое легче. Подобно спутникам Юпитера, все большие спутники Сатурна находятся в синхронном орбитально-вращательном движении (синхронное вращение при орбитальном движении) и всегда обращены к планете одной стороной. Среди спутников средних размеров особый интерес представляют Энцелад, о котором мы поговорим особо, и Япет, у которого различие в альбедо сторон в направлении орбитального движения и противоположном – «ведущей» (яркой) и «ведомой» (темной), достигает почти порядка величины. Это явление пока не получило объяснения, хотя выдвинуто немало гипотез. На ряде спутников имеются следы геологических процессов, хотя открытым остается вопрос о том, в какой мере они были связаны с эндогенными или экзогенными источниками (рис. 3.17). В частности, несомненный интерес представляет подвергшаяся тектоническим деформациям область Eurotas Chasmata на сравнительно небольшом ( 1100 км) спутнике Диона, впервые привлекшая к себе интерес после пролета КА «Вояджер». Большого внимания заслуживает Гиперион — тело очень нерегулярной формы, находящееся в орбитальном резонансе с Титаном. Много маленьких спутников на периферии спутниковой системы Сатурна, подобно системе малых спутников Юпитера, обращаются вокруг планеты в обратном направлении и, вероятно, являются захваченными астероидами или ядрами комет. Конечно, наибольшую привлекательность с точки зрения природных условий и их эволюции представляют Титан и Энцелад. Энцелад — очень небольшой, почти целиком ледяной спутник размером приблизительно 500 км и средней плотностью всего лишь 1,12 г/см3 , открытый в 1789 г. Уильямом Гершелем, неожиданно оказался геологически чрезвычайно активным телом. На нем обнаружены многочисленные фонтаны (плюмажи) — горячие гейзеры, извергающиеся с поверхности в космос на тысячи километров, как это хорошо видно на изображениях, переданных орбитальным аппаратом «Кассини» (рис. 3.18). В них
Спутники и кольца
189
Рис. 3.17. Спутник Урана Миранда диаметром 480 км (слева) и спутник Сатурна Феба размером (220 230 км) (справа), имеющие относительно молодую поверхность, образованную, вероятно, в результате как эндогенных, так и экзогенных процессов. (С любезного разрешения NASA и ESA)
обнаружены жидкая вода, диоксид углерода и азот в форме аммиака, метан и ряд углеводородов. Многие формы на поверхности сильно изменены продолжающимися геологическими процессами, оставившими после себя хребты и желоба различного размера, в то время как отсутствие кратеров и близкая к единице величина альбедо спутника дают основание считать, что его поверхность очень молодая. Под сравнительно тонкой ледяной коркой (по оценкам 30–40 км), очевидно, находится глобальный или региональный водный океан глубиной 10 км. Средняя температура поверхности 200 ÆC, в областях гидротермальной активности она на 20–30Æ выше, а в гейзерах достигает положительных температур. Существование океана подтверждается особенностями измеренных гравитационных колебаний между полушариями и неравномерностью вращения, которые можно отнести на счет скрытого под поверхностью жидкого слоя у южного полюса, где наблюдается отрицательная гравитационная аномалия. Другим аргументом служит наличие в составе гейзеров нанометровых частиц кремния и солей натрия, обнаруженных бортовым анализатором космической пыли аппарата «Кассини» при его пролете через плюмажи гейзеров 1). Такие кристаллические частицы, вероятно, образуются в результате химических реакций между породой и горячей водой и эруптируют в космос, пополняя, в частности, внешнее кольцо Е планеты. 1) Наличие в частицах пыли кремния, вообще говоря, странно с учетом того, что в окрестности Сатурна в основном присутствуют ледяные частицы.
190
Гл. 3. Планеты-гиганты
Рис. 3.18. а — спутник Сатурна Энцелад диаметром 500 км; б — плюмажи на лимбе Энцелада, обусловленные водяными гейзерами, извергающимися из расщелин на поверхности («тигровых полос») вблизи Южного полюса (снимок «Кассини», с любезного разрешения ESA). Источником этих струй служит, вероятно, криовулканизм, обусловленный приливными процессами на этом небольшом ледяном спутнике. Эти извержения питают кольцо Сатурна E. в — модель внутреннего строения и криовулканизма на Энцеладе. (Источник: Википедия)
Сохранившаяся уникальная гидротермальная активность этого относительно небольшого холодного тела вызвана слегка вытянутой орбитой Энцелада, находящегося в резонансе 2:1 с другим спутником Сатурна — Дионой. Приливный эффект от Дионы достаточен, чтобы нагреть недра Энцелада до температуры 176 K, соответствующей температуре плавления эвтектики вода–аммиак, которые, по-видимому, являются основными компонентами гейзеров. Этот механизм также служит источником частиц, пополняющих слабо выраженное кольцо
Спутники и кольца
191
Сатурна E, в пределах которого Энцелад расположен, сохраняя тем самым его стабильность. Нельзя исключить, что в океане, помимо солей натрия, есть достаточно сложные соединения, служащие предшественниками образования примитивных форм жизни. Особенно благоприятным фактором, подкрепляющим такое предположение, является то, что среда океана, как показали измерения, щелочная (pH 11–12, что сопоставимо с раствором аммиака), а известно, что все реакции внутри живых клеток протекают в щелочной среде. Естественно, эта проблема привлекает к себе особое внимание, но пока имеющиеся данные не дают ответа на вопрос относительно потенциальной обитаемости океана на Энцеладе.
Рис. 3.19. а — спутник Сатурна Титан (снимок с КА «Кассини» при сближении с Сатурном). Поверхность окутана густыми облаками, состоящими из углеводородов, которые придают Титану оранжевый цвет; б — активные метеорологические процессы в атмосфере Титана, включающие метановые облака и дожди, выпадающие на поверхность. (С любезного разрешения ESA)
Еще более интересным и интригующим телом среди спутников Сатурна является Титан (рис. 3.19), открытый в 1655 г. голландским астрономом Христианом Гюйгенсом. По ряду своих природных особенностей он имеет большое сходство с Землей, несмотря на различие температур. Его средняя объемная плотность (2,04 г/см3 ) близка к плотностям Ганимеда и Каллисто, и, по аналогии с ними, он состоит наполовину из горных пород и наполовину изо льдов — вероятно, главным образом из водяного льда с различными типами кристаллизации. Природа Титана абсолютно уникальна, и это выделяет его из всех тел Солнечной системы. В отличие от других спутников планет-гигантов, он имеет толстую азотно-аргоновую атмосферу с примесью метана и этана, простирающуюся более чем на 400 км, с несколькими инверсионными слоями и толстым облачным покровом. Атмосферное давление на поверхности составляет 1,6 атм при средней температуре 94 K ( 180 ÆC),
192
Гл. 3. Планеты-гиганты
которую обеспечивает приток тепла от Солнца, равный примерно 1 % от солнечной постоянной. Эта температура близка к тройной точке метана, при которой могут происходить фазовые переходы на поверхности. Так как ускорение силы тяжести на Титане составляет приблизительно седьмую часть от земного, чтобы создать давление 1,6 атм, масса атмосферы должна быть на порядок больше, чем масса земной атмосферы. Присутствие в атмосфере 40 Ar подразумевает наличие вулканической активности. Кроме того, морфологические особенности поверхности не исключают возможности существования тектонических процессов. Другая интересная особенность Титана — круговорот метана, включающий формирование метановых облаков в атмосфере с примесью других углеводородов и выпадение осадков в виде метановых дождей на поверхность. Существование такого цикла, первоначально предложенного по результатам компьютерного моделирования, данных радарных измерений свойств поверхности и наблюдений космического телескопа «Хаббл», было наиболее убедительно подтверждено изображениями поверхности, переданными с посадочного аппарата «Гюйгенс». Он отделился от космического комплекса «Кассини–Гюйгенс» и совершил посадку на Титан в январе 2005 г. (рис. 3.20 а). На изображениях видно много специфических особенностей поверхности. Они включают
Рис. 3.20. а — спуск зонда «Гюйгенс» на Титан в изображении художника; б — поверхность Титана, отснятая при спуске «Гюйгенса» с высоты 10 км. Хорошо видны каналы (русла метановых рек) на пересеченной местности. (С любезного разрешения ESA)
в себя округлые валуны состоящие, вероятно, из льдов воды, метана и, возможно, других органических соединений; долины, напоминающие русла рек, текущих с высокогорий; ряды дюн, в состав которых, как предполагают, входят «углеводородные пылевые» частицы (рис. 3.20 б). Вероятно дюны образованы сильными ветрами. Обнаружены также и отдельные заполненные метаном или высохшие озера размером в сотни километров, формирование которых может быть связано с осаждением/выпадением жидкого метана из атмосферы (рис. 3.21).
Спутники и кольца
193
Рис. 3.21. а — поверхность Титана. Синие пятна на желтой поверхности — метановые озера (возможно, с примесью других углеводородов), что согласуется с концепцией о цикле (круговороте) метана между поверхностью и атмосферой при температуре, соответствующей его фазовому переходу жидкость–газ. Титан является единственным телом, кроме Земли, где установлено наличие жидкости на поверхности. Цвета на изображении условные, чтобы подчеркнуть контраст деталей поверхности. (Монтаж изображений, полученных с зонда «Гюйгенс»); б — метановое море Лигея на поверхности Титана. (С любезного разрешения ESA)
На радарных изображениях поверхности Титана, переданных с орбитального аппарата «Кассини», выделяются структуры, напоминающие вулканы. Предполагают, что они извергают «ледяные лавы» и выбрасывают метан в атмосферу. Однако такая идея не совместима с точкой зрения, согласно которой кора Титана представляет собой оболочку, состоящую из смеси горных пород и сверхплотных льдов толщиной в десятки километров, которая препятствовала бы лавам, содержащим метан, подниматься из глубины и растекаться по поверхности. Выбор между этими альтернативными точками зрения имеет решающее значение для ответа на вопросы о том, является ли Титан в современную эпоху геологически активным, в понимании под этим наличие криовулканической деятельности, и какова природа атмосферного метана как источника осадков, заполняющих озера и рассекающих каньоны. Сюда же относится проблема изостазии — отсутствия корреляции поверхностной топографии с гравитационным полем: меньшие гравитационные аномалии соответствуют более высоким формам рельефа, и наоборот. Одно из объяснений этого феномена исходит из предположения, что оболочка более легкого льда в десятки километров толщиной покрывает океан под поверхностью Титана на глубине 50 км. Так или иначе, не вызывает сомнения факт наличия на Титане по крайней мере одного криогенного вулкана — патера Сотра, в то время как
194
Гл. 3. Планеты-гиганты
у других вулканов, возможно, не было шанса появиться на обширных сглаженных равнинах, поскольку лавы, состоящие из замороженных соединений в излияниях вулканов, были слишком текучими, чтобы сформировать вулканические купола. Метан конденсируется в облаках на высоте нескольких десятков километров, и слабая изморозь постоянно осаждается из этих облаков на поверхность. Как было сказано выше, облака содержат также углеводороды, которые придают атмосфере Титана характерный красновато-оранжевый цвет (см. рис. 3.19 a). Большие «дождевые» капли, по-видимому, выпадают из наиболее плотных облаков, как это наблюдалось с КА около Южного полюса, компенсируя испарение с поверхности. Такой циклический обмен метаном между поверхностью и атмосферой напоминает круговорот воды на Земле. Очевидно, при очень низких температурах на поверхности Титана не может быть жидкой воды, но она может присутствовать на глубине в подповерхностном океане, так же, как на галилеевых спутниках и Энцеладе Заслуживает внимания уникальная динамика атмосферы Титана. Инсоляция на Титане слишком мала, чтобы обеспечить развитие и поддержание интенсивных динамических процессов и, тем не менее, они существуют. Главным источником энергии служат приливные эффекты от Сатурна, которые превышают лунные приливы на Земле в 400 раз. Предположение о приливном механизме атмосферных движений подкрепляется ориентацией рядов дюн, повсеместно встречающихся на Титане. Как показали измерения на космическом аппарате «Кассини», существующее предпочтительное направление ветров свидетельствует о наличии в атмосфере Титана суперротации, подобной суперротации атмосферы Венеры. Высотный профиль скорости ветра в атмосфере Титана увеличивается от нескольких до 30 м/с в диапазоне высот 10–60 км и в целом подобен модели венерианской атмосферы. Выше этой области движения значительно ослабляются, а начиная с высоты 120 км возникает сильная турбулентность. Трудно объяснить, что вызывает столь необычные динамические свойства атмосферной среды. Вероятно, с ними может быть связано формирование слоистой структуры углеводородных облаков в этой области атмосферы Титана. Титан привлекает особое внимание, как природная среда, подходящая для процессов абиогенного синтеза, и где сложные органические соединения могли бы развиться до предбиогенных структур и даже стать колыбелью примитивных форм жизни. Действительно, Титан служит замечательным хранилищем органических веществ, в котором, помимо наиболее обильного метана, присутствуют гораздо более сложные ненасыщенные углеводороды (этан, этилен, ацетилен, диацетилен, метил ацетилен и цианистый ацетилен), обнаруженные в атмосфере и на поверхности. В верхней атмосфере и углеводородных облаках найдены также пропан, цианистоводородная (синильная) кислота и другие органические соединения, образующиеся в процессах фотолиза под действием солнечного ультрафиолетового излучения. Постоянно
Спутники и кольца
195
образуются ацетилен и водород, содержание которого к поверхности уменьшается, что некоторые исследователи связывают с его потреблением живыми формами. Можно предположить, что условия на Титане, благоприятные для начальных стадий биогенного синтеза, подобны тем, которые могли существовать на ранней Земле. Но обращаясь к Титану, мы рассматриваем его как модель того раннего органического мира, эволюция которого, в отличие от Земли, завершилась на самой начальной стадии. Так или иначе, на Титане существует очень необычная и пока до конца не объясненная химия, с которой могут быть связаны определенные признаки зарождения живой материи. Спутники Урана и Нептуна. У всех спутников, обращающихся вокруг Урана, средние и совсем небольшие размеры. Самые крупные из них — Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон, размеры которых не достигают даже половины размера Луны, и Миранда диаметром менее 500 км. У них довольно низкое альбедо (0,20–0,25), а средняя объемная плотность соответствует смеси горных пород со льдами воды и аммиака, возможно, с некоторым содержанием углекислого газа в структуре водного льда. На кратерированной поверхности всех спутников нет никаких следов геологической активности, кроме Миранды (см. рис. 3.17 а), относительно молодая поверхность которой представляет собой хаотический ландшафт с террасами и глубокими каньонами, возможно, вызванными столкновением Миранды с другим крупным телом. Небольшие внутренние спутники, носящие красивые имена персонажей Шекспира (Корделия, Офелия, Бианка, Крессида, Дездемона, Джульетта), находятся в гравитационном взаимодействии со всей системой спутников Урана и кольцами. В системе спутников Нептуна наиболее впечатляющим является Тритон (рис. 3.22), один из наиболее крупных в Солнечной системе. Хотя он меньше Титана и лишь немного уступает по размеру Луне, он близок к Титану по объемной средней плотности (2,07 г/см3 ) и относительному содержанию горных пород и льдов. Тритон заключает в себе почти всю массу спутниковой системы Нептуна, на остальные спутники приходится всего около 0,5 %. Среди них интерес представляет Нереида, тело сильно нерегулярной формы, находящееся на орбите с необычайно высоким эксцентриситетом (0,75), что приводит к расстоянию в апоцентре в семь раз большему, чем в перицентре. Это говорит в пользу его захвата гравитационным полем Нептуна. Другие внешние маленькие спутники нерегулярной формы также, вероятнее всего, являются захваченными малыми телами. В то же время четыре внутренних маленьких спутника (Наяда, Таласса, Деспина и Галатея), расположенные в пределах колец Нептуна, тесно связаны с их структурой и динамикой. У Тритона фактически нет атмосферы (давление на поверхности не превышает 15 микробар), а температура его метаново-аммиачной ледяной поверхности составляет всего 38 K. Ряд отличительных черт
196
Гл. 3. Планеты-гиганты
Рис. 3.22. Спутник Нептуна Тритон. Темные полоски — активные гейзеры жидкого азота, обнаруженные на метановой поверхности этого тела. Снимок КА «Вояджер». (С любезного разрешения NASA)
роднит Тритон с Плутоном, относящимся к ледяным карликовым планетам (плутоидам) в поясе Койпера. Вместе с тем, между этими двумя телами имеются также большие различия, которые стали очевидными после пролета «Вояджера-2» мимо Нептуна и миссии «Новый горизонт» (New Horizon) к Плутону и другим телам пояса Койпера. На ледяной поверхности Тритона было обнаружено множество темных полос в области южной полярной шапки, некоторые из них отождествлены с выбросами (гейзерами) жидкого азота на высоту в несколько километров (рис. 3.22). Подобное явление (криовулканизм) существует, как мы видели раньше, также на поверхности Титана. Отложения частиц пыли на поверхности метанового льда и их ориентация, очевидно, связаны с активностью гейзеров и переносом ветрами преобладающих направлений даже в сильно разряженной атмосфере. Кроме того, обнаружены структуры, напоминающие замерзшие озера с метано-аммиачными прибрежными террасами высотой 1 км. Их образование можно объяснить последовательными эпохами замерзания и таяния, вызванными либо изменяющимися условиями инсоляции в течение длинного нептунового года, либо (что более вероятно) приливными взаимодействиями Тритона с Нептуном. Подобно галилеевым спутникам, диссипация приливной энергии в недрах, очевидно, служит основным источником криовулканизма на этом очень холодном теле. Несколько ударных кратеров на относительно молодой поверхности Тритона свидетельствуют о его сохранившейся геологической активности. Очень необычная орбита Тритона остро ставит вопрос о его происхождении. Орбита сильно наклонена к плоскости эклиптики и имеет почти нулевой эксцентриситет, в то время как движение самого
Спутники и кольца
197
Тритона, в отличие от всех других больших спутников планет, происходит в обратном направлении (по часовой стрелке). Такая особенность орбитального движения Тритона дает основание предположить, что он первоначально сформировался в поясе Койпера, так же как и Плутон, но впоследствии был захвачен Нептуном. Однако, как показывают расчеты, обычный гравитационный захват маловероятен. Поэтому высказывается дополнительное предположение, что раньше Тритон был членом двойной системы с Нептуном на гелиоцентрической орбите, но постепенно замедлялся в его верхней атмосфере. Эта гипотеза подтверждается тем фактом, что, обращаясь по такой орбите, Тритон должен был испытывать сильное приливное воздействие Нептуна и системы его спутников (в частности, Нереиды), что вызывало плавление его недр с преобладающим содержанием водяного льда. Вероятно, выделение приливной энергии при взаимодействии с Нептуном и Нереидой продолжает нагревать Тритон и в современную эпоху, в результате чего его внутренний тепловой поток почти втрое превышает величину инсоляции. Следствием такого сценария является то, что Тритон постепенно приближается к Нептуну и в отдаленном будущем (через 10–100 миллионов лет), он войдет внутрь предела Роша и будет разорван на части. Кольца. Обращаясь к планетам-гигантам мы обычно говорим не только о спутниках, но и о системах колец, особенно учитывая их тесное взаимодействие. Кольца планет-гигантов представляют собой захватывающее природное явление и замечательный пример процессов самоорганизации в природе. У всех гигантов, кроме Юпитера, кольца четко структурированы, и у каждой системы есть свои особенности. Кольцо можно приблизительно описать как множество частиц (бесконечное число крошечных спутников), находящихся совместно в орбитальном движении вокруг планеты и одновременно испытывающих хаотические взаимодействия. Коллективные процессы и неупругие столкновения между макрочастицами, в основном, ответственны за упорядоченность в конфигурациях колец, имеющих форму дисков. Другими словами, самоорганизация является непосредственным свойством системы, хотя некоторые спутники, внедренные в кольцевую структуру, оказывают дополнительное «стимулирующее» влияние через приливное воздействие. Поэтому такие спутники называют «пастухами». Помимо них, на упорядоченное поведение частиц колец существенно влияют резонансы с большими спутниками планет, находящимися вне кольцевой системы. Это нарушает, в частности, однородную структуру колец, вызывая формирование внутри них промежутков («щелей»). Кольца Юпитера и Сатурна. Кольца Юпитера (см. рис. 3.10) представляют собой очень разреженное образование, оптическая толща которого 106 . Оно состоит из темных частиц микронных размеров и его наблюдения встречаются с трудностями. Тем не менее, в общей структуре выделяют три основных кольца — главное, паутинное
198
Гл. 3. Планеты-гиганты
и гало. Наиболее яркое главное кольцо занимает область между 122 000 и 130 000 км от центра Юпитера. Предполагают, что метеоритная бомбардировка поверхностей внутренних спутников Амальтеи и Фивы (Тhebe) и находящихся на краю гало Метиды и Адрастеи служит основным источником микрочастиц, которые, в конечном счете, заполняют все области кольца Юпитера. Продолжительность существования частиц в кольце, по оценкам, очень короткое, не превышающее нескольких десятков тысяч лет. Наиболее впечатляющей является система колец Сатурна. Это протяженное ( 250 000 км шириной), но очень тонкое (менее 1 км толщиной) образование находится внутри предела Роша (см. рис. 3.11 и 3.23). Отношение толщины к диаметру кольца можно сравнить
Рис. 3.23. Кольца Сатурна. Ясно различима их тонкая структура в виде отдельных колечек, как результат процессов упорядочения в кольцевой структуре. Они напоминают дорожки на граммофонной пластинке. Радиальные темные полосы («спицы») в кольце B объясняются наличием пылевой плазмы, которая образуется выше плоскости колец и управляется магнитным полем планеты. Снимок КА «Вояджер-2». (С любезного разрешения NASA)
с листом папиросной бумаги большого формата. Кольца наклонены на 28Æ к плоскости эклиптики, что дает возможность видеть их с Земли во всех фазах: от почти анфаса до положения с ребра в процессе годового движения Сатурна по орбите вокруг Солнца (эффект «раскрытия колец»). Кольцевую структуру Сатурна формируют три основных кольца: внешнее A, среднее B и внутреннее C. Кольцо B является самым широким, наиболее плотным и самым ярким из всех, в то время как кольцо C почти прозрачно. Четвертое очень тонкое кольцо F нерегулярной формы расположено за кольцом A. Близко к планете различимо еще одно самое тонкое кольцо E. Внутри него находится Энцелад. Кольца А и B отделяет друг от друга известная щель Кассини шириной приблизительно 4 000 км. Другой промежуток, из которого
Спутники и кольца
199
частицы также выметаются приливными силами, — щель Энке находится в пределах кольца A. Как мы увидим при обсуждении малых тел в гл. 4, эти щели подобны по своей природе люкам Кирквуда в Главном поясе астероидов. Тот же самый механизм приливных взаимодействий ответственен за генерирование внутри колец волн плотности, а также за формирование их тонкой структуры в виде тысяч тонких спиральных колечек (ringlets). Подобная стратификация внутри главной кольцевой структуры возникает из-за развития гравитационно-диссипативной неустойчивости. Колечки часто сравниваются с дорожками на граммофонной пластинке. Тела, входящие в состав колец Сатурна, охватывают большой диапазон размеров, от микронных частиц до глыб поперечником 1–10 м. Они состоят, главным образом, из водного льда ( 93 %), углерода ( 7 %) и некоторых силикатов. Общая масса материала колец крайне незначительна. Если аккумулировать все частицы в одном теле, то его размер не превысил бы 100 км. Кольцевые структуры контролируются некоторыми спутниками Сатурна. Например, Мимас и щель Кассини находятся в резонансе 2:1, и это придает устойчивость данной структуре, в то время как с Паном связано, главным образом, формирование щели Энке. Спутники-пастухи, Прометей и Пандора, тесно взаимодействуют с кольцом F, что служит причиной его сильно нерегулярной структуры. Кольца Урана и Нептуна. Другим интересным явлением и блестящим примером процессов самоорганизации в природе служит система колец Урана и характер их уникального взаимодействия с близкими спутниками планеты (рис. 3.24). Частицы здесь концентрируются в очень узких кольцах благодаря гравитационной фокусировке. Существование системы спутников, расположенных в ближайших окрестностях колец и создающих такую упорядоченность, было вначале предсказано теоретически и затем подтверждено данными наблюдений с космического аппарата. У Урана было обнаружено 13 очень тонких колец, названных буквами греческого алфавита, при этом самым ярким является кольцо . Как и в случае Сатурна, кольца Урана состоят как из частиц размером от микрона и миллиметра, так и значительно более крупных, порядка метра. Состав их, вероятно, различен, исходя из того факта, что внутренние и внешние кольца имеют разные цвета. Еще более интересная структура наблюдается в системе колец Нептуна (рис. 3.25). Как и в случае Урана, на них оказывает сильное влияние гравитационное воздействие близко расположенных спутников. С ними связано неоднородное распределение частиц в форме отдельных «дуг» на орбите вдоль кольца, которые медленно дрейфуют в азимутальном направлении. Два самых характерных кольца названы в честь Адамса и Леверье, теоретически предсказавших существование Нептуна. Механизм формирования дуги полностью не понят. Для объяснения неоднородного распределения частиц вдоль орбиты кольца Адамса привлекается резонанс (42:43) кольцевых частиц
200
Гл. 3. Планеты-гиганты
Рис. 3.24. Кольца Урана по наблюдениям космического телескопа «Хаббл»: а — на изображениях видны кольца, спутники и атмосферные структуры. На формирование колец Урана еще сильнее, чем в случае Сатурна, воздействуют спутники, находящиеся вблизи колец, участвующие в совокупных процессах взаимодействия частиц. Спутники ответственны за появление дополнительных упорядоченностей в структурах девяти основных колец; б — классификация колец Урана. (С любезного разрешения NASA)
Спутники и кольца
201
Рис. 3.25. Кольца Нептуна, состоящие из пяти разряженных основных колец: а — изображение, полученное КА «Вояджер-2» при пролете Нептуна; б — схематическое представление положения и нерегулярной структуры главного кольца Адамса с «дугами». Дуги, занимающие узкий диапазон орбитальных долгот, характеризуются замечательной устойчивостью, вероятно, обеспечиваемой резонансным взаимодействием между кольцом Адамса и сопровождающим его внутренним спутником Галатеей. (С любезного разрешения NASA, Википедия)
202
Гл. 3. Планеты-гиганты
с эксцентриситетом и наклоном внутреннего спутника-пастуха Нептуна Галатеи, хотя такой механизм нуждается в подтверждении. Проблема происхождения планетных колец полностью еще не решена. Они могли быть либо реликтом роя первичных частиц внутри предела Роша, где гравитационные силы воспрепятствовали формированию спутника, либо, наоборот, остатками астероидов или комет, захваченных гравитационным полем планеты и разрушенных внутри предела Роша. Вторая гипотеза представляется более правдоподобной, если исходить из оценок предельного времени существования колец, составляющего 0,5 млрд лет, что гораздо меньше возраста Солнечной системы. Поэтому кольца следует, по-видимому, рассматривать не как реликты аккреционной стадии образования планет, а как периодически возникающие и исчезающие структуры благодаря случайным катастрофическим событиям гравитационного захвата планетой и последующего разрушения малого тела при его дрейфе внутрь предела Роша. На интервалах в сотни миллионов лет такие события представляются вполне вероятными. Гипотеза периодического обновления колец подкрепляется тем фактом, что, например, преобладающие ледяные частицы колец Сатурна имеют высокое альбедо, то есть, они не покрылись темным микрометеоритным веществом, как это случилось бы с частицами реликтовых колец за время существования Солнечной системы.
Г л а в а 4.
МАЛЫЕ ТЕЛА
Природа и динамика Малые тела — это общее название наиболее многочисленного семейства небесных тел, населяющих Солнечную систему. К ним относятся кометы, астероиды, метеороиды и метеорная (межпланетная) пыль. Главные резервуары астероидов и комет в Солнечной системе показаны на рис. 1.3. Эти тела представляют наибольший интерес, прежде всего, с точки зрения происхождения Солнечной системы и ее эволюции, поскольку многие из них содержат первичную материю, из которой сформировалась Солнечная система. Поэтому они имеют ключевое значение для космохимии и космогонии. Сами эти объекты чрезвычайно разнообразны, каждый из них отражает как общие свойства, так и некоторые характерные особенности космической среды и специфику происходящих в ней сложных физико-химических процессов. Они также дают подход к пониманию процессов, лежавших в основе образования планет и систем их спутников, и, тем самым, позволяют приблизиться к ответу на ключевые вопросы планетной космогонии. Малые тела, размеры которых простираются от нескольких сот километров (наиболее крупные астероиды) до метров (метеороиды) и сантиметров-микронов (пылевые частицы), являются наиболее динамичными объектами в Солнечной системе. Они играли и продолжают играть важную роль в переносе материи благодаря миграционным процессам и ответственны за многочисленные столкновения с планетами и спутниками. Особый интерес представляют кометы, химический состав которых, очевидно, сохранился по существу неизмененным с момента зарождения Солнечной системы. Но они привлекают повышенный интерес и как возможные носители первичных форм жизни. Новая страница в исследованиях комет и астероидов открылась благодаря полетам к ним космических аппаратов. Целый ряд этих тел удалось увидеть в непосредственной близости или даже осуществить посадку на астероид или кометное ядро (рис. 4.1). Столкновительными фрагментами (осколками) астероидов и метеороидов, «переживших» вход в атмосферу и упавших на поверхность Земли, являются метеориты. Многочисленные осколки обнаружены и на поверхности самих астероидов, испытывающих постоянные взаимные соударения. Чем меньше размер, тем больше таких тел в межпланетной среде и тем выше вероятность их «вычерпывания» более крупными объектами. Сильно кратерированные поверхности Луны и планет ясно свидетельствуют о многочисленности таких событий за время их геологической истории. Особый интерес представляют метеориты,
Рис. 4.1. Астероиды и ядра комет, которые посетили космические аппараты. Для каждого малого тела показаны их названия и размеры. (С любезного разрешения James Green/NASA)
204 Гл. 4. Малые тела
Астероиды
205
которые отождествлены как объекты, «выбитые» с Луны и Марса в результате мощных ударных воздействий большими астероидо-подобными телами.
Астероиды Основная часть астероидов во внутренней Солнечной системе расположена в Главном поясе астероидов (ГПА) между орбитами Марса и Юпитера на расстоянии от 2,8 до 3,2 а. е. (см. рис. 1.4 б). Эта область находится недалеко от так называемой «снеговой линии» (Snow Line) — границы замерзания воды на фазовой диаграмме, расположенной в Солнечной системе между 3 и 3,5 а. е. В протосолнечной туманности положение такой границы имело важные следствия для минералогии первичных тел и их образования. Из-за приливного воздействия Юпитера, вызывающего соизмеримости орбитальных периодов астероидов с Юпитером, в Главном поясе существуют области резонансов, называемых люками (или щелями) Кирквуда (рис. 4.2). Заход астероидов в эти области «запрещен».
Рис. 4.2. Щели Кирквуда в Главном поясе астероидов. Области орбитальных резонансов с Юпитером (пробелы в диаграмме) являются областями, откуда изгнаны астероиды. (Источник: Википедия)
Число тел в ГПА размером более 1 км составляет, по оценкам, 105 , с экспоненциальным ростом для тел меньших размеров. Тела промежуточных размеров, от десятков до нескольких метров, называются метеороидами. Поперечник самых крупных астероидов достигает несколько сот километров. Среди них лидирует выделенная из разряда астероидов в новую категорию карликовых планет 1) Церера ( 900 км) и близкие к ней по размеру, но не вошедшие в эту категорию Веста и Паллада ( 500 км). На рис. 4.3 показаны астероиды в сравнении 1) Новая категория карликовых планет была утверждена в 2006 г. на XXVI Генеральной ассамблее Международного астрономического союза.
206
Гл. 4. Малые тела
Рис. 4.3. Астероиды средних и больших размеров по сравнению с Плутоном и Луной. С их размерами сопоставлены два штата США (внизу слева). (С любезного разрешения NASA)
с Луной и Плутоном, а на рис. 4.4 самый крупный (после карликовой планеты Цереры) астероид Веста сопоставляется с другими астероидами, к которым совершили полеты космические аппараты. Даже астероиды среднего размера, такие как Ида, Эрос и Гаспра, значительно крупнее большинства членов семейства (рис. 4.5). Подчеркнем, что, несмотря на их большое количество, общая масса тел в Главном поясе астероидов составляет менее 10 3 E ( E — масса Земли). Высказывалась гипотеза, что астероиды в ГПА — это остатки когда-то существовавшей несформированной планеты, названной Фаэтоном, на расстоянии, предсказываемом правилом Тициуса–Боде (см. гл. 1). Однако для такой гипотезы нет оснований, так как в этой области, как показывают расчеты, крупное планетное тело не могло сформироваться из-за приливных возмущений от близко расположенного Юпитера. К тому же физические различия и неоднородный химический состав тел в ГПА, а также их незначительная общая масса ( 0,001 не отвечают этой идее. Большое разнообразие химического состава астероидов согласуется с разнообразием метеоритов, что подтверждает их происхождение, как фрагментов астероидов. Подобно метеоритам, они классифицируются как каменные, железные и железо-каменные. Наиболее примитивные каменные метеориты (углистые хондриты) принадлежат астероидам, находящимся во внешней области ГПА. По своему составу они аналогичны прото-Солнцу и отвечают космической распространенности элементов. Другими словами, при образовании они сохранили исходный состав первичного вещества, из которого формировалась Солнечная система и не подверглись влиянию тяжелых элементов — продуктов звездной эволюции.
Астероиды
207
Рис. 4.4. Размеры ряда астероидов по сравнению с Вестой. (С любезного разрешения NASA)
Рис. 4.5. Карликовая планета Церера ( 900 км) и крупнейший астероид Веста ( 500 км). Для сравнения показаны некоторые астероиды, вблизи которых совершили пролеты космические аппараты. (С любезного разрешения NASA /James Green)
208
Гл. 4. Малые тела
Начало нового столетия отмечено большим прогрессом в исследовании малых тел, включая забор и доставку на Землю вещества поверхностных пород. В 2003 г. японское космическое агентство JAXA запустило аппарат «Хаябуса» (Hayabusa) 1), предварительно названный MUSES-C, для исследования астероида Итокава (Itokava) и взятия образцов вещества с его поверхности. Для этого КА должен был осуществить на Итокаве три короткие посадки, которые, однако, оказались неудачными. Тем не менее, удалось собрать пылевые частицы из ближайших окрестностей астероида в специальную капсулу, которая была в 2010 г. доставлена на Землю. Исследования примерно 1500 микрозерен вещества размером 10 мкм позволили идентифицировать их как частицы оливинов, пироксенов и плагиоклазов, соответствующих примитивным метеоритам класса углистых хондритов, однако с несколько большей ( 10 %) долей железа, чем в земной мантии. Эксперимент по забору грунта предполагается осуществить на новом КА Hayabusa 2, запущенном к астероиду класса углистых хондритов 162173 Ryugu, с возвратом образцов на Землю в 2020 г. На крупномасштабных изображениях астероида Веста (578 560 458 км), полученных с вышедшего на его орбиту космического аппарата Dawn, выявлены сильно кратерированная поверхность, разнообразные физические свойства поверхностного реголита и неоднородности гравитационного поля (рис. 4.6). Удивительно, что внутри кратера Реясильвия находится центральный пик, высота которого в 2,5 раза превышает высоту горы Эверест (рис. 4.7 а). Этот пик сопоставим по высоте со щитовыми вулканами Марса, что поразительно для такого гораздо меньшего по размерам тела. В недрах Весты (рис. 4.7 б), по-видимому, имеется железно-никелевое ядро, а над ним магниево-силикатная мантия. Интересно, что у ахондритовых метеоритов-эвкритов (см. ниже), родительским телом которых считают Весту, измерены одинаковые с Землей изотопные отношения водорода, азота и углерода. Это может указывать на близкий состав летучих протоземли и ряда тел Главного пояса астероидов на раннем этапе их формирования. Вслед за Вестой КА Dawn вышел на орбиту вокруг карликовой планеты Цереры размером 975 909 км, названной так в честь древнеримской богини плодородия, и сблизился с ней на минимальное расстояние 385 км. На полученных изображениях высокого разрешения обнаружены признаки геологической активности, а также пятна повышенной яркости (при среднем альбедо поверхности 0,09), представляющие собой обнажения свежего льда в ударных кратерах, либо отложения солей. Всего таких ярких пятен примерно 130, некоторые их них связаны с кратерами, например с крупным ( 90 км) кратером Оккатор и меньшим ( 10 км) кратером Оксо — в древнеримской мифологии 1)
В честь этого КА названа область Хаябусы на Плутоне.
Астероиды
209
Рис. 4.6. Изображение Весты крупным планом, полученное КА Dаwn. Хорошо видна сильно кратерированная поверхность. Обнаружена большая неоднородность гравитационного поля, аномалии выделены цветом, а их величина (в микрогаллах) указана в относительных единицах в нижней части рисунка. (С любезного разрешения NASA / James Green)
боги земледелия. Спектры в ИК-диапазоне позволили отождествить их состав с карбонатами натрия, смешанными с силикатами, и глинами, обогащенными аммиаком, присутствие которого довольно странно, если учесть, что он больше распространен во внешних областях Солнечной системы. Морфология поверхности, покрытой слоем реголита, имеет неоднородную структуру (рис. 4,7 в), а ее температура, изменяется от 240 К в перигелии до 167 К в афелии орбиты. Под ней находится ледяная мантия и каменное ядро, состоящее, вероятно, из безводных и гидратированных силикатов. Признаки наличия слоистых магниевожелезистых гидросиликатов — серпентинов найдены и в спектрах поверхности, схожих со спектрами СМ-хондритов. Наибольший интерес вызывает, конечно, тот факт, что Церера обогащена водой, и одно время в ее недрах предполагалось даже наличие глобального океана, подобно трем галилеевым спутникам Юпитера или спутникам Сатурна Энцеладу и Титану. что не подтвердилось, однако, результатами более полных исследований. Вместе с тем, есть основания считать, что под поверхностью могут быть озера жидкой соленой воды. Дальнейшая программа миссии Dаwn предусматривает сближение с четырьмя астероидами категории NEO и даже возможную доставку образца пород с одного из них на окололунную орбиту для последующего более полного изучения.
210
Гл. 4. Малые тела
Рис. 4.7. а — два крупнейших бассейна ударного происхождения на Южном полюсе астероида Веста: Реясильвия (Rheasilvia) диаметром 500 км (в центре) с центральным пиком, высота которого в 2,5 раза превышает гору Эверест, и Вененейя (Veneneia) диаметром 400 км (внизу справа), который частично перекрывается первым. Исходя из кратерной статистики, определен возраст этих бассейнов — 1 и 2 млрд лет. Цветовая гамма отражает изменения высот от наибольших (красный, желтый) до наименьших (синий-темносиний). Эта топографическая карта региона составлена по снимкам, полученным с 30.09 по 2.11.2011 г. КА Dаwn; б — внутреннее строение Весты; она, по-видимому, имеет железное ядро и силикатную мантию. в — фрагмент сильно неоднородной поверхности карликовой планеты Церера Снимки КА Dаwn. (С любезного разрешения NASA / James Grеen)
Некоторые астероиды предположительно являются бывшими кометами, покрытыми довольно толстой тугоплавкой корой после многочисленных проходов перигелия, и поэтому потерявших свою активность, обусловленную сублимацией 1) с поверхности водяного льда. Ряд астероидов имеют форму гантели, как некоторые ядра комет, и очень неровную структуру поверхности, что подкрепляет их генетическую 1)
Сублимацией (возгонкой) называют фазовый переход вещества из твердого в газообразное состояние без промежуточного жидкого состояния, что имеет место в условиях глубокого вакуума.
Астероиды
211
связь с кометами, как это видно на изображении астероида Итокава (рис. 4.8). Динамическое моделирование показало, что такие астероиды в ГПА могут сохранять стабильность в течение сотен миллионов лет. Происходит постоянная «подпитка» ГПА телами из внешних областей Солнечной системы, в состав которых входит наименее измененная первичная материя. У некоторых астероидов очень низкая средняя плотность, как показали данные радиолокационных измерений, и это свидетельствует об их высокой пористости. Подобную структуру можно объяснить, предположив, что эти тела представляют собой «груду щебня» (rubble pile), образовавшуюся в результате разрушения из-за столкновения тела с другими астероидами, а затем частично «собранного» из многочисленных близких фрагментов вследствие взаимного гравитационного притяжения.
Рис. 4.8. а — астероид Итокава (Itokawa) крупным планом. Итокава имеет форму дуги или гири и по форме напоминает ядро кометы Галлея. Сравнительно гладкая поверхность в области перемычки контрастирует с неровной поверхностью остального тела, покрытой валунами различных размеров. Это, вероятно, кучи щебня, в котором могут содержаться куски, сумевшие объединиться; б — художественное изображение космического аппарата «Хаябуса», летящего над астероидом. (С любезного разрешения японского JAXA)
Особо выделяют три группы астероидов, находящихся на эксцентричных орбитах и сближающихся с Землей или даже пересекающих ее орбиту (Near Earth Objects, NEO). Это группы астероидов Амур, Аполлон и Атон. Выделяют также небольшую группу астероидов, находящихся внутри земной орбиты (IEO), получивших название Атир (рис. 4.9). Общее число известных на сегодня NEO составляет 14 255. Размеры некоторых из названных групп астероидов достигают нескольких километров. Возможность столкновения с Землей даже значительно более мелких объектов (число которых в каждой группе подчиняется, как уже говорилось, экспоненциальной зависимости) представляет большую потенциальную угрозу нашей планете. Очевидно, вероятность соударения сильно зависит от размера тела: чем оно меньше, тем вероятность выше. Существуют особые группы астероидов, обращающихся по орбитам Юпитера и Нептуна, которые носят название Троянцы (рис. 4.10).
Рис. 4.9. Группы астероидов, сближающихся с Землей (Near Earth Objects, NEO). Амур, Аполлон, Атон — три группы астероидов на эксцентричных орбитах, приближающихся к орбите Земли или даже пересекающих ее. Название четвертой группы находится в процессе обсуждения, предложенное название — астероиды Атира (Atira) или астероиды Апоэль (Apohele). Центром малых планет эта группа рассматривается, как подгруппа Атона. (С любезного разрешения NASA)
212 Гл. 4. Малые тела
Астероиды
213
Рис. 4.10. а — пояс Койпера относительно Облака Оорта в объемном изображении; б — внешние планеты и пояс Койпера. Масштабы по горизонтальной и вертикальной осям приведены в а. е. Четыре внешних планеты — синие точки, Троянцы Юпитера выделены розовым, а несколько известных Троянцев Нептуна — желтым. Наиболее крупные объекты в поясе Койпера выделены зеленым, а рассеянные объекты вне пояса — оранжевым цветом. Рассеянные объекты между орбитой Юпитера и поясом Койпера известны как Кентавры. Явный промежуток в нижней части изображения связан с трудностями обнаружения объектов на фоне плоскости Млечного Пути. (С любезного разрешения Центра малых планет; Википедия)
214
Гл. 4. Малые тела
Как уже упоминалось в гл. 1, они находятся вблизи точек либрации 4 и 5 (точек Лагранжа) вдоль орбит этих планет. Троянцы занимают области, расположенные под углом 60Æ от прямой, соединяющей планету с Солнцем, отклоняясь немного вперед от точки 4 и немного назад
Рис. 4.11. а — объемная структура Облака Оорта с расположенным внутри Поясом Койпера; б — пояс Койпера с орбитами объектов Облака Оорта и объектов пояса Койпера, включая объекты, находящиеся в резонансе с планетой Нептун; в — график зависимости большая полуось–эксцентриситет, на котором четко различаются классические объекты, объекты в области резонансов, рассеянные объекты и зона Кентавров. (С любезного разрешения S. Sheppard; Википедия)
Пояс Койпера
215
от точки 5 . Они находятся в резонансе 1:1 с планетой и двигаются вместе с нею вокруг Солнца. Известно почти 1600 Троянцев у Юпитера (суммарная масса которых не превышает примерно миллионной доли массы Земли) и еще больше у Нептуна. Согласно традиционной точке зрения, они образовались, когда росла сама планета, и затем были захвачены в резонанс 1:1. Высказывалась, однако, гипотеза, что эти тела были захвачены из пояса Койпера Юпитером и Нептуном в первые 400–500 миллионов лет на ранней (хаотической) стадии эволюции Солнечной системы. Это могло произойти, когда Юпитер и Сатурн находились первоначально в резонансе 1:2, а затем восстановили свои орбиты к современному состоянию, оказав на пояс Койпера возмущения и частично вызвав рассеяние его объектов (рис. 4.11). Гипотезу о связи Троянцев с транснептуновыми объектами (ТНО) подтверждает сходство их цветового альбедо с альбедо ядер комет (рост коэффициента отражения с длиной волны) и отсутствие индивидуальных спектральных характеристик для большинства транснептуновых тел. Подобные же свойства являются характерной чертой группы тел, находящихся между орбитами Юпитера и Нептуна, которая получила название Кентавры (Centaurs), наибольшими из которых с размерами свыше 200 км являются Харикло (Chariclo) и Хирон (Chiron). Их орбиты, пересекающие орбиты одной или нескольких орбит планет-гигантов, являются нестабильными. Эти тела, очевидно, также генетически связаны с поясом Койпера и у них прослеживается частичное сходство с кометами семейства Юпитера (см. рис. 4.10), которое они пополняют. Согласно результатам численного моделирования, не менее 2 % тел, находящихся на орбитах Кентавров, изначально были транснептуновыми объектами. Показано также, что перед тем, как пополнить популяцию Кентавров, до 3 % захваченных тел в течение приблизительно одного миллиона лет находятся на орбитах, близких к орбитам Урана и Нептуна.
Пояс Койпера Другим резервуаром астероидов, а также комет, является пояс Койпера тороидальной формы (см. рис. 1.4 и 4.10 а), расположенный вблизи плоскости эклиптики за орбитой Нептуна в пределах от 30 до более чем 100 а. е. Он примерно в 20 раз шире и в 50–200 раз массивнее Главного пояса астероидов (ГПА) между орбитами Марса и Юпитера и, вероятно, содержит реликтовые тела, из которых формировалась Солнечная система. Область, наиболее плотно заполненная «классическими» транснептуновыми объектами, располагается в пределах от 40 до 50 а. е., причем в областях 30, 40 и 45 а. е. происходит некоторое рассеяние. Подобно ГПА, самую плотную часть пояса Койпера на расстоянии 40 а. е. можно рассматривать как область, где не смогла бы сформироваться планета намного больше Плутона. Общее число тел в поясе Койпера оценивается величиной 108 , число кометных
216
Гл. 4. Малые тела
ядер может быть на порядки больше. У более чем у 104 объектов диаметр может превышать 200 км. К настоящему времени открыто приблизительно тысяча ТНО. Среди них было обнаружено несколько карликовых ледяных планет, сопоставимых по размеру с Плутоном — Эрида, Макемаке, Хаумеа, Седна, Квавар — и немного меньшие Плутона и потому не попадающие в эту категорию Иксион, Варуна, Орк. При этом размер Эриды (названной в честь древнегреческой богини раздора и хаоса) даже немного больше размера Плутона, а сама она находится намного дальше от Солнца, на расстоянии 97 а. е., имеет большой наклон орбиты к плоскости эклиптики (44Æ и у нее есть спутник Дисномия. Исследователи не исключают того, что в поясе Койпера может быть свыше сотни карликовых планет. Их открытию способствуют высокоточные астрономические наблюдения. На рис. 4.10 б показан пояс Койпера вместе с внешними планетамигигантами. Выделены наиболее крупные и рассеянные объекты пояса, а также Троянцы Юпитера и Нептуна. Между орбитой Юпитера и поясом Койпера находятся рассеянные объекты — Кентавры. На рис. 4.11 а показан пояс Койпера в объемном изображении относительно внутренней и внешней областей Облака Оорта, а на рис. 4.11 б приведены орбиты объектов пояса Койпера и объектов Облака Оорта, а также ряда объектов пояса Койпера, находящихся в резонансах с планетой Нептун. Классические объекты, объекты в областях резонансов, область рассеяния и зона расположения Кентавров показаны на графике в координатах большая полуось–эксцентриситет на рис. 4.11 в. Ледяные карликовые планеты были названы плутоидами (plutoids), поскольку членом этой группы является Плутон (рис. 4.12). Сам термин был введен решением исполнительного комитета Международного астрономического союза на съезде в Осло в июне 2008 г. К плутоидам вначале были отнесены крупнейшие ТНО — Плутон, Эрида, Макемаке, Хаумея, а затем к этой группе присоединили еще ряд объектов, показанных на рис. 4.12. Вся группа, образует самостоятельную категорию небесных тел, и она рассматривается нами в разделе астероидов исторически чисто условно. Ограничениями на принадлежность к данной группе служат орбиты и массы: необходимо, чтобы масса тела была достаточной для того, чтобы оно находилось в состоянии гидростатического равновесия под действием гравитационных сил и они придавали ей почти сферическую форму; чтобы радиус орбиты лежал внутри орбиты Нептуна и чтобы сами эти планеты не расчищали пространство вокруг своей орбиты, т. е. вблизи них могли находиться более мелкие объекты. От плутоидов следует отличать обширную группу транснептуновых объектов, находящихся в орбитальном резонансе 2:3 с Нептуном. Их называют плутино. Период их обращения вокруг Солнца в полтора раза больше годового периода Нептуна (164,79 земного года), т. е. примерно 247 лет, откуда, воспользовавшись третьим законом Кеплера 2 3 (см. гл. 1), легко получить значение большой полуоси
Рис. 4.12. Карликовые планеты («плутоиды») в поясе Койпера в сравнении с Землей: Эрида, Плутон, Макемаке, Хаумеа, Седна, 2007 OR10 , Квавар, Орк, Салация. У некоторых есть спутники. Монтаж. (С любезного разрешения NASA и Р. Л. МакНиша, Астрономический центр Калгари)
Пояс Койпера 217
218
Гл. 4. Малые тела
39 а. е. Это означает, что плутино находятся во внутренней части пояса Койпера, образуя крупнейший класс резонансных транснептуновых объектов. К самым крупным плутино относятся Плутон, Орк, Иксион и Гуйя. Как видим, Плутон попадает как в категорию плутино, так и в группу ледяных карликовых планет. Ряд исследователей подразделяет карликовые ледяные планеты на две группы. Одна группа, подобно Плутону, находится на регулярных орбитах в резонансе с Нептуном. К другой группе принадлежат карликовые планеты, которые, подобно Седне и объекту 2012 VP113, никогда не приближаются к Солнцу ближе чем на 50 а. е., а иногда удаляются на 1000 а. е. К ним, вероятно, относится и открытая в октябре 2015 г. за пределами пояса Койпера на расстоянии 103 а. е. карликовая планета V774104 1) диаметром от 500 до 1000 км. Сенсацией стало сообщение, появившееся в начале 2016 г., о существовании большой планеты Солнечной системы, которая по массе в десять раз больше Земли, т. е. сопоставима с Нептуном. Она предположительно находится на сильно эксцентрической орбите и удаляется от Солнца на максимальное расстояние, примерно в 20 раз превышающее расстояние до Нептуна, т. е. период обращения вокруг Солнца составляет 20 000 лет. К сожалению, возможность подтвердить или опровергнуть это открытие прямыми наблюдениями находится за пределами возможностей современных оптических телескопов. Тем не менее, можно предполагать существование других карликовых и даже больших планет Солнечной системы, скрытых внутри Облака Оорта. Так, совсем недавно сообщалось об обнаружении объекта типа карликовой планеты на орбите с периодом обращения вокруг Солнца 700 лет. Пока же открылись уникальные возможности изучения Плутона, до недавнего времени считавшегося, как отмечалось, девятой планетой Солнечной системы и переведенного в категорию карликовых планет. Плутон вместе с системой его спутников находится на среднем расстоянии от Солнца около 40 а. е. (большая полуось орбиты 39,4 а. е. 5,874 млрд км) на сильно эксцентрической орбите ( 0,249), наклонение которой к эклиптике
17,2Æ . Его сидерический период обращения (звездный год на Плутоне) длится 247,7 земных лет, в то время как средний синодический период равен 1 г. (367 сут.), а сидерический период вращения («звездные сутки») составляет 6,39 сут. (6 сут. 9 ч. 17 мин). Экватор Плутона наклонен к плоскости орбиты под углом 57,5Æ , а его собственное вращение обратное (по часовой стрелке). Диаметр планеты, оцененный на основании полученных детальных снимков, составляет 2374 8 км (всего 0,18 диаметра Земли), масса 1,305 1022 кг (0,002 E , а средняя 1) Она была обнаружена при помощи японского телескопа «Субару», расположенного на обсерватории Мауна Кеа на Гавайских островах. Ранее самой далекой считалась карликовая планета Эрида на расстоянии 97 а. е. от Солнца.
Пояс Койпера
219
плотность 1,860 0,013 г/см3 (что близко к плотности ледяных планет и их спутников), ускорение свободного падения 0,6 м/с2 . Безразмерный момент инерции Плутона 0,39, что свидетельствует об однородности его недр. Он получает крайне мало энергии от Солнца — поток солнечного излучения у поверхности всего 0,88 Вт/м2 — на три с лишним порядка меньше, чем у Земли, эффективная температура поверхности, 45 К, геометрическое альбедо изменяется в течение года в пределах от 0,49 до 0,66, и визуальная звездная величина (на 2015 г.) 15 . У Плутона 5 спутников (рис. 4.13). Радиус самого большого спутника, Харона, составляет 593 13 км, масса 1,52 1021 кг и средняя плотность 1,65 г/см3 . Расстояние между центрами этой пары 19 570 км, и они обращаются вокруг общего барицентра. Так что Плутон–Харон — это, по существу, двойная планета, подобная системе Земля–Луна.
Рис. 4.13. Система спутников Плутона. На рисунке отсутствует Стикс, открытый в 2012 г. (С любезного разрешения NASA)
Плутон и другие крупные тела в поясе Койпера сохраняют устойчивость на своих орбитах в течение долгого времени, в большинстве случаев сопоставимом с возрастом Солнечной системы. Это обусловлено наличием резонансов среднего движения с Нептуном в виде целочисленных отношений их периодов обращения вокруг Солнца (1:2, 2:3, 2:5, 3:4, 3:5, 4:5, 4:7), см. рис. 4.11 в и 4.14. Соответственно, например, для резонанса 1:2 объект в поясе Койпера движется вдвое медленнее, чем планета. В резонансе 2:3 с Нептуном находятся объекты, расположенные в наиболее плотной части пояса Койпера, среди них Плутон.
Рис. 4.14. Резонансы транснептуновых объектов (включая плутоиды) в поясе Койпера. Тела нанесены в зависимости наклонения их орбит. (С любезного разрешения NASA)
220 Гл. 4. Малые тела
Пояс Койпера
221
Как уже отмечалось выше, их называют плутино, число таких объектов только с диаметром более 100 км свыше 30 000, а всех плутино, как предполагают, от 10 до 20 % общей численности объектов пояса Койпера. Самые крупные плутино: Плутон, Орк, Иксион и Гуйя. Интересно, что, хотя орбиты Плутона и Нептуна пересекаются, из-за резонанса 2:3 они избегают столкновений. ТНО характеризуются большим разнообразием физических свойств, которые проявляются в различиях их альбедо (от 2,5 до 60 %) и спектральных характеристик, что позволяет оценивать свойства их поверхностей. В частности, на некоторых телах были обнаружены отложения льдов H2 O, CH4 и N2 , подобные найденным у Плутона и Тритона, хотя их средняя плотность заметно ниже этих объектов и гораздо ближе к плотности ядер комет ( 0,5 г/см3 . Интересно, что приблизительно 11 % исследованных объектов являются двойными системами, а у Плутона даже пять спутников. Крупным успехом стала первая космическая миссия к Плутону и в пояс Койпера — «Новые горизонты» (New Horizons). Этот американский аппарат (рис. 4.15 а) был запущен в 2004 г., а 14 июля 2015 г. он пролетел около Плутона на минимальном расстоянии 12 400 км и его спутника Харона на расстоянии около 29 000 км, причем он пересек плоскость орбит его спутников почти по нормали (рис. 4.15 б). Проведенные исследования планеты и спутников, особенно Харона, значительно дополнили данные наземных астрономических наблюдений и результаты космического телескопа «Хаббл» и сильно расширили наши представления как о самом Плутоне, так и о всем семействе тел в поясе Койпера.
Рис. 4.15. а — космический аппарат «Новые горизонты» (New Horizons) (с любезного разрешения NASA); б — цветное изображение Плутона с зонда «Новые горизонты» — первой миссии к карликовой планете Плутон и в пояс Койпера, позволившей исследовать Плутон, его спутники и ряд ТНО. Снимок получен 13.07.2015 г. с расстояния 766 000 км от планеты. (С любезного разрешения NASA)
222
Гл. 4. Малые тела
Средняя плотность Плутона свидетельствует о том, что вода составляет больше половины его массы. Из водяного льда, вероятно, сложены горные массивы на его поверхности, хотя большая ее часть представлена равнинами, как это хорошо видно на рис. 4.16 а. Огромная светлая область в форме бабочки протяженностью около 1600 км названа равниной Томбо (Tombaugh Regio) в честь Клайда Томбо, открывшего Плутон в 1930 г. Справа от нее находится сопоставимая по размерам равнина Спутника, названная в честь первого искусственного спутника Земли. С юга к ней примыкают горы Норгей (Norgay Montes) по имени одного из первых покорителей Эвереста, а вблизи экватора — горный массив высотой до 3,5 км.
Рис. 4.16. а — горный хребет на Плутоне; б — глетчеры на Плутоне; в — для сравнения — глетчер (ледник Хаббард) на Аляске. (С любезного разрешения NASA)
Плутон обладает многими уникальными геологическими особенностями, о чем свидетельствует пестрота структур на его поверхности, напоминающая известные структуры на некоторых спутниках Сатурна и Нептуна. Как показали спектральные измерения, состав отложений на поверхности равнин неоднороден. Поверхность, имеющая темнобежевую окраску, покрыта главным образом льдами из азота и метана с примесью окиси углерода (СО). Предполагается даже наличие морей
Пояс Койпера
223
жидкого азота. Поверхность неожиданно оказалась очень молодой, со следами довольно интенсивной геологической активности, причины которой пока не ясны, хотя нельзя исключить, что определенную роль играет радиогенное тепло. Солнечная ультрафиолетовая радиация, несмотря на крайне низкую интенсивность, вызывает химические реакции, в результате которых образуются метан и более сложные углеводороды, которые на поверхности выглядят темными пятнами. Скорости отложения и таяния льдов в светлых и темных областях различны, что способствует повышению контраста между ними. В отличие от спутников планет-гигантов, на поверхности Плутона наблюдается очень мало ударных кратеров, поскольку время их жизни ограничено активными эрозионными процессами, и древние кратеры, возраст которых, по оценкам, менее 100 млн лет, не должны были сохраниться. Вместе с тем, встречаются отдельные кратеры поперечником от десятков до сотен километров с опоясывающими их характерными ударными выбросами, валами и, возможно, даже кратеры со следами криовулканизма. На равнинах видны ледяные плиты, подобные громадным айсбергам, состоящим, по-видимому, из азотного льда, которые перемещаются, образуя глетчеры 1), подобные земным ледникам (рис. 4.16 б), а при обтекании препятствий деформируются и раскалываются. Они образуют обширные ледяные поля с трещинами, заполненными водяным льдом, а иногда «проникают» в окружающий рельеф. Все это свидетельствует о наличии интенсивных эндогенных процессов на этом холодном теле и пополняет копилку сюрпризов, с которыми встречаются исследователи Солнечной системы. Физические условия на Плутоне крайне суровы. Средняя температура поверхности около 45 К и она изменяется примерно от 30 К до 50 К в зависимости от удаления от Солнца. Есть атмосфера (рис. 4.17), хотя и сильно разреженная, давление у поверхности около 1 Па (10 5 атм), состав атмосферы — главным образом азот, метан и окись углерода, возможно с примесью аргона и неона. Вследствие сильно эксцентрической орбиты Плутона в течение 248 лет его годового цикла на поверхности происходят периодические фазовые переходы при ее взаимодействии с атмосферой (по существу сезонные изменения). При минимальной температуре, отвечающей ее положению в апоцентре, атмосфера почти целиком конденсируется на поверхности, а с повышением температуры в перицентре происходит обратный процесс испарения летучих. На высоте 50 и 80 км обнаружены слои аэрозолей, а небо над Плутоном, как на Земле, имеет голубоватый оттенок (рис. 4.17). Не меньший интерес представляет самый крупный из пяти спутников Плутона, Харон, диаметром 1208 км. (рис. 4.18 а, б). Его поверхность 1) Глетчеры — ледниковый лед, образующийся при температуре ниже таяния и испарения с участием процессов сублимации и перекристаллизации. Это конечный продукт превращений снежного покрова в горах на Земле.
224
Гл. 4. Малые тела
Рис. 4.17. Цветной снимок атмосферы Плутона, полученный МКС «Новые горизонты». (С любезного разрешения NASA)
Рис. 4.18. а — Плутон и Харон; б — спутник Плутона Харон. Изображения, полученные с зонда «Новые горизонты». (С любезного разрешения NASA)
значительно темнее и также с немногочисленными следами ударных кратеров. Однако столь же очевидные, как на Плутоне, признаки геологической активности отсутствуют, хотя есть сравнительно молодые ударые кратеры. У северного полюса видна протяженная темная область Мордор (Mordor), вероятно, с отличной от остальной поверхности природой ледяных отложений. Экватор пересекает протяженный каньон, внутри которого заметны извилистые трещины и утесы,
Пояс Койпера
225
а на терминаторе виден еще один каньон глубиной около 8 км. Они свидетельствуют о том, что Харон, вероятно, испытал сильное сжатие на ранних этапах эволюции, возможно, в процессе его сближения с Плутоном, оказавшем на него сильное приливное воздействие. В результате миллиарды лет назад Харон был захвачен на синхронную орбиту с периодом 6,4 земных суток, образовав бинарную систему. Спектральные данные указывают на то, что на поверхности присутствуют высокомолекулярные органические соединения — углеводороды, которые, как мы видели, есть и на Плутоне, но в большей степени перекрыты слоем азотно-метанового льда или инея. Остальные спутники Плутона гораздо меньше Харона. Изображения спутников Никты (Nix), имеющей размер 42 36 км, и Гидры (Hydra) с размером 54 39 км, полученные с КА, показаны на рис. 4.19. Оба спутника очень быстро вращаются и, в отличие от Харона, проявляют хаотичный, не синхронизированный с Плутоном характер движений. Они имеют неправильную форму, причем у Никты красноватая окраска.
Рис. 4.19. Спутники Плутона Никта и Гидра. Изображения, полученные с зонда «Новые горизонты». (С любезного разрешения NASA)
Помимо системы Плутона, КА «Новые горизонты» проводит исследования ряда других крупных тел пояса Койпера, включая определение их положений (в пределах 1000 км) и измерения физических свойств. У одного из таких тел, Макемае (Makemake), лишь немного уступающего по размеру Плутону, был найден спутник диаметром 160 км, названный пока MK 2. С целью исследований ряда объектов пояса Койпера на близких расстояниях были специально проведены маневры по коррекции траектории. Ученые надеются, что NASA поддержит их просьбу о продлении запланированного срока этой успешной космической миссии.
226
Гл. 4. Малые тела
Кометы Кометы считают самыми древними телами, реликтами формирования внешних газово-ледяных планет. Они образуются за снеговой линией путем слипания ледяных кристаллов с частицами пыли и постепенного роста до тел километровых и больших размеров. Громадное число таких тел (планетезималей), не вошедших в состав планет, было выброшено гравитационными возмущениями к периферии Солнечной системы, где по существующим представлениям сосредоточилось основное семейство ядер комет — гипотетическое Облако Оорта, существование которого не подтверждено наблюдениями. Считается, что оно заполняет обширную область за поясом Койпера на расстоянии от Солнца примерно от 103 до 105 а. е. (см. рис. 1.4, 4.10, 4.11), а число населяющих его комет со средним размером 1 км — порядка нескольких триллионов, хотя их суммарная масса не превышает нескольких масс Земли ( 1025 кг). Ядра комет, вероятно, состоят в основном из водяного, аммонийного и метанового льдов. Внутри Облака Оорта выделяют внешнее облако сферической формы, которое простирается от Солнца приблизительно на четверть расстояния до самых близких звезд (60 000 а. е.), и внутреннее, имеющее, подобно поясу Койпера, форму тора в пределах от 2 000 до 20 000 а. е. Некоторые исследователи полагают, что внешняя граница облака достигает 100 000–200 000 а. е., т. е. порядка светового года, что примерно соответствует сфере Хилла для Солнца. Кометы на таких расстояниях испытывают периодические гравитационные возмущения от гигантских межзвездных газо-пылевых облаков и галактического диска, а также от случайных сближений со звездами. Некоторые кометы могут пересекать эту границу и уходить из облака в межзвездную среду, но, в то же время, кометные тела из ближайшего галактического окружения могут заходить внутрь Солнечной системы. Поэтому кометы естественно рассматривать, как своего рода «зонды» галактических областей, наиболее близких к Солнечной системе. Некоторые из комет Облака Оорта дрейфуют внутрь Солнечной системы, сближаясь с Солнцем. Такие тела содержат в своем составе наиболее ценную космохимическую информацию. Исторически кометы ассоциировались с угрозой небес людям Земли и предвестниками грозящих им катастроф (рис. 4.20). Кометы делятся на короткопериодические, обращающиеся вокруг Солнца менее чем за 200 лет, и долгопериодические с периодом обращения более 200 лет. Короткопериодические кометы, такие, как известная комета Галлея (рис. 4.21 a), принадлежат семействам планет-гигантов, в частности, к обширным семействам Юпитера и Нептуна, а также к поясу Койпера, который является главным источником короткопериодических комет. Под влиянием гравитационных возмущений от Нептуна относительно малая доля ледяных тел пояса Койпера мигрирует внутрь Солнечной
Кометы
227
Рис. 4.20. Карикатура из популярного журнала перед столкновением кометы Галлея с Землей в 1910 г. (Общий доступ)
Рис. 4.21. а — ядро короткопериодической кометы Галлея с расстояния 4 000 км. Средний размер ядра 15 км. Потоки газа и пыли (джеты) с ледяной поверхности ядра, вызванные приближением к Солнцу, видны слева. Изображение с космического аппарата «Джотто» (с любезного разрешения ESA); б — изображение долгопериодической кометы Хейла–Боппа во время ее сближения с Солнцем. Небольшое ядро ( 10 км) скрыто глубоко внутри яркой области — комы (атмосфера кометы), достигающей десятки тысяч километров в поперечнике и образующейся при сублимации газа и пыли с ледяной поверхности ядра. Ясно видны протяженные хвосты I и II типов. (С любезного разрешения Dennis di Cicco)
системы, пополняя, в частности, Главный пояс астероидов. К долгопериодическим относятся кометы, переходящие из Облака Оорта на высокоэллиптические орбиты и наблюдаемые при их сближении с Солнцем (рис. 4.21 б). Под влиянием испытываемых ими гравитационных
228
Гл. 4. Малые тела
возмущений от Солнца и планет они либо пополняют известные семейства короткопериодических комет и регулярно возвращаются к Солнцу, либо переходят на параболические или гиперболическим орбиты и навсегда покидают внутренние области Солнечной системы. Кометы — это ледяные тела, состоящие из ядра, атмосферы (комы) и хвоста. Ядра комет, как правило, имеют совсем небольшие размеры — от нескольких километром до нескольких десятков километров и очень низкую среднюю плотность, которая обычно не превышает долю грамма в кубическом сантиметре, т. е. существенно меньше плотности воды. Это предполагает пористую структуру этих тел, состоящих преимущественно из водяного льда и некоторых других низкотемпературных конденсатов с примесью силикатов, графита, металлов и органических соединений. Водно-ледяной состав комет объясняется тем фактом, что молекула воды очень распространена в Солнечной системе. Не случайно лед из Н2 О также составляет существенную долю массы спутников планет-гигантов и других малых тел. Процессы с участием жидкой воды на начальных этапах эволюции Солнечной системы, подтверждаются, в частности, минеральным составом метеоритов и, следовательно, их родительских тел, находившихся в Главном поясе астероидов. Результаты исследований, проведенных при встрече космических аппаратов с кометами (рис. 4.22), в целом подтвердили модель,
Рис. 4.22. Ядра комет, посещенные космическими аппаратами. (С любезного разрешения NASA)
Кометы
229
предложенную еще в середине прошлого столетия американским ученым Фредом Уипплом (Fred Whipple), согласно которой ядро кометы по своим физическим свойствам напоминает огромный ком грязного снега или, скорее, глыбу замороженной пыли (рис. 4.23 а). Одновременно они убедительно показали и большие индивидуальные отличия этих малых тел, включающих морфологию поверхности ядер, химический состав и физические свойства ядер и газовых оболочек, динамические особенности. Все это связано с генезисом комет и эволюцией этого самого многочисленного (кроме, конечно, пылевых частиц) населения
Рис. 4.23. а — модель ядра кометы «грязный снежок»; б — сублимация газа и пыли с неровной ледяной поверхности кометы. Когда комета, двигаясь по сильно эксцентрической орбите, приближается к Солнцу, инсоляция возрастает и развиваются атмосфера (кома), гало и хвост. (Согласно F. Whipple)
230
Гл. 4. Малые тела
Солнечной системы, что, в свою очередь, расширяет наши представления об условиях и путях ее формирования. Атмосфера (кома), гало и хвост кометы образуются при сублимации льдов, главным образом, основной составляющей ядра — водяного льда, когда комета, двигающаяся по своей обычно сильно эксцентрической орбите, приближается к Солнцу, и растет инсоляция (рис. 4.23 б). Сублимированные частицы частично ионизуются коротковолновой солнечной радиацией. Размер комы составляет десятки тысяч километров, водородное гало простирается на сотни тысяч километров, а хвост тянется в направлении, противоположном Солнцу, на миллионы километров. Различают два типа хвостов: один состоит, в основном, из сублимированных частиц пыли субмикронного размера, уносимых из комы под давлением солнечного ветра, а второй образован частицами ионов, находящихся под воздействием плазмы солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. Следуя классификации, введенной российскими астрономами Ф. Бредихиным и С. Орловым, мельчайшие пылевые частицы, на которые воздействует давление солнечного света, производят хвост кометы первого типа, в то время как плазма, формирующаяся во внешней коме при взаимодействии с солнечным ветром, производит хвост второго типа, в котором ионы ускоряются до скоростей в десятки и сотни километров в секунду. Оба хвоста ясно видны на рис. 4.21 б. Помимо этого, хвосты подразделяют на три типа: прямые и узкие, направленные прямо от Солнца; широкие и немного искривленные, отклоняющиеся от Солнца, и короткие, сильно отклоненные от Солнца. Большинство молекул, принадлежащих ядру кометы, было обнаружено в коме (рис. 4.24). Ее основной состав включает воду, водород, гидроксил (OH), углерод-, азот- и серосодержащие молекулы и углеводороды. Кома образует хорошо различимую на снимках голову кометы, яркое свечение которой вызывается процессами люминесценции. Изучение нестационарных тепловых процессов и процессов массопереноса в пористом ядре и образование неоднородной структуры поверхности, с которой ледяной конгломерат возгоняется и образует газо-пылевую кому, лежит в основе понимания природы и механизмов эволюции комет на различных гелиоцентрических расстояниях. Как показали результаты кинетического моделирования, поток частиц вблизи ядер активных комет во всей дневной полусфере близок к равновесному. Плотность газа быстро уменьшается с удалением от поверхности ядра, при этом на расстоянии 10 км температура понижается до нескольких кельвинов благодаря адиабатическому расширению в вакууме, с последующим быстрым ростом температуры. Около оси симметрии образуется четко выраженная реактивная струя. Несколько таких струй (джетов), обусловленных интенсивным уносом газа и пыли, хорошо видны на изображениях ядра кометы Галлея, полученных космическими аппаратами «Вега» и «Джотто» при их сближениях с ядром (см. рис. 4.21 a). Такое неоднородное истечение
Кометы
231
Рис. 4.24. Родительские и дочерние молекулы в коме, образованные при сублимации ледяного ядра; модель взаимодействия кометы с солнечным ветром и формирования плазменного хвоста. (Согласно Л. Марочнику)
газопылевой смеси с поверхности ядра можно объяснить тепловыми деформациями, вызываемыми разломами и трещинами в коре изо льда и пыли (тугоплавкой корки), сформированной в процессе последовательных прохождений кометы вблизи Солнца. Сквозь хвост кометы, на расстоянии около 7 800 км от ядра, пролетел КА ICE (International Cometary Explorer), первоначально запущенный на гало-орбиту в точке Лагранжа 1 между Землей и Солнцем как ISEE-3, и затем направленный к комете Джакобини–Циннера 1). Изучение кометных ядер, их внутренней структуры, химического состава и особенностей физических механизмов трансформации слагающего вещества представляет первостепенный научный интерес, не говоря уже о важности этих исследований для планетной космогонии. Как уже отмечалось, будучи носителями первичного вещества, заключенного в их составе, кометы позволили бы нам восстановить этапы формирования Солнечной системы. Попытка получить данные о составе ядра под видимой поверхностью путем частичной фрагментации была предпринята с использованием космического зонда «Дип Импакт» (Deep Impact), запущенного NASA в 2005 г. При сближении с кометой 9Р/Темпеля он выпустил 372-килограммовый медный снаряд, который столкнулся с ядром на скорости 10,3 км/с и провел исследования последствий такого столкновения путем измерений продуктов выброса. Изображение момента соударения показано на рис. 4.25. 1)
С этой кометой связан известный метеорный поток Драконид.
232
Гл. 4. Малые тела
Рис. 4.25. Комета Темпель-1. Вид с космического аппарата «Дип Импакт» (Deep Impact) в момент соударения с ней выпущенного снаряда 4 июля 2005 г. (С любезного разрешения NASA /M. A’Hern)
Позднее, в 2010 г., этот космический аппарат пролетел мимо кометы Хартли 2, обнаружив в ее окрестности своего рода снежно-ледяную метель и углекислые струи газа, а затем, в 2013 г., передал изображения долгопериодической кометы Ison перед прохождением ею перигелия. Астрономы ожидали увидеть все фазы встречи с Солнцем этой яркой кометы (рис. 4.26). Однако в ноябре 2013 г., не достигнув перигелия, комета Ison разрушилась и появилась из-за Солнца в виде диффузного облака пыли. За последние годы самым крупным успехом в изучении комет стала космическая миссия Европейского космического агентства (ESA) «Розетта». В процессе разработки этого проекта ученые ESA попытались кратко суммировать современные представления о кометах в виде информативного постера, воспроизведенного на рис. 4.27. Исследования на орбитальном и посадочном КА «Розетта» дополнительно расширили эти представления (рис. 4.28). Этот аппарат был запущен 2 марта 2004 г. к комете семейства Юпитера 67Р/Чурюмова–Герасименко 1), и в процессе перелета совершил три гравитационных маневра с возвращением к Земле и два сближения 1)
Выбор этой кометы был сделан, исходя главным образом из энергетических ограничений для КА. Эта короткопериодическая комета находится на сильно экцентрической орбите (афелий 5,68 а. е., перигелий 1,24 а. е.) и имеет период обращения вокруг Солнца 6,44 года.
Кометы
233
Рис. 4.26. Яркая долгопериодическая комета ISON, которая разрушилась при сближении с Солнцем в ноябре 2013 г. и появилась из-за Солнца как диффузное облако пыли. (С любезного разрешения NASA/HST)
с астероидами — Стейнс и Лютеция. Через 10 лет полета, в августе 2014 г., он вышел на орбиту вокруг ядра кометы, а в ноябре того же года совершил посадку капсулы «Филы» (Philae) 1) на его поверхность. Был проведен комплекс дистанционных и прямых измерений в процессе сближения кометы с Солнцем. Интересной особенностью этого проекта является то, что орбитальный и посадочный аппараты «сопровождали» комету при ее движении по околосолнечной орбите на участках до и после перигелия (в середине августа 2015 г.), и тем самым проводили исследования на различных фазах ее активности. Миссия была завершена 30 сентября 2016 г. на фазе существенного спада активности кометы и истощения батарей орбитального аппарата путем его постепенного сближения с ядром, а на заключительном этапе — соударения со скоростью всего 2 км/с с ядром в области, названной Маат (Ma’at). На этом этапе были получены более детальные снимки, позволившие обнаружить активные углубления на относительно небольших участках поверхности. Как оказалось, ядро имеет форму гантели, две части которой соединены узкой перемычкой. Его размеры 4,1 3,2 1,3 км, масса 1010 кг, плотность 0,53 г/см3 (свидетельствующая о довольно высокой, 0,7, пористости, аналогичной ядру кометы 9P/Tempel 1), период собственного вращения ядра 12,04 часа (рис. 4.29). В целом внутренняя структура ядра однородна, содержание пыли примерно вчетверо 1)
Название зонда и посадочной капсулы связано с расшифровкой древнеегипетских надписей — каменной плиты (Розеттского камня) и обелиска с иероглифами, найденного на острове Фила на реке Нил.
234
Гл. 4. Малые тела
Рис. 4.27. Суммарная информация о кометах. Показаны некоторые известные кометы; ядро кометы Галлея сопоставляется с астероидом Гаспра и спутником Марса Деймосом. (Постер, с любезного разрешения ESA/ESO/EAAE)
больше (по массе), чем льда. Предполагают, что необычная форма ядра кометы 67/Р (подобная ядрам некоторых других комет) могла образоваться в результате столкновения на малой скорости двух комет
Кометы
235
Рис. 4.28. Миссия ESA «Розетта» к комете Чурюмова–Герасименко. Показаны орбитальный космический аппарат и зонд для посадки на поверхности кометы. Изображение художника. (С любезного разрешения ESA)
Рис. 4.29. Ядро кометы 67Р Чурюмова–Герасименко с размерами 1,3 3,2 4,1 км. Снимок с КА «Розетта». Комета находится в высокой степени активности, о чем свидетельствуют мощные истечения газа и пыли — джеты. (С любезного разрешения ESA)
на раннем этапе эволюции Солнечной системы, образовав перемычку («утиную шейку»). В пользу такого предположения свидетельствует специфическое расположение внешних слоев вещества в форме двух отдельных «луковиц», углубляющихся друг в друга на сотни метров. Об этом же говорят параллельные слои вещества на обнаженных крутых склонах, ориентированные вокруг двух исходных долей ядра и уходящие глубоко под поверхность, причем вблизи перемычки эти слои направлены в противоположные стороны, отвечающие, как показало компьютерное моделирование, локальной гравитации слившихся ядер. Заметим, что сами обнаруженные крутые обрывы (рис. 4.30 а) дают
236
Гл. 4. Малые тела
Рис. 4.30. а — ядро кометы 67Р представляет собой раздвоенное тело неправильной формы, две половины которого связаны более узкой «шейкой»; б — видны крутые горные склоны, испещренные хребтами и провалами; в — равнинные участки на поверхности кометы; г — один из равнинных участков, находящийся на меньшей половине ядра кометы (вверху снимка). (С любезного разрешения ESA)
возможность оценить прочностные свойства материала ядра и оползневые явления в условиях очень малой силы тяжести (10 3 м/с2 на среднем уровне поверхности). Поверхность ядра темная (альбедо 0,06 0,003), сильно неоднородная, со сложными геологическими особенностями рельефа (рис. рис. 4.30 б, в, г). Она испещрена изломами и провалами, чередующимися с крутыми горными хребтами и небольшими равнинами. Это создает удивительные картины ледяного мира, подверженного периодическим температурным вариациям, с пылевыми наслоениями и сильной эрозии (рис. 4.31 а, б). На изображениях, полученных с близкого расстояния при посадке «Филы», хорошо видны склоны с признаками слоистости и районы, покрытые раздробленным материалом, глыбами различных размеров и структурами, напоминающими
Кометы
237
Рис. 4.31. а — характерные особенности поверхностных структур кометы 67Р; б — крупный план гористых областей с крутыми горными склонами, переходящими в гладкие равнины на поверхности кометы 67Р. (С любезного разрешения ESA)
дюны, образованиями которые трудно объяснить при отсутствии ветра (рис. 4.32). Дистанционно измеренная температура поверхности ядра на нескольких выбранных участках, оказалась около 70 ÆC, что реально соответствует ледяной поверхности, покрытой неплотным пылевым слоем. Само ядро состоит из довольно пористого материала, состоящего из смеси водяного льда и пыли со средней плотностью 533 6 кг/м3 . Степень пористости оценена величиной свыше 0,7, и это означает, что пыль составляет значительную долю довольно однородной ледяной матрицы внутри ядра.
Рис. 4.32. Пример сильно неоднородного ландшафта поверхности ядра кометы 67Р со следами «оползней» и нескольких крупных тел — «камней» на бугристой поверхности. (С любезного разрешения ESA)
В спектрах комы обнаружено большое число различных летучих, выделяемых ядром, часть из которых, вероятно, связана с присутствием сложных органических соединений. Обнаружена, в частности, простейшая аминокислота глицин, ранее найденная в доставленных на Землю образцах межзвездной пыли, собранной в хвосте кометы 81P/Вильда (Wild 2) при его пролете космическим аппаратом «Стардаст» (Stardust) — «Звездная пыль». Основной состав комы — вода, углекислый газ, гидроксил, окись углерода, азот, аргон. Обнаружены
238
Гл. 4. Малые тела
также аммиак, метан, метанол, формальдегид, сероводород, цианистый водород, сера (изотопы 32 S и 34 S), диоксид серы, дисульфид углерода. Вблизи «головы» кометы найдены CN, C2 , NH2 , C3 , OH, CN, NO, NaI, OI, CH , OH , NH , а в «хвосте» CO , N 2 , CO2 , CH3 OH, CN и OH . Есть молекулярный кислород, содержание которого около 3,8 %, а локальные значения варьируют от одного до десяти процентов относительно молекул воды. Его происхождение, очевидно, обусловлено фотохимическими процессами в коме с участием других сублимируемых компонентов. С этими же процессами связано наличие ионов. Интересно, что отношение N2 CO 5,70 0,66 10 3 свидетельствует об их аккумуляции в условиях значительно более низких температур, характерных для транснептунового пояса Койпера, что делает обоснованным предположение, что изначально комета находилась в этой области Солнечной системы. В зависимости от освещенности сильно различается количество выбрасываемой пыли. В пылевых частицах размером от нескольких десятков до ста и более микрон, помимо кристаллов водяного льда, присутствуют натрий и магний, а сами частицы являются сильно пористыми ( 50 %), их структура не согласуется с простой моделью силикатного
Рис. 4.33. Соотношение дейтерия к водороду в Солнечной системе
Межпланетная пыль
239
ядра, покрытого ледяной оболочкой. Отношение пылевых и газовых выбросов составляет примерно 2:1, а величина выбросов в областях наиболее сильных газопылевых струй (джетах) вблизи перигелия, наблюдаемых наиболее отчетливо на перемычке ядра, может достигать нескольких сот килограммов в секунду (см. рис. 4.29). Посадка капсулы «Филы» прошла с определенными сложностями, а в ее работе был большой перерыв из-за неудачного места посадки в области солнечной тени. Тем не менее, выполнен ряд важных экспериментов на поверхности, хотя провести измерения на глубине не удалось, так как под слоем водяного льда оказалась твердая порода, не поддающаяся бурению и дроблению при помощи бортовых инструментов. Были обнаружены циклические изменения ледовых обнажений на поверхности ядра, с которыми связана интенсивность дегазации воды, зависящая от инсоляции. Водяной пар в коме, как оказалось, значительно обогащен дейтерием по сравнению с океанической водой на Земле: D/H 530 ppm против 156 ppm для Земли 1). Подобное различие обнаружено у целого ряда других как короткопериодических, так и долгопериодических комет, причем у кометы 67Р оно совершенно неожиданно оказалось самым высоким, близким к долгопериодическим кометам Облака Оорта (см. рис. 4.33). В то же время у двух комет семейства Юпитера, в том числе Хартли-2, отношение D/H почти полностью совпадает с земным. Различие в D/H у комет 67Р и Хартли-2 удивительно, если учесть, что, как предполагают, обе кометы изначально принадлежали транснептуновому поясу Койпера. Оно остро ставит вопрос о происхождении комет и возможных причинах изменения их состава в процессе эволюции.
Межпланетная пыль Еще одна категория малых тел — частицы межпланетной (метеорной) пыли. Ее главными источниками служат столкновения друг с другом астероидов Главного пояса и частицы пыли, испускаемые кометами в процессе сублимации ледяного ядра. Некоторое количество пыли может быть поднято с планет и их спутников при катастрофических соударениях с ними крупных тел. Размеры частиц варьируют от нанометров до миллиметров и сантиметров, а нижним порогом являются молекулярные кластеры. Сантиметровый порог используется как условная граница между частицами пыли и метеороидами. В своем большинстве пылевые частицы беспорядочно распределены в межпланетном пространстве, наименьшие из которых отклоняются 1)
ppm — промиле (от англ. parts per million) — единица измерения концентрации в миллионных долях по объему. Так, для воды на Земле D/H 156 ppm означает, что на 106 молекул обычной воды H2 O приходится 156 молекул дейтерированной воды HDO в газовой фазе.
240
Гл. 4. Малые тела
от кеплеровских орбит и дрейфуют по спирали к Солнцу под влиянием эффекта Пойнтинга–Робертсона, возникающего из-за неравенства величин поглощенной и излученной частицей солнечной энергии. Межпланетная пыль подвержена космическому выветриванию под действием солнечного ветра, что служит причиной образования на поверхности частиц бесформенных ободков. Внедряющиеся протоны могут реагировать с кислородом в силикатных минералах, образуя следовые количества гидроксила и/или воды. Структуры, подобные ободкам толщиной 150 нм на пылевых частицах, были найдены также на лунных и астероидных гранулах реголита, а крошечные включения молекул воды были обнаружены в зернах пыли, возвращенных в 2006 г. американским космическим зондом «Стардаст». Этот аппарат, запущенный в 1999 г., в 2002 г. пролетел на расстоянии около 3000 км от небольшого астероида 5535 Аннафранк, а в 2004 г. сблизился на расстояние 240 км с кометой Вильд 2 (Wildt 2), собрав образцы космической пыли на специальные ячейки возвращаемой капсулы аппарата, заполненные силиконовым аэрогелем — уникальным материалом сверхнизкой плотности, способным затормозить частицы летящие даже с высокой скоростью без перегрева и тем самым предотвратить разрушение даже органических молекул. Пылевые частицы, сопровождающие процесс сублимации ядра кометы, создают метеорные потоки вдоль траектории кометы в виде размытого тора. Когда Земля пересекает пылевой тор, оставленный кометой, двигающейся вдоль своей околосолнечной орбиты, частицы, вторгающиеся в земную атмосферу, наблюдаются на ночном небе как «падающие звезды», или метеорные дожди. Такие торы существуют постоянно до тех пор, пока комета сохраняет свою активность, и Земля пересекает их периодически. Радианты метеорных потоков носят названия тех созвездий, на которые они проецируются, например, Аквариды, Персеиды, Квадрантиды и т. д. Однако на Землю постоянно выпадают и частицы пыли, рассеянные в межпланетной среде и не связанные с метеорными потоками, масса которых составляет около 100 тонн в сутки, или почти полмиллиона тонн за год. Наиболее известным скоплением межпланетной пыли является зодиакальный свет, видимый с Земли как рассеянное солнечное свечение на западе после сумерек и на востоке на рассвете (см. гл. 10, рис. 10.3 в). Оно имеет форму диффузного светлого треугольника, вытянутого вдоль плоскости эклиптики — зодиакального круга, как ее раньше называли, откуда и произошло название свечения 1). Зодиакальный свет создают частицы преимущественно субмикронных размеров, дрейфующие в эту зону от упомянутых выше источников их 1) Объяснение явления зодиакального света как противосияния, возникающего вследствие рассеяния солнечного света на линзообразном скоплении частиц пыли в плоскости эклиптики, было дано в 1683 г. Д. Кассини.
Метеориты
241
эмиссии вследствие торможения, вызываемого эффектом Пойнтинга– Робертсона, а также гравитационного влияния планет. По результатам изучения ИК-излучения на спутнике IRAS (Infrared Astronomical Satellite) был сделан вывод о том, что источником свыше 80 % частиц зодиакального света являются кометы семейства Юпитера. Существует также межзвездная пыль, переносимая звездным ветром и пронизывающая всю Солнечную систему. Она ответственна как за поглощение излучения от галактик и звезд (межзвездная экстинкция), так и за эмиссию различных объектов в длинноволновой части спектра, в том числе за избыточный континуум в среднем ИК-диапазоне и эмиссионные полосы в ближнем ИК-диапазоне. Как показали лабораторные исследования частиц, собранных КА «Стардаст», межзвездная пыль отличается от частиц межпланетной пыли по размеру, элементному/фазовому составу и кристаллической структуре. В своем большинстве эти частицы пыли размером в сотни нанометров, состоящие, главным образом, из кремния, графита и РАН (Policiclic Aromatic Hydrocarbons — полициклические ароматические углеводороды), распределены в окружающем космосе более или менее равномерно, но большое число сосредоточено в молекулярных облаках (см. гл. 6), а их динамическое время жизни составляет несколько миллионов лет. По существующим представлениям, они представляют собой первичные «блоки» вещества, из которых вместе с газами рождаются звезды, газопылевые диски, планетные системы, и частично высвобождаются после их смерти. Удивительно, что, как показали измерения, проведенные при помощи космического анализатора пыли на КА «Кассини», частицы межзвездной пыли практически однородны по своему химическому составу, соответствующему (за исключением ряда летучих) космической распространенности элементов. Из этого можно сделать вывод, что в течение сотен миллионов-миллиардов лет они подвергались непрерывный переработке, претерпевая трансформацию и, в конечном счете, гомогенизацию состава, в высокоэнергетических процессах космической среды — «котле ведьмы» (witch’s cauldron of outer space), по образному выражению некоторых исследователей. Изучение таких пылевых частиц позволяет нам, таким образом, проникнуть в самые сокровенные тайны природы, связанные с эволюцией вещества во Вселенной.
Метеориты Метеориты представляют собой уникальные образцы внеземного вещества, своего рода «слепки» той среды, в которой они сформировались, несущие на себе отпечатки последующих событий в процессе блуждания в течение миллионов и миллиардов лет в межпланетной среде до встречи с другим небесным телом (планета, спутник, астероид) и выпадения на его поверхность. Как уже говорилось, это главным образом фрагменты астероидов, образующиеся при их соударениях.
242
Гл. 4. Малые тела
Изучение метеоритов в лабораторных условиях дает непосредственный доступ к веществу, из которого образовалась Солнечная система, и позволяет проследить пути его эволюции. На Землю постоянно выпадает большое количество метеоритов, хотя находят лишь небольшую их часть 1). По своему составу и морфологии метеориты похожи на пылевые частицы, но гораздо больше их по размеру. Их следует отличать от метеоров, которые представляют собой частицы, «сгорающие» при входе в атмосферу и наблюдаемые как яркие вспышки («падающие звезды»). В зависимости от преобладающего состава метеориты традиционно разделяют на три большие группы: каменные (хондриты и ахондриты), состоящие из минералов; железные (сидериты), состоящие из металлов; и железно-каменные (палласиты и мезосидериты), состоящие из смешанного материала. В основе такой классификации лежит сходство физических, химических, минералогических и изотопных свойств в пределах каждой группы, что должно свидетельствовать о происхождении их от одного родительского тела, хотя иногда могут присутствовать разные группы, если метеорит происходит от гетерогенного родительского тела. Выделяют два главных типа метеоритов: дифференцированные и недифференцированные. К первому типу принадлежат железные и каменные метеориты — ахондриты, а ко вторым — углистые (С), обыкновенные (О) и энстатитовые (Е) хондриты (рис. 4.34). Каменные метеориты встречаются наиболее часто, составляя 92,8 % всех падений, из которых 85,7 % — хондриты. По своему составу все метеориты различаются соотношением металлической и силикатной фаз, иногда с примесью сульфидной — троилитовой фазы. Каменные метеориты состоят преимущественно из силикатов — оливинов (Fe, Mg)2 SiO4 (от фаялита Fe2 SiO4 до форстерита Mg2 SiO4 и пироксенов (Fe, Mg)2 Si2 O6 (от ферросилита Fe2 Si2 O6 до энстатита Mg2 Si2 O6 ). Основу железных и железо-каменных метеоритов составляет железоникелевый сплав Fe–Ni–Co, причем при различных относительных концентрациях в нем объемно-центрированного или гранецентрированного железа и никеля — соответственно, камасита и тэнита. Хондриты различаются также по содержанию и степени окисления железа: в углистых хондритах оно находится целиком в окисленном состоянии, в обыкновенных Fe и FeO содержатся примерно поровну, а в энстатитовых — в основном в металлической фазе. Хондриты являются наиболее распространенными недифференцированными каменными метеоритами, составляющими 87 % всех находок, которые подразделяют, по крайней мере, на 14 различных групп. 1) В последнее время получили развитие автоматизированные системы слежения за выпадением метеоритов на поверхность земли. Примером служит французская система FRIPON — Fireball Recovery and InterPlanetary Meteorites, оснащенная автоматическими камерами и системой оповещения.
Метеориты
243
Рис. 4.34. а–г — Образцы некоторых метеоритов: а — крупнейший известный неповрежденный железный метеорит Гоба массой 60 тонн, найденный в Намибии; б — метеорит Эскуэль типа палласитов; в — обычный хондрит с изобилующими хондрами и брекчиями, найденный в Алжире; г — целый камень, показывающий складчатую расплавленную кору и серую внутреннюю структуру (Источник: Википедия и M. Farmer); д–ж — примеры марсианских метеоритов группы SNC (Shergottites, Nakhlites, Chassignites): д — шерготтит, е — нахлит, ж — шассиньит. (С любезного разрешения B. Fectay, N. Classen, и М. Horejsi)
244
Гл. 4. Малые тела
Они содержат небольшие включения примерно сферической формы размером 0,5–1 мм, состоящие из тугоплавких элементов в виде застывших капель силикатного вещества и встроенные в основную матрицу. Их называют хондрами, отсюда название самих метеоритов. Обыкновенные хондриты, в зависимости от химического состава (в основном содержания железа и сидерофильных элементов – спутников металличесого железа) делят на три группы: H (High — высокое), L (Low — низкое) и LL (Low–Low) — очень низкое, с содержанием железа, соответственно, 25–30 %, 19–24 % и 19–22 %. По существующим представлениям родительские тела хондритов испытали лишь незначительные изменения с момента формирования Солнечной системы, а хондры, в первую очередь кальциево-алюминиевые включения СAI и алмазы с определенным соотношением изотопов, являются продуктом самой ранней фазы эволюции протопланетного диска. Можно думать, что поверхностью, близкой по своим спектрофотометрическим свойствам к обыкновенным хондритам, обладают наиболее распространенные астероиды в Солнечной системе. Наиболее близок к первичной материи состав примитивных углистых хондритов, многокомпонентная матрица которых обладает сложной минералогией и состоит преимущественно из слоистых силикатов разнообразных геометрических форм в виде сфер, трубочек, цилиндров, червеобразных сростков и т. п. 1). Считается, что углистые хондриты сохранили химический и минералогический состав со времени образования в протопланетном газопылевом диске и претерпели лишь небольшие изменения в ходе эволюции. Углистые хондриты класса С подразделяются на группы CI, CM, CL, CO, CH, CR и CV в зависимости от происхождения, связаного с различными родительскими телами. Данная классификация, основанная на постепенном изменении свойств углистых хондритов, была предложена в 1970-х гг. Дж. Уассоном (G. Wasson). В каждой из этих групп присутствуют типичные метеориты, свойства которых принимаются в качестве эталонных. Их обозначают, добавляя к латинской букве «C» индекс, соответствующий первой букве названия типичного метеорита. Например, у хондритов группы CI обильное содержание гидратированных силикатов, у группы CH высокое содержание железа, а у группы CL — оксида железа, в то время как группа CR, помимо никелистого железа, содержит также сульфид железа. К этим группам иногда добавляют еще группу СВ, схожую по химическому составу с каменноугольными хондритами CH и CR. В углистых хондритах были найдены углеводороды, такие как карбиды, нитрилы, полимеры и органические вещества, а также многочисленные изомеры аминокислот. По своему изотопному составу они отличаются от тех же соединений на Земле, 1) Предпринимаются попытки связать с такой морфологией наличие древних бактериальных окаменелостей.
Метеориты
245
и это означает, что они сохранились в исходном состоянии, т. е. не подверглись загрязнению перед тем, как были обнаружены. Тем самым подтверждается их внеземное происхождение. Ахондритами, составляющими 7,3 % каменных метеоритов, называют дифференцированные каменные метеориты, лишенные хондр (обычно упоминаемые как планетные метеориты), которые ведут свое происхождение от существующих или более ранних крупных тел с разной степенью теплового метаморфизма. Самый большой класс ахондритов называют эвкритами (от греческого «эвкритос», что означает «легко отличимый), близкими по составу к анортитовому габбро или нориту, о которых говорилось при обсуждении минералогии лунных пород в гл. 2. Вероятно, изначально содержавшиеся в них хондры исчезли в процессе последующего переплавления вещества. По структуре и составу ахондриты близки к земным базальтам. У их родительских тел были достаточные источники внутреннего тепла, чтобы могла произойти дифференциация недр с выделением плотного ядра, мантии и коры. Ядра таких тел примерно астероидного размера порождают при их разрушении за счет соударений относительно редкие ( 5,7 % от всей совокупности) железные метеориты (сидериты) 1), а внешние оболочки, где смешивается вещество металлического ядра и силикатных коры и мантии — железно-каменные метеориты. В зависимости от типа кристаллической решетки железные метеориты подразделяют на октаэдриты, гексаэдриты и атакситы, а в их структуре (на протравленной поверхности шлифов — «видмаштеттеновых фигурах») отчетливо видны срастания высоконикелевых камасита и тэнита в виде пересекающихся ламелей. В свою очередь, железно-каменные метеориты подразделяются на палласиты и мезосидериты. Палласиты имеют железно-никелевую основу с вкраплениями кристаллов минерала оливина, а у очень редких мезосидеритов, имеющих брекчиевидную структуру, никелистое железо ( 45 %) находится в виде включений в каменистой массе, содержащей гиперстен, анортит и некоторые другие минералы. По сравнению с земными образцами оливины в палласитах обеднены никелем и кальцием. Совершенно уникальными, не имеющими других аналогов, являются пироксеновые палласиты, у которых в матрице из никелевого железа, помимо оливина, заключены кристаллы пироксена. Особый интерес представляет упоминавшаяся ранее группы метеоритов-ахондритов, происхождение которых связывают с Луной и Марсом. Эти небольшие ударные фрагменты вещества дают уникальную возможность лабораторного изучения химического, минералогического состава и особенностей петрологии лунной и марсианской поверхностей. К настоящему времени найдено 135 образцов с Луны (общей 1) Несмотря на столь редкую встречаемость, железные метеориты составляют примерно 89,3 % от массы всех находок метеоритов.
246
Гл. 4. Малые тела
массой 55 кг) и около 100 образцов с Марса. Лунные образцы хорошо соответствуют трем типам пород: базальтам, троилитовым породам (анортозит-норит-троилит, ANT) и KREEP-породам (см. гл. 2). Марсианские метеориты обычно относят к шерготитам, наклитам и чассигнитам (shergottites, nakhlites и chassigny, SNC) (см. рис. 4.34). Они были найдены, главным образом, на ледяном щите Антарктиды. Происхождение лунных и марсианских SNC-метеоритов является, как полагают, следствием столкновения с Луной и Марсом достаточно крупных астероидов, энергии удара которых достаточно для того, чтобы обломки могли преодолеть даже гравитационное притяжение такой планеты, как Марс, составляющее 0,38 от земного. Такой сценарий подтверждает тот факт, что вещество марсианских метеоритов испытало ударное давление (от умеренного до высокого). Обломки беспорядочно блуждают в межпланетном пространстве в течение миллионов лет, прежде чем часть из них может встретиться с другими планетами, в частности, с Землей, и выпасть на ее поверхность. Антарктическое ледяное покрытие, сохранившее природную неприкосновенность, — наилучшее место для поиска метеоритов. Наиболее важным доказательством принадлежности найденных SNC-метеоритов к Марсу являются геохимические аргументы. В их основе — уникальный состав и изотопные отношения содержащихся в них газов, подобный составу марсианской атмосферы. В нескольких
Рис. 4.35. Диаграмма соответствия относительного содержания газа (в число част./см3 ), уловленного из вскрытых прожилок стекла и пустот образцов шерготтитовых метеоритов и газа в марсианской атмосфере, измеренного КА «Викинг». (С любезного разрешения Tony Irving, Университет Вашингтона)
Миграция и следствия
247
образцах ультраосновного шерготита были найдены небольшие количества различных газов, захваченные внутрь ударных трещин и полостей, состав которых, как оказалось, полностью соответствует составу газов в разреженной марсианской атмосфере, измеренному посадочным аппаратом «Викинг» (рис. 4.35). Специальные химические исследования минерального состава также подтверждают уникальные свойства образцов SNC-метеоритов и их связи с Марсом. Доказательствами служат узкий диапазон изотопного состава кислорода, отличный от состава любых других ахондритовых метеоритов; отсутствие металлического железа в минералах, обогащенных окислом железа (магнетит, хромит, ильменит); необычное отношение Fe/Mn в пределах пироксеновых и оливиновых минералов и, наконец, присутствие в образцах железо-сульфидного минерального пирротина вместо троилита, типичного для железосодержащих метеоритов.
Миграция и следствия Процессы миграции и столкновений с планетами. Орбитальные свойства малых тел отражают динамику регулярных и хаотических движений в Солнечной системе, проявляющуюся непосредственно через процессы миграции и постоянного переноса межпланетного вещества. Убедительным подтверждением этих широко распространенных явлений служит выпадение на планеты метеоритов и пыли, в частности, «природный транспорт» на Землю вещества с Луны и Марса. Миграция ответственна за столкновения комет и астероидов с планетами, оставляющими на их поверхности многочисленные шрамы в виде кратеров, борозд, выбросов. Эти процессы неразрывно связаны и с более драматическими событиями в геологической истории планет из-за соударений с ними более крупных тел. Подобные катастрофические события были в истории Земли, самым известным из которых, произошедшим на границе Мелового и Третичного периодов 65 млн лет назад, является Чиксулуб. Падения тел умеренных размеров происходят гораздо чаще, среди них Тунгусский метеорит упавший в 1908 г. и совсем недавнее Челябинское событие 2014 г. Примером катастрофических процессов столкновений в Солнечной системе, случившемся в новейшей истории, является выпадение на Юпитер в 1994 г. кометы Шумейкеров–Леви (рис. 4.36). Эта комета ранее была захвачена мощным гравитационным полем Юпитера и находилась на орбите в течение почти пятидесяти лет, но постепенно с ним сближалась и была, в конечном счете, разорвана на части приливными силами. Более 20 фрагментов выпали на планету, войдя в атмосферу со скоростью 64 км/с. Каждое сопровождалось зрелищными явлениями в виде огромной яркой вспышки, излучавшей в широком диапазоне длин волн. Энерговыделение оценивается в миллионы мегатонн в тротиловом эквиваленте (ТНТ). В атмосфере возникли долгоживущие вихревые образования, наблюдались возмущения в магнитосфере
248
Гл. 4. Малые тела
Рис. 4.36. Выпадение фрагментов кометы Шумейкеров–Леви 9, разорванной на части приливными силами при сближении с Юпитером на критическое расстояние (предел Роша) в 1994 г. Это событие наглядно иллюстрирует хаотический характер миграционных и столкновительных процессов в Солнечной системе. (С любезного разрешения NASA)
и полярные сияния. Это событие, так же как другие яркие пятна, периодически наблюдаемые на диске Юпитера и, возможно, вызванные падением малых тел, служат убедительным свидетельством разнообразия и динамичности их движений в Солнечной системе. С этим напрямую связаны и реальные угрозы Земле. При оценке угроз мы, естественно, обращаемся к статистике, основанной на доступных исторических данных. На рис. 4.37 приведен график в виде соотношения между размером тела и вероятности его выпадения на Землю, вместе с оценкой энерговыделения, мерой которого служит ТНТ. Потенциальную угрозу населению нашей планеты представляют тела размером более 20 м, если их падение происходит в густонаселенном районе. Они способны принести локальные разрушения, как показало падение Челябинского болида 1) поперечником 18 м, который взорвался над промышленным районом Урала в феврале 2013 г. (рис. 4.38). Тела размером в сотни метров способны нанести огромный ущерб инфраструктуре и природным ландшафтам, а километровые тела оказывают катастрофическое воздействие на биосферу и климат не 1) Болид — очень яркий светящийся метеорит, проходящий через земную атмосферу.
Миграция и следствия
249
Рис. 4.37. Оценка числа околоземных объектов различного размера и частоты их выпадения на Землю. Внизу — выделение энергии при соударении, соответствующей размеру тела. Все величины приведены в логарифмических шкалах. (С любезного разрешения NASA)
только вследствие прямого воздействия, но и из-за сопутствующих явлений, в первую очередь глобального экранирования притока солнечного излучения пылью и продуктами горения. Так, упомянутое выше событие Чиксулуб, вызванное падением астероида поперечником 10 км, привело к исчезновению, по оценкам, свыше 90 % видов в земной биосфере. Существует предположение о том, что биосфера смогла восстановиться благодаря деятельности микроорганизмов, прежде всего миксотрофов, способных, в отличие от фототрофов, приспособиться к экстремальным условиям окружающей среды. К сожалению, объекты размером менее сотни метров наблюдать трудно, они совершенно недостаточно каталогизированы и, следовательно, плохо предсказуемы. К сожалению, в каталоги занесены даже не все километровые объекты. Трудности предсказания объясняются упомянутой выше динамичностью этих тел, наиболее сильно подверженных гравитационному влиянию планет. До недавнего времени опасения вызывало прогнозируемое столкновение с Землей в 2036 г. астероида Апофис размером несколько сот метров. Более точные вычисления показали, однако, что угроза, по-видимому, преувеличена. Тем не менее, проблема астероидно-кометной опасности реально существует и привлекает к себе растущее внимание и озабоченность политиков и общественности. Первым шагом на этом пути является
250
Гл. 4. Малые тела
Рис. 4.38. Падение болида «Челябинск» 15 февраля 2013 г.: а — снимки инверсионного следа перед взрывом на высоте 23 км; б — самый большой фрагмент 500 кг, упавший в озеро Чебаркуль. (Снимки C. Колисниченко и К. Лоренца)
организация систематических наблюдений международной сетью телескопов потенциально опасных объектов, имеющих размеры больше примерно 20–30 м.
Миграция и следствия
251
Поиск околоземных астероидов является целью проекта широкоугольного обзора неба в инфракрасной области спектра WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer), названного также NEOWISE. В 2011 г. был завершен двукратный обзор всего неба, что, помимо регистрации NEO, предоставило астрономам возможность детально изучать ИК-характеристики объектов Вселенной от ближайших звезд до удаленных галактик. Проект NEOWISE является этапом на пути реализации нового проекта, названного AIIWISE. Кроме того, вскоре на обсерватории Мауна Лоа на Гавайях (Mauna Loa, Hawaii) должен начать работу второй из серии трех телескопов по программе предупреждения астероидной опасности ATLAS (Asteroid Terrestrial-Impact Last Alert System). Первый функционирует на одном из Гавайских островов Мауи на вулкане Халеакала (Maui Haleakala), а третий будет установлен в Южной Африке. Следующим шагом может стать разработка активной системы защиты Земли, названной «Космический патруль» (Spaceguard). В международных научных кругах обсуждаются возможные варианты осуществления такой идеи. Помимо этого, NASA планирует проведение эксперимента по захвату при помощи КА, оснащенного своего рода неводом, относительно небольшого ( 500 т) астероида и транспортировки его на окололунную орбиту для последующих детальных исследований астронавтами. Влияние на эволюцию планет. Очевидно, миграции, связанный с ними перенос вещества и катастрофические ударные события оказали сильное влияние на эволюцию планет земной группы. Более того, такой перенос мог быть главным источником образования их атмосфер и гидросфер. Действительно, при рассмотрении эволюции ранней Солнечной системы обычно предполагается, что при аккумуляции планет земной группы газовые компоненты, захваченные из протопланетного облака и образовавшие их первичные атмосферы, были затем потеряны. Убедительным свидетельством такой потери служит тот факт, что распространенность инертных газов и их изотопный состав в существующих вторичных атмосферах резко отличаются от солнечного, аналогичного протопланетному веществу. Несомненно, дегазация из недр внесла существенный вклад в формирование газовых оболочек этих планет. Вместе с тем, оценки показывают, что температуры в зоне формирования Земли и планет земной группы с учетом остаточного газа диска на ранней стадии эволюции достигали 600 K. При столь высокой температуре и относительно небольшой массе этих планет легкие атмофильные элементы убегали в космос путем джинсовской диссипации 1), вследствие чего могли быть утрачены летучие с низкой и умеренной температурой конденсации, такие как вода, азот-, 1) Диссипацией Джинса называют тепловое улетучивание газов из планетной атмосферы
252
Гл. 4. Малые тела
углерод-, серосодержащие и другие. В частности, вода могла конденсироваться из протосолнечного диска при температуре 150 К. Подтверждением такого сценария служит совпадение относительных содержаний основных породообразующих элементов в Земле (Si, Ti, Al, Mg, Ca) с солнечным и хондритовым составом метеоритов и значительное (в 4–6 раз) обеднение вещества Земли умеренно летучими (Na, K, S и др.) 1). Между тем, на Земле обильные гидросфера и атмосфера, и они могли образоваться за счет экзогенного источника летучих. Возможность такого сценария подтверждается результатами численного моделирования. Оно показывает, что интенсивная бомбардировка ранней Земли и других планет кометами и гидратированными астероидами, особенно в период LHB 4 млрд лет назад, могла внести существенный вклад в доставку воды и летучих элементов, компенсировав тем самым их дефицит в области формирования планет земной группы. В основе такого подхода лежит механизм гетерогенной аккреции, другими словами, накопление на заключительной стадии формирования внутренней планеты в первые десятки миллионов лет примитивных планетезималей, обогащенных летучими и мигрирующих из внешних областей Солнечной системы. Это позволяет объяснить накопление летучих в атмосфере и гидросфере. Некоторые специалисты связывают с метеоритной бомбардировкой даже обогащение Земли полезными ископаемыми, в первую очередь металлами, вынос которых к поверхности произошел в ходе масштабных конвективных процессов в мантии. Заметим, что миграция малых тел и пыли могла также внести свой вклад в решение проблемы происхождения жизни, причем кометы рассматриваются как наиболее вероятные курьеры ее примитивных форм. Ключевым элементом механизма гетерогенной аккреции является орбитальная динамика обогащенных летучими малых тел (комет и астероидов класса углистых хондритов), мигрирующих внутрь Солнечной системы из пояса Койпера и, возможно, также из Главного пояса астероидов на ранних стадиях его эволюции, когда он, вероятно, был иным по своей структуре. Большое содержание воды в кометах является очевидным, как и в углистых хондритах. Вода содержится и в метеоритах других классов, о чем свидетельствует, например обнаружение включений минерала опала (содержащего до 30 % Н2 О) в антарктическом метеорите EET 83309, состоящем из сильно раздробленных пород — вероятно, родительского астероида. Моделирование показывает, что тела, рассеянные из пояса Койпера, первоначально захватывались на орбиты, пересекающие орбиту Юпитера, пополняя его зону питания, а часть их перемещалась к Солнцу, пополняя семейства 1) Другой сценарий допускает возможность сохранения при высоких температурах воды и умеренно летучих за счет сорбирования воды из газовой фазы силикатными зернами.
Миграция и следствия
253
астероидов Главного пояса и NЕО. Подобную же миграцию испытывали на ранней стадии эволюции первичные тела-планетезимали из зоны питания Юпитера и Сатурна. Расчеты свидетельствуют также о довольно высокой вероятности столкновений малых тел между собой и с планетами, что подтверждает идею о примерно постоянном источнике осколков и пыли, мигрирующих в межпланетной среде. В частности, в современную эпоху один объект размером 100 м может сталкиваться с Землей каждые 0, 5 млн лет (что согласуется с оценками на диаграмме рис. 4.27), и несколько меньшие вероятности были получены для Марса и Венеры. Интересно, что один из каждых 300 объектов, мигрирующих по направлению к Солнцу (преимущественно комет), при сближении с ним сгорают в солнечной атмосфере — это так называемые объекты, «царапающие Солнце» (Sun grazers). Главный вывод, следующий из модели гетерогенной аккреции, состоит в том, что за счет экзогенного источника было принципиально возможно наполнить океаны Земли и создать ее атмосферу. Расчетная оценка вероятности столкновения с Землей тела, пересекающего орбиту Юпитера в период LHB, с учетом его динамического времени жизни составляет 4 10 6 . Исходя из этой оценки и предполагая, что общая масса таких тел была 100 E ( E — масса Земли), получаем общую массу тел, столкнувшихся с Землей 0,0004 E . Допуская далее, что содержание водяного льда составляло приблизительно половину этой общей массы, получаем массу воды, доставленную на Землю 2 1024 г. Это почти в 1,5 раза больше, чем объем Мирового океана. Аналогичные оценки, сделанные для Венеры и Марса, показывают, что каждая из этих планет получила приблизительно ту же массу воды в расчете на единицу массы планеты. Эти оценки согласуются с представлениями о существовании на них древних океанов (см. гл. 2). Однако на Венере океан был потерян вследствие развившегося необратимого парникового эффекта, а на Марсе, возможно, захоронен в его криосфере из-за катастрофического изменения климата. Естественно, полученные оценки количества воды, доставленной на Землю кометами/астероидами, справедливы лишь по порядку величины. Важно, однако, подчеркнуть, что в своей основе кометная модель является вполне реалистичной, а ошибка вряд ли может достигать порядка величины. Вместе с тем, эта модель встречается с определенными трудностями. Они касаются отношения дейтерия к водороду (D/H), полученному из измеренных в кометах содержаний H2 O и HDO. У 6 из 11 исследованных комет, в частности у комет Хякутакэ и Хейла–Боппа, оно оказалось в два раза (2,96 10 4 ), а у кометы Чурюмова–Герасименко даже в три раза (5,3 10 4 ) выше, чем на Земле (D/H 1,57 10 4 ). Это отношение отвечает соотношению дейтерия к водороду в земных океанах и используется как стандартная величина SMOW (Standard Mean Ocean Water) (см. рис. 4.30) Между тем, измерение отношения D/H в комете Хартли-2 при помощи космического телескопа «Гершель» дало величину 1,57 10 4 , аналогичную
254
Гл. 4. Малые тела
SMOW 1). Полученные различия объяснить, вообще говоря, сложно. Высказывалось предположение, что причиной могли бы быть различные условия формирования коротко- и долгопериодических комет в семействах планет-гигантов и в Облаке Оорта, в частности, что кометы JFC семейства Юпитера сформировались во внутренних областях протопланетного диска при других температурах, влияющих на отношение D/H. Тем не менее, вопрос остается открытым и очевидно, что его решение напрямую связано с ключевыми проблемами эволюции вещества в Солнечной системе. Что касается потенциального источника воды и других летучих на Земле, то подчеркнем еще раз, что, помимо комет, важную роль могли также сыграть гидратированные астероиды из Главного пояса. Экзогенный механизм поступления воды и летучих на Землю и другие планеты земной группы подкрепляется обнаружением большого содержания воды во внешних холодных областях протопланетного диска около одной из молодых звезд в созвездии Гидры (TW Hydra), удаленном от нас всего на 176 световых лет. Это открытие было сделано недавно при помощи гетеродинного инфракрасного детектора HIFI, установленного на космической обсерватории «Гершель» (Hershel Space Telescope). Как показали измерения, эти внешние области зарождающейся планетной системы заполнены облаками водяного пара, при конденсации которого может образоваться столько комет, что они с лихвой заполнят безводные планеты в окрестности звезды — его общее содержание оценивается в тысячи земных океанов. Обсуждая миграционную модель, мы далеки от утверждения, что этот источник был единственным. Несомненно, определенное влияние могла оказать дегазация из недр в процессе эволюции, и поэтому, как было сказано выше, надежно оценить относительный вклад эндогенного и экзогенного источников едва ли возможно. Нельзя, например, исключить, что вода содержалась в минералах пылевых частиц (например, в оливине), в дальнейшем — в планетезималях, из которых слагались планеты. В частности, оливин способен удерживать воду при температуре в несколько сот градусов и мог стать источником воды в мантии при высоких давлении и температуре. В пользу вероятного вклада поступления воды из земной мантии, запасенной в ней на самых ранних этапах эволюции, свидетельствует присутствие воды в изверженных на поверхность лавах, в которых отношение дейтерия к водороду оказалось, однако, на 22 % ниже (122 против 156 ppm), чем в океанической воде (SMOW), Возможно это различие связано с тем, что, связь дейтерия с водородом повышается с понижением температуры, а значит, в холодных периферийных областях Солнечной системы отношение D/H должно быть выше. И наоборот, в более 1) Отношение D/H, вдвое превышающее SMOW, измерено в гейзерах/плюмажах Энцелада.
Миграция и следствия
255
горячей зоне формирования Земли оно было ниже, чем за линией SNOW, где образовывались кометы, а океанического содержания дейтерия Земля достигла за счет фракционирования первичных молекул воды в процессе дегазации. Неоднозначна и количественная оценка вклада комет в состав верхних оболочек планет земной группы и их атмосфер. В частности, по мнению ряда исследователей, данные кометы 67/Р свидетельствуют о влиянии экзогенных летучих на содержание в атмосферах внутренних планет инертных газов, но в то же время ограничивают вклад этого источника в валовое содержание воды, азота и углерода на уровне нескольких процентов. Как видим, пока трудно сделать выбор между миграционной моделью с определяющей ролью комет и астероидов состава углистых хондритов в доставку на Землю воды и летучих, и альтернативой модель, согласно которой Земля получила воду изначально. На это указывает, в частности, изучение продуктов высокомагнезиального вулканизма — ряда геохимических характеристик коматиитово-базальтовых ассоциаций, как наиболее характерных образований архейских зеленокаменных поясов. Найдены свидетельства того, что образование в них оливинов происходило при температуре плавления, отвечающей парциальному отношению воды в верхней мантии свыше 0,5 %, что означало бы ее большое абсолютное содержание. С этой гипотезой согласуется модель, согласно которой в переходной зоне между верхней и нижней мантией ( 650–400 км) находится слой воды / гидроксильной группы в составе редкого минерала земной мантии рингвудита. Ряд исследователей допускает, что содержание воды в земной мантии могло бы достигать 50 масс земных океанов. Заметим, что в этом случае даже при ее небольшом поступлении на поверхность добавление кометной воды не сильно изменит отношение D/H. Другая модель исходит из гипотезы, что Земля сформировалась из вещества, аналогичного по составу астероиду Веста. Аргументом в пользу последней служит одинаковый с Землей и углистыми хондритами изотопный состав водорода в минерале апатите, содержащемся в метеоритах-эвкритах, источником которых является Веста, а Веста, как известно, обогащена водой. Значит, по мнению авторов этой модели, Земля сформированная в близкой к Весте внутренней области Солнечной системе и имеющая схожий с ней состав летучих — водорода, азота и углерода — также получила воду из углистых хондритов буквально в первые десятки миллионов лет после образования, и эта вода наполнила ее древние океаны. При этом не учитывается, однако, тот факт, что температура в зоне формирования Земли была существенно выше, чем в зоне Весты, и это обусловило обсуждавшуюся выше большую вероятность потери воды и летучих, с последующей компенсацией за счет их поступления из-за линии SNOW. Кроме комет и астероидов, важная роль в процессах миграции принадлежит частицам пыли. Относительная доля кометных и транснептуновых частиц, содержащих 10 % летучих в своем составе, составляет
256
Гл. 4. Малые тела
сравнительно небольшую долю в общем балансе пыли, выпадающей на внутренние планеты. Оценки, полученные на основе численного моделирования миграции пылевых частиц, показали, что, по сравнению с другими малыми телами, вклад пыли в доставке летучих меньше на три-четыре порядка. Пылевые частицы могли быть более эффективными в приносе на Землю органического или даже биогенного вещества. Дело в том, что они значительно меньше нагреваются при входе в планетную атмосферу под относительно небольшим углом атаки, поскольку у них выше отношение поверхности к объему. Не менее интригующей является возможность обмена малыми телами, в том числе пылью, между различными планетными системами. Механизм переноса «семян жизни» сквозь космическую среду и оседания на планетах известен как литопанспермия. Теоретические оценки переходов с низкоэнергетических квазипараболических орбит показывают осуществимость транспорта тел, первоначально встроенных в звездный кластер. Подобная ситуация может возникать у кластеров молодых звезд с формирующимися планетными системами, как это могло быть у нашего Солнца вскоре после его рождения. В этом случае ранняя Солнечная система могла получить экзосолнечные планетезимали (если таковые были), служившие семенами для зарождения микробной биосферы. Так или иначе, малые тела рассматриваются как переносчики добиотического вещества и позволяют расширить представления о многообразии процессов, с которыми связана фундаментальная проблема происхождения жизни. Мы обсудим ее более подробно в гл. 9.
Г л а в а 5.
СОЛНЦЕ И ГЕЛИОСФЕРА
Солнце как звезда. Общие свойства Солнце — центральное светило, вокруг которого обращаются все планеты и малые тела Солнечной системы. Это не только центр тяготения, но и источник энергии, обеспечивающий тепловой баланс и природные условия на планетах, в том числе жизнь на Земле. Движение Солнца относительно звезд (и горизонта) изучалось с древних времен, чтобы создавать календари, которые люди использовали, прежде всего, для сельскохозяйственных нужд. Григорианский календарь, в настоящее время используемый почти повсюду в мире, является по существу солнечным календарем, основанным на циклическом обращении Земли вокруг Солнца 1). Визуальная звездная величина Солнца равна 26,74 , и оно является самым ярким объектом на нашем небе. Солнце — рядовая звезда, находящаяся в нашей галактике, называемой просто Галактика или Млечный Путь, на расстоянии 2/3 от ее центра, что составляет 26 000 световых лет, или 10 кпк, и на расстоянии 25 пк от плоскости Галактики. Оно обращается вокруг ее центра со скоростью 220 км/с и периодом 225–250 миллионов лет (галактический год) по часовой стрелке, если смотреть со стороны северного галактического полюса (рис. 5.1 а). Орбита является, как предполагают, приблизительно эллиптической и испытывает возмущения галактических спиральных рукавов из-за неоднородных распределений звездных масс. Кроме того, Солнце совершает периодические перемещения вверх и вниз относительно плоскости Галактики от двух до трех раз за оборот. Это приводит к изменению гравитационных возмущений и, в частности, оказывает сильное влияние на устойчивость положения объектов на краю Солнечной системы. Это служит причиной вторжения комет из Облака Оорта внутрь Солнечной системы, что ведет к увеличению ударных событий (см. гл. 4, 9). Вообще же, с точки зрения различного рода возмущений, мы находимся в довольно благоприятной зоне в одном из спиральных рукавов нашей Галактики на расстоянии 2 3 от ее центра (рис. 5.1 б). В современную эпоху Солнце расположено вблизи внутренней стороны рукава Ориона, перемещаясь внутри Местного Межзвездного Облака (ММО), заполненного разреженным горячим газом, возможно 1) Григорианский календарь, как система исчисления времени, был введен в католических странах папой римским Григорием XIII 4 октября 1582 года взамен прежнего юлианского календаря, и следующим днем после четверга 4 октября стала пятница 15 октября. Согласно григорианскому календарю продолжительность года равна 365,2425 суток и 97 из 400 лет — високосные.
258
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
Рис. 5.1. а — Солнечная система в галактике Млечный Путь; б — наше место в Галактике на примере сопоставимой по размерам и конфигурации Туманности Андромеды. (Согласно G. Fazio и Википедии)
остатком взрыва сверхновой (рис. 5.2). Как мы увидим в гл. 10, эту область называют галактической обитаемой зоной. Солнце движется в Млечном Пути (относительно других близких звезд) по направлению к звезде Вега в созвездии Лира под углом приблизительно 60Æ от направления к галактическому центру; его называют движением к апексу.
Солнце как звезда. Общие свойства
259
Рис. 5.2. Ближайшие окрестности Солнца. (Википедия)
Интересно, что, так как наша Галактика также перемещается относительно космического микроволнового фонового излучения (CMB — Cosmic Microvawe Background, см. гл. 11) со скоростью 550 км/с в направлении созвездия Гидры, результирующая (остаточная) скорость Солнца относительно CMB составляет около 370 км/с и направлена к созвездию Льва. Заметим, что Солнце в своем движении испытывает небольшие возмущения от планет, прежде всего Юпитера, образуя с ним общий гравитационный центр Солнечной системы — барицентр, расположенный в пределах радиуса Солнца. Каждые несколько сотен лет барицентрическое движение переключается от прямого (проградного) к обратому (ретроградному). Солнце сформировалось примерно 4,5 млрд лет назад, когда быстрое сжатие облака молекулярного водорода под действием гравитационных сил привело к образованию в нашей области Галактики переменной звезды первого типа звездного населения — звезды типа T Тельца (T Tauri). После начала в солнечном ядре реакций термоядерного синтеза (превращения водорода в гелий) Солнце перешло на главную
260
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
последовательность диаграммы Герцшпрунга–Рассела (ГР) (см. гл. 6). Солнце классифицируется как желтая карликовая звезда класса G2V, которая кажется желтой при наблюдении с Земли из-за небольшого избытка желтого света в ее спектре, вызванного рассеянием в атмосфере синих лучей. Римская цифра V в обозначении G2V означает, что Солнце принадлежит главной последовательности ГР-диаграммы. Как предполагают, в самый ранний период эволюции, до момента перехода на главную последовательность, оно находилось на так называемом треке Хаяши, где сжималось и, соответственно, уменьшало светимость при сохранении примерно той же самой температуры 1). Следуя эволюционному сценарию, типичному для звезд низкой и средней массы, находящихся на главной последовательности, Солнце прошло примерно половину пути активной стадии своего жизненного цикла (превращения водорода в гелий в реакциях термоядерного синтеза), составляющего в общей сложности примерно 10 млрд лет, и сохранит эту активность в течение последующих приблизительно 5 млрд лет. Солнце ежегодно теряет 10 14 своей массы, а суммарные потери на протяжении всей его жизни составят 0,01 % 2). По своей природе Солнце — плазменный шар диаметром приблизительно 1,5 млн км. Точные значения его экваториального радиуса и среднего диаметра составляют соответственно 695 500 км и 1 392 000 км. Это на два порядка больше размера Земли и на порядок больше размера Юпитера. Средний угловой размер Солнца при наблюдении с Земли равен 31 59 и изменяется в пределах от 31 27 до 32 31 , а наклон оси вращения к эклиптике 7,25Æ . Солнце вращается вокруг своей оси против часовой стрелки (если смотреть с Северного полюса мира), скорость вращения внешних видимых слоев составляет 7 284 км/час. Сидерический период вращения на экваторе равен 25,38 сут., в то время как период на полюсах намного длиннее — 33,5 сут., т. е. атмосфера на полюсах вращается медленнее, чем на экваторе. Это различие возникает из-за дифференциального вращения, вызванного конвекцией и неравномерным переносом масс из ядра наружу, и связано с перераспределением углового момента. При наблюдении с Земли кажущийся период вращения составляет приблизительно 28 дней. Дифференциальное вращение влияет на структуру магнитного поля и, в частности, приводит к закручиванию магнитных силовых линий. Петли магнитного поля, проецируемые к поверхности Солнца, вызывают солнечные пятна и протуберанцы. По существующим 1) Согласно теории звездной эволюции, менее массивные звезды, чем Т Тельца, также переходят к MS по этому треку. 2) Очень массивные звезды могут терять 10 7 –10 5 ежегодно, тогда как звезды, масса которых менее 0,25 (красный карлик), выжигают в качестве топлива почти всю свою массу, но за более длительное время. Это связано с различным характером эволюции и временем жизни, которое гораздо короче для массивных звезд и наоборот (подробнее см. гл. 6).
Солнце как звезда. Общие свойства
261
представлениям, за генерацию солнечного магнитного поля ответственна разновидность магнитного гидродинамического динамо, сочетающего взаимодействие полоидального и тороидального полей во внутренней конвективной зоне Солнца. С механизмом динамо связан 11-летний цикл солнечной активности и изменение полярности магнитного поля Солнца каждые 11 лет. Фигура Солнца почти сферическая, ее сплюснутость незначительная, всего 9 миллионных долей. Это означает, что его полярный радиус меньше экваториального только на 10 км. Масса Солнца равна 1,99 1033 г ( 330 000 масс Земли), а средняя плотность составляет 1,41 г/см3 (почти в 4 раза меньше плотности Земли). Солнце заключает в себе 99,86 % массы всей Солнечной системы. Ускорение силы тяжести (на экваторе) 274,0 м/с2 (27,94 E ), вторая космическая скорость 617,7 км/с (в 55 раз больше, чем для Земли). Эффективная температура солнечной «поверхности» ( eff 5 777 K) относится к видимому слою — фотосфере, в то время как температура в центре ядра 1,57 107 K, а температура внешней атмосферы 6 (короны) 5 10 K. При столь высоких температурах газы находятся в плазменном состоянии. Фотосфера, в основном, ответственна за все испускаемое излучение, поскольку газ, находящийся выше фотосферы, слишком холодный и слишком разряженный, чтобы излучать существенное количество света. Яркость Солнца огромна, она составляет 3,85 1033 эрг/с и примерно соответствует планковскому излучению черного тела при температуре 6 000 K. Спустя примерно 1 млрд лет после выхода на Главную последовательность (по оценкам между 3,8 и 2,5 млрд лет тому назад) яркость Солнца увеличилась примерно на 30 %. Совершенно очевидно, что с изменением светимости Солнца напрямую связаны проблемы климатической эволюции планет. Особенно это касается Земли, температура на поверхности которой, необходимая для сохранения жидкой воды (и, вероятно, происхождения жизни), могла быть достигнута только за счет более высокого содержания в атмосфере парниковых газов, чтобы компенсировать низкую инсоляцию. Эта проблема носит название «парадокса молодого Солнца». В последующий период яркость Солнца (также как и его радиус) продолжали медленно расти. По существующим оценкам, Солнце становится приблизительно на 10 % ярче каждые один миллиард лет. Соответственно, поверхностные температуры планет (включая температуру на Земле) медленно повышаются. Примерно через 3,5 млрд лет от настоящего времени яркость Солнца возрастет на 40 %, и к этому времени условия на Земле будут подобны условиям на сегодняшней Венере. В настоящее время количество энергии, приходящейся на единицу площади поверхности Земли (солнечная постоянная, относящаяся к верхней границе атмосферы), составляет 1 368 Вт м 2 , или 2 кал см 2 мин 1 . Это примерно одна миллиардная часть мощности солнечного излучения. В течение 11-летнего солнечного цикла (см. ниже)
Рис. 5.3. Эволюция Солнца до, в период и после нахождения на главной последовательности. (С любезного разрешения NASA)
262 Гл. 5. Солнце и гелиосфера
Структура и энергия
263
солнечная постоянная изменяется незначительно, в пределах 0,2 %, хотя существенно изменяется спектральный состав излучения, прежде всего в УФ- и рентгеновском диапазонах длин волн. Эти небольшие в энергетическом отношении диапазоны оказывают решающее воздействие на состояние верхней атмосферы и околопланетного космического пространства. Атмосфера и облака ослабляют солнечный свет почти экспоненциально, и количество энергии, достигающей земной поверхности, почти на 30 % меньше ( 1000 Вт/м2 , чем при ясной погоде и когда Солнце находится вблизи зенита. К концу своей жизни Солнце перейдет в состояние красного гиганта. Водородное топливо в ядре будет исчерпано, его внешние слои сильно расширятся, а ядро сожмется и нагреется. Водородный синтез продолжится вдоль оболочки, окружающей гелиевое ядро, а сама оболочка будет постоянно расширяться. Будет образовываться все большее количество гелия, и температура ядра будет расти. При достижении в ядре температуры 100 миллионов градусов начнется горение гелия с образованием углерода. Это, вероятно, заключительная фаза активности Солнца, поскольку его масса недостаточна для начала более поздних стадий ядерного синтеза с участием более тяжелых элементов — азота и кислорода (см. гл. 6). Из-за сравнительно небольшой массы жизнь Солнца не окончится взрывом сверхновой звезды. Вместо этого будут происходить интенсивные тепловые пульсации, которые заставят Солнце сбросить внешние оболочки, и из них образуется планетарная туманность. В ходе дальнейшей эволюции образуется очень горячее вырожденное ядро — белый карлик, лишенный собственных источников термоядерной энергии, с очень высокой плотностью вещества, который будет медленно охлаждаться и, как предсказывает теория, через десятки миллиардов лет превратится в невидимый черный карлик. Последовательность процессов эволюции нашего Солнца показана на рис. 5.3. Более подробное обсуждение процессов звездной эволюции содержится в гл. 6.
Структура и энергия В Солнце выделяют следующие основные области: внутреннее ядро, зона лучистого переноса, конвективная зона, фотосфера, хромосфера и корона, из них две последние образуют солнечную атмосферу (рис. 5.4). Исторически наблюдались только верхние слои Солнца, в то время как внутренние структуры были недоступны для измерений. Огромные успехи были достигнуты, начиная со второй половины прошлого века. Космонавтика предоставила возможность наблюдать Солнце во всем диапазоне длин волн, а метод гелиосейсмологии позволил изучать внутреннее строение, недоступное для проникновения электромагнитных волн. Было запущено свыше 20 космических аппаратов, которые обеспечили почти непрерывные наблюдения Солнца. Среди них надо назвать,
264
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
Рис. 5.4. Объемное строение Солнца. (С любезного разрешения NASA)
в первую очередь, «Пионер» (Pioneer), «Скайлэб» (Skylab), Yohkoh, известный также как «Solar-A», «Улисс» (Ulysses), SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), «КОРОНАС-Фотон», STEREO (Solar TErrestrial RElations Observatory), SDO (Solar Dynamics Observatory), «Хиноде» (Hinode). Они позволили получать детальные изображения Солнца, измерять излучение во всех диапазонах спектра, его магнитную активность и динамику, включая полярные области, которые являются весьма информативными, но до недавнего времени были недоступны для наблюдений. Открылись возможности проводить постоянный мониторинг солнечной деятельности, количественно характеризовать различные проявления солнечной активности и оценивать, как явления на Солнце влияют на Землю и другие планеты. Гелиосейсмические исследования были проведены с использованием наземных и орбитальных солнечных обсерваторий. В общих чертах они напоминают известные сейсмологические методы, используемые для изучения внутреннего строения Земли. Метод гелиосейсмологии сводится к измерениям инфразвуковых акустических волн, приходящих из недр Солнца, что позволяет «визуализировать» его внутреннюю структуру. Наиболее информативными являются волны с периодом 3–6 мин, возникающие внутри конвективной зоны и испытывающие отражение и преломление в фотосфере. В совокупности с компьютерным моделированием эти данные позволяют изучать температуру, давление
265
Структура и энергия
и динамику различных слоев внутри Солнца. Они значительно расширили наши представления о физических механизмах, лежащих в основе солнечной деятельности. Структура основных областей показана на рис. 5.5. Ядро в центре Солнца занимает приблизительно 20–25 % солнечного радиуса. Его температура равна 15 106 K, а плотность составляет 150 г/см3 . При столь высокой температуре происходит ядерный синтез на основе протон-протонной ( ) реакции, при которой два протона и два нейтрона водорода превращаются в ядра гелия (альфа частицы), с выделением большого числа элементарных частиц и свободной энергии, поскольку масса конечных продуктов реакции меньше исходной массы вступающих в нее частиц водорода. Последовательность этой цепной реакции выглядит следующим образом: 41 H 22 H 2 2!
4,0 МэВ 1,0 МэВ , 2 H 2 H 2 He 2" 5,5 МэВ , 23 He 4 He 21 H 12, 9
1
2
3
Суммарно эти реакции записываются в виде: 41 H 4 He 2 2" 2!
26,7 МэВ
Здесь H и He — изотопы водорода и гелия соответственно, e обозначает позитрон (античастицу электрона с массой, равной массе электрона, электрическим зарядом 1 и спином 1 2 , " — гамма-квант, ! — нейтрино. Нейтрино — электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя, близкой к нулю, спином 1 /2 и почти нулевым магнитным моментом, принадлежащая, так же как электрон и позитрон, к группе лептонов (см. гл. 11) 1). Открытие нейтрино устранило кажущееся несоответствие испускаемых # -электронов законам сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Анализируя приведенную реакцию, следует иметь в виду, что энергия в десятки миллионов электрон-вольт (МэВ), выделяющаяся в этой реакции, на самом деле составляет лишь незначительное количество энергии. Однако полная энергия, постоянно производимая огромным числом этих реакций, чрезвычайно велика, и ее достаточно, чтобы поддерживать мощное излучение Солнца. Как уже говорилось, на заключительной активной стадии эволюции этот процесс сменится горением гелия с образованием углерода, которое, однако, будет продолжаться недолго. 1)
Гипотеза о существовании нейтрино (маленькой нейтральной частицы, или маленького нейтрона, названной так Э. Ферми) была выдвинута выдающимся физиком В. Паули на основании экспериментов Дж. Чедвика -распаду ядер и впервые экспериментально подтверждена америпо канцем Дж. Алленом по методике, предложенной советскими физиками А.И. Алихановым и А.И. Алиханьяном.
266
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
В настоящее время преобразование протонов в альфа-частицы происходит со скоростью 3,7 1038 протонов в секунду. Для поддержания этой реакции Солнце сжигает 400 миллионов тонн водорода каждую секунду, из этой массы 0,7 % преобразуется в энергию ( 4,3 млн тонн, что эквивалентно 9,2 1010 мегатонн тринитротолуола в секунду), чтобы произвести вышеупомянутое количество энергии 3,85 1033 эрг/с или 3,85 1026 Вт. Интересно, что при такой скорости Солнце уже преобразовало в энергию материю порядка 100 земных масс. Тем не менее, это количество вещества незначительно по сравнению с массой Солнца, и оно будет в состоянии поддерживать горение в течение следующих 5 млрд лет. Не будем забывать, что самоподдерживающаяся термоядерная реакция в недрах Солнца протекает довольно медленно — этим она отличается от реакции в водородной бомбе. Громадное количество производимой Солнцем энергии объясняется его большим размером, а не высоким энерговыделением на единицу объема. Энергия, генерируемая за счет -реакции в ядре, переносится наружу последовательно через излучающий и конвективный слои к фотосфере, с поверхности которой она испускается в виде солнечного света и кинетической энергии частиц плазмы (рис. 5.5). Каждый гамма-фотон, по оценкам, рождает миллионы фотонов оптической длины волны. В отличие от нейтрино, несущих приблизительно 2 % полной энергии,
Рис. 5.5. Внутренняя структура Солнца и названия главных областей. Показаны некоторые явления, связанные с солнечной деятельностью. (С любезного разрешения NASA)
Структура и энергия
267
произведенной в солнечном ядре, и достигающих фотосферы за 2 секунды, электромагнитному излучению требуется для этого значительно большее время — приблизительно 107 лет. Происходит это потому, что солнечные недра непрозрачны как для гамма-лучей, первоначально выделяемых в ядерной реакции, так и для производимых вследствие переизлучения фотонов более низких энергий, которые в видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра излучаются с поверхности фотосферы в космос. Еще больше времени ( 30 000 000 лет) требуется для переноса энергии с участием фотонов, находящихся в состоянии термодинамического равновесия с окружающей материей. Заметим, что в течение многих лет физиками активно обсуждался так называемый парадокс солнечных нейтрино. Дело в том, что регистрируемое число нейтрино на Земле было в два-три раза меньше теоретической величины, предсказываемой стандартной солнечной моделью. Эта проблема недавно была успешно решена, после того как было найдено, что нейтрино «изменяют вид» с момента их обнаружения. Другими словами, учет всех трех типов существующих нейтрино и их осцилляций в веществе позволил согласовать модель с эмиссией выделяющихся нейтрино. Этот результат был получен на нейтринной обсерватории SNO (Sudbury Neutrino Observatory) консорциума канадских, американских и британских университетов, расположенной под землей на глубине два километра в никелевом руднике. Для детектирования нейтрино измерялось черенковское излучение (вспышки) в резервуаре, наполненном тяжелой водой (в молекуле которой один атом водорода заменен его стабильным изотопом дейтерием D c атомной массой 2) и водой. В отличие от прошлых экспериментов, детектор SNO чувствителен не только к электронным нейтрино, образующимся в процессе слияния ядер, но и к двум другим типам — мюонным и тау-нейтрино. Данные SNO показали, что общее число обнаруженных нейтрино равно числу излучаемых Солнцем электронных нейтрино, предсказанному теоретической моделью, но часть нейтрино переходит, или осциллирует, в два других типа нейтрино во время распространения от Солнца к Земле. Излучающая зона простирается от верхней границы ядра с глубины приблизительно 0,25 солнечного радиуса до расстояния примерно 0,70 радиуса. Эта зона еще достаточно плотная и очень горячая: плотность в ней падает в сто раз, от 20 до 0,2 г/см3 , а температура снижается от 7 до 2 миллионов градусов. Однако вертикальный градиент температуры во всей зоне является субадиабатическим, что предотвращает развитие конвекции. Перенос тепла вверх обеспечивается тепловым потоком излучения в среде, обладающей высокой непрозрачностью, при которой фотоны, испускаемые ионами водорода и гелия, имеют очень малую длину свободного пробега, прежде чем снова поглотятся другими ионами, с чем связан очень медленный перенос тепла. Верхняя граница радиационной зоны (тахоклин) отделяет область почти равномерного вращения тела в радиационной зоне от дифференциального
268
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
вращения в расположенной выше конвективной зоне, где возникают сдвиговые течения и турбулентность. Предполагается, что именно в этом слое генерируется (по крайней мере, частично) магнитное поле за счет солнечного магнитного динамо. В конвективной зоне происходит передача тепловой энергии от горячей нижней границы к относительно более холодной фотосфере путем гидродинамического механизма конвекции, а не радиацией. Конвекция значительно более эффективна в переносе тепла. Плазма в этой зоне не достаточно плотная и горячая, температура на поверхности фотосферы падает приблизительно до 5 800 K, а плотность становится равной 2 10 7 г/см3 , что составляет всего лишь одну десятитысячную часть от плотности воздуха на поверхности Земли. В процессе конвекции образуются ячейки Бенара, что обеспечивает как восходящие потоки горячей плазмы вверх к поверхности, так и нисходящие потоки холодной плазмы от поверхности вниз. Нисходящий поток достигает границы тахоклина, где он нагревается, и горячая плазма снова поднимается вверх. Конвективные ячейки формируют термальные колонки, следы которых видны на солнечной поверхности в виде многочисленных шестигранных призм. Этот процесс называется гранулированием. Гранулы имеют более высокую температуру, чем окружающие их области. Как мы уже говорили, фотосфера представляет собой видимую поверхность Солнца толщиной от десятков до сотен километров, что составляет только 0,05 % солнечного радиуса со спектром излучения почти черного тела с температурой 5 777 K (рис. 5.6). У нее немногим меньшая непрозрачность, чем у атмосферы Земли, из-за резкого уменьшения количеств ионов H , которые являются сильным поглотителем света в видимом диапазоне длин волн. Для Солнца характерен хорошо известный в астрономии эффект потемнения диска к лимбу, поскольку оптическая толща для приходящего из глубоких слоев более горячего излучения больше на краю солнечного диска, чем в центре. Поэтому изображения Солнца выглядят ярче в центре, чем на лимбе, где температура ниже. Также более низкую температуру по сравнению с окружающими областями имеют темные пятна, которые периодически появляются на солнечном диске. Исторически для регистрации их количества, отражающего уровень солнечной активности, используются числа Вольфа, хотя в качестве индекса солнечной активности более широко используется величина потока солнечного дециметрового излучения F10,7 . Помимо солнечных пятен, в фотосфере наблюдаются протуберанцы — извержения с поверхности высокоэнергичной плазмы со скрученными в виде замкнутого кольца магнитными силовыми линиями и другие еще более драматичные явления. Области, расположенные выше фотосферы, в целом прозрачны для видимого солнечного света, который легко покидает Солнце, распространяясь в космосе. Однако уходящее излучение частично поглощается газообразными элементами, присутствующими в разряженных
Структура и энергия
269
Рис. 5.6. Излучение, исходящее из различных областей Солнца. Солнечный электромагнитный спектр практически аналогичен излучению черного тела при температуре 5 777 K (пунктирная линия). (Источник: Википедия)
плазменных слоях солнечной атмосферы, наряду с протонами и электронами. Поглощение в характерных линиях этих элементов представляет собой «картину» солнечного состава (рис. 5.7). Она представляет собой классический пример спектра поглощения, в котором многочисленные линии химических элементов, находящиеся в различных состояниях ионизации, выделяются на фоне эмиссионного спектра. Они называются фраунгоферовыми линиями, по имени немецкого физика Джозефа Фраунгофера, который обнаружил это явление в 1814 г. 1). Эти линии содержат информацию не только о химическом составе внешних областей, но и об их температуре и давлении, и их периодический сдвиг относительно исходного расположения в спектре обусловлен гравитационным притяжением планет. Этот сдвиг использован в методе радиальных скоростей для поиска планет у других звезд (см. гл. 7). Слои, расположенные выше фотосферы, относятся к солнечной атмосфере. Здесь особенно проявляются грандиозные явления солнечной активности при наблюдениях в различных диапазонах длин волн (рис. 5.8). Атмосфера включает в себя хромосферу и корону, которые отделены друг от друга тонкой переходной областью толщиной приблизительно 200 км. Она доступна для зондирования во всем диапазоне 1) Отметим, что впервые темные линии в солнечном свете наблюдал британский химик Уильям Хайд Волластон в 1802 г.
270
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
Рис. 5.7. Фраунгоферовы линии в солнечном спектре при высоком спектральном разрешении, обусловленные присутствием различных химических элементов в составе Солнца. (Источник: Википедия)
электромагнитного спектра от гамма- и рентгеновского излучения до радиоволн. Хромосфера является нерегулярной, очень активной областью толщиной приблизительно 2 000 км (0,3 % солнечного радиуса), непосредственно примыкающей к фотосфере. Она содержит область температурного минимума величиной приблизительно 4 100 K, расположенную на высоте 500 км над фотосферой. В ней были обнаружены простые молекулы, такие как вода и оксид углерода. С высотой температура постепенно растет, достигая примерно 20 000 K на верхней границе хромосферы. Этой температуры достаточно для того, чтобы появился частично ионизованный гелий. В спектре поглощения, как и в эмиссионном спектре, различается много других компонентов, свойственных этой области. Хромосферу обычно наблюдают с фильтрами, выделяя информативные линии эмиссий водорода и кальция, а также характерные для этой области цветные вспышки в начале
Рис. 5.8. Снимки Солнца в различных длинах волн. Ясно показаны грануляция фотосферы и различная солнечная активность (особенно в короне). (С любезного разрешения NASA и ESA)
Структура и энергия 271
272
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
и в конце довольно редкого явления — полного солнечного затмения. Частичные затмения случаются гораздо более часто, но они менее информативны. Хромосфера находится в постоянном хаотическом движении, в котором проявляются различные структурные особенности (спикулы, сетки) и происходящие здесь наиболее впечатляющие хромосферные вспышки. Исключительный интерес представляет корона, крайне динамичная структура, особенно четко наблюдаемая во время полных солнечных затмений. Корона является внешней частью солнечной атмосферы, простирающейся в космос далеко за пределы видимого Солнца и занимающей область, превышающую его размер примерно на порядок. Она является источником рентгеновского излучения Солнца. Плотность частиц в короне падает до 109 –1010 см 3 по сравнению с плотностью частиц в хромосфере 1015 –1016 cм 3 . Длина свободного пробега частиц составляет сотни миллионов километров и кинетическая температура достигает нескольких миллионов градусов (до 20 106 K в самых горячих областях). Очевидно, существует дополнительный источник нагрева короны, кроме поступления тепла от фотосферы и хромосферы. Однако все еще остается неясным, как достигается столь высокая температура. Были предложены различные волновые механизмы нагрева, включая звуковые, гравитационные или магнитогидродинамические волны, вызванные турбулентностью в конвективной зоне и переносимые турбулентными движениями из фотосферы наружу, с последующим рассеянием в короне их волновой энергии. В основе другого предложенного механизма лежит идея магнитного нагревания, вызванного непрерывным выделением магнитной энергии при движении намагниченной плазмы в фотосфере и ее высвобождении в процессах пересоединения магнитных силовых линий в солнечных вспышках различных масштабов. Тем не менее, эффективность обоих этих механизмов подвергается сомнению. В качестве компромисса рассматриваются альфвеновские волны — поперечные магнитогидродинамические волны, распространяющиеся в плазме вдоль силовых линий магнитного поля и способные достичь короны легче, чем другие волны. Однако, альфвеновские волны, представляющие собой своего рода объединенные электромагнитные и гидродинамические волны, слабо рассеиваются в короне и, соответственно, плохо диссипируют. Сомнительно поэтому, что энергия, переносимая альфвеновскими волнами, достаточна для того, чтобы нагреть корону до очень высоких температур, и этот вопрос пока остается открытым. В короне наблюдаются многочисленные плазменные волокна специфической формы, простирающиеся высоко над видимой солнечной поверхностью (рис. 5.9). Они либо соединяют области различной магнитной полярности, либо отклоняются от регулярной структуры магнитного поля. Плазма короны, в основном, удерживается замкнутыми силовыми линиями магнитного поля, однако существуют области незамкнутых силовых линий (корональные дыры), из которых происходят
Структура и энергия
273
наиболее мощные выбросы плазмы в окружающее космическое пространство. С ними связаны наиболее мощные проявления солнечной активности коронарного происхождения, называемые корональными выбросами массы (Coronal Mass Ejections, CME).
Рис. 5.9. Снимок солнечной короны во время мощной вспышки — корональный выброс массы. Наблюдаются многочисленные вырывающиеся нити, связанные с активными областями на солнечной фотосфере, и огромные плазменные пузыри, простирающиеся на расстояния, превышающие 2 млн км. Происходят процессы самоорганизации под влиянием магнитного поля. Такие часто встречающиеся события на Солнце вызывают магнитные бури на Земле. Снимок получен в 2002 г. космическим аппаратом SOHO. (С любезного разрешения ESA)
Из внешних областей горячей солнечной короны постоянно истекает поток плазмы — корона как бы расширяется в межпланетную среду. Этот поток известен, как солнечный ветер. Он состоит, главным образом, из электронов, протонов, ионизованного гелия ( -частиц) и некоторых других более тяжелых ионизованных атомов, и его часто называют солнечными космическими лучами. Средняя плотность плазмы солнечного ветра ( 9 част./см3 варьирует в ширких пределах от 0,1 до 140 част./см3 . Кинетическая энергия частиц солнечного ветра, определяющая температуру плазмы, достаточно низка — несколько эВ для электронов и несколько кэВ для протонов, но может различаться в сотню раз. Энергия электронов достаточна для их диссипации из короны, в то время как протонная эмиссия сопровождается дисбалансом заряда в электрическом поле. Плазма солнечного ветра вместе с «вмороженным» в нее магнитным полем распространяется через всю Солнечную систему. Этот поток образует область вокруг Солнца в форме пузыря, называемую гелиосферой, постоянно пополняемую солнечным веществом и простирающуюся до внешних границ Солнечной системы.
274
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
Средняя скорость плазмы солнечного ветра на расстоянии нескольких десятков солнечных радиусов составляет 400 км/с вблизи солнечного экватора, достигая 700–800 км/с ближе к солнечным полюсам. С ростом солнечной активности возрастает и скорость солнечного ветра, до 800 км/с на экваторе, а числовая плотность протонов увеличивается от нескольких до 30 част./см 3 . При средней скорости истечения солнечный ветер достигает Земли примерно за четверо суток, при этом Солнце успевает повернуться на 60Æ . Замагниченная плазма солнечного ветра «вытягивает» из Солнца магнитные силовые линии, которые из-за собственного вращения Солнца закручиваются по часовой стрелке в виде спирали Архимеда, в связи с чем межпланетное магнитное поле (ММП) приобретает секториальную структуру. Его индукция, составляющая в среднем около 7 нТс, изменяется в зависимости от солнечной активности от 0,7 до 50 нТс. При больших характерных размерах и длинах свободного пробега частиц эту намагниченную структуру можно считать сплошной средой, в которой распространяются магнитогидродинамические, звуковые, ударные волны. Напряженность солнечного магнитного диполя уменьшается обратно пропорционально кубу радиального расстояния ( 3 . Частицы солнечного ветра распространяются вдоль силовых линий межпланетного поля и взаимодействуют с планетами и малыми телами. Они сильно увеличивают свою энергию при ускорении в планетном магнитном поле (магнитосфере).
Состав Химический состав Солнца соответствует космической распространенности элементов во Вселенной. Оно состоит, главным образом, из водорода и гелия (соответственно, 73,46 % и 24,85 % по массе или 92 % и 7 % по объему). Более тяжелые элементы — железо (0,16%), магний (0,05%), углерод (0,29%), кислород (0,77%), азот (0,09%), кремний (0,07%), сера (0,12%), благородные газы, в первую очередь неон (0,12%), по существу являются примесями, составляя в сумме всего лишь остающиеся 1,69 % солнечной массы. Эта величина, тем не менее, в пять раз больше массы Земли. Солнце относится к звездам поздних спектральных классов, и его металличность довольно высока ($ 0,012). Это означает, что оно является звездой I типа, т. е. обогащенной тяжелыми элементами, и поэтому имеет в своем составе более высокое содержание металлов по сравнению со звездами ранних спектральных классов (II типа), обедненными тяжелыми элементами. Заметим, что в астрономии «металлами» называют все химические элементы тяжелее водорода и гелия. После них самое высокое содержание на Солнце имеют кислород ( 1 % по массе), углерод (0,3 %), неон (0,2 %) и железо (0,2 %). Как будет показано в гл. 6, тяжелые элементы образуются в процессе звездного нуклеосинтеза — горения во внутренних структурах
Солнечная активность
275
звезд, и при взрывах сверхновых. В гл. 8 будет обсуждаться идея о том, что, в дополнение к металлам в космических соотношениях, которые Солнце получило от первичной протосолнечной туманности, его состав был обогащен тяжелыми элементами из-за близкого взрыва сверхновой. В процессе эволюции основная фракция тяжелых элементов погрузилась с солнечной поверхности вниз, обогатив внутренние области, и поэтому фотосфера несколько обеднена металлами. В свою очередь, в процессе термоядерного синтеза, недра Солнца постепенно обогащаются гелием, количество которого, по оценкам, в настоящее время достигло 60 %, в то время как содержание металлов пока сохраняется неизменным. Подчеркнем также, что поскольку процесс горения происходит в зоне лучистого переноса, а не в конвективной зоне, продукты горения не поступают наверх к фотосфере. В то же время происходит эволюция химического состава в оболочках Солнца (и звезд солнечного типа) вследствие диффузии, чем, вероятно, обусловлено уменьшение содержания гелия (примерно на 0,03) и других тяжелых элементов в конвективной зоне со времени образования до приведенных выше современных значений 1). Солнечная атмосфера, как полагают, имеет тот же самый состав, как и все Солнце, за исключением, возможно, изотопного состава солнечного ветра, возникшего из-за имплантации благородных газов.
Солнечная активность Солнце проявляет различные виды активности, его внешний вид постоянно изменяется, как свидетельствуют многочисленные наблюдения с Земли и из космоса (рис. 5.10). Самым известным и наиболее выраженным является 11-летний цикл солнечной активности, которая ориентировочно соответствует числу солнечных пятен на поверхности Солнца. Протяженность солнечных пятен может достигать в поперечнике десятков тысяч километров. Обычно они существуют в виде пар с противоположной магнитной полярностью, которая чередуется каждый солнечный цикл и достигает пика в максимуме активности вблизи солнечного экватора. Как уже упоминалось, солнечные пятна темнее и холоднее, чем окружающая поверхность фотосферы, потому что они являются областями пониженной энергии конвективного переноса из горячих недр, подавляемого сильными магнитными полями. Полярность магнитного диполя Солнца меняется каждые 11 лет таким образом, что северный магнитный полюс становится южным, и наоборот. Помимо изменения солнечной активности внутри 11-летнего цикла, определенные изменения наблюдаются от цикла к циклу, поэтому 1) Ограничения на протяженность конвективной зоны и относительное содержание в ней гелия и других тяжелых элементов были наложены данными гелиосейсмологии.
276
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
Рис. 5.10. Изменение солнечной активности в течение 11-летнего цикла 1996– 2006 гг. (С любезного разрешения NASA)
выделяют также 22-годичные и более длинные циклы. Нерегулярность цикличности проявляется в виде растянутых периодов минимума солнечной активности с минимальным числом солнечных пятен в течение нескольких циклов, подобно наблюдавшейся в семнадцатом столетии. Этот период известен как Маундеровский минимум, который оказал сильное воздействие на климат Земли. Некоторые ученые полагают, что, в этот период Солнце проходило через 70-летний период активности с почти полным отсутствием солнечных пятен. Напомним, что необычный солнечный минимум был отмечен в 2008 г. Он продолжался намного дольше и с более низким числом солнечных пятен, чем обычно. Это означает, что повторяемость солнечной активности на протяжении десятков и сотен лет является, вообще говоря, неустойчивой. Кроме того, теория предсказывает возможность существования магнитной неустойчивости в ядре Солнца, которая может вызывать колебания активности с периодом в десятки тысяч лет. С феноменом периодических изменений солнечной активности связаны вариации галактических космических лучей (ГКЛ) — частиц высокой энергии, генерируемых при различных процессах (например, при взрывах сверхновых звезд) и изотропно распределенных в космическом пространстве. Внутри Солнечной системы они подвергаются влиянию солнечных космических лучей, так что их интенсивность ослабляется в максимуме 11-летнего цикла, и наоборот. Это явление известно, как Форбуш-спад. Космогенные радионуклиды с разными периодами полураспада ( 26 Al, 60 Co, 22 Na, 54 Mn, 48 V, 46 Sc), содержащиеся в хондритах, служат естественными детекторами ГКЛ перед выпадением
Солнечная активность
277
этих метеоритов на Землю. Этот метод позволил изучить основные закономерности механизма солнечной модуляции ГКЛ на длительной временной шкале и выявить детерминированность градиентов ГКЛ солнечной активностью, а также эффекты влияния стохастических процессов перестройки солнечных магнитных полей при смене 22-летних магнитных циклов в фазах максимума 11-летних солнечных циклов. Наиболее характерными и зрелищными проявлениями солнечной активности являются солнечные вспышки, выбросы корональной массы (CME) и солнечные протонные события (SPE). Степень их активности тесно связана с 11-летним солнечным циклом. Эти явления сопровождаются выбросами огромного количества протонов и электронов высоких энергий, значительно повышая энергию «более спокойных» частиц солнечного ветра. Они оказывают громадное влияние на процессы взаимодействия солнечной плазмы с Землей и другими телами Солнечной системы, в том числе на вариации геомагнитного поля, верхнюю и среднюю атмосферу, явления на земной поверхности. Состояние солнечной активности определяет космическую погоду, которая влияет на нашу природную среду и на жизнь на Земле. Солнечные вспышки обусловлены механизмом разрыва и пересоединения силовых линий магнитного поля (B-поля) в хромосфере, что сопровождается быстрым высвобождением накопленной энергии (см. рис. 5.9). Вспышка, так или иначе, охватывает все слои солнечной атмосферы — фотосферу, хромосферу и корону Солнца. Она наблюдается во всем диапазоне длин волн — от рентгена до радиоизлучения, а в видимой области спектра наиболее характерны эмиссионные линии водорода, особенно яркая красная линия H % 656 нм, а также атомов и ионов He, Ca, Na, Fe и других химических элементов. По существу вспышка является взрывом, и это грандиозное явление проявляется как мгновенное и интенсивное изменение яркости в активной области на поверхности Солнца. Температура внутри вспышки достигает 108 K, а выделение энергии мощной солнечной вспышки может достигать 6 1025 Дж, что составляет около 1 6 энергии, выделяемой Солнцем в секунду, или 160 млрд мегатонн в тротиловом эквиваленте. Примерно половину этой энергии составляет кинетическая энергия корональной плазмы, а другую половину — жесткое электромагнитное излучение и потоки высокоэнергичных заряженных частиц. Вспышка может продолжаться около 200 минут, сопровождаясь сильными изменениями интенсивности рентгеновского излучения и мощным ускорением электронов и протонов, скорость которых приближается к скорости света. В отличие от солнечного ветра, частицы которого распространяются до Земли более суток, частицы, генерируемые во время вспышек, достигают Земли за десятки минут, сильно возмущая космическую погоду. Эта радиация чрезвычайно опасна для космонавтов, даже находящихся на околоземных орбитах, не говоря уже о межпланетных перелетах.
278
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
Еще более грандиозными являются выбросы корональной массы, представляющие собой наиболее мощное явление в Солнечной системе (рис. 5.11). Они возникают в короне в виде взрывов огромных объемов
Рис. 5.11. Схематический механизм генерации энергичных частиц солнечной плазмы во время мощной солнечной вспышки типа CME. (С любезного разрешения NASA)
солнечной плазмы, вызываемых пересоединением силовых линий магнитного поля, в результате чего происходит выделение огромной энергии. Некоторые из них связаны с солнечными вспышками или имеют отношение к солнечным протуберанцам, извергаемым с солнечной поверхности и удерживаемым магнитными полями. Выбросы корональной массы случаются периодически и состоят из очень энергичных частиц. Сгустки плазмы, образующие гигантские плазменные пузыри, расширяющиеся наружу, выбрасываются в космическое пространство (рис. 5.12). Они заключают в себе миллиарды тонн материи, распространяющейся в межпланетной среде со скоростью 1000 км/с и образующей на фронте отошедшую ударную волну. Выбросы корональной массы ответственны за мощные магнитные бури на Земле. Мaгнитосфера со стороны, обращенной к Солнцу, поджимается давлением плазмы ближе к Земле с расстояния от 12 до 6 E . С корональными выбросами еще больше, чем с солнечными вспышками, связан приток высокоэнергичной проникающей радиации. Еще одним феноменом солнечной активности являются солнечные протонные события (SPE). Они происходят чаще, чем солнечные вспышки и выбросы корональной массы, энергия выбрасываемых протонов и плотность потока частиц ниже ( 30 МэВ и 1010 см 3 соответственно), но у них значительно большая продолжительность — от нескольких часов до нескольких дней. В то время как солнечные вспышки и выбросы корональной массы более характерны для макси-
Солнечная активность
279
Рис. 5.12. Развитие типичного коронального выброса массы по спутниковым наблюдениям SOHO. (С любезного разрешения ESA)
мума активности, солнечные протонные события происходят в течение всего 11-летнего солнечного цикла, но их влияние на космическую погоду намного меньше. Как уже говорилось, взаимодействие солнечной плазмы с планетами и малыми телами оказывает на них сильное влияние, прежде всего на верхнюю атмосферу и магнитосферу — собственную или индуцированную, в зависимости от того, обладает ли планета магнитным полем. Такое взаимодействие называют солнечно-планетными (для Земли — солнечно-земными) связями, существенно зависящими от фазы 11-летнего цикла и других проявлений солнечной активности. Они приводят к изменениям формы и размеров магнитосферы, возникновению магнитных бурь, вариациям параметров верхней атмосферы, росту уровня радиационной опасности (рис. 5.13). Так, температура верхней атмосферы Земли в диапазоне высот 200–1000 км возрастет в несколько раз, от 400 до 1500 K, а плотность изменяется на один–два порядка величины. Это сильно влияет на время жизни искусственных спутников и орбитальных станций. В основе подобных вариаций лежат процессы взаимодействия солнечного крайнего ультрафиолетового (EUV) и мягкого рентгеновского излучения с разреженным
280
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
Рис. 5.13. Взаимодействие Солнце–Земля: а — конфигурация магнитосферы, сформированной под воздействием плазмы солнечного ветра; б — перечень главных областей взаимодействия солнечного ветра с Землей. (С любезного разрешения NASA / J. Green)
многокомпонентным газом верхней атмосферы, вызывающие комплексы аэрономических 1) реакций. Солнечное излучение в этом коротковол1)
Аэрономия — раздел физики атмосферы, изучающий взаимодействия солнечного излучения с атмосферными атомами и молекулами и комплексы химических реакций в верхней атмосфере.
Гелиосфера
281
новом диапазоне длин волн хорошо коррелирует с радиоизлучением от всего Солнца в дециметровом диапазоне, доходящим до поверхности Земли. Поэтому его широко используют в качестве индекса солнечной активности на волне 10,7 см (F10,7 ), которое постоянно измеряется простыми радиоантеннами по всему земному шару. Существует также множество других индексов солнечной активности, определяемых площадью факелов, флоккулов, теней пятен, количеством вспышек и т. д. Индекс F10,7 изменяется приблизительно от 70 до 180 Вт/(м2 Гц) между минимумом и максимумом солнечной активности, соответственно, и хорошо отражает реальные физические процессы в околоземном космическом пространстве в зависимости от притока солнечной энергии. Аналогичным образом, существующие индексы геомагнитной активности (A , K , Dst и др.), регистрируемые на геофизических обсерваториях, используются для того, чтобы характеризовать уровень возмущения магнитного поля Земли. Наиболее зрелищным проявлением воздействия солнечной активности на Землю и другие планеты с магнитным полем являются полярные сияния, наблюдаемые на высоких широтах. На Земле возмущения на Солнце приводят также к нарушению радиосвязи, воздействию на высоковольтные линии электропередач (блэкауты), подземные кабели и трубопроводы, работу радиолокационных станций, а также повреждают электронику космических аппаратов.
Гелиосфера Гелиосфера — это огромная область вокруг Солнца, заполненная солнечной плазмой и простирающаяся до границы Солнечной системы. Орбиты планет и малых тел лежат глубоко внутри гелиосферы. Для наблюдателя, расположенного вне Солнечной системы (скажем, на одной из ближайших звезд), гелиосфера выглядела бы как плазменный «пузырь», раздуваемый солнечным ветром и отделяющий Солнечную систему от межзвездной среды. Гелиосфера содержит магнитные поля и частицы солнечного происхождения, хотя электрически нейтральные атомы из межзвездного пространства могут проникать внутрь через ограничивающую ее внешнюю границу магнитного поля. В составе гелиосферы преобладают солнечные протоны и электроны, но присутствуют также водород и пылевые частицы. Типичная протонная плотность во внутренних областях не превышает 5 част./см3 , уменьшаясь обратно пропорционально квадрату радиального расстояния. В то же время плотность межзвездной среды, состоящей, главным образом, из нейтральных атомов водорода и гелия, составляет менее 0,1 част./см3 . Ее атомы движутся сквозь Солнечную систему с типичной сверхзвуковой скоростью 15–20 км/с. Гелиосфера асимметрична по форме и несколько искажена галактическими магнитными полями, имеющими секториальную структуру (рис. 5.14). Она напоминает гигантскую каплевидную комету,
282
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
Рис. 5.14. Секториальная структура межпланетного магнитного поля (рисунок и схема). Такую структуру вследствие вращения Солнца приобретают магнитные поля солнечных биполярных активных областей, силовые линии которых вместе с постоянно истекающей плазмой солнечного ветра заполняют гелиосферу. Структура гелиосферы претерпевает вариации под воздействием мощных корпускулярных потоков, порождаемых солнечными вспышками. (Согласно Википедии)
движущуюся в галактической среде к апексу в направлении, совпадающем с орбитальным движением Солнца в Галактике. Ее передняя сторона поджата давлением звездного ветра и находится на расстоянии от Солнца 90 а. е., а сторона, противоположная движению Солнца, образует протяженный гелиохвост. Эту область пространства иногда называют мантией Солнечной системы, которая «дышит» под влиянием солнечной активности (рис. 5.15). Гелиосферная плазма, движущаяся со сверхзвуковой (относительно звезд) скоростью, натекает на очень разряженный газ межзвездной среды, который, тем не менее, способен замедлить это движение. Поскольку давление газа не нулевое, на расстоянии 80–100 а. е. от Солнца (около 11–13,5 млрд км) на переднем фронте гелиосферы образуется головная ударная волна, в которой происходит резкое изменение параметров среды. При этом скорость солнечной плазмы падает от сверхзвуковой до дозвуковой — от 450 до 100 км/с, а сама ударная волна является стоячей волной, вытянутой в направлении по потоку и совершающей возвратные движения со скоростью 100 км/с. Плазма в гелиосфере сжимается, нагревается и турбулизуется. Она может быть также подвержена воздействию потоков окружающей межзвездной среды. Замедление продолжается до границы ударной волны — гелиошита (heliosheath), где давления солнечного ветра и межзвездной среды оказываются, в конечном счете, сбалансированными. Другими словами, теоретическая граница (край) гелиосферы, как предполагают, находится на гелиошите, где давления солнечного
Гелиосфера
283
Рис. 5.15. Схематическое изображение гелиосферы. Показаны главные области солнечного ветра, натекающего на межзвездную среду, видна асимметрия гелиосферы благодаря притоку солнечной плазмы. Обозначены положения КА «Вояджер-1 и -2» в гелиошите перед переходом через границу Солнечной системы. (С любезного разрешения NASA)
ветра уже недостаточно для того, чтобы противостоять звездному ветру от окружающих звезд. Эта область, где давление солнечного и межзвездного ветров сравниваются, называется гелиопаузой, по аналогии с магнитопаузой, образующейся при взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой Земли. Как показывают модельные оценки, здесь скорость солнечного ветра падает почти до нуля, напряженность магнитного поля примерно удваивается, а число электронов высокой энергии, приходящих из Галактики, возрастает примерно в 100 раз. В этой зоне частицы солнечного ветра движутся в поперечном направлении, формируя, в конечном счете, гигантский гелиохвост, который вытягивается в межзвездную среду. Можно говорить, что в области гелиопаузы, за предшествующей ей ударной волной, солнечный ветер «сливается» с межзвездной средой. Вообще следует скорее говорить о формировании несимметричных ударных волн на границе взаимодействия солнечной и межзвездной плазмы, поскольку Солнечная система движется в окружающем ее межзвездном облаке газа со скоростью 25 км/с, а направления их совместного движения по галактической орбите не вполне совпадают. В пределах гелиошита предположительно находится застойная зона (stagnation zone), которую обнаружил космический корабль
284
Гл. 5. Солнце и гелиосфера
«Вояджер-1» при пересечении ударной волны, проникнув внутрь гелиошита в декабре 2004 г. на радиальном расстоянии 14 млрд км ( 94 а. е.) от Солнца. Такой вывод был сделан на основании измерений характеристик магнитного поля, переданных этим КА. В свою очередь, КА «Вояджер-2» в мае 2006 г. обнаружил обратное движение частиц на расстоянии 76 а. е., что указывало на несимметричную форму гелиосферы, северная половина которой больше южной. В 2007 г. «Вояджер-2» также пересек границу ударной волны на расстоянии 83,7 а. е. и принес доказательство ее «вдавливания» в гелиосферу, вызванного, вероятно, межзвездным магнитным полем. А «Вояджер-1» в 2012 г. достиг гелиопаузы и, по-видимому, пересек ее в 2013 г., о чем свидетельствовало резкое падение температуры заряженных частиц, изменение направления магнитного поля и увеличение числа галактических космических лучей (см. рис. 5.15). Как говорилось, на переднем фронте гелиопаузы гелиосферная плазма непосредственно достигает межзвездной среды и резко тормозится. Здесь происходит частичная нейтрализация заряженных частиц, а нейтралы способны проникать внутрь гелиосферы, так как они не подвержены влиянию магнитных полей. Потоки таких энергичных нейтральных атомов регистрировались приборами спутника IBEX (Interstellar Boundary Explorer), предназначенного для исследования процессов на границе солнечного и межзвездного пространства и способного находить и исследовать нейтральные частицы, переносимые оттуда во внутренние области Солнечной системы. Такие частицы были действительно обнаружены, и они создают своего рода кайму на границе гелиосферы, представляющую собой асимметричную полосу, состоящую из потоков энергичных нейтральных атомов. Их отличительной особенностью являются энергетический спектр (от 200 до 6 000 эВ), высокие скорости (от 40 до 1 000 км/с) и пространственное распределение. Возможно, в этой сравнительно узкой полосе на границе гелиосферы с межзвездной средой и происходит нейтрализация заряженных частиц, контролируемых перпендикулярно расположенным здесь довольно сильным магнитным полем Галактики. Через эту границу, вероятно, проникают и потоки частиц межзвездной пыли, что было подтверждено, в частности, лабораторными исследованиями элементного состава пылевых частиц, собранных и доставленных на Землю КА Stardust. Поскольку давление плазмы солнечного ветра изменяется в зависимости от солнечной активности, граница, близкая к гелиопаузе, может изменяться в пределах нескольких десятков астрономических единиц. Такая вариация и была, очевидно, обнаружена космическими аппаратами «Вояджер-1 и -2», которые пересекали эту область многократно и обнаружили локальные мелкомасштабные «пузыри плазмы», образованные за счет пересоединения силовых линий между ориентированными противоположным образом секторами солнечного магнитного поля, когда солнечный ветер замедляется (см. рис. 5.14).
Гелиосфера
285
Так как области выше и ниже солнечного экватора имеют различные полярности, направленные к Солнцу и от Солнца, в солнечной экваториальной плоскости существует тонкий токовый слой, похожий на рябь, который называется гелиосферным токовым слоем. Он имеет магнитогидродинамическое происхождение и генерируется электрическими токами, возникающими при взаимодействии вращающегося магнитного поля Солнца и заряженных частиц межпланетной плазмы. Гелиосферный токовый слой ограничен поверхностью, а не распределен по объему всего пространства из-за соответствующих магнитных сил. Токовый слой очень тонок, отношение размера к толщине составляет 100 000 1. Так как вращение Солнца закручивает магнитные силовые линии, на больших расстояниях гелиосферный токовый слой приобретает форму спирали Архимеда, напоминающую юбку балерины. Это значительно увеличивает сложность структуры и динамики гелиосферы. Вполне разумно предположить, что планетные системы других звезд имеют свои гелиосферы (стеллосферы) более или менее подобной конфигурации и с аналогичными свойствами.
Г л а в а 6.
ЗВЕЗДЫ: РОЖДЕНИЕ, ЖИЗНЬ И СМЕРТЬ
Общие представления Звезды — наиболее доступные для наблюдений астрономические объекты во Вселенной. С древнейших времен люди выделяли на ночном небосводе конфигурации наиболее ярких звезд, которые сгруппировывали в созвездия. Они получили разнообразные — часто совсем необычные — названия, большая часть которых связана с мифологией. В воображении древних людей созвездия представляли собой характерные очертания фигур, ассоциируемых, в основном с божествами, животными, а позднее — даже с инструментами. На самом деле, выделить и отождествить подобные конфигурации с их названиями не всегда просто, а сами звезды, образующие созвездия, находятся от нас на совершенно различных расстояниях. Звезды проходят последовательные циклы эволюции от рождения до смерти. В процессах звездной эволюции существуют вполне определенные закономерности, присущие звездам с различными массами. В нашей Галактике этот порядок соответствует, в первом приближении, начальной функции масс (IMF). В то же время в области аккрецирующих массивных звезд наклон кривой имеет вид экспоненты и отвечает известной функции Солпитера. Начальная функция масс определяет скорость образования звезд различных масс в Галактике. Она получается из наблюдаемой функции светимости с использованием зависимости масса–светимость и из анализа процессов звездной эволюции. Эдвин Солпитер в 1955 г. показал, что в интервале звездных масс (0,4–10) число звезд на единицу массы, соответствующее функции светимости, пропорционально массе в некоторой степени , величина которой для окрестностей Солнца была принята равной 1,35. Типичный диапазон звездных масс простирается от долей до нескольких десятков солнечных масс, в то время как диапазон диаметров варьирует от десятков километров (пульсары) до сотен диаметров Солнца. Так, например, супергигант Бетельгейзе в созвездии Ориона в 650 раз больше Солнца. Еще крупнее звезда Aur (Алмааз) в созвездии Возничего, размер которой в 2 800 раз превышает диаметр Солнца, хотя по светимости эта старая затменно-двойная звезда уступает самой яркой звезде созвездия Aur — Капелле. По определению звезда — это массивный светящийся сгусток плазмы, в котором происходит самоподдерживающийся термоядерный синтез, а тепло, выделяющееся в процессе синтеза, создает давление, достаточное для того, чтобы уравновесить гравитационное сжатие. Это означает, что в каждом слое на радиальном расстоянии выпол-
ะ ะฑั ะธะต ะฟั ะตะดั ั ะฐะฒะปะตะฝะธั
287
ะฝั ั ั ั ั ั ั ะปะพะฒะธั ะณะธะดั ะพั ั ะฐั ะธั ะตั ะบะพะณะพ ั ะฐะฒะฝะพะฒะตั ะธั ะธ ั ะพั ั ะฐะฝะตะฝะธั ะผะฐั ั ั 1). ะ ะพะดะพะฑะฝะพ ะกะพะปะฝั ั , ะทะฒะตะทะดั ะพะฑะปะฐะดะฐั ั ะผะฐะณะฝะธั ะฝั ะผ ะฟะพะปะตะผ, ะบะพั ะพั ะพะต ะณะตะฝะตั ะธั ั ะตั ั ั ะฑะปะฐะณะพะดะฐั ั ั ะพะฑั ั ะฒะตะฝะฝะพะผั ะฒั ะฐั ะตะฝะธั ะทะฒะตะทะดั 2) ะธ ะบะพะฝะฒะตะบั ะธะฒะฝะพะผั ะฟะตั ะตะฝะพั ั ะฒ ะฝะตะดั ะฐั ะผะตั ะฐะฝะธะทะผะพะผ ะณะธะดั ะพะผะฐะณะฝะธั ะฝะพะณะพ ะดะธะฝะฐะผะพ. ะ ะพะณะดะฐ ะทะฒะตะทะดะฐ ะธั ั ะพั ะฐะตั ั ะดะตั ะฝะพะต ั ะพะฟะปะธะฒะพ, ะพะฝะฐ ะฟั ะพั ะพะดะธั ั ะตั ะตะท ะฝะตั ะบะพะปั ะบะพ ะทะฐะบะปั ั ะธั ะตะปั ะฝั ั ั ั ะฐะดะธะน ั ะฒะพะปั ั ะธะธ, ะฒ ะทะฐะฒะธั ะธะผะพั ั ะธ ะพั ั ะฒะพะตะน ะผะฐั ั ั , ะธ, ะฒ ะบะพะฝะตั ะฝะพะผ ั ั ะตั ะต, ั ั ะฐะฝะพะฒะธั ั ั ะผะตั ั ะฒะพะน ะทะฒะตะทะดะพะน โ ะทะฒะตะทะดะฝั ะผ ะพั ั ะฐั ะบะพะผ. ะ ะฐั ั ะพะฒั ะน ะฟะพั ะพะณ , ะฝะตะพะฑั ะพะดะธะผั ะน, ั ั ะพะฑั ะทะฐะถะตั ั ั ะตั ะผะพั ะดะตั ะฝั ั ั ะตะฐะบั ะธั (ะดะปั ั ะพะปะฝะตั ะฝะพะณะพ ั ะพั ั ะฐะฒะฐ), ั ะฐั ั ะพ ะฝะฐะทั ะฒะฐะตะผั ะน ะฟั ะตะดะตะปะพะผ ะฒะพะดะพั ะพะดะฝะพะณะพ ะณะพั ะตะฝะธั , ะธะปะธ ะฟั ะตะดะตะปะพะผ ะ ั ะผะฐั ะฐ, ั ะฐะฒะตะฝ 0,08 , ะณะดะต โ ะผะฐั ั ะฐ ะกะพะปะฝั ะฐ. ะ ะพะพะฑั ะต ะผะฐั ั ะฐ ะทะฒะตะทะดั ะผะพะถะตั ะฝะฐั ะพะดะธั ั ั ั ะฒ ะฟั ะตะดะตะปะฐั ะพั 0,075 ะดะพ 150 . ะ ะธะถะฝะธะน ะฟั ะตะดะตะป ั ะฒะปั ะตั ั ั ั ะตะพั ะตั ะธั ะตั ะบะธะผ, ะฐ ะฒะตั ั ะฝะธะน ะฟะพะปั ั ะตะฝ ะธะท ะฝะฐะฑะปั ะดะตะฝะธะน. ะ ะธะถะฝะตะผั ะฟั ะตะดะตะปั ั ะพะพั ะฒะตั ั ั ะฒั ะตั 80 J , ะณะดะต J โ ะผะฐั ั ะฐ ะฎะฟะธั ะตั ะฐ. ะญั ะพ ะพะทะฝะฐั ะฐะตั , ั ั ะพ ะฎะฟะธั ะตั ั ะฟั ะธ ั ะพั ะผะธั ะพะฒะฐะฝะธะธ ะฝะต ั ะฒะฐั ะธะปะพ ะดะฒั ั ะฟะพั ั ะดะบะพะฒ ะฒะตะปะธั ะธะฝั ะฟะพ ะผะฐั ั ะต, ะฝะตะพะฑั ะพะดะธะผะพะน, ั ั ะพะฑั ะธะฝะธั ะธะธั ะพะฒะฐั ั ะฝั ะบะปะตะพั ะธะฝั ะตะท. ะ ั ะปะธ ะฑั ั ั ะพ ะฟั ะพะธะทะพั ะปะพ, ะฝะฐั ะฐ ะกะพะปะฝะตั ะฝะฐั ั ะธั ั ะตะผะฐ ะฑั ะปะฐ ะฑั ะดะฒะพะนะฝะพะน ะทะฒะตะทะดะฝะพะน ั ะธั ั ะตะผะพะน. ะ ะฒะตะทะดั ั ะฐะทะปะธั ะฐั ั ั ั ะฟะพ ะธั ั ะฒะตั ะธะผะพั ั ะธ (ะฑะปะตั ะบั ), ั ะฒะตั ั ะธ ั ะฟะตะบั ั ะฐะปั ะฝะพะผั ั ะฐั ะฟั ะตะดะตะปะตะฝะธั ั ะฝะตั ะณะธะธ. ะกะฒะตั ะพั ะทะฒะตะทะดั ะฝะฐ ะฟะพะฒะตั ั ะฝะพั ั ะธ ะ ะตะผะปะธ (ั ะฒะตั ะธะผะพั ั ั ) ะธะทะผะตั ั ะตั ั ั ะฒ ะปะพะณะฐั ะธั ะผะธั ะตั ะบะพะผ ะผะฐั ั ั ะฐะฑะต ะธ ะฒั ั ะฐะถะฐะตั ั ั ะฒ ั ะฟะตั ะธะฐะปั ะฝั ั ะตะดะธะฝะธั ะฐั , ะธะทะฒะตั ั ะฝั ั ะบะฐะบ ะฒะธะทั ะฐะปั ะฝะฐั ะทะฒะตะทะดะฝะฐั ะฒะตะปะธั ะธะฝะฐ . ะ ะฒะตะทะดั , ะธะผะตั ั ะธะต ั ะฒะตั ะธะผะพั ั ะธ 1 ะธ 2 , ะพั ะปะธั ะฐั ั ั ั ะฝะฐ ะพะดะฝั ะทะฒะตะทะดะฝั ั ะฒะตะปะธั ะธะฝั ั ะพะณะปะฐั ะฝะพ ั ะพั ะผั ะปะต
ะฐ ั ะฐะบ ะบะฐะบ
2,512
1 2
2,512 1 2 ,
0,4, ั ั ั ั ะพั ะผั ะปั ะผะพะถะฝะพ ะฟะตั ะตะฟะธั ะฐั ั ั ะฐะบะถะต ะบะฐะบ
1 2 0,4 1 2
ะ ั ั ะณะธะผะธ ั ะปะพะฒะฐะผะธ, ั ะฒะตั ะธะผะพั ั ะธ ะทะฒะตะทะด ะพะฑั ะฐะทั ั ั ะฑะตั ะบะพะฝะตั ะฝั ะน ั ะผะตะฝั ั ะฐั ั ะธะนั ั ะณะตะพะผะตั ั ะธั ะตั ะบะธะน ั ั ะด ั ะพ ะทะฝะฐะผะตะฝะฐั ะตะปะตะผ 2,512. ะ ะฒะตะทะดั ะฟะตั ะฒะพะน, ะฒั ะพั ะพะน, ั ั ะตั ั ะตะน ะธ ั . ะด. ะฒะตะปะธั ะธะฝ ะพะฑะพะทะฝะฐั ะฐั ั ั ั ะบะฐะบ 1 , 2 , 3 ะธ ั . ะด. ั ะพะพั ะฒะตั ั ั ะฒะตะฝะฝะพ. ะ ั ะตะฒะธะดะฝะพ, ั ะตะผ ั ะปะฐะฑะตะต ะธะปะธ ั ั ั ะบะปะตะต ะฝะฐะฑะปั ะดะฐะตะผะฐั ะทะฒะตะทะดะฐ, ั ะตะผ ะฑะพะปั ั ะต ะตะต ะทะฒะตะทะดะฝะฐั ะฒะตะปะธั ะธะฝะฐ. ะ ั ั ะฝะพะผ ะฝะพั ะฝะพะผ ะฝะตะฑะต ะผะพะถะฝะพ ะฝะฐะฑะปั ะดะฐั ั ะฝะตะฒะพะพั ั ะถะตะฝะฝั ะผ ะณะปะฐะทะพะผ ะทะฒะตะทะดั ะฝะต ั ะปะฐะฑะตะต, ั ะตะผ 5 , ะธ ะธั ะพะฑั ะตะต ั ะธั ะปะพ 2 000 ะฒ ะฟั ะตะดะตะปะฐั ะ ะปะตั ะฝะพะณะพ ะ ั ั ะธ ะฝะฐ ั ะฐั ั ั ะพั ะฝะธั ั ะฝะต ะฑะพะปะตะต ะฝะตั ะบะพะปั ะบะธั ะดะตั ั ั ะบะพะฒ ั ะฒะตั ะพะฒั ั ะปะตั ะพั ะกะพะปะฝั ะฐ. ะกะพะฒั ะตะผะตะฝะฝั ะผ ั ะตะปะตั ะบะพะฟะฐะผ ะดะพั ั ั ะฟะฝั ะดะปั ะฝะฐะฑะปั ะดะตะฝะธั ะทะฒะตะทะดั ะธ ะณะฐะปะฐะบั ะธะบะธ, ะทะฒะตะทะดะฝะฐั ะฒะตะปะธั ะธะฝะฐ ะบะพั ะพั ั ั ั ะพั ั ะฐะฒะปั ะตั 26 , ะธ ั ั ะพ ะพะทะฝะฐั ะฐะตั , ั ั ะพ ะฟะพั ะพะบ ั ะฝะตั ะณะธะธ ะพั ะฝะธั ะฟั ะธะผะตั ะฝะพ ะฒ 1 020 ั ะฐะท ะผะตะฝั ั ะต ะฟะพั ะพะบะฐ, ะธะทะผะตั ั ะตะผะพะณะพ ะพั ะฑะปะธะถะฐะนั ะธั ะทะฒะตะทะด. 1) ะ ะพะปั ั ะพะน ะฒะบะปะฐะด ะฒ ั ะฐะทั ะฐะฑะพั ะบั ั ะตะพั ะธะธ ะฒะฝั ั ั ะตะฝะฝะตะณะพ ั ั ั ะพะตะฝะธั ะทะฒะตะทะด ะฒะฝะตั ะบั ั ะฟะฝั ะน ะฐะฝะณะปะธะนั ะบะธะน ะฐั ั ั ะพะฝะพะผ ะ ั ั ั ั ะญะดะดะธะฝะณั ะพะฝ (Arthur Stanley Eddington). 2) ะ ะปั ั ะพะณะพ ั ั ะพะฑั ะพะฟั ะตะดะตะปะธั ั ั ะบะพั ะพั ั ั ะฒั ะฐั ะตะฝะธั ะทะฒะตะทะดั , ะธั ะฟะพะปั ะทั ั ั ั ั ั ะฐะบะธะต ะผะตั ะพะดั ะบะฐะบ ั ะฟะตะบั ั ะพั ะบะพะฟะธั ะตั ะบะธะต ะธะทะผะตั ะตะฝะธั ะธะปะธ ะพั ั ะปะตะถะธะฒะฐะฝะธะต ั ะบะพั ะพั ั ะธ ะฒั ะฐั ะตะฝะธั ะทะฒะตะทะดะฝั ั ะฟั ั ะตะฝ.
288
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
Отметим также, что чем дальше от нас расположен объект, тем более отдаленным по времени является наблюдаемое в данный момент его изображение. Причина состоит в том, что для света, который испустил удаленный объект в более молодой расширяющейся Вселенной и который распространяется в космосе, требуется больше времени, чтобы достичь наших глаз. С другой стороны, из приведенных соотношений следует, что наиболее яркие объекты имеют нулевую или даже отрицательную звездную величину. В частности, звездная величина яркой звезды Вега составляет 0,03 , у планеты Венера в максимуме элонгации она равна 4,4 ; полная Луна имеет звездную величину 12,7 , а Солнце 26,8 . Наиболее полную информацию о звезде дает распределение энергии в ее спектре. Помимо спектральной классификации, оно служит также для определения температуры фотосферы, причем последняя связана с цветом, хотя такая зависимость не соответствует полностью основному закону теплового излучения Планка. Астрономы обычно используют довольно объективную характеристику звезд, называемую показателем цвета, или колор-индексом. В международной фотометрической системе U-B-V (Ultraviolet-Blue-Visual) наиболее информативными считаются показатели B-V (главный) и U-B (ультрафиолетовый). В абсорбционных спектрах звезд обнаружено много различий в интенсивности и числе линий поглощения. Заметим, что на вид спектра может влиять гравитация у «поверхности» звезды: более высокая гравитация у компактных звезд вызывает расширение абсорбционных линий, а у гигантских звезд — ситуация обратная. Темные линии обусловлены поглощением излучения звезды на определенных частотах звездной атмосферой, и отождествление этих линий позволяет реконструировать основной химический состав звезды. Типичный состав — это 71 % водорода и 27 % гелия (по массе), остальное — примеси более тяжелых элементов. Однако существуют также специфические звезды, спектр которых указывает на необычно высокое содержание некоторых тяжелых элементов. Другой важной характеристикой, используемой в астрономии, является абсолютная звездная величина , которая позволяет сравнивать с достаточно высокой точностью потоки излучения различных звезд. Абсолютная звездная величина определяется, как звездная величина , которую звезда имела бы на расстоянии 10 парсек. Предполагая, что и 0 — светимость звезды на расстояниях и 10 пк соответственно, мы можем написать
0
0,4
Поскольку светимости обратно пропорциональны расстояниям, 2 100, получается следующее соотношение:
0
0,4
2 2,
или
5 5
Общие представления
289
Например, для Солнца ( 26,8 , 1 а. е. 1 206 265 пк) получаем, что его абсолютная звездная величина 4,8 . Звезды, как люди: они рождаются, имеют конечную продолжительность жизни и, в конечном счете, умирают. Жизненный цикл звезд различных классов на всех стадиях эволюции прослеживается на классификационной диаграмме Герцшпрунга–Рессела (ГР-диаграмме) (рис. 6.1). Диаграмма ГР представляет график температуры звездной
Рис. 6.1. Диаграмма Герцшпрунга–Рассела (ГР). Диаграмма схематически изображает последовательность состояния и эволюции звезд. Светимость нормирована к светимости Солнца. Положение на кривой главной последовательности соответствует времени активного существования звезды, когда в ее недрах происходит ядерный синтез. Показаны области входа молодой звезды на главную последовательность и ухода с нее. Цветовые индексы хорошо известных звезд в Галактике можно определить при помощи спектральной полосы в нижней части рисунка. (Источник: Википедия)
290
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
«поверхности», связанной со спектральным классом, относительно их полной светимости . Согласно гарвардской классификации они обозначаются буквами латинского алфавита O, B, A, F, G, K, M, R, N, S. Ее легко запомнить, используя шуточное мнемоническое правило: «Oh Be A Fine Girl, Kiss Me Right Now Sweetheart». Точки на диаграмме ГР не рассеяны хаотично, а располагаются на отдельных участках вполне упорядоченно. Большинство звезд находится на линии, называемой главной последовательностью (ГП). Светимость и продолжительность жизни звезды на ГП определяется ее массой , которая пропорциональна радиусу звезды . Светимость зависит от температуры звезды — фактически, температуры ее видимой поверхности — фотосферы. В то время как звездные температуры отличаются в 10 раз, их радиусы изменяются в очень широких пределах — от сотен и даже тысячи солнечных радиусов ( ) для гигантов и супергигантов, до 10 2 –10 3 для белых карликов. Между светимостью и радиусом и между светимостью и массой звезды существуют следующие простые соотношения, справедливые для звезд ГП в диапазоне масс 0,1 100 :
5,2 ;
3,9
Как видим, светимость возрастает в степенной зависимости с ростом размера и массы звезды. Продолжительность жизни массивных гигантских звезд (звезд классов OB) намного короче, чем продолжительность жизни карликовых звезд называемых желтыми типа нашего Солнца или красными (классов К и М) карликами. Масса последних составляет от 0,075 до 0,50 , а температура поверхности ниже 4 000 К. В то время как продолжительность жизни гигантов составляет всего лишь десятки миллионов лет, у Солнца она приблизительно десять миллиардов лет и почти один триллион лет у карликов с 0,25 . Принимая во внимание, что звезды солнечной массы и более массивные звезды покидают главную последовательность в конце жизни, когда израсходовано запасенное ядерное топливо, можно ожидать, что звезды с массой 0,85 вообще не сходят с ГП. Наиболее распространенными в Галактике являются звезды низкой светимости спектрального класса M и ниже, в то время как наше Солнце принадлежит классу G. Количество массивных звезд OB гораздо меньше: они составляют только 10 3 –10 4 % от всей популяции, что полностью согласуется с современной теорией звездообразования. Между тем, именно эти массивные звезды ответственны за взрывы сверхновых, гамма-всплески и образование черных дыр. Вместе с процессами нуклеосинтеза в недрах звезд всех классов они вносят значительный вклад в эволюцию галактик и обогащение Вселенной тяжелыми элементами. Наряду с водородом и гелием, эти элементы входят в состав новых поколений звезд, способствуя, в частности образованию звезд более высокой металличности.
Общие представления
291
Заметим, что в астрономии все химические элементы тяжелее гелия называются металлами и относительное содержание этих элементов в звезде называется звездной металличностью (обозначается $ ). Металличность оказывает влияние на продолжительность жизни, образование магнитных полей и силу звездного ветра. Более молодые звезды довольно высокой металличности и более старые звезды меньшей металличности называют звездами популяции I и популяции II соответственно. Выделяют также популяцию III, относящуюся к образованиям звезд гало в протогалактике при ее формировании и сжатии. Эти громадные и массивные звезды на раннем этапе эволюции Вселенной, по-видимому, состояли почти целиком из водорода и быстро превратились в сверхновые звезды, которые обогатили межзвездную среду первыми тяжелыми элементами. И тем не менее, даже с учетом такого обогащения, межзвездная среды состоит (по объему) на 89 % из водорода и на 10 % из гелия, а такие элементы, как кислород, азот, углерод, неон и т. п. составляют менее 1 %, причем содержание всех металлов не превышает 0,25 %. Особо выделяют группу основных породообразующих элементов (так называемую большую пятерку) к которой относят Fe, Mg, Si, C, O. За исключением сверхновых звезд, одиночные звезды наблюдаются главным образом в видимой части нашей Галактики, в Местной группе галактик, принадлежащих сверхскоплению галактик в созвездии Девы 1), на расстоянии приблизительно 100 миллионов световых лет от Земли и в Местном сверхскоплении галактик (см. гл. 10). Вне этой области ни одиночных звезд, ни скоплений не наблюдалось, даже при использовании современных телескопов. Единственным исключением является полученное слабое изображение большого скопления, содержащего сотни тысяч звезд, находящегося от нас на расстоянии около одного миллиарда световых лет. Современные инструменты позволяют проводить прецизионные астрометрические измерения и определять с высокой точностью движения звезд, включающие радиальную и тангенциальную составляющие скорости. Координаты, лучевые скорости, собственные движения и другие основные параметры звезд и таких астрономических объектов, как галактики, туманности и др., содержатся в звездных (фундаментальных) каталогах. Положения на небе, расстояния, собственные движения и видимые звездные величины свыше миллиона объектов в экваториальной системе координат были измерены с точностью до одной миллисекунды дуги методом звездного параллакса в 1989–1993 гг. на космическом аппарате Европейского космического агентства «Гиппарх» (Hipparcos — High Precision Parallax Collecting Satellite). Этот акроним совпадает с именем выдающегося древнегреческого астронома и математика Гиппарха 1)
Ряд источников относят эту галактику к созвездию Волосы Вероники.
292
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
Никейского, создателя одного из первых каталогов звездного неба в 129 г. до н. э. Высокоточные астрометрические и фотометрические измерения продолжены на КА Gaia (Global Astrometric Interferometer of Astrophysics), запущенного в точку Лагранжа 2 . Этот аппарат позволит определить положения примерно миллиарда звезд, измерить расстояния до них и их собственные движения и составить трехмерную карту нашей Галактики, а также найти среди них миллионы неизвестных затменных двойных и тысячи транзитных планет. Наблюдаются звезды с периодическим или нерегулярным (внезапным) изменением светимости, которые называют переменными звездами (рис. 6.2). Исходя из физических процессов, вызывающих переменность, в каталоге переменных звезд ОКПЗ-4 выделяют 8 категорий: эруптивные звезды, пульсирующие звезды, вращающиеся звезды, затменно-двойные системы, оптические переменные двойные системы с жестким рентгеновским излучением, переменные с другими символами, новые типы переменных.
Рис. 6.2. Пример переменной фосфоресцирующей звезды Эта Киля ( Carinae) (яркое желтое пятно на синем фоне в центре). (Источник: Википедия)
У пульсирующих звезд происходит периодическое изменение блеска, причем колебания светимости (видимой звездной величины) иногда сопровождаются изменениями в спектре, что позволяет более точно отождествить класс звезды. Они могут вызываться как внутренними, так и внешними причинами. К внутренним относят свойства самой переменной звезды, которыми обусловлены ее периодическое расширение и сжатие, в то время как внешней причиной может быть периодическое затмение звезды ее орбитальным компонентом, как это происходит, например, при затмении двойной звезды Алгол.
Общие представления
293
К классу переменных звезд относятся упомянутые в гл. 5 звезды типа Т Тельца, с которыми ассоциируют молодое Солнце на самой ранней стадии эволюции до его перехода на главную последовательность на треке Хаяши. Эти очень молодые объекты принадлежат к звездам спектральных классов F, G, K, M и обычно имеют массу меньше двух солнечных масс, а при массе от 2 до 8 солнечных их называют звездами Хербига–Аро (Herbig–Haro objects Ae/Be), относящимися к более ранним спектральным классам. Обычно звезды Т Тельца являются членами двойных систем. Они вращаются с периодом от 1 до 12 дней, температура их поверхности такая же, как и у звезд главной последовательности той же массы, но, поскольку их радиус несколько больше, у них большая светимость. Термоядерный синтез начинается приблизительно через 100 млн лет после образования звезды, после того как в процессе сжатия внутри ядра достигается необходимая температура. В спектрах звезд типа T Тельца четко выражены линии бальмеровской серии водорода и наблюдается избыток излучения в ИК-диапазоне за счет окружающего их газопылевого (протопланетного) аккреционного диска. С наличием диска предположительно связано периодическое изменение блеска звезды из-за перекрытия излучения образующимися планетами или планетезималями. Диск рассеивается за 10 млн лет, частично выдуваясь звездным ветром и передавая момент импульса от звезды планетам. Такой сценарий лежит в основе формирования Солнечной системы и внесолнечных планет (см. гл. 7, 8). К категории пульсирующих переменных звезд, у которых вариации светимости обусловлены внутренними свойствами, относят цефеиды и цефеидоподобные звезды, и долгопериодические переменные (типа известного красного гиганта Миры в созвездии Кита, пульсирующего с 11-месячным циклом) в интервале звездных величин от 2,5 до 11 (30 000 кратное изменение светимости!). Наблюдались переменные пульсирующие звезды, в том числе цефеиды, с двойной периодичностью. Цефеиды — это гиганты и сверхгиганты, в тысячи раз ярче Солнца, названные по имени звезды Æ Цефея. Различают два типа цефеид: классические цефеиды, принадлежащие к молодой плоской составляющей звездного населения I Галактики, и цефеиды типа W Девы, относящиеся к старой сферической составляющей населения II. Классические цефеиды встречаются, как правило, в рассеянных звездных скоплениях, а цефеиды типа W Девы — в шаровых скоплениях, их светимость примерно в 4 раза (примерно на 1,5 ) ниже, чем у классических цефеид. Принципиально важным фактом является то, что классические цефеиды имеют одну и ту же абсолютную звездную величину. Поскольку они обычно являются членами рассеянных звездных скоплений, то по измеренной разности между видимой и абсолютной звездной величиной цефеиды можно определить расстояние до скопления. Не случайно поэтому классические цефеиды называют маяками Вселенной.
294
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
К цефеидам относится, в частности, Полярная звезда в созвездии Малой Медведицы, пульсирующая с постепенно замедляющимся 4-дневным периодом, что свидетельствует о заключительной фазе ее эволюции. Благодаря довольно точной зависимости между периодом изменения светимости (называемым фундаментальной частотой) и местоположением в космосе цефеиды широко используются для определения расстояний до далеких объектов, для которых метод параллакса, применяемый для относительно близких звезд, становится бесполезным. Переменные цефеиды принадлежат звездному населению II. К этой же категории переменных звезд относят эруптивные (катаклизмические, или взрывные звезды), включая новые, сверхновые и симбиозные — взаимодействующие двойные. Многие звезды являются не только одиночными, но двойными или даже кратными, с большим числом (до десяти) компонентов. Последнее особенно характерно для массивных и горячих звезд класса OB. В галактиках преобладают как раз не одиночные звезды, а двойные и кратные звездные системы. По существующим оценкам в нашей Галактике более половины всех звезд на ГП и даже большая доля звезд перед стадией ГП являются двойными или кратными системами, обращающимися относительно общего центра масс. Детальные астрономические наблюдения многих двойных звездных систем сделали возможным определить массы звезд из вычисления их орбитальных элементов. Эти наблюдения свидетельствуют также об орбитальной стабильности таких систем. Небольшой класс двойных звезд, называемых симбиотическими, заслуживает особого внимания. У них сложные комбинационные спектры, в которых, наряду с полосами поглощения титана в виде TiO, как у холодных звезд, присутствуют эмиссионные линии высокого возбуждения, присущие горячим звездам, а также линии, характерные для туманностей. Предполагают, что расстояние между объектами симбиотической пары колеблется от 1 до 5 а. е. и оба компонента окружены общей газовой оболочкой или дисками. Наряду с одиночными, двойными и кратными звездами, звездное население галактик включает в себя звездные кластеры начиная от слабосвязанных групп — рассеянных скоплений (open clusters) до гигантских шаровых скоплений (globular clusters) с тысячами и миллионами звезд. В то время как рассеянные скопления, состоящие из нескольких тысяч звезд, являются весьма молодыми (их возраст обычно не превышает сотен миллионов лет), подавляющее большинство звезд шаровых скоплений относится к самому древнему галактическому населению — их возраст близок к возрасту Вселенной ( 10 млрд лет). Свидетельством этого является, в частности, низкая пропорция содержащихся в членах этих скоплений тяжелых элементов и практически отсутствие пыли. Звезды в рассеянных скоплениях, наиболее исследованными из которых в нашей Галактике являются Плеяды, Гиады и h и & Персея,
Рождение
295
образовались практически одновременно в гигантских молекулярных облаках спиральных рукавов нашей и других галактик, и они связаны между собой относительно слабыми гравитационными силами, так что даже при незначительных возмущениях могут легко покидать скопление, превращаясь в обычные одиночные и двойные звезды. При больших возмущениях за счет, например, взаимодействия с другим скоплением или облаком межзвездного газа, скопление может быть полностью разрушено. Другим важным фактором является излучение рождающихся звезд, выметающих газ из скопления, вследствие чего на образование звезд приходится только 10 % его первоначальной массы. Звезды рассеянных скоплений имеют примерно одинаковый возраст и химический состав, но в зависимости от массы находятся на разной стадии эволюции, и поэтому играют важную роль при изучении эволюционных процессов. В свою очередь, шаровые скопления играют первостепенную роль при изучении эволюции галактик. Их подразделяют на несколько групп, структура и динамика которых исследуется на значительно более долгой эволюционной шкале. Эти исследования вплотную примыкают также к изучению наличия и свойств темной материи (см. гл. 11), с которой связывают наблюдаемую геометрию плоскостей расположения карликовых галактик и шаровых скоплений разных возрастов. Между тем, предприняты попытки объяснить эти особенности, прежде всего возможность сохранения устойчивости скоплений, путем пересмотрения оценки полной массы за счет присутствия в них большого числа слабых маломассивных звезд. Выделяют также звездные ассоциации — группы звезд, которые объединены общим происхождением в гигантских молекулярных облаках, но гравитационно между собой связаны слабо 1). В отличие от молодых рассеянных скоплений, размер ядер которых не превышает единиц парсек, размер звездных ассоциаций достигает десятков парсек, а плотность звезд на один–два порядка меньше. Сами ассоциации делят на три типа в зависимости от спектрального класса и переменности населяющих их звезд, а происхождение связывают со спецификой процессов звездообразования в комплексах молекулярных облаков и газопылевых туманностей.
Рождение Звезды образуются в межзвездной среде, прежде всего, в спиральных рукавах галактик в результате коллапса массивных скоплений газа и пыли. Такие скопления наблюдались на фотографиях Млечного 1) На процессы звездообразования молодых звезд в звездных ассоциациях впервые обратил внимание в 1948 г. выдающийся советский астрофизик В. А. Амбарцумян.
296
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
Пути в виде темных пятен неправильной формы, получивших название глобул, которые служат зародышами звезд в результате непрерывного гравитационного сжатия вещества, сопровождаемого ростом давления и температуры. Подавляющее большинство звезд формируется в гигантских молекулярных облаках (GMCs), а некоторые — в значительно менее крупных диффузных молекулярных облаках (рис. 6.3). Типичная масса молекулярного облака составляет несколько миллионов масс Солнца, его размер несколько десятков парсек, температура 10–50 К, а плотность не более 200 см 3 . В нем содержится большое количество пылевых частиц, часть из которых возможно образуется и укрупняется
Рис. 6.3. Области формирования звезд: а — область формирования звезды NGC 2024 в созвездии Орион. Снимки были получены с помощью инфракрасной камеры космического аппарата «Джемини» в трех ближних инфракрасных диапазонах спектра ( 1,2, 1,65 и 2,2 мкм), которым на изображении соответствуют синий, зеленый и красный цвета, и в дальнейшем изображения совмещены. В то время как центральная часть туманности на фотографии в видимом свете выглядит темной из-за поглощения света пылью, в инфракрасном свете обнаруживается плотное скопление молодых звезд (с любезного разрешения UCLA и NASA); б — область формирования звезды в Орионе (с любезного разрешения М. Bessell, RSAA, ANU); в — область формирования звезды Эта Киля ( Carinae). Снимок был получен с помощью космического инфракрасного телескопа «Спитцер» (Spitzer). Для сравнения та же самая область неба в видимом спектральном диапазоне показана слева (с любезного разрешения NASA); г — рождение звезд в центральной части созвездия Ориона — открытое скопление Трапеция (с любезного разрешения NASA, Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе и Исследовательской школы астрономии и астрофизики Австралийского Национального университета)
Рождение
297
Рис. 6.4. Гигантские газопылевые столбы (pillars) молекулярных облаков. (С любезного разрешения Института телескопа «Хаббл» (STScI) и NASA)
внутри облака, и вместе с газом участвует в процессах звездообразования (рис. 6.4). Интересно сравнить с молекулярными облаками привычные облака в земной атмосфере. В то время как сильно разреженные молекулярные газовые облака состоят главным образом из водорода с примесью (по массе) приблизительно 23–28 % гелия, нескольких процентов более тяжелых элементов и до 1 % пыли, атмосферные облака — это достаточно плотная азотно-кислородная смесь (воздух) вместе с каплями воды и ледяными кристаллами. Концентрация частиц в молекулярных облаках гораздо ниже, чем в вакуумной камере (' 102 –108 cм 3 , что эквивалентно массовой плотности 7 10 4 г/см3 ), а температура составляет всего 15–20 K, по сравнению с ' 1019 см 3 и 220 K в облаках Земли. Однако размер и масса молекулярных облаков по сравнению с нашими типичными земными облаками огромны: 1–50 пк, или 3 1018 –1,5 1020 см, 1 106 33 39 4 6 8 11 ( 10 –10 г) против 10 –10 см и 7 10 –7 10 г. Эффективность процесса образования звезды невелика, поскольку лишь несколько процентов начальной массы фрагмента молекулярного облака используется для ее формирования. Пик в массовом спектре звездообразования приходится приблизительно на 0,3 , поэтому большинство звезд менее массивно, чем Солнце (1 ). Формирующиеся массивные звезды ярко освещают окружающее пространство. Межзвездные облака называют молекулярными не случайно: дело в том, что, помимо водорода и гелия, они содержат также многочисленные водород-, углерод-, азот- и кислородсодержащие молекулы, в том числе молекулы, состоящие из двух, трех, четырех, десяти или даже большего числа атомов, включая углеводороды и молекулы, содержащие дейтерий. Эмиссионные линии кислорода, водорода и серы
298
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
Рис. 6.5. Эмиссии кислорода, водорода и серы в созвездии Ориона — активном «звездном питомнике», содержащем тысячи молодых звезд и растущих протозвезд. (С любезного разрешения Института телескопа «Хаббл» и NASA)
четко видны в спектре Туманности Ориона на рис. 6.5, в которой по наблюдениям космических телескопов, в частности, рентгеновского телескопа «Чандра» (Chandra), рождаются самые горячие звезды. Еще одна область звездообразования в созвездии Ориона, изображение которой получено при помощи инфракрасного космического телескопа «Спитцер», показана на рис. 6.6. Здесь весьма неожиданно были обнаружены крошечные кристаллы минерала оливина вокруг протозвезды HOPS-68, похожей на Солнце. Эти кристаллы зеленого цвета являются форстеритом Mg2 SiO4 — крайним членом ряда магнезиальножелезистых силикатов (оливинов) (Mg,Fe)2 SiO4 . Предполагают, что эти минералы образуются вблизи поверхности формирующейся звезды при высокой температуре ( 700 ÆC) и вслед за тем выбрасываются в облако окружающего газа с гораздо более низкой температурой, из которого, в конечном счете, выпадают подобно «блесткам». Более вероятно, однако, что потоки газа, эжектируемые рождающейся звездой, несут с собой в холодное внешнее облако уже образовавшиеся кристаллы. Пути формирования звезд большой массы ( 3 ) и звезд малой массы ( 0,8–3 ) весьма различны, хотя каждый сценарий начинается с гравитационной нустойчивости в области молекулярного облака с более высокой плотностью. Этот процесс обусловлен
Рождение
299
Рис. 6.6. Область формирования звезды в созвездии Ориона, снимок получен космическим инфракрасным телескопом NASA «Спитцер» (левое изображение). Обнаружение мельчайших кристаллов минерала оливина вокруг подобной Солнцу эмбриональной звезды HOPS-68 (стрелка на верхнем правом изображении). Кристаллы относятся к силикатам группы оливинов — форстеритам. Они образовались либо около поверхности формирующейся звезды при высокой температуре и затем перемещены в намного более холодное окружающее облако газа, либо вырваны из недр эмбриональной звезды вместе с потоками газа к холодному внешнему облаку (справа среднее и нижнее изображения в представлении художника). Внизу — спектр, зарегистрированный инфракрасными датчиками «Спитцера» со следами присутствия форстерита. (С любезного разрешения NASA/JPL-Caltech/Университет Толедо)
300
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
внутренними флуктуациями, возможно связанными с гигантскими турбулентными вихрями, и удовлетворяет критерию неустойчивости Джинса, приводящей к коллапсу газового сгустка, который вызывает рост плотности и преобразование гравитационной энергии в тепло 1). В процессе сжатия давление и температура неуклонно растут, достигая предела, при котором тепловые скорости частиц (протонов) способны преодолеть кулоновские силы электростатического отталкивания и «зажечь» реакции термоядерного синтеза. У массивных звезд, относящихся к классам O и B, термоядерный синтез начинается еще во время коллапса, Такие звезды разрушают структуру окружающего молекулярного облака, из которого они образовались. В отличие от них, горение водорода в звездах малой массы начинается уже в сформировавшемся сгустке пыли и газа, и они слабо нарушают структуру окружающего облака. В еще более низком диапазоне масс (0,013–0,8 ) эволюция идет иным путем и приводит к другому типу сжатых объектов, называемых коричневыми карликами. Их следует отличать от белых карликов, являющихся конечной стадией эволюции звезд примерно солнечной массы. Коричневый карлик — это своего рода «промежуточная звезда низкой массы» — субзвездный объект, температура в недрах которого недостаточно высока, чтобы начался p–p-цикл. Вместо водорода происходит сжигание дейтерия, а электроны являются вырожденными частицами. В холодных коричневых карликах, когда начальный запас дейтерия израсходован, доминирует не давление вырожденного газа, как в более массивных звездах, а кулоновское давление. Коричневые карлики обычно рассматриваются как промежуточные объекты между звездами малой массы и планетами, самые крупные из которых в несколько раз превышают массу Юпитера (0,001 ). Протозвезда формируется в процессе ее сжатия и достигает устойчивого состояния гидростатического равновесия, когда гравитация и внутреннее давление оказываются приблизительно сбалансированными. Это состояние (фаза Хаяши) отвечает переходу звезды на главную последовательность диаграммы ГР, в процессе которого звезда быстро сжимается. Время сжатия до перехода на ГП составляет приблизительно 30 млн лет для звезд малой массы ( 1 ) и только 10 тыс. лет для звезд большой массы ( 50 ). Многие из звезд еще до перехода на главную последовательность диаграммы ГР окружены протопланетным аккреционным диском (см. гл. 8). На рис. 6.7 и 6.8 показаны области рождения звезд большой массы, отснятые, соответственно, с помощью космических телескопов «Хаббл» и «Спитцер». О наблюдениях «Хаббла» уже упоминалось 1) Наряду с гравитационной моделью, рассматривается магнитная модель, согласно которой коллапс протозвездного сгустка на начальной стадии уравновешивается давлением магнитного поля.
Рождение
301
Рис. 6.7. Область рождения массивной звезды в галактике NGC 3603 (снимок телескопа «Хаббл», с любезного разрешения NASA)
при обсуждении планет и малых тел Солнечной системы, но о нем следует сказать особо. Этот космический телескоп, запущенный на околоземную орбиту в 1991 г., буквально революционизировал наши представления о Вселенной, позволив проникнуть в ее глубины на расстояние не менее 2,5 млрд световых лет. Высококачественные изображения и измерения свойств галактик, галактических скоплений, звезд на разных стадиях эволюции и других объектов в видимом, ближнем ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра по существу открыли новую страницу в астрофизике, неизмеримо расширив понимание многообразия и масштабов происходящих процессов и явлений. Количество переданной информации превысило сотню терабайт, и функционирование «Хаббла» может продлиться еще не менее 5–10 лет. Эти исследования сильно дополняют наблюдения при помощи космического телескопа «Спитцер», запущенного в 2003 г., так же как и выведенного позднее в космос КА «Гершель». Они проводят наблюдения в более длинноволновой части спектра, в то время как такие космические телескопы, как «Комптон», «Чандра», «Интеграл» и др., обеспечивают исследования объектов Вселенной в рентгеновском и гамма-диапазонах длин волн, охватывая тем самым по существу весь электромагнитный спектр за пределами земной атмосферы. Изображение на рис. 6.8 получено по результатам наблюдений в инфракрасном диапазоне на длинах волн 3,6; 8 и 24 мкм и представляет собой трехцветную композицию. На нем видна светящаяся зарождающаяся туманность, в которой образуются наиболее массивные из всех
302
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
Рис. 6.8. Горячая изумрудная туманность, обнаруженная космическим телескопом «Спитцер» в области образования звезд класса O — наиболее массивных из известных типов звезд. Изображение представляет собой трехцветную композицию по данным инфракрасных наблюдений с использованием матричной камеры «Спитцера». Синий цвет условно соответствует излучению с длиной волны 3,6 мкм, а зеленый — 8 мкм. Красный цвет отвечает излучению с длиной волны 24 мкм, измеренному многополосным фотометром «Спитцера». В центре кольца находится пара гигантских звезд, интенсивный ультрафиолетовый свет от которых проник через пузырь, однако они сливаются с другими звездами при наблюдениях в инфракрасном диапазоне. Выделяется также ИК-излучение от крошечных органических пылевых частиц — полициклических ароматических углеводородов, несколько более крупных и горячих пылевых частиц внутри кольца, нагретых массивными звездами, которое условно обозначено, соответственно, также зеленым и красным цветом. (С любезного разрешения NASA)
существующих звезд класса O. «Спитцер» нашел, что такие «пузыри» довольно обычны и могут быть обнаружены вокруг O-звезд повсюду в нашей Галактике. Пара гигантских звезд находится в центре зеленого кольца, интенсивный ультрафиолетовый свет которого выделяется в виде пузыря, и они сливаются с другими звездами, когда эта пара рассматривается в инфракрасном свете. Кольцо находится там, где пыль облучается интенсивным светом от массивных звезд и на нее натекает звездный ветер. Зеленый цвет представляет собой излучение в инфракрасной области, исходящее от крошечных органических частиц пыли — полициклических ароматических углеводородов, которые, вероятно, были разрушены внутри пузыря. Красный цвет внутри кольца обусловлен излучением более горячих зерен пыли, нагретых массивными звездами.
Рождение
303
Основным источником энергии звезд является ядерный синтез в их ядрах. Молодая звезда состоит преимущественно из горячих ионизованных газов, водорода и гелия, и сжигает их в реакциях термоядерного синтеза в течение главной части своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы ГР. Как уже говорилось, в равновесном состоянии тепловая энергия и потенциальная энергия гравитации уравновешиваются, и звезда находится в гидростатическом равновесии. Радиус звезды пропорционален ее массе, , а средняя плотность пропорциональна обратному квадрату ее массы, 2 . Другими словами, для звезд малой массы их гидростатическая структура определяются главным образом балансом между гравитацией и тепловым давлением. В таких звездах процесс синтеза обрывается на гелии, согласно ядерным цепным реакциям, описанным для Солнца в гл. 5. В то же время для звезд большой массы процесс синтеза происходит на протяжении нескольких последовательных стадий, и продукт синтеза от предыдущего цикла становится топливом для последующего: от гелия до углерода, неона, кислорода, кремния и, наконец, железа (рис. 6.9 и 6.10).
Рис. 6.9. Диаграммы ядерного синтеза: а — водородно-гелиевый (протонпротонный) цикл горения для звезд с низкой массой; б — CNO-цикл горения для звезд большой массы. (Источник: Википедия)
В процессе эволюции звезд (с массами от 2 до 10 и температурами в ядрах 108 K) гелий превращается в углерод в тройном альфа-процессе по следующей цепочке реакций, включающих
Рис. 6.10. Последовательные циклы ядерного синтеза в недрах звезд. (С любезного разрешения Смитсонианской астрофизической обсерватории, САО/G. Fazio)
304 Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
Рождение
305
промежуточный элемент бериллий: 4 4
He 4 He 92 кэВ 8 Be,
He 8 Be 67 кэВ 12 C, 12
C 12 C " 7,4 МэВ
И суммарная реакция выглядит следующим образом: 34 He 12 C " 7,2 МэВ
В еще более массивных звездах в сжимающемся ядре сгорают более тяжелые элементы, синтезируя при возрастающих температурах, достигающих более 109 К, последовательно неон, кислород, магний и кремний, заканчивая, в конечном счете, образованием устойчивого изотопа железа 56 Fe. Последовательная цепочка ядерных реакций, в которых участвуют не только нейтроны, но также протоны и атомы гелия, сопровождается возникновением промежуточных химических элементов — серы, алюминия, кальция, аргона, фосфора, хлора, калия и др. Синтез обрывается на железе, так как реакции перестают быть эндотермическими (с выделением тепла). Другими словами, внутренней энергии больше не производится, и процесс останавливается после образования в недрах звезды тесно связанных ядер железа, так как гравитационному сжатию звезды больше не может противостоять давление в центре за счет выделения термоядерной энергии. Энергия сжатия затрачивается на распад железных ядер вплоть до образования нейтронного ядра, сопровождаемого всплесками нейтринного и гамма излучений, возникающих при захвате электронов и обратном бета-распаде 1). Следует иметь в виду, что топливо в термоядерном синтезе берется от чистой массы слившихся атомных ядер, которая меньше чем сумма исходных элементов. В частности на первом этапе термоядерного синтеза суммарная масса образовавшихся частиц меньше массы четырех исходных протонов, а значит, в процессе реакции выделяется свободная энергия. Потерянная масса высвобождается как электромагнитная энергия в соответствии с известным соотношением Эйнштейна эквивалентности массы и энергии (2 . Последовательные стадии горения водорода, гелия и более тяжелых элементов проходят все массивные звезды в пределах 8 100 . Когда водород почти исчерпан, кора сжимается до тех пор, пока температура и давление не станут достаточными, чтобы вызвать 1)
Захват электрона — это процесс, при котором атомное ядро (нуклид) с избытком протонов поглощает внутренний атомный электрон, тем самым превращая ядерный протон в нейтрон и одновременно испуская электронное нейтрино. Обратный бета-распад — это альтернативный тип захвата электрона для радиоактивных изотопов, обладающих энергией, достаточной для распада путем позитронной эмиссии.
306
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
слияние ядер гелия 1), и процесс продолжается на последовательных стадиях горения углерода, неона, кислорода, кремния, вдоль границ соответствующих оболочек («луковых слоев») внутри звезды. Каждая оболочка синтезирует другой элемент, а на границах внешних оболочек продолжается ограниченное горение всех предыдущих элементов — водорода, гелия и т. д. Звездные ядра постепенно превращаются в структуры концентрических оболочек (типа «луковицы»), состоящие из элементов, образовавшихся на предыдущих стадиях термоядерного синтеза (рис. 6.10). Таким образом, жизненный путь звезды и число эволюционных циклов напрямую зависит от ее исходной массы, определяя тем самым, насколько далеко ее ядро продвинулось по пути к железу. У массивных звезд дальнейший процесс развивается через гравитационный коллапс, завершающийся взрывом сверхновой, в процессе которого рождаются элементы тяжелее железа. Образование химических элементов в этих процессах называется нуклеосинтезом. Области образования звезд генетически связаны с массивным, сравнительно плоским галактическим диском, видимое вещество которого представляет собой смесь газа и пыли с неоднородным распределением плотности, с максимумом в его плоскости симметрии. Такая многофазная многокомпонентная среда обычно состоит из массивных холодных плотных облаков, которые находятся в процессе гравитационного сжатия. Очевидно, это ранняя стадия образования звездных кластеров и ассоциаций. В дисковых галактиках образование звезд активно происходит в OB-ассоциациях с массой 107 и размерами порядка толщины газового диска, так что во время коллапса приблизительно 90 % ассоциации распадается на звезды с массой 103 . Конденсация газов сопровождается сжатием и интенсивным тепловыделением вследствие преобразования потенциальной энергии в кинетическую и переносом углового момента от формирующегося скопления к периферийным областям, когда достигается некоторая критическая плотность и возникает гравитационная неустойчивость. Когда температура внутри протозвезды достигает нескольких миллионов градусов и становится достаточной для начала термоядерного синтеза, дальнейшее сжатие прекращается, и звезда занимает определенное положение на ГР-диаграмме, на котором остается до исчерпания запасов ядерного топлива. Выделение энергии в центральной части звезды сопровождается радиационным и конвективным переносом, подобным происходящему в солнечных недрах, причем маломассивные звезды полностью конвективные. Помимо непрерывного светового и теплового потоков, каждая звезда испускает также звездный ветер, аналогичный солнечному ветру, а ядерный синтез сопровождается испусканием нейтрино, уносящих значительную часть энергии (массы) звезды. 1) В фазе выгорания гелия звезды очень большой массы (до восьми солнечных масс) расширяются до размеров красного супергиганта.
Жизнь и смерть
307
Некоторые очень горячие ( 30–200 103 K) и очень массивные (свыше 20 ) ярко светящиеся ( 106 ) звезды эволюционируют и теряют массу очень быстро (в миллиард раз быстрее, чем Солнце!) посредством очень сильного звездного ветра, скорость которого примерно в пять раз больше скорости солнечного ветра. Продолжительность жизни этих звезд, имеющих некоторые специфические особенности в спектрах, всего лишь порядка нескольких миллионов лет, но этого времени достаточно, чтобы звездный ветер вынес значительную долю суммарной звездной массы — несколько десятков солнечных масс. Их называют звездами Вольфа–Райе (WR) в честь их первооткрывателей Чарльза Вольфа и Жоржа Райе. Следует еще раз подчеркнуть, что условия формирования первых и последующих поколений звезд различаются в зависимости от степени обогащенности межзвездной галактической среды тяжелыми элементами, произведенными в процессах нуклеосинтеза в недрах звезд предыдущих поколений и при взрывах сверхновых. Это определяет, в частности, упоминавшуюся выше металличность (отношение более тяжелых элементов к водороду) звездной материи. Такой циклический процесс сохраняется непрерывно в процессах звездной эволюции: «зола» от умирающих звезд входит в состав рождающихся звезд и окружающих их дисков, из которых образуются планеты с большой долей тяжелых элементов в их валовом составе. Тяжелые элементы входят в состав органической материи и высшей — биологической — формы ее организации в процессе эволюции — жизни. Естественно поэтому говорить о том, что все мы, люди и окружающие нас предметы, состоим из звездной золы!
Жизнь и смерть Звезды живут и умирают, при этом заключительная стадия жизни зависит от массы (табл. 6.1). Активная фаза жизни звезды приходится на период ее нахождения на ГП диаграммы ГР; этот период вполне стабилен и не связан с какими-либо катаклизмами. Но на этой стадии звезда сама себя «сжигает», и, как только звездное топливо истощается, начинается драматичный период ее жизни. Звезда начинает коллапсировать, при этом как процессы, так и конфигурации, образующиеся на заключительной стадии эволюции, также определяются звездной массой. Как следует из теории звездной эволюции, звезда малой массы (0,8–1,4 ) вскоре после завершения горения водорода, утратив способность противостоять силам гравитации, постепенно сходит с главной последовательности, превращаясь сначала в красный гигант, а затем в плотный объект (выродившийся звездный остаток), называемый белым карликом (рис. 6.11). По существующим оценкам скорость возникновения белых карликов довольно высока, и они, возможно, являются самыми многочисленными объектами в космосе.
308
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть Т а б л и ц а 6.1 Конечная стадия звезды в зависимости от массы
Диапазон массы при нахождении звезды на главной последовательности
Последовательность термоядерного горения
Стадия эволюции
Конечное состояние
Нет
Нет
Коричневый карлик ( -звезда)
Водород
Красный гигант
Белый карлик
Водород, гелий
Красный гигант. Горизонтальная ветвь ГР-диаграммы Планетарная туманность
Белый карлик
–8
Водород, гелий, углерод
Красный гигант Горизонтальная ветвь ГР-диаграммы Пульсация Сверхновая звезда
Белый карлик или нейтронная звезда
–30
Водород, гелий, углерод, кислород, неон, кремний
Красный гигант. Большая потеря массы. Сверхновая звезда
Нейтронная звезда или черная дыра
0,08 0,08 –0,5 0,5
–1,4
1, 4
9
Рис. 6.11. Диаграмма эволюции звезд с низкой и высокой массой
Жизнь и смерть
309
На стадии красного гиганта происходит относительно медленный сброс внешней оболочки, испытывающей сильное давление излучения на ее поверхность от сжимающегося ядра и оставляющей планетарную туманность с произвольными, но довольно упорядоченными формами (рис. 6.12). Планетарные туманности содержат сильно турбулизованный газ, а их формы служат отражением происходящих в космической среде процессов упорядочения изначально хаотических структур — процессов самоорганизации. Иногда возникновение такой упорядоченности, включая явную цилиндрическую симметрию, может быть связано с наличием у звезды близкого компаньона и совместным формированием их оболочек. Еще более сложные конфигурации при взаимодействии расширяющегося газа с межзвездной средой,
Рис. 6.12. Конфигурации планетарных туманностей: а — кольцевая туманность в созвездии Лира (M57, NGC 6720) в цветах, близких к натуральным. Синий, зеленый и красный цвета относятся соответственно к ионизованному гелию, дважды ионизованному кислороду и водороду и к ионизованному азоту. В центре находится звезда 15 на заключительной стадии эволюции к белому карлику с температурой на поверхности 150 000 K; б — планетарная туманность Тарантул. Газ, испускаемый оболочкой, является сильно турбулизованным и имеет нерегулярную структуру с некоторым упорядочением; в — одна из ближайших к нам (расстояние 2 000 св. лет) планетарных туманностей диаметром 1 св. год — Туманность Восьми Вспышек или Южная Кольцевая туманность. Ее особенностью является симметричная форма и наличие пересекающих ее пылевых полос. Предположительно находится вокруг компонента тусклой двойной звезды — белого карлика (УФ-излучение которого обуславливает свечение самой туманности) вблизи центра галактики NGC 3132 с неоднородным оттоком светящегося газа, порожденного во внешних слоях звезды, подобной нашему Солнцу; г — снимок космического телескопа «Хаббл» (HST) другой планетарной туманности квазикольцевой формы. (С любезного разрешения NASA, ESA и Института телескопа «Хаббл»)
310
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
в которых также различается определенный порядок на фоне хаотизации, возникают при взрывах сверхновых. Как было показано в гл. 5, Солнце перейдет в фазу красного гиганта приблизительно через пять миллиардов лет, при этом оно расширится до максимального радиуса примерно в одну астрономическую единицу. В этой фазе от звезды малой массы солнечного типа в результате громадного увеличения давления излучения на внешние слои звезды отделяется внешняя оболочка, называемая планетарной туманностью. На заключительной стадии превращения из красного гиганта в белый карлик звезда солнечной массы претерпевает сложные физические процессы. Плотность в ядре стремительно нарастает, и на смену давлению, обеспечиваемому термоядерным синтезом, приходит давление, источником которого служит вырожденное вещество, сильно отличающееся от обычной плазмы. Вырожденное состояние материи, при котором она обладает существенно квантовыми свойствами, появляется при чрезвычайно высокой плотности в сильно сжатых недрах звезд (или при предельно низких температурах). Когда вырожденные электроны не могут переходить на уже заполненные более низкие энергетические уровни, согласно принципу запрета Паули 1), в фермионном газе 2) создается вырожденное давление, которое сильно противодействует дальнейшему сжатию, хотя никакой термической энергии не поступает. Верхний предел массы, при котором звезда может существовать как белый карлик, был установлен С. Чандрасекаром (S. Chandrasekhar) в 1931 г. Он равен Ch 5,83 )2 , где ) — молекулярная масса, приходящаяся на один электрон. Иными словами, предел Чандрасекара определяет условие равновесия гравитационного притяжения сжимающейся звезды 1)
Этот принцип ограничивает число электронов, которые могут находиться на одной орбитали, двумя частицами при условии, что они имеют противоположные спины. Поэтому в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми четырьмя квантовыми числами ( , , , ). С ним связан принцип минимума энергии, определяющий порядок заселения атомных орбиталей, имеющих различные энергии, так что электроны занимают, в первую очередь, орбитали, имеющие наименьшую энергию, и предельный минимальный объем пространства. 2) Фермионный газ — это газ, подчиняющийся квантовой статистике Ферми– Дирака, применяемой к системам тождественных частиц (ферми-частиц, или фермионов) с полуцелым спином, в отличие от частиц с целым спином (бозонов), подчиняющихся статистике Бозе–Эйнштейна. К фермионам относятся кварки, образующие протоны и нейтроны, и лептоны, к которым относятся электроны, мюоны, нейтрино. Согласно статистике Ферми–Дирака, в каждом квантовом состоянии может находиться не более одной частицы, что отвечает принципу запрета Паули, ответственному за устойчивость электронных оболочек атомов. Это делает возможным образование сложных химических элементов и позволяет также существовать вырожденной материи под действием высоких давлений в таких объектах, как белые карлики и нейтронные звезды.
Жизнь и смерть
311
и уравновешивающего его давления вырожденного электронного газа. Если масса превышает этот предел, то белый карлик становится нейтронной звездой, а при еще большем значении — черной дырой. Ниже мы подробнее расскажем об этих экзотических объектах. Физически состояние вырождения вещества можно представить, как проникновение друг в друга электронных оболочек — орбиталей, причем самые внутренние оболочки создают предельный барьер для дальнейшего сжатия звезды. При максимальном сжатии электроны отделяются от ядер вследствие ионизации давлением и, подобно металлам, образуют свободно движущееся облако относительно решетки из плотно упакованных тяжелых ядер. Поскольку два электрона, находящиеся в одном элементе фазового пространства, не могут иметь одинаковые энергии, они должны двигаться с очень высокими скоростями, отвечающими температуре в миллионы градусов. Это внутренняя температура вырожденного электронного газа, которая понижается к поверхности белого карлика (вырождение ослабевает), и на поверхности часть вещества находится в обычном газообразном состоянии. Как видим, в то время как плотность определяется атомным газом внутри ядра (газом, в котором атомы не образуют химических связей друг с другом), давление в центральной части звезды (в частности, белого карлика) определяется вырожденным электронным газом 1). Оно создается электронами, занимающими более высокие энергетические уровни, чем те, которые они занимали в атомах в нормальном состоянии, последовательно заполняя, согласно принципу запрета Паули, самые нижние энергетические состояния. Следствием отклонения от этого принципа в аномально сжатых объектах является появление давления вырождения, сопровождающего рост температуры ядерного синтеза, которое, в отличие от давления идеального газа , пропорционально 5 3 . В сжатых объектах гравитационная энергия сбалансирована энергией вырождающихся частиц, а радиус звезды 1 3 . Другими словами, радиус белого карлика обратно пропорционален кубическому корню от его массы и, в целом, чем массивнее звезда, тем больше она сжимается. Существование белых карликов было неявно предсказано в 1844 г. известным математиком и астрономом Фридрихом Вильгельмом Бесселем. Основываясь на наблюдениях нерегулярностей в собственном движении Сириуса, он выдвинул гипотезу, что Сириус, звезда спектрального класса , имеет невидимого компаньона с почти солнечной 1) Строго говоря, вырожденным электронным газом называется квантовый газ, состоящий из квазичастиц, который образуется, когда расстояние между частицами становится меньше волны де-Бройля и на его свойствах начинают сказываться квантово-механические эффекты, вызванные тождественностью частиц газа. У таких частиц де-бройлевская длина волны, определяющая вероятность обнаружения объекта в заданной точке конфигурационного пространства, намного превышает их радиус взаимодействия.
312
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
массой. Как показали последующие наблюдения, компаньон оказался выродившейся звездой — белым карликом Сириус B. А первым открытым белым карликом стала звезда 40 Эридана B в тройной системе 40 Эридана, которую еще в 1785 г. Вильям Гершель включил в каталог двойных звезд. Белые карлики (рис. 6.13) являются наиболее характерной конечной формой эволюции для подавляющей части звездного населения нашей Галактики — до 95 % звезд с начальными массами в диапазоне (0,08–8) . Напомним, что нижний порог отвечает классическому протон-протонному ( – ) термоядерному циклу для звезд солнечного типа, а звезда находится в термическом равновесии. Он предшествует циклу горения C–N–O в оболочках более массивных звезд после исчерпания водорода и гелия. Различают, соответственно, углерод-кислородные (C–O) и вырожденные гелиевые (He) белые карлики. Первые являются заключительной стадией единичных звезд и компаньонами двойных звезд с большой полуосью 300 s ( s — радиус звезды) с 8 , а вторые — заключительной стадией компаньонов двойных систем с 300 s и массой 2,5 .
Рис. 6.13. Белый карлик в туманности Скат (Henize 1357). Снимок, полученный телескопом «Хаббл». (С любезного разрешения Института телескопа «Хаббл» и NASA)
В течение последующих 4 млрд лет белые карлики продолжают остывать, тускнеют, приобретают красноватый оттенок и превращаются, в конечном счете, в темные холодные черные карлики. Их гравитационному сжатию препятствует высокая плотность вырожденного газа,
Жизнь и смерть
313
имеющего квантовую природу и состоящего из свободных электронов, сохраняющих кинетическую энергию даже вблизи абсолютного нуля. Амплитуда движений и степень вырождения белого карлика увеличивается с плотностью, которая предотвращает коллапс этого класса звезд на заключительной стадии эволюции и сохранение размера с понижением светимости при остывании. При переходе к относительно холодному белому карлику радиус звезды сокращается, как правило, до нескольких тысяч километров (близко к радиусу Земли), их типичные размеры и масса составляют, соответственно, 8 500 км и 0,6 , а сила тяжести у поверхности превосходит земную примерно в 105 раз. Эффективные температуры лежат в широком диапазоне, от 150 000 до 4 000 K, ближе к нижнему пределу. Конечная масса наибольших белых карликов, соответствующая «крутизне» спектра масс Солпитера, 0,6 0,4 , составляет приблизительно 0,6 . Эта масса близка к теоретическому верхнему пределу массы белых карликов — пределу Чандрасекара, который при молекулярной массе ) конечного продукта термоядерного синтеза для звезд малой массы — гелия дает величину 1,4 . Поскольку размер белых карликов порядка размера планеты земной группы, у них очень высокая средняя плотность. Ядра белых карликов состоят, в основном, из углерода и кислорода (C–O), а внешняя оболочка — из водорода и гелия (H–He). Плотность центрального ядра возрастает пропорционально росту энергии вырожденных электронов. Их давление препятствует дальнейшему гравитационному сжатию. У некоторых белых карликов с массой, близкой к пределу Чандрасекара, заключительная эволюционная стадия может сопровождаться взрывом сверхновой благодаря аккреции на ядро водородной оболочки от близлежащей звезды-компаньона, если она выходит за пределы своей полости Роша или относится к классу звезд со сверхинтенсивным звездным ветром. Когда в этой оболочке температура резко возрастает и достигает температуры ядерного горения углерода, начинается нестабильный термоядерный синтез в коротком C–N–O-цикле в условиях частичного электронного вырождения. Эти реакции являются причиной взрыва белого карлика, который астрономы называют вспышкой сверхновой типа Ia, которая излучает количество света примерно в 10 тысяч раз больше, чем наше Солнце. Вообще же во время взрыва сверхновой блеск звезды может увеличиваться за короткое время на десяток звездных величин. В зависимости от спектральных характеристик астрономы выделяют два класса сверхновых: класс I (линии водорода отсутствуют) и класс II (присутствуют линии водорода). По другим особенностям спектра каждый класс подразделяется на подклассы, которые обозначаются присоединением к номеру класса строчной буквы латинского алфавита. Основным отличием звезд II класса является присутствие в их оптических спектрах интенсивных линий водорода и сильное различие кривых блеска. Сверхновые звезды класса Ia являются результатом необратимого
314
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
термоядерного синтеза в предшествующем ему состоянии выродившегося белого карлика, в то время как сверхновые класса Ib/c с похожими спектральными особенностями образуются в результате коллапса ядер массивных предшественников звезд Вольфа–Райе. Сравнительно недавний взрыв сверхновой класса Ia произошел в галактике M82, находящейся от нас на расстоянии 3,5 Mпк, а к классу II относится сверхновая SN 1987A, находящаяся в туманности Тарантул в соседней галактике Большое Магелланово Облако. Взрывы сверхновых являются типичным явлением на заключительной стадии эволюции массивных звезд, сопровождаемой гравитационным коллапсом. При этом звезды в диапазоне масс (3–8) превращаются в нейтронную звезду (пульсар), а звезды в диапазоне масс (9–60) в черную дыру (см. табл. 6.1 и диаграмму на рис. 6.11). Все звезды с в конце их жизненного цикла сбрасывают свои внешние оболочки — взрываются, что наблюдается как взрыв сверхновой 1). При взрыве большая часть звездной материи уносится, оставляя позади себя туманность, состоящую из расширяющихся оболочек газа и пыли, часто приобретающих форму вращающегося тора, и звездный остаток — плотную (компактную) нейтронную звезду или черную дыру. При этом возникают мощнейшие магнитные поля, под действием которых при взрыве образуются джеты в оболочке сверхновой и возникает интенсивное гамма-излучение. Как видим, конечной стадией эволюции массивных звезд являются нейтронная звезда или черная дыра (рис. 6.14, 6.15). Замечательным примером является известная Крабовидная туманность — остаток взрыва сверхновой, который наблюдали китайские и японские астрономы в 1054 г. н. э. Крабовидная туманность содержит внутри нейтронную звезду (рис. 6.16). Она имеет чрезвычайно малый диаметр, а температура составляет, по оценкам, 6–7 106 К. В самой туманности выделяется большая светящаяся область, на фоне которой видны волокна ионизованного газа с температурой в десятки тысяч градусов, движущиеся от центра наружу. Скорость расширения и размер туманности согласуются с источником и датировкой события. В составе газовых волокон, помимо водорода, обнаружены гелий, кислород, неон, сера и другие продукты звездной эволюции. Другим примером является пульсар с белым карликовым компаньоном в шаровом скоплении M4 (рис. 6.17). Яркость сверхновых настолько велика, что они зачастую на короткий срок затмевают всю Галактику, перед тем как прекращают наблюдаться спустя несколько недель или месяцев. Высвобождаемая при взрыве сверхновой полная гравитационная и кинетическая энергия (главным образом, в форме 1) Взрыв сверхновой может быть инициирован либо внезапным повторным зажиганием ядерного синтеза в вырожденной звезде типа белого карлика, либо коллапсом ядра массивной звезды.
Жизнь и смерть
315
Рис. 6.14. Снимок взрыва сверхновой звезды Puppis А — массивной звезды в конце ее эволюции — в рентгеновских лучах. (С любезного разрешения NASA)
Рис. 6.15. Композиция изображений остатка сверхновой (SN 1604 Kepler) в видимом, инфракрасном и рентгеновском диапазоне в условных цветах, сделанных телескопами «Хаббл», «Спитцер» и «Чандра», (С любезного разрешения Института телескопа «Хаббл» и NASA)
нейтрино) достигает 1053 эрг/с. Видимое излучение составляет приблизительно 1 % этого огромного энерговыделения — примерно столько, сколько Солнце выделит в течение всей своей жизни. Само явление можно описать в терминах теории сильного взрыва, при котором почти
316
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
вся звездная материя выбрасывается со скоростью до 30 000 км/с (одна десятая скорости света), образуя ударную волну, распространяющуюся через межзвездный газ.
Рис. 6.16. Пульсар в Крабовидной туманности — остаток взрыва сверхновой: а — изображения, полученные телескопом Паломарской обсерватории и «Хабблом» (с любезного разрешения J. Hester, P. Scowen и NASA); б — пульсар в Крабовидной туманности в рентгеновских лучах. (С любезного разрешения NASA)
Жизнь и смерть
317
Рис. 6.17. Пульсар B1620-26 с компаньоном — белым карликом в шаровом звездном скоплении M4. (С любезного разрешения Института телескопа «Хаббл» и NASA)
Различают два типа остатков сверхновых звезд с пороговой массой 8–10 . Звезды с массой ниже этого предела эволюционируют обычным образом и после взрыва светят, как красные сверхгиганты, находясь на соответствующей ветви диаграммы Герцшпрунга–Рассела. Они превращаются в сверхмассивную компактную нейтронную звезду, известную как пульсар (см. рис. 6.16, 6.17). Еще более массивные звезды с 10–25 полностью теряют свою водородную оболочку, и взрыв сверхновой сопровождается гравитационным коллапсом ядра, происходящим в считанные секунды, с последующим образованием черной дыры (рис. 6.18, 6.19). Предполагают, что еще большей катастрофой является конечная фаза звезд с 50–100 , которую называют взрывом суперновой. За коллапс ядра. могут быть ответственны несколько механизмов. Укажем, прежде всего, на тот, при котором железное ядро массивной звезды становится намного больше предела Чандрасекара (1,38 ) 1). В этом случае ядро больше не может сохраняться за счет давления вырожденного электронного
1) 2,5 Вообще говоря, предел Чандрасекара отвечает массе ниже и зависит от «жесткости» уравнения состояния ядерной материи, но может быть ниже, если имеют место фазовые переходы. Наблюдения за нейтронными звездами с массами 2,3 ограничивают применимость EoS для плотной материи.
318
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
Рис. 6.18. Массивный газовый диск, связанный с черной дырой в центре активной галактики M87, и ее предполагаемая конфигурация (внизу справа). (С любезного разрешения Института HST и NASA)
газа, и оно коллапсирует дальше до состояния нейтронной звезды или черной дыры. Быстро вращающиеся и сильно намагниченные нейтронные звезды (напряженность магнитного поля достигает 1012 Гс, что в 109 раз превышает напряженность магнитного поля Земли) называют пульсарами, поскольку они излучают радиоволны, регистрируемые на Земле как периодические импульсы 1). Во вращающейся системе столь мощное магнитное поле генерирует электрическое поле напряженностью в десятки миллиардов вольт на сантиметр! Ускорение в этих полях заряженных частиц (электронов, протонов) создает мощное электромагнитное излучение в диапазоне от гамма- до радиоволн. Пульсары широко распространены во Вселенной. В настоящее время известно свыше 2500 радиопульсаров с периодичностью импульсов в диапазоне от 1,557 миллисекунд до 8 и более секунд, а внутри радиоимпульсов наблюдаются наносекундные всплески, несущие колоссальную энергию. По оценкам, наблюдается менее 1 % активных пульсаров, находящихся в Галактике в пределах нескольких килопарсек но слишком слабых или далеких для обнаружения. Тем не менее, некоторые наиболее сильно излучающие пульсары наблюдаются в отдаленных областях Галактики и в Магеллановых Облаках. К сожалению, их «точечные изображения» получить невозможно из-за рассеяния лучей в турбулентной плазме межзвездной среды. Были сделаны оценки, согласно которым новый пульсар рождается в Галактике каждые 1) Пульсаром иногда называют также рентгеновский барстер. Пульсары с чрезвычайно сильными магнитными полями называются магнетарами.
Жизнь и смерть
319
Рис. 6.19. Сверхмассивная черная дыра Стрелец А* в центре нашей галактики Млечный Путь. (С любезного разрешения NASA)
50–300 лет, что меньше оценки числа взрывов сверхновых, с той, однако, оговоркой, что при взрывах некоторых сверхновых не возникает активных пульсаров. Наиболее устойчивыми являются быстро вращающиеся миллисекундные пульсары, которые классифицируются как наиболее точные часы во Вселенной, хотя известно, что пульсары постепенно замедляют свое вращение. Импульсы измеряются с учетом нелинейного изменения расстояния между источником и наблюдателем, вызываемого годовым движением Земли вокруг Солнца и земным вращением. Соответствующие поправки (в основном, из-за движения телескопа относительно барицентра Солнечной системы) вносятся в данные измерений. Нейтронные звезды состоят из вырожденных нейтронов 1) с примесью до нескольких процентов протонов и электронов, их диаметры 1)
Напомним, что, подобно электронам, нейтроны принадлежат фермионам. Они создают давление вырожденных нейтронов, удерживая нейтронную звезду от коллапса. Полагают, что добавочное давление обеспечивается также отражательным нейтрон-нейтронным взаимодействием.
320
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
лежат в пределах 10–20 км, и они обладают невероятно высокой плотностью. Действительно, плотность внутри нейтронной звезды радиусом всего лишь 10–15 км (рис. 6.20) огромна, она достигает 0 2,8 1014 г см3 — величины критической плотности внутри атомного ядра. Это означает, что на Земле один кубический сантиметр вещества пульсара весил бы более 100 миллионов тонн, а само оно было бы в миллиарды раз прочнее стали! Выдвинуто предположение, что в процессе остывания вещество нейтронной звезды превращается в сверхтекучую жидкость с нулевой вязкостью.
Рис. 6.20. Сравнение размеров белого карлика и пульсара с Землей
Частицы внутри нейтронной звезды связаны гравитацией и требуют минимальной для такой звезды массы 0,1 , но в среднем масса составляет 0,6–0,7 . Если же масса нейтронной звезды превышает предел Чандрасекара ( 2–3 ), она становится неустойчивой и в результате катастрофического гравитационного коллапса превращается в черную дыру. Выдвинуто предположение о возможности существования еще более экзотических компактных звезд, вещество которых, в отличие от вырожденного вещества, состоящего из электронов, протонов и нейтронов, обладает некоторыми квантовыми свойствами, и способно противостоять гравитационному коллапсу. Полагают также, что существуют звезды, состоящие из неизвестной материи, подобной очень большим частицам типа нуклонов, и звезды, состоящие из преонов — гипотетических частиц, предположительно являющихся субкомпонентами кварков и лептонов (см. гл. 11). Черная дыра образуется, главным образом, при условии, что 10 и, в отличие от нейтронной звезды, не имеет поверхности. Идея о возможности существования очень массивного тела, препятствующего выходу из него даже света, была впервые выдвинута геологом Джоном Мичеллом (John Michell) в конце XVIII в., в то время как
Жизнь и смерть
321
термин «черная дыра» был введен Джоном Уиллером (John Willer) для обозначения очень массивной области, поглощающей любой близко приближающийся к ней объект и не выпускающей собственную радиацию. Центр черной дыры был описан как гравитационная сингулярность — область, в которой искривление пространства–времени становится бесконечным. Математически поверхность, ограничивающая пространство вокруг черной дыры, описывается, исходя из ее гравитационного радиуса, называемого горизонтом события, и соответствует радиусу невозврата (радиусу Шварцшильда ). По существу, он определяет основную особенность черной дыры, у которой есть невидимая (воображаемая) граница в области «пространство–время», через которую вещество и свет могут только заходить внутрь, к центру черной дыры, и ничто не может вырваться наружу. Сам процесс поглощения объекта в окрестности черной дыры сопровождается мощным излучением энергии практически во всех диапазонах электромагнитного спектра. Горизонт события выражается простой формулой, подобной той, которая используется в небесной механике для описания круговой скорости * относительно тела массой . В ней также используется гравитационная постоянная , а * заменяется на скорость света (:
2 (2 км
Из этой формулы, в частности, следует, что если бы Солнце превратилось в черную дыру, его радиус Шварцшильда составил бы только 3 км, а в случае Земли был бы только 0,9 см! Для черной дыры массивной звезды ( 10 ) 30 км, тогда как у черной дыры в центре галактики ( 1010 )
3 1015 см, или 200 а. е., что в 5 раз превышает расстояние от Солнца до Плутона. Интересно, что для черной дыры звездной массы критическая плотность равна плотности нейтронной звезды, а для черной дыры галактической массы она меньше плотности воздуха на поверхности Земли. Согласно общей теории относительности, наличие массы искажает пространство-время таким образом, что траектории движущихся материальных частиц изгибаются по направлению к массе. На горизонте события черной дыры эта деформация становится настолько сильной, что нет никаких траекторий, которые уводили бы частицу от черной дыры. Кроме того, для удаленного наблюдателя время вблизи черной дыры течет медленнее, чем вдали от черной дыры. Благодаря этому эффекту, известному как гравитационное расширение времени (gravitational time dilation), для объекта, падающего в черную дыру, течение времени замедляется по мере приближения к горизонту события, и становится бесконечно большим. Наряду с этим, для неподвижного внешнего наблюдателя все процессы на этом объекте кажутся замедленными, а излучаемый им свет — более красным и тусклым. Этот эффект известен как гравитационное красное смещение. В конечном счете, в точке непосредственно перед достижением горизонта события падающий объект
322
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
становится настолько тусклым, что он больше не виден. Поэтому, если, например, космический корабль преодолеет границу , он будет полностью поглощен черной дырой и неспособен передать во вне никакую информацию. Между тем, сами космонавты при падении в черную дыру и пересечении горизонта события не заметят ни одного из этих эффектов 1). Другими словами, для наблюдателя, находящегося в пределах черной дыры, не существует никакой внешней границы и у него нет возможности сообщить о себе путем направленных наружу электромагнитных волн. Интересно, что сравнительно недавно известный британский астрофизик Стивен Хокинг (Stephen Hawking), на основе квантовой теории, а не гравитации, предположил, что поступление информации из черной дыры возможно, поскольку в физическом вакууме из-за квантовых эффектов колебаний (флуктуаций) пространства-времени существует нечетко обозначенная граница горизонта вокруг черной дыры — «информационный парадокс». По существу речь идет о том, что, в соответствии с одним из основополагающих постулатов квантовой механики — принципом неопределенности Гейзенберга, вращающиеся черные дыры должны порождать и излучать частицы, на что ранее указывали наши выдающиеся физики Я. Б. Зельдович и А. А. Старобинский. Сейчас этот гипотетический процесс известен как излучение Хокинга. Вместо горизонта события он предложил термин «видимый горизонт» — поверхность, где свет, покидающий черную дыру, временно удерживается за счет флуктуаций различных полей, как это следует из квантовой теории поля. Из рождающихся на этой границе из вакуума пары частица–античастица (их называют виртуальными частицами) одна часть падает внутрь черной дыры, а другая выходит наружу, неся информацию, пусть и в искаженном виде. Были предприняты попытки воспроизвести этот эффект в лабораторных условиях глубокого вакуума при температуре 10 9 К, отвечающих образованию квантовой жидкости — конденсата Бозе–Эйнштейна. Эта жидкость имитировала горизонт события черной дыры, а возбуждаемые звуковые волны, преодолевающие этот барьер, рассмативались как эквивалент излучения Хокинга. Однако говорить о том, насколько результаты экспериментов могут воспроизводить и, тем самым, обосновывать постулируемый эффект, затруднительно, а астрономические наблюдения практически невозможны из-за более сильного излучения горячего газа, падающего в черную дыру. Очевидно, что, так как у черных дыр есть только горизонт события, а не наблюдаемая поверхность, они не излучают радиацию и, следовательно, в отличие от пульсаров или рентгеновских барстеров, не могут 1) На самом деле, с точки зрения внешнего наблюдателя космический корабль никогда не проникнет внутрь черной дыры, в то время как для астронавтов это случится почти мгновенно и они (гипотетически!) смогут увидеть мир бесконечной плотности (сингулярность).
Жизнь и смерть
323
быть непосредственно обнаружены извне. Это ограничение позволяет четко отличать черные дыры от нейтронных звезд. Тем не менее, можно наблюдать громадную энергию излучения черной дыры, когда поблизости находится звезда-компаньон в двойной системе звезд или на нее падает вещество из ближайшей окрестности. Такое явление было теоретически предсказано еще в начале 1960-х гг. прошлого столетия выдающимися астрофизиками Я. Б. Зельдовичем и Э. Солпитером. Более того, аккреция на черную дыру вещества компаньона позволяет сделать вывод о самом ее существовании (рис. 6.21). Действительно,
Рис. 6.21. Схема двойной звездной системы с черной дырой, аккумулирующей массу близлежащего звездного компаньона
в двойных системах были отождествлены многочисленные кандидаты в черные дыры 1). Аккреционный диск, состоящий из газа и пыли, может формироваться там, где материя, падающая к центру притяжения, нагревается трением и происходят активные (часто взрывные) процессы. Такие диски, окружающие черные дыры, выделяют в окружающее космическое пространство огромное количество энергии в виде электромагнитного излучения. Такую природу могут иметь, в частности, обнаруженные мощные всплески радиоволн, приходящие с расстояний в миллиарды световых лет. Теоретически не исключено и слияние черных дыр с выбросом громадного количества энергии в виде гравитационного излучения. При этом, если дыры одинаковы, то гравитационные волны будут излучаться изотропно, т. е. одинаково во всех направлениях, а в противном случае возможно даже выталкивание одной из дыр из галактики и превращение ее в «вечного скитальца» в межгалактическом космосе. Обнаружить такой объект, в принципе, возможно по излучению сохранившихся запасов горячего газа, поскольку, если 1) Этот метод позволил обнаружить еще в 1972 г. самого первого кандидата в черные дыры — Лебедь Х-1.
324
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
считать, что черная дыра подчиняется законам квантовой механики, она должна непрерывно излучать, теряя при этом свою энергию. К настоящему времени получены оценки масс около трех десятков черных дыр, наложены наблюдательные ограничения на их радиусы и моменты вращения. Одновременно в массивных галактиках были обнаружены и более массивные черные дыры. Число таких сверхмассивных черных дыр достигает многих сотен. Они связаны с ядрами галактик, и некоторые из них отождествляются с квазарами (рис. 6.22). Так называют сверхмассивные черные дыры (SMBH), обнаруженные еще в 1950-е годы которые содержат миллионы и даже миллиарды звезд солнечной массы. Так, например, в ядре галактики M87, по оценкам, находится более 109 звезд. В то же время, существуют свидетельства того, что у небольших галактик есть звездные сгущения, сосуществующие с умеренно-массивной черной дырой в центре.
Рис. 6.22. Явление галактического масштаба: черная дыра, поглощающая газ. (С любезного разрешения NASA)
Квазары, возраст которых примерно соответствует возрасту Вселенной ( 1–2 млрд лет после ее рождения), непосредственно связаны с образованием молодых галактических структур и их иногда уподобляют плотным газовым аккреционным дискам в ядрах. В центре такой галактики массой 1012 и размером 10–100 пк предполагается существование сверхмассивной черной дыры массой 1010 (0,3–0,5 % от ее общей массы), поглощающей окружающий газ с чудовищной скоростью — до 100 в год 1). Этим объясняется выделение громадной энергии, превышающей излучение всех звезд самой галактики! Ему соответствует температура источника, дости-
1) Заметим, что в ядрах нормальных галактик массой 106 –107 и размерами 1–15 пк масштабы активных процессов и энерговыделение на порядки величины меньше.
Жизнь и смерть
325
гающая триллионов градусов. Еще более высокая (от 10 до 40 раз) температура была недавно измерена российским космическим радиотелескопом «Радиастрон», что, возможно, потребует пересмотра существующих теорий относительно природы излучения. Предполагают, что совокупность сверхмассивных черных дыр в ядрах активных галактик, отстоящих от нас на 8–12 млрд св. лет, является источником фона космического рентгеновского излучения. Квазары обладают большим красным смещением, и это означает, что скорость их удаления связана с общим космологическим расширением Вселенной (см. гл. 11). С эволюционной точки зрения можно говорить о том, что квазары представляют собой завершающий этап единого «конденсационного» процесса формирования и существования крупных галактик, продуктом которого является сверхмассивная черная дыра. Внутри нашей Галактики также есть массивная черная дыра, содержащая около четырех миллионов звезд солнечной массы и названная Стрелец А* (Sagittarius A star, Sgr A*). Она была обнаружена при тщательных наблюдениях звезд, обращающихся вокруг Sgr A*, с помощью 10-м оптического телескопа Кека (W. M. Keck) обсерватории Мауна Лоа на Гавайях. Одновременно, с использованием глобальной сети радиотелескопов, был определен физический размер источника радиоизлучения Sgr A*, который оказался равным почти 40 млн км ( 1/3 а. е.). Сопоставимая по размерам область была определена космической рентгеновской обсерваторией «Чандра» (Chandra). при наблюдениях устойчивой эмиссии и быстрых вариаций (вспышек) от источника рентгеновского излучения от источника Sgr A* с периодом, на порядок превышающем частоту вспышек от подобных источников. Некоторые сверхмассивные черные дыры (квазары) аккумулируют галактический газ и выделяют огромное количество гравитационной энергии. Исследования, проведенные на рентгеновской обсерватории «Чандра», привели к выводу, что галактики со сверхмассивными черными дырами поглощают громадные массы окружающего холодного газа (cosmic precipitation), что приводит к росту галактик. Некоторые сверхмассивные черные дыры периодически поглощают окружающие звезды и газ и выбрасывают часть захваченного вещества в форме струй горячей плазмы со скоростью, близкой к световой. Обладая огромной гравитацией, искажающей пространство и время, эти релятивистские объекты служат идеальной лабораторией для проверки общей теории относительности и, кроме того, накладывают ограничения на модели поведения аккреционного материала в экстремальных условиях. По оценкам, время жизни массивных черных дыр превышает возраст Вселенной, в то время как у менее массивных черных дыр продолжительность жизни гораздо короче. Предполагается также существование микроскопических черных дыр, с массой в доли грамма, поскольку, в соответствии с общей теорией относительности, даже малая компактная масса будет искажать пространство и время, формируя аналог черной дыры. Однако микроскопические черные дыры будут
326
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
эволюционировать на очень коротких промежутках времени в режиме так называемого «квантового испарения в космос». Другими словами, они быстро преобразуют собственную массу в излучение с эффективностью, зависящей от массы. Изучением населения черных дыр и экстремальных особенностей их природы — рождением, эволюцией, связью с другими астрофизическими объектами — занимается раздел астрофизики, называемый демографией черных дыр. Он непосредственно связан с космологией и будущим Вселенной (см. гл. 11). Как предполагают некоторые теории, в конце текущей эры формирования звезд, через десятки триллионов лет от современной эпохи, наша Вселенная будет населена холодными компактными объектами, подобными коричневым карликам, белым карликам, черным карликам, нейтронным звездам и черным дырам, которые, в конечном счете, упадут в центральные сверхмассивные черные дыры (SMBH). Как мы видели, гравитационный коллапс массивных звезд обычно рассматривается как первичный процесс формирования черных дыр. Однако предполагается существование других, более необычных процессов образования черных дыр, особенно в ранней Вселенной вскоре после Большого Взрыва или в процессе высокоэнергичных столкновений. В то же самое время следует подчеркнуть, что пока нет прямых экспериментальных свидетельств, доказывающих само существование черных дыр в современной Вселенной, хотя есть много косвенных данных. К ним относятся, в первую очередь, наблюдения мощных эмиссий, вызванных аккрецией вещества на предполагаемую черную дыру от близкого звездного компаньона в двойной системе, или изучение собственного движения звезд около центра нашей Галактики. Так или иначе, требуются новые высокоточные наблюдения, особенно на горизонте события и вблизи него. К сожалению, разрешение, достигнутое во всем диапазоне длин волн (рентгеновские, оптические, инфракрасные, радиоволны), все еще недостаточно для понимания этих таинственных объектов и, в частности, явлений, происходящих в их ближайших окрестностях. Можно, например, предполагать, что многочисленные газовые облака, циркулирующие вокруг и поглощаемые черной дырой, так же как сильный звездный ветер от близлежащих звезд, должны вызывать периодические мощные вспышки излучения. Они сделали бы центр нашей Галактики в миллион раз ярче, чем реально наблюдается. Кроме того, как показали наблюдения космической обсерватории «Чандра», черная дыра в центре Млечного Пути обнаруживает любопытное поведение окружающего ее газа, который, по-видимому, никогда не достигает черной дыры. Такое непредсказуемое поведение вызывает удивление и свидетельствует в пользу модели радиационно-неэффективного аккреционного потока газа и пыли. Остается также неясным, почему собственная яркость черной дыры на порядки величины ниже предсказываемой теорией и выглядит как «тень» SMBH.
Жизнь и смерть
327
Подводя итог, можно сказать, что за последние десятилетия в изучении проблемы эволюции звезд были достигнуты огромные успехи. И, тем не менее, остаются не до конца понятыми многие детали того, как формируются звезды разных классов, как развиваются процессы внутри звезды, что приводит к взрыву и образованию сверхновой, что происходит с материей в конце жизни звезды. Ответы на эти принципиальной важности вопросы, по существу, связаны с развитием новых поколений как наземных, так и космических телескопов, в частности, тех, которые используют радиоинтерферометрию со сверхдлинными базами (VLBI) на субмиллиметровых длинах волн, способных обеспечивать высокое разрешение. Прогресс в этом направлении был достигнут благодаря запуску российского спутника «Радиоастрон» («Спектр-Р»), оборудованного десятиметровым радиотелескопом и водородным стандартом частоты, что обеспечило проведение высокоточных наблюдений в диапазонах длин волн 1,3, 6,2, 18 и 92 см. Спутник был запущен на высокоэллиптическую орбиту, приближающуюся к апоцентру лунной орбиты ( 350 000 км), и образующую сверхдлинную интерферометрическую базу с сетью свыше 30 наземных радиотелескопов. Это позволило достичь разрешения 15 угловых микросекунд (что на три порядка выше разрешения телескопа «Хаббл» в оптическом диапазоне) и выявлять уникальные особенности галактических и внегалактических объектов, в том числе пульсаров, ядер галактик, процессов на границе черных дыр. Особый интерес вызывают результаты изучения зависимости различных физических параметров ядер галактик от красного смещения, эффектов, возможно связанных с темной материей и темной энергией, областей формирования звезд и внесолнечных планетных систем, восстановление истинных изображений точечных объектов (пульсаров) с учетом рассеивающих свойств среды (эффекта субструктуры рассеяния). Задаче детального изучения сверхмассивных черных дыр, галактических кластеров и взрывов сверхновых служит ряд запущенных и планируемых космических аппаратов. Так, картирование миллиардов звезд с определением их положений и собственных движений проводится на европейском спутнике Gaia, запущенном в солнечно-земную точку Лагранжа 2 . Многоспектральные исследования двойных рентгеновских звезд и центральных областей Млечного Пути успешно ведутся на индийском спутнике Astrosat. Большие ожидания были связаны с запущенным японским космическим агентством JAXA КА Hitomi (Аstro-Н), оснащенным рентгеновскими и гамма-телескопами с ультранизким уровнем шумов, который, к сожалению, достаточно быстро прекратил существование, а новый запуск ожидается не ранее 2020 г. Прямые наблюдения ближайшего окружения черной дыры в центре нашей Галактики, а также ранней эпохи жизни Вселенной, намечено проводить на новом поколении наземных и космических средств, среди которых следует, в первую очередь, выделить американский космический
328
Гл. 6. Звезды: рождение, жизнь и смерть
телескоп Джеймса Уэбба JWST (James Webb Space Telescope), российские ультрафиолетовый космический телескоп «Спектр-УФ» и космическую обсерваторию «Миллиметрон», международные проекты наземных радиотелескопов LOFAR (LOw Frequency ARray — низкочастотная антенная решетка), SKA (Square Kilometer Array) площадью в 1 кв. км и EHT (Event Horizon Telescope) для наблюдения ближайшего окружения черной дыры в центре нашей Галактики. Последний должен объединить несколько наземных радиотелескопов в один крупный радиоинтерферометр. В свою очередь, наблюдения при помощи космических телескопов JWST в инфракрасном, «Хаббл» 1) в видимом и «Спектр-УФ» в ультрафиолетовом диапазонах спектра позволят детально изучать звезды и околозвездные протопланетные диски на разных стадиях эволюции.
1) Запуск JWST намечен на 2018 г., а работа «Хаббла» продлена по решению NASA до 2021 г.
Г л а в а 7.
ЭКЗОПЛАНЕТЫ
Краткая история Идея о том, что планетные системы широко распространены во Вселенной и, в частности, в нашей галактике Млечный Путь, была выдвинута задолго до того, как первая внесолнечная планета была обнаружена. Эта идея подкреплялась наблюдаемым распределением протозвезд фиксированной массы по их угловым моментам. Действительно, двойные и кратные звезды рождаются из протозвездных газопылевых облаков, если их угловой момент превышает некоторое пороговое значение, в то время как в десятки раз меньшие ограничения налагаются на угловой момент звезд главной последовательности, чтобы обеспечить устойчивость их собственного вращения. В промежуточном диапазоне рождаются звезды с планетными системами, другими словами, они передают избыток углового момента планетам. Подобно Солнечной системе, в этом случае общая масса всей системы сосредоточена в звезде, а основная часть полного углового момента находится в сформированной планетной системе, хотя точный механизм передачи углового момента от протозвезды к планетной системе не вполне ясен. Мы вернемся к этой проблеме в гл. 8. Можно представить себе несколько сценариев формирования планетной системы вокруг формирующихся звезд главной последовательности и в процессе их эволюции. Следует при этом учитывать существующую корреляция между металличностью звезды и образованием планет: вероятность наличия планетной системы резко увеличивается для звезд поздних спектральных классов, обладающих более высокой металличностью. Согласно статистическим оценкам 30-40 % одиночных и близко расположенных двойных звезд должны обладать планетами, хотя их обнаружение до недавнего времени было ограничено недостаточной эффективностью наземных астрономических инструментов. Исторически первые внесолнечные планеты, или экзопланеты, были обнаружены в начале 1990-х гг. Александром Вольшчаном и Дэйлом Фрэйлом у нейтронной звезды PSR B1257-12, которая в 1,4 раза массивнее Солнца (рис. 7.1) 1). Они нашли периодические изменения при обработке данных зарегистрированных импульсов этого пульсара, 1)
Вообще говоря, первая внесолнечная планета была найдена канадцами Б. Кэмпбеллом, Г. Уолкером и С. Янгом в 1988 г. у оранжевого субгиганта Гамма Цефея A, но это открытие не было подтверждено до 2002 г. А в 1989 г. сверхмассивная планета (точнее коричневый карлик) была найдена Д. Латамом около звезды HD 114762 A. Однако ее планетный статус был подтвержден только в 1999 г.
330
Гл. 7. Экзопланеты
Рис. 7.1. Первые внесолнечные планеты, обнаруженные вокруг пульсара PSR B1257-12 (верхняя полоса), и для сравнения положение трех планет земной группы вокруг Солнца (нижняя полоса). (Согласно A. Wolszan и D. Frail)
вращающегося с периодом 6 миллисекунд. Эти вариации были отнесены на счет спутников у этого пульсара. Сообщалось, что две планеты вращаются вокруг этой остаточной звезды несолнечного класса с периодами 66,54 и 98,21 дня. Их массы p (точнее, p — произведение массы на синус зенитного расстояния наблюдателя , см. ниже) были оценены, соответственно, равными 3,4 E и 2,8 E . Предполагалось также существование третьего объекта лунной массы с периодом обращения 25 дней. Позднее была обнаружена гораздо более массивная удаленная планета ( p 2,5 J вокруг пульсара PSR B1620-26 на расстоянии 23 а. е. с периодом обращения 191,4 дня. Все эти планеты были признаны вторичными, возникшими уже после взрыва сверхновой. Заметим, что такие открытия являются весьма редкими из-за маленьких размеров объектов и малочисленности планет, вращающихся вокруг звездных остатков. Первая внесолнечная планета (ESP — ExtraSolar Planet) вокруг похожей на Солнце звезды главной последовательности 51 Пегаса (51 Pegas) была обнаружена в 1995 г. Мишелем Майором и Дидье Кело на астрономической обсерватории Женевского университета. Двумя
Краткая история
331
месяцами позже это открытие было подтверждено Джеффри Марси и его коллегами из Калифорнийского университета в Беркли, которые вскоре сообщили о планетах, найденных вокруг нескольких других звезд. С тех пор, благодаря колоссальному прогрессу в совершенствовании инструментов и методов наблюдений с использованием наземных и космических средств в открытии экзопланет произошел лавинообразный процесс (рис. 7.2). Менее чем за двадцать лет обнаружено около 2 000 объектов, включая открытие планетных систем у целого ряда звезд, и этот процесс непрерывно ускоряется. На февраль 2016 г. было достоверно подтверждено существование 2454 экзопланет в 1328 планетных системах, 508 из которых имеют более одной планеты, причем число надежных кандидатов в экзопланеты значительно больше. Так, по проекту «Кеплер» (см. ниже) на январь 2015 г. числилось еще 5100 кандидатов, однако для получения ими статуса подтвержденных планет требуется повторная регистрация с помощью наземных телескопов. Вообще же по существующим оценкам общее число экзопланет в нашей Галактике не менее 100 миллиардов (что примерно равно числу звезд), из которых от 5 до 20 миллиардов, возможно, являются «землеподобными». А около 34 процентов солнцеподобных звезд имеют в благоприятной климатической зоне («зоне обитания») планеты, сравнимые с Землей. На первом этапе наблюдений неожиданно оказалось, что значительная часть открытых планет является горячими телами, такими же или даже более массивными, чем Юпитер и Сатурн, находящимися в самой близкой окрестности родительской звезды и обращающихся вокруг нее с периодами в несколько земных дней. Причиной был первоначально использовавшийся метод лучевых скоростей и обусловленная им наблюдательная селекция, позволявшая легче всего находить близкие тела большой массы. Они создавали представления о существовании у звезд планетных систем преимущественно с горячими суперюпитерами, находящимися на короткопериодических орбитах и образующих необычные конфигурации, полностью отличающиеся от Солнечной системы. Вскоре, однако, с появлением метода транзитов, стало возможным обнаруживать менее массивные и удаленные тела, включая землеподобные планеты на различных расстояниях от родительских звезд. В настоящее время для обнаружения экзопланет на наземных астрономических обсерваториях используются все перечисленные выше методы, в то время как при исследованиях на космических аппаратах применяется только метод транзитов. Особенно большой прогресс в открытии экзопланет, в том числе планет примерно земных размеров и масс, был обеспечен запусками, соответственно, в 2006 и 2009 гг. космических аппаратов — европейского COROT (COnvection ROtation and planetary Transits) и, особенно, американского КА «Кеплер» (Kepler). Определенный вклад в поиск экзопланет внесли исследования при помощи инфракрасного телескопа, установленного на американском
Рис. 7.2. Рост числа открытых экзопланет с 1990 по 26 февраля 2014 г. (Согласно Extrasolar Planets Encyclopaedia (http://exoplanet.eu))
332 Гл. 7. Экзопланеты
333
Краткая история
КА «Спитцер» (Spitzer). Из 2 100 открытых экзопланет более 1000 образуют планетные системы с двумя и более планетами. На нынешнем этапе исследования сосредоточились на обнаружении планет, подобных Земле и планетам земной группы в Солнечной системе. Было обнаружено, что в отсутствие наблюдательной селекции существует обратная
Рис. 7.3. а — звездная область, где были обнаружены самые далекие экзопланеты SWEEPS в рамках проекта Sagittarius Window Eclipsing Extrasolar Planet Search («Поиск транзитных внесолнечных планет в созвездии Стрельца»). Наблюдаемая область SWEEPS составляет 202 202 угловых секунд, в ней находится 245 000 звезд со звездной величиной 30 и 180 000 звезд c 26. Системы с планетами SWEEPS-04 и SWEEPS-11 расположены на расстоянии 8,5 кпк от центра Галактики; б — кривые радиальной скорости (RV) обнаруженных SWEEPS-04 и SWEEPS-11. Обнаружение планет с юпитерианскими массами вокруг очень тусклых звезд с 26 является наивысшим достижением телескопа «Хаббл». (Согласно K. Sahu)
334
Гл. 7. Экзопланеты
пропорциональность между числом планет и их массой, что примерно отвечает гиперболическому закону — кривой второго порядка вида + , -, в нашем случае 1 p . Статистически, исходя из совокупности имеющихся данных наблюдений, горячими юпитерами обладают приблизительно 1% солнцеподобных звезд, а доля звезд с планетными системами превышает 50%. При этом в среднем число планет у звезды растет с увеличением периода, т. е. радиального расстояния, и примерно та же зависимость характерна для распределения по массам. Это обстоятельство облегчает обнаружение планет как у одиночных, так и у кратных звезд 1), хотя, с другой стороны, чем дальше планета от звезды, тем сложнее ее обнаружить существующими методами. Самые дальние планеты, SWEEPS-04 и SWEEPS-11, были обнаружены космическим телескопом «Хаббл» в рамках программы «Поиск внесолнечных планет методом затмений в созвездии Стрельца» (Sagittarius Window Eclipsing Extrasolar Planet Search, SWEEPS), (рис. 7.3). Эти планеты расположены на расстоянии почти 30 000 св. л. (8,5 кпк) в направлении к плотному сфероидальному вздутию (bulge) в центре Галактики, состоящему, главным образом, из старых звезд. Обе планеты почти одинакового размера с Юпитером и вращаются вокруг родительских звезд, похожих на Солнце, всего лишь за 4,2 (SWEEPS-04) и 1,8 (SWEEPS-11) дня. Они являются суб- и супергигантами ( p J 3,8 и 9,7 соответственно для SWEEPS-04 и SWEEPS-11). Накопленные данные дали чрезвычайно ценную информацию об удивительном разнообразии планетных систем, включая их характеристики и особенности структуры. Самая большая среди обнаруженных экзопланет TrES-4b в 19,8 раз больше Земли (1,8 раза больше Юпитера) и подобна Юпитеру по массе. Это означает, что она является газовым гигантом чрезвычайно низкой плотности (0,3 г/см3 по сравнению с 1,33 г/см3 для Юпитера). В то же время самой маленькой из обнаруженных экзопланет является планета Kepler 37b, которая по размерам меньше Меркурия и лишь слегка больше Луны, массой около 1/100 массы Земли. Некоторые планеты вращаются вокруг двух или даже трех «солнц» — такая ситуация существует в двойных или кратных звездных системах.
Методы обнаружения Для поиска экзопланет в настоящее время используются три основных метода, и все они являются косвенными. Это метод спектрометрического измерения радиальной скорости звезд из-за наличия планеты, называемый методом лучевых скоростей (RV-метод), метод транзитной 1) В двойных и кратных звездных системах найдены наиболее массивные короткопериодические планеты.
Методы обнаружения
335
фотометрии (перемещение планеты по диску звезды) и микролинзирование (вариации фокусировки света далекой звезды при наличии планеты у исследуемой звезды). Наиболее обещающие прямые астрометрические измерения требуют более совершенных высокоточных инструментов. Каждый из перечисленных методов имеет как преимущества, так и недостатки, и иногда при их комбинировании можно получать наиболее полные результаты. Эффекты наблюдательной селекции ограничивают возможности обнаружения небольших планет у звезд солнечного типа, хотя миссия «Кеплер» буквально революционизировала процесс поиска. Звезды малой массы (и, следовательно, меньшей светимости) часто слишком тусклые, чтобы их можно было подробно изучать, в то время как звезды большой массы слишком яркие, чтобы обнаружить заметные фотометрические изменения во время транзита. Кроме того, быстрое вращение таких звезд препятствует обнаружению у них планет методом измерения радиальной скорости. Метод лучевых скоростей (RV — Radial Velocity method) основан на измерении доплеровского смещении линий в спектре звезды, которое возникает из-за периодических изменений положения звезды на линии наблюдения, вызванного гравитационным притяжением планеты при ее обращении вокруг звезды (рис. 7.4 а) 1). Фактически регистрируется изменение скорости звездного барицентра, причем его амплитуда зависит от массы планеты и радиального расстояния от родительской звезды. От радиального расстояния непосредственно зависит также период обращения планеты вокруг звезды. Очевидно, таким методом можно обнаружить только планеты, у которых плоскости орбиты находятся на луче зрения или близко к нему 2). Это означает, что реально удается определять только произведение массы планеты p на синус зенитного расстояния наблюдателя , p , с учетом движения наблюдателя относительно барицентра Солнечной системы (рис. 7.4 б). Другими словами, реально можно измерить только составляющую кеплеровской скорости планеты K и что фактическая скорость определяется только в идеальном случае 90Æ , а при расположении наблюдателя вблизи полюса системы (
0Æ величину K методом лучевых скоростей определить невозможно. 1)
В этом методе важно исключить влияние на измерение лучевой скорости «шумов», создаваемых собственными колебаниями звезды или ее хромосферы и создающих интерференционную картину с определенной амплитудой сигнала. Избежать этих эффектов удается за счет длительности экспозиций. Необходимо также учитывать дисперсию лучевых скоростей, различную у разных звезд. 2) В случае пульсара необходимо также, чтобы период обращения планеты был меньше времени между последовательными импульсами, т. е. существовала определенная синхронизация периодов обращения и собственного вращения.
336
Гл. 7. Экзопланеты
Рис. 7.4. а — видимая составляющая вид кеплеровской лучевой скорости s у звезды, обращающейся вокруг барицентра (общего центра масс планеты и звезды). Значение вид зависит от зенитного расстояния наблюдателя как вид s . При расположении наблюдателя вблизи полюса системы 0; б — иллюстрация метода радиальной скорости, основанного на довид плеровском сдвиге линий в звездном спектре благодаря колебанию положения звезды к наблюдателю и от наблюдателя, вызванному гравитационным притяжением планеты; в — кривая колебаний звезды 51 Пегаса, изучение которой привело к обнаружению первой экзопланеты этой звезды. (С любезного разрешения M. Mayor)
Методы обнаружения
337
Данный метод наиболее чувствителен к массивным короткопериодическим планетам, вращающимся вокруг звезды на относительно близком расстоянии. Предельная точность измерений допплеровского сдвига линий в спектрах звезд равна 1 м/с. Она достигнута на обсерватории Европейского космического агентства ESO с использованием спектрографа с высокой разрешающей способностью HARPS, специально разработанного для программ поиска экзопланет и астросейсмологии. Для сравнения, изменение скорости солнечного барицентра под воздействием гравитационного притяжения Юпитера и Сатурна на расстоянии 1 а. е. составляет 12,5 м/с и 2,7 м/с соответственно, и оно понижается до 0,02 м/с для Земли. Это означает, что открытие планет, подобных Земле, методу лучевых скоростей недоступно. Он также плохо применим для горячих звезд ранних спектральных классов (. , / , ), поскольку они имеют меньшее число особенностей в их спектрах по сравнению с более холодными звездами, подобными нашему Солнцу. Метод транзитной фотометрии (или просто транзитов) основан на прохождении экзопланеты по диску ее родительской звезды (рис. 7.5). Планеты, обращающиеся вокруг звезды на довольно близком расстоянии и намного более тусклые, чем сама звезда, теряются в ее свете и трудно различимы. Транзит планеты по диску звезды позволяет ее обнаружить, однако для этого необходимо взаимно благоприятное геометрическое расположение плоскостей орбит Земли и планеты, обеспечивающее условия наблюдений, при которых можно определить размер и орбитальный период обнаруженной планеты. Ситуация подобна периодически происходящим транзитам внутренних планет Меркурия и Венеры в Солнечной системе. Так, транзиты Венеры по диску Солнца удалось наблюдать в 2004 и 2012 гг. Однако наблюдения транзитов экзопланет гораздо сложнее. В частности, необходимо, чтобы реальные данные измерений блеска звезды, обусловленные прохождением планеты, отличались от переменности фоновой светимости звезды, от изменений яркости по звездному диску (включая влияние яркости межзвездной пыли), от модуляции звездных пятен, от эффекта потемнения к лимбу — и все это на уровне детектируемого сигнала, величина которого составляет 10 5 от полной светимости звезды в видимом диапазоне длин волн. Это означает, что фотометрическая точность измерения вариаций звездной яркости должна быть не хуже 0,0005 , что реально обеспечивают современные технологии. Дальнейшее усовершенствование метода относится к регистрации слабых изменений в звездном спектре, вызванных гравитационным влиянием транзитной планеты. Чем выше точность измерений, тем меньшую долю пониженной кажущейся яркости или цвета звезды удается учесть и, таким образом, обнаруживать планеты все меньшего размера. Естественно, что наиболее информативен центральный транзит, когда планета проходит через центр звезды. Но большую ценность представляют и частичные транзиты, когда планета затмевает только некоторую часть звездного диска, хотя обработка получаемых данных
338
Гл. 7. Экзопланеты
Рис. 7.5. Иллюстрация метода транзитной фотометрии, основанного на проходе внесолнечной планеты перед диском родительской звезды. (С любезного разрешения L. Cook)
сложнее. Транзиты экзопланет происходят довольно редко, так как необходимо удовлетворить условиям надлежащей геометрии, прежде всего, — положению плоскости орбиты планеты по нормали к лучу зрения. Тем не менее, поскольку наблюдения ведутся для многих тысяч звезд, статистика достаточно хорошая, а сам метод очень эффективен. Его модификация, названная методом вариации времени транзита (TTV-метод) (рис. 7.6 a), применима в случае нескольких планет, обращающихся вокруг звезды, или для кратной звездной системы. Помимо методических проблем, присущих самой транзитной фотометрии, при наземных наблюдениях следует учитывать влияние изменчивости и мерцаний (сцинтилляций) земной атмосферы. Не случайно поэтому решающий прогресс в транзитной фотометрии произошел с началом запуска первых спутников для поиска экзопланет CОRОT (COnvection ROtation and planetary Transits) и «Кеплер» с телескопами диаметром соответственно 30 и 95 см. Наиболее совершенным
Рис. 7.6 a, б. Методы обнаружения экзопланет методами транзитной фотометрии и микролинзирования: а — кривая яркости звезды TrES-1, полученная методом вариации времени транзитов. Небольшой пик на нижней части транзитной кривой вызван звездным пятном, заслоняющим планету (согласно D. Charbonneau; Г. Laughlin, http://oklo.org); б — пример фотометрических наблюдений усиления блеска далекой планеты вследствие гравитационной фокусировки (линзирования) ее света в системе звезда–планета на пути луча света от звезды к наблюдателю. Дополнительный узкий пик обусловлен наличием планеты, а смещение от основного пика позволяет оценить расстояние между ними в картинной плоскости. (Согласно Объединению микролинзирования «PLANET»)
Методы обнаружения 339
340
Гл. 7. Экзопланеты
Рис. 7.6 в. Иллюстрация метода микролинзирования при наличии у звезды планеты. Согласно Википедии
и успешным оказался «Кеплер», запущенный в 2009 г. на гелиоцентрическую орбиту, телескоп которого с широким полем зрения ориентирован в направлении созвездия Лебедь на участок неба, насчитывающий около 150 тысяч звезд. Инструмент оборудован 42 очень чувствительными CCD-матрицами и способен вести наблюдения за 512 целями в минуту (т. е. 17 тысяч объектов в течение 30 мин). По данным NASA, за четыре года миссии было обнаружено 5153 кандидата надежно и подтверждено открытие 2453 экзопланет, хотя по другим источникам надежно открыто около 800 1). В 2013 г. вышла из строя система стабилизации «Кеплера», но ученым удалось найти способ, как, используя давление солнечного ветра, продолжить наблюдения. На этой новой фазе, названной «Кеплер-2» и рассчитанной на четыре года, предсказывается, что, при использовании 85 % функционирующих детекторов, будет обнаружено от 500 до 1000 новых экзопланет. В частности, сообщалось об открытии четырех экзопланет типа планет Солнечной системы у карликовой звезды М-класса K2-72, находящейся на расстоянии 181 св. год от Земли. Они находятся вблизи родительской звезды с периодами обращения от 5,5 до 24 земн. сут. Две из них, K2-72c и K2-72e, имеют размеры соответственно на 20 и 50 % больше, чем размеры Земли, их периоды обращения 15 и 24 земн. сут., а поверхности соответственно на 10 % теплее и 6 % холоднее, чем у Земли. 1) Например, наблюдая за спектрами около 120 звезд в созвездиях Лебедя и Лиры, у которых «Кеплер» находил планеты-гиганты, испанские и португальские астрономы пришли к выводу, что в ряде случаев за суперюпитеры или суперсатурны были приняты небольшие компаньоны двойных звезд, а не планеты.
Методы обнаружения
341
Их, поэтому, можно считать наиболее благоприятными для жизни, а две другие экзопланеты для этого слишком горячи. В конечном итоге, вычисление массы, диаметра и температуры на поверхности планеты позволяет провести сочетание методов транзита и оптической спектроскопии. Важно отметить, что наиболее информативны наблюдения, проводимые в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, в котором отношение света, отраженного планетой и излучаемого звездой, больше, чем в видимом спектре, что позволяет обнаруживать менее яркие и небольшие по размеру планеты. Перспективно и целесообразно объединение взаимодополняющих методов транзитов и лучевых скоростей. Связано это с тем, что в методе транзитов известно положение орбитальной плоскости, т. е. не требуется никаких предположений о зенитном расстоянии , и можно определить непосредственно массу планеты p , а не p , а зная ее размер, и плотность. Кроме того, если временной интервал между последовательными транзитами не сохраняется постоянным, то это означает, что экзопланета движется скорее по возмущенной, а не кеплеровой орбите, и такие нерегулярности свидетельствуют о существовании у звезды других невидимых планет или хотя бы одного компаньона. В основе метода микролинзирования (см. рис. 7.6 б, в) лежит общая теория относительности Эйнштейна. Метод использует эффект отклонения луча света при его прохождении вблизи массивного объекта, расположенного между удаленным источником и наблюдателем. Массивный объект служит как линза, отклоняющая световой луч, а так как эффект мал, он называется микролинзированием. В случае такого события яркость источника может увеличиваться в несколько раз, и это позволяет восстанавливать свойства линзируемой звезды. Если же у звезды есть планета, то на световой кривой появляются некоторые характерные особенности, и можно вычислить отношение масс планета/звезда. Метод микролинзирования позволяет обнаруживать тела размером с Землю и даже Луну, и особенно информативен при одновременном использовании расположенных на одном и том же месте различных телескопов. Он обеспечивает даже возможность обнаружения звезд с несколькими планетными системами, хотя некоторые их параметры, такие как эксцентриситет и наклон орбиты, могут быть оценены только статистически. Метод наиболее эффективен для нахождения планет у очень далеких звезд, слишком слабых, чтобы их обнаружить другими методами. Поэтому он служит мощным инструментом для получения оценок количества и распространенности планетных систем в Галактике. Астрометрический метод является мощным средством поиска и определения свойств экзопланет. Задачей астрометрии, как известно, является определение с высокой точностью положения небесных тел и векторов их скоростей на небесной сфере в заданный момент времени. В случае экзопланет необходимо проводить прецизионные
342
Гл. 7. Экзопланеты
измерения колебаний движения звезды в картинной плоскости. При этом измеряются непосредственно вариации барицентра (в двух направлениях), а не вызываемые ими доплеровские сдвиги линий в звездном спектре, причем, как и в методе транзитов, наклон плоскости орбиты определяется однозначно. Эти два условия обеспечивают наиболее точную оценку массы p . Метод требует очень высокой точности, особенно при наблюдении планет малой массы. Необходима очень высокая стабильность инструментов, чтобы уменьшать влияние шума. Наилучшая точность, достигнутая с помощью наземных телескопов, снабженных адаптивной оптикой, составляет 0,001 . Бóльшая точность (приблизительно 0, 00002 ) получена при использовании наземных интерферометров, в то время как космические интерферометры, находящиеся на стадии разработки, позволят поднять точность до нескольких микросекунд дуги. Это даст возможность определять далекие планеты, подобные Земле, находящиеся на орбите 1 а. е. от звезды солнечного типа на расстояниях в пределах нескольких парсек. Пока таких планет при помощи астрометрического метода обнаружить не удалось. Прямое обнаружение экзопланет и получение их изображений трудно осуществимо. Причина вполне очевидна, если вспомнить, что яркость звезды и свет от нее, отраженный планетой (с учетом ее размера и радиального расстояния), отличаются примерно в миллиарды раз, и планета полностью скрыта светом звезды. Как уже упоминалось, ситуация более благоприятна в инфракрасном диапазоне длин волн, поскольку в соответствие с законом излучения черного тела Планка, планета излучает в этом диапазоне. Тем не менее, отличие составляет почти три порядка величины. Наиболее подходящим является применение метода затменного коронографа, широко используемого астрономами при наблюдении Солнца, когда в телескопе экранируется изображение центральной звезды. Однако получение изображений на наземных обсерваториях дополнительно осложнено дифракцией света в оптике телескопа и атмосферной турбулентностью, хотя адаптивная оптика позволяет значительно повысить качество наблюдений. Первые успешные попытки получить изображения экзопланет были предприняты на обсерватории Джемини (Gemini Observatory), располагающей двумя 8-метровыми телескопами на Гавайях и в Чили, на обсерватории Кека (W. M. Keck Observatory), оснащенной двумя 10-метровыми телескопами, установленными на Гавайях, и на Европейской южной обсерватории (ESO) Ла Силья (La Silla) в Чили, а также с помощью космического телескопа «Хаббл». Несомненно, космические телескопы — наиболее многообещающие для получения прямых изображений экзопланет. Тем не менее, сообщалось о полученных на обсерватории Ла Силья изображениях экзопланеты Глизе 581 с (примерно в пять раз массивнее Земли) в планетной системе звезды Глизе 581 — красного карлика массой 0,6 , расположенного в созвездии Весов в 20,4 св. года от Земли. Известно также о нескольких изображениях объектов, не вращающихся вокруг своих звезд, причем самый близкий
Свойства экзопланет
343
из них находится от нас на расстоянии приблизительно 100 св. лет. К ним относится, например, планета, названная PSO J318.5-22, массой в шесть раз больше, чем у Юпитера. Эти специфические квазипланеты-гиганты известны как межзвездные свободно-плавающие планетыстранники, или одиночные планеты-сироты. Маловероятно, что такие планеты могут формироваться самостоятельно; скорее всего, они были выброшены из планетных систем, особенно из тех, которые находятся вокруг двойных звезд, вследствие взаимных гравитационных взаимодействий нескольких массивных планет. Планеты-странники очень трудно обнаружить, так как они не освещаются звездами. Международный астрономический союз предложил относить эти планеты к субкоричневым карликам, в то время как ряд астрономов предлагает выделить их в подвид планеты под названием планетары.
Свойства экзопланет Обнаружение свыше двух тысяч экзопланет (и еще большего числа пока достоверно не подтвержденных кандидатов), большинство которых принадлежит планетным системам с несколькими планетами, позволило собрать более или менее строгую статистику относительно их размеров, масс, орбитальных и физических характеристик, что было невозможно себе представить всего 10–20 лет назад. Тем не менее, мы все еще далеки от возможности упорядочить экзопланеты в виде ГР-диаграммы или своего рода периодического закона химических элементов Менделеева, хотя некоторые попытки предпринимались. Общая характеристика. Наиболее впечатляющим результатом обнаружения первых экзопланет были их размеры и близость к родительской звезде. Как уже говорилось, это было следствием наблюдательной селекции при использовании метода лучевых скоростей, как наиболее чувствительного к массивным планетам. Эти гигантские газообразные шары, зачастую превосходящие по размеру и массе Юпитер и находящиеся на более близких к звезде орбитах, чем орбита Меркурия вокруг Солнца, были названы горячими сверхюпитерами (рис. 7.7). Ситуация, однако, разительно изменилась после новых, более полных наблюдений с использованием новых методов и средств. Это позволило обнаружить гораздо менее массивные планеты и прийти к выводу, что диапазон масс открытых планет находится, главным образом, в пределах 0,01–3 J , где J — масса Юпитера, как это можно было ожидать. Тем не менее, конфигурации планетных систем оказались отличными от Солнечной системы. Сейчас мы знаем, что гигантские и сверхгигантские экзопланеты составляют только часть огромного семейства и что типичные массы экзопланет в десятки раз превышают массу Земли (рис. 7.8 а, б). На основе современного знания распределение планет по массе p обнаруженных экзопланет соответствует экспоненциальной зависимости 0 0 p p 1,05 , что при отсутствии наблюдательной селекции
344
Гл. 7. Экзопланеты
Рис. 7.7. Диаграмма первых обнаруженных массивных экзопланет (ESP) в зависимости от расстояния до родительской звезды. Большинство экзопланет оказалось гигантскими газообразными шарами, значительно превышающими по размеру и массе Юпитер и находящимися в тесной близости к родительской звезде, с периодом обращения всего несколько месяцев или даже дней. Это означает, что такие планеты очень горячие, и поэтому их назвали «горячими сверхюпитерами». Однако последующие наблюдения, свободные от ограничений, налагаемых методом радиальных скоростей, обнаружили много планет намного меньшего размера на различном расстоянии от родительской звезды, и их количество гораздо больше, чем горячих сверхюпитеров, как и следовало ожидать. Это позволило составить гораздо более полные представления о реальном соотношении масс и размеров в системах внесолнечных планет. (Согласно G. Marcy)
близко к упомянутому выше гиперболическому закону 1 р . Вместе с тем, хотя основное внимание в настоящее время сосредоточено на поиске планет земного типа, аналогичных планетам Солнечной системы, сами суперюпитеры представляют большой интерес для планетологии, прежде всего, с точки зрения происхождения, устойчивости и эволюции планетных систем, Радиусы гигантских экзопланет находятся в пределах 1–3 J , т. е. около одной десятой радиуса Солнца . Характерные значения больших полуосей орбит лежат в диапазоне от 0,017 до 10 а. е., у некоторых довольно большие эксцентриситеты. Нижний предел
Свойства экзопланет
345
Рис. 7.8. а — распределение обнаруженных экзопланет по массе. Оно пример 1,05 и достаточно но соответствует экспоненциальному закону точно отражает современный уровень знаний. В отличие от более ранних результатов, отягощенных инструментальной погрешностью, новые данные свидетельствуют о резком уменьшении числа массивных планет, соответствующем приблизительно гиперболическому ( 1 ) закону (согласно G. Marcy), б — массы известных внесолнечных планет и большие полуоси их орбит. Синими треугольниками показаны планеты, открытые методом измерения лучевых скоростей, зелеными — транзитные экзопланеты, красными кружками — планеты, открытые методом микролинзирования, белыми квадратами с буквами J, S, E — планеты Солнечной системы Юпитер, Сатурн и Земля. Пунктирными линиями показаны амплитуды лучевой скорости звезды, вызываемой планетой. Видно, что Земля находится гораздо ниже порога обнаружения 1 м/с (вызываемая ею лучевая скорость Солнца составляет всего 9 см/с). (Согласно Википедии)
346
Гл. 7. Экзопланеты
для некоторых планет означает, что они вращаются вокруг своих звезд на очень близком расстоянии (вплоть до 6 с периодами, равными только нескольким месяцам или даже неделям и дням. Следовательно, они очень сильно нагреты (см. рис. 7.7). Их эффективная температура может быть легко оценена по очень простой формуле, определяющей равновесную температуру вращающейся планеты:
4
s 1
4 2 1
Здесь s — звездная светимость, 0 — радиальное расстояние до планеты, — интегральное сферическое альбедо (альбедо Бонда), и 1 — постоянная Стефана–Больцмана. Последний член учитывает эффективность парникового эффекта , и поэтому формула фактически определяет температуру на поверхности планеты 1). Применяя это соотношение к экзопланетам, получаем для горячих юпитеров 1200–1500 K. Можно, таким образом, предположить, что эти планеты состоят из тугоплавких элементов и соединений, чтобы избежать испарения и «выживать» в тесной близости к родительской звезде. Можно также допустить, что они обладают необычными атмосферами и облаками, состоящими, помимо газов, из испарившихся тяжелых элементов — силикатов и/или железа. Интересно, что из-за наличия силикатных частиц в атмосфере небо над головой гипотетического наблюдателя на поверхности такой планеты имело бы ярко-синий оттенок. Заметим, что для характеристики валового состава планеты используется параметр в виде отношения вода/порода, который обычно располагается в интервале от 10 4 (для Земли) до 0,3–0,5 (для спутников Юпитера Европы или Ганимеда с предполагаемым глубинным водным океаном). Очевидно, в предельном случае горячих суперюпитеров он должен быть близок к нижнему пределу, исходя из космической распространенности элементов (как и было показано измерениями в их подоблачных атмосферах с помощью космических телескопов «Хаббл» и «Спитцер») и быть существенно выше для предполагаемой планеты, целиком покрытой океаном. Что касается экзопланет, сопоставимых по размерам и массам с Землей и планетами земной группы, то существующие на сегодняшний день представления целиком основываются на результатах, полученных КА «Кеплер» (рис. 7.9). Обнаруженные им на конец 2012 г. 1800 экзопланет в зависимости от размера Земли (радиус E были разделены на пять категорий: меркурианские (Mercurians) (0,02–0,4 E ; субземные (Subterrans) (0,4–0,8 E ); земные (Terrans) (0,8–1,25 E );
1)
Для планет Солнечной системы вместо s используется солнечная посто1 387 Вт/см2 . Она измерена с высокой точностью, янная на орбите Земли что позволяет получать эффективные температуры для Земли и других планет (например, для Земли 249 K ( 24 ÆC), для Юпитера 135 К ( 138 ÆC).
Свойства экзопланет
347
Рис. 7.9. Область наблюдений экзопланет КА «Кеплер» с полем зрения 115 кв. град. в направлении созвездий Лира и Лебедь на предельном удалении от Земли 3 000 св. лет. Оборудован 95-см телескопом с фотометром на 42 ПЗС-матрицах с размерами 5 2, 5 см и разрешением 2200 1024 пикс. каждая. (Согласно: Sorin Cosofret http://elkadot.com/index.php/en/home/ published-newsletters; Википедия)
суперземные (Superterrans) (1,25–2,6 E ) и нептунианские (Neptunians) (2,6–6 E ), а внутри категорий они дополнительно распределены по их орбитам (радиальному расстоянию) и эффективным температурам (рис. 7.10). Согласно этой классификации, во всех выделенных группах, включая экзопланеты равные, меньшие или большие размера Земли (земли, субземли, суперземли), основная доля планет находится в горячей зоне, близкой к родительской звезде. Среди этих групп было выделено, однако, несколько планет, находящихся в благоприятной климатической зоне (зоне, пригодной для обитания, или так называемой «Goldilocks Zone»). В ней равновесная температура, по оценкам, лежит в диапазоне примерно от 185 и 300 K, что позволяет воде находиться в жидком состоянии (с учетом возможного парникового эффекта и источников внутреннего тепла). А в целом, как отмечалось выше, более чем у трети звезд типа нашего Солнца в Галатике могут быть в обитаемой зоне планеты, похожие на Землю. Действительно, результаты наблюдений КА «Кеплер» не противоречат этой оценке. Они дают основание считать, что планеты, сопоставимые по размеру с Землей и обладающие умеренными температурами, имеются в изобилии в Галактике. У большинства открытых планет, однако, радиус в 3–4 раза больше земного, что, вероятно, отражает реально существующий в Галактике характер распределения по размерам. С другой стороны, ряд планет земных размеров, находится очень близко к родительской звезде. Так, например, Kepler-78b только на 80 % больше Земли по размеру, но вращается вокруг подобной Солнцу звезды на расстоянии всего двух ее радиусов. Кстати, такое расположение маломассивного тела предоставило уникальную возможность
Рис. 7.10. Планеты, сопоставимые по размерам с Землей, и Нептуном, обнаруженные КА «Кеплер» по состоянию на февраль 2012 г. (С любезного разрешения N. Batalha, Исследовательский центр Эймса, NASA)
348 Гл. 7. Экзопланеты
Свойства экзопланет
349
одновременно использовать методы транзита и лучевых скоростей и тем самым определить среднюю (валовую) плотность этой планеты. Оказалось, что ее плотность 5,5 г/см3 , т. е. фактически идентична плотности Земли. Это означает, что Kepler-78b — это планета, состоящая из горных пород, но представляет собой адский мир по своим природным свойствам. То же самое можно сказать о пяти планетах вокруг солнцеподобной звезды Kepler-444, находящихся от нас на расстоянии 117 световых лет. Эти твердые горячие планеты, одна из которых похожа по размерам на Меркурий, другая на Венеру, а остальные три на Марс, обращаются вокруг своей звезды с периодами в пределах 10 земных суток. Они, однако, привлекают к себе особое внимание. Дело в том, что по вариациям свечения удалось определить скорость акустических волн в недрах звезды и тем самым оценить соотношение водорода и гелия – ключевого параметра при суждении о продолжительности звездной эволюции. Оказалось, что возраст Kepler-444, а значит и его планетной системы, составляет 11,2 млрд лет, т. е. они образовались вскоре после рождения Вселенной (13,7 млрд лет назад). Это означает, что они возникли на 6 млрд лет раньше Солнечной системы! Такому выводу не противоречит и то, что, как показали спектроскопические измерения, сама звезда (и видимо, планеты) обеднены железом и содержат азот, углерод, кремний и серу. Как видим, природа предоставляет нам возможности изучения планетных систем по существу на всей эволюционной шкале нашей Вселенной. Если допустить, что на других планетах, образовавшихся на заре Вселенной, с более благоприятными климатическими условиями могла возникнуть жизнь, то трудно даже вообразить, как далеко вперед от Земли они ушли в своем развитии. Другими важными параметрами для характеристики экзопланет являются соотношения: размер–масса и плотность–масса. На рис. 7.11 слева приведен график, основанный на данных по 138 планетам с известными массами и размерами. Хорошо виден сильный излом, соответствующий переходу от планет, подобных земным, и ледяных гигантов ( р 150 E ) к газовым гигантам ( р 150 E . Очевидно, в отличие от небольших и маломассивных тел с р 150 E , радиусы тел с массами р 150 E изменяются незначительно, что объясняется возрастающим вкладом давления вырожденного электронного газа (см. гл. 6). На том же рис. 7.11 справа показана, также в логарифмических координатах, зависимость плотности от отношения р E . Как видим, до порога 150 E с увеличением массы плотность сильно падает за счет возрастающего относительного вклада летучих, а при достижении этого порога происходит резкий излом, отвечающий росту давления и другому физическому механизму в недрах массивных тел. Можно думать, что близкие по размеру к Земле экзопланеты похожи на нее по внутреннему строению и валовому составу, включающему, главным образом, кислород, магний, кремний и железо. Также,
Рис. 7.11. Соотношение размер–масса (левый график) и соотношение плотность–масса (правый график) для экзопланет. Левый график построен по данным о 138 планетах известной массы и размера. Обнаружен острый излом, который соответствует переходу от землеподобных и ледяных гигантских планет ( 150 E к газовым гигантам ( 150 E ). В отличие от небольших и маломассивных тел, радиусы планет после 150 E изменяются слабо, в то время как для тел с 150 E изоденсная экспонента (кривая равной плотности) изменяется от 1 3 к 1 2. Это свидетельствует о росте вклада летучих в увеличение массы. Для очень массивных тел, с 150 E , наблюдается резкое увеличение плотности. Красные и синие цвета отмечают планеты, подверженные, соответственно, высокому или низкому падающему потоку излучения в зависимости от близости к звезде. (Согласно L. Weiss)
350 Гл. 7. Экзопланеты
Свойства экзопланет
351
по-видимому, схожими с валовым составом Земли являются измеренные отношения C/Si и C/O. Однако они могут быть необычными и сильно отличающимися от солнечного состава, как, например, на сильно обогащенной углеродом планете HD 4203 (массой 3 E на расстоянии 0,9 а. е. от звезды) с соотношением C/O 1,85 и меньшим количеством воды. Можно также провести определенную аналогию между внутренним строением горячих суперюпитеров и массивных экзопланет с более низкой эффективной температурой с планетамигигантами нашей Солнечной системы. Их каменные ядра, по-видимому, содержат несколько десятков масс Земли, а внешние оболочки состоят, в основном, из водорода и гелия, обогащенных углеродом, азотом, серой и другими более тяжелыми элементами (см. гл. 3) при относительном содержании этих компонентов, зависящем от металличности звезды. Мантии, вероятно, включают льды H2 O, NH3 и CH4 . Подобное соотношение тяжелых и легких элементов может иметь, например, сопоставимая по размеру с Сатурном экзопланета HD 149026b. Что касается экзопланет средних размеров, то их состав, очевидно, является промежуточным звеном между планетами земной группы и ледяными гигантами, в то время как температуры изменяются в более широких пределах. Такие представления необходимо, конечно, подкреплять экспериментальными результатами, и большой массив данных наблюдений КА «Кеплер», хотя и нуждающийся в дополнительной верификации, представляет для этого большие возможности, не говоря уже о будущих астрономических наблюдениях и космических миссиях. Ключевая задача — не только обнаружить планеты с подходящими для зарождения и развития жизни природными условиями (находящиеся в так называемой зоне обитания), но и найти ограничения, препятствующие возникновению жизни на громадном многообразии экзопланет. Мы вернемся к этой проблеме в гл. 9. Землеподобные планеты. Ранее уже отмечалось, что до недавнего времени было найдено больше суперземель, чем землеподобных планет, причем часть их находится в окрестностях своих звезд с весьма умеренными климатическими условиями, при которых возможны фазовые переходы воды, включая ее жидкое состояние. Так, например, в зоне обитания находится найденная «Кеплером» похожая на Землю экзопланета Kepler-452b, находящаяся на расстоянии от Земли 1 400 световых лет, обращающаяся с периодом 385 дней вокруг солнцеподобной звезды Kepler-452 на расстоянии лишь на 5 % дальше, чем Земля. Другим примером служит обнаруженная на расстоянии 42 световых лет от Земли планета у карликовой звезды HD 40307, менее яркой, чем Солнце, с периодом обращения приблизительно 200 земных дней. Такие планеты могут быть окутаны плотными облаками из водяных капелек и/или кристаллов, а некоторые — даже состоять наполовину из воды или содержать океаны на поверхности. Ряд планет находится в промежуточной области между близкими к звезде горячими газовыми
352
Гл. 7. Экзопланеты
гигантами (суперюпитерами) и далекими планетами с температурой 100–150 K, напоминающими планеты-гиганты Солнечной системы и, возможно, имеющими подобные им системы ледяных спутников. Экзопланеты в диапазоне температур порядка нескольких сот градусов могут походить на Венеру или, при массе подобной Нептуну, иметь другую природную среду. Еще два интересных примера — планеты Kepler-186f и Kepler-438b, похожие на Землю и обращающиеся вокруг звезд — красных карликов. Звезда Kepler-186 находится в созвездии Лебедя на расстоянии около 500 световых лет от Земли. Kepler-186f — одна из пяти планет в системе, находящейся довольно близко к родительской звезде, светимость которой в 25 раз меньше светимости Солнца. Поэтому зона с умеренными температурами оказывается гораздо ближе к звезде, а орбита планеты Kepler-186f находится на ее внешней границе в пределах 0,4 а. е., что почти соответствует орбите Меркурия в Солнечной системе. Планета совершает один оборот вокруг своей звезды за 129,9 дней, а освещенность на ней составляет 32 % от солнечной освещенности на поверхности Земли. Это означает, что она находится в зоне, пригодной для обитания. Конечно, следует учесть, что спектральный состав излучения, продолжительность года и, вероятно, некоторые другие характеристики, отличаются от земных. И, тем не менее, планета была названа кузиной Земли. Другая из этих планет — Kepler-438b, расположенная вблизи красного карлика Kepler-438, по размеру и температуре практически идентичная нашей планете. Ее до недавнего времени считали обладательницей максимального на сегодняшний день так называемого индекса подобия Земле (ESI — Earth Similarity Index). Однако наблюдения самих красных карликов обнаружили их чрезвычайно высокую активность с часто повторяющимися вспышками типа СМЕ (см. гл. 5), по мощности на порядок превосходящими солнечные. Такие супервыбросы плазмы должны срывать атмосферу планеты, даже обладающую сильным магнитным полем, не говоря уже о катастрофическом воздействии звездной радиации. Вряд ли в таких условиях возможна жизнь, подобно другим похожим на Землю планетам, обращающимся на близких к своей звезде орбитах. Примером служит Kepler-78b (см. рис. 7.11) со следами расплавов на твердой поверхности, вид с которой почти целиком занят диском звезды. Особый интерес представляют планеты Kepler-20e ( 0,87 E и Kepler-20f ( 1,03 E , подобные по своим размерам, соответственно, Венере и Земле, хотя они отличаются по другим параметрам. Самой близкой к Земле по климатическим условиям оказалась планета Kepler-22b ( 2,38 0,13 E с равновесной температурой 262 K и периодом обращения 289,86 дней, но она более чем вдвое превышает размер Земли. Заслуживают внимания планеты Kepler-438b и Kepler-442b, похожие на Землю по размерам и положению в обитаемой зоне. Kepler-438b лишь на 12% больше Земли и получает примерно на 40 %
Свойства экзопланет
353
больше звездного света. Kepler-442b больше Земли почти на 30 %, а излучения от родительской звезды ей достается на 30 % меньше. Температура на обеих планетах чуть выше, чем на открытых «Кеплером» двух других землеподобных планетах в созвездии Лебедя — Kepler-62f и Kepler-186f, удаленных от нас примерно на 500 световых лет. Первая из них получает существенно меньше излучения звезды и по природным условиям скорее напоминает Марс. Что касается второй, то она гораздо больше похожа на Землю. Kepler-186f находится на орбите вокруг красного карлика размером вполовину Солнца, обращается вокруг него с периодом 130 земных суток, превышает Землю по массе всего на 10 %, а сутки на ней немного продолжительнее земных. Однако, хотя эта планета находится внутри зоны обитания, пока ничего нельзя сказать о ее климатических условиях и наличии на поверхности жидкой воды. Сообщалось о найденной по соседству с нами планете в созвездии Центавра, близкой к Земле по размеру ( p 1,1 E ), но сильно отличающейся от нее по природным свойствам, поскольку она обращается вокруг своей родительской звезды Альфа Центавра В (Alpha Centauri B) всего лишь за 3,236 дня (рис. 7.12). Это открытие не было, однако, подтверждено, но интересно, что если бы такая планета у звезды спектрального класса K1, которая холоднее Солнца (ее ef 5 200 K), реально существовала, у нее должна была бы быть очень высокая температура поверхности ( 1000 ÆC), совершенно непригодная для жизни на водно-углеродной основе. Ситуация, вероятно, напоминала бы
Рис. 7.12. Гипотетическая планета Cen Bb в ближайшей к нам звездной системе Альфа Центавра А, В в изображении художника
354
Гл. 7. Экзопланеты
показанную в художественном изображении для экзопланеты Kepler-78b на рис. 7.13. Нельзя, вместе с тем, исключить возможность существования в той же самой системе других планет, в том числе у ближайшей к Солнцу звезды Проксима Центавра (Proxima Centauri) на расстоянии всего 1,32 пк от Земли. Такие наблюдения предполагается проводить с использованием космического телескопа «Хаббл», КА Gaia и мощных наземных телескопов во время ее прохождения на фоне другой звезды.
Рис. 7.13. Экзопланета Kepler-78b в изображении художника. Показан вид гипотетической поверхности планеты на фоне близко расположенной родительской звезды, с чем связаны потоки лавы на горячей поверхности
Как видим, проблема возможной обитаемости экзопланет на расстояниях в тысячи световых лет, даже похожих на Землю и находящихся в более или менее благоприятных климатических зонах, сопровождается многими дополнительными факторами, касающимися подходящих для существования жизни природных условий. Помимо размеров, свойств поверхности и атмосферы, особенностей движений, приливных эффектов, радиационной обстановки, это могут, например, быть сильнейшие ветры, подобные обнаруженным на экзопланете HD 189733b при помощи спектрографа HARPS (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher) обсерватории Ла-Силья в Чили, скорость которых достигает нескольких километров в секунду, что в десятки раз сильнее земных ураганов. К сожалению, все это препятствует оптимистическим ожиданиям обнаружить жизнь, по крайней мере, в своей основе похожую на земную.
Динамика экзопланет
355
Динамика экзопланет При обсуждении проблемы динамики экзопланет нужно, прежде всего, проводить различия между планетными системами вокруг одиночных и кратных звезд. И в том, и в другом случае первостепенное значение имеют вопросы устойчивости орбит планет, особенно в двойных и кратных системах. Однако проблема возникновения и сохранения устойчивости орбитальных конфигураций даже вблизи одиночных звезд со сверхмассивными планетами является далеко не простой. Очевидно, важную роль в формировании динамических свойств этих систем и их эволюции играли приливные взаимодействия и миграционные процессы. Согласно одному из возможных сценариев, сверхюпитеры первоначально сформировались далеко от родительской звезды из преобладающих обилий легких элементов на этих расстояниях, а затем мигрировали внутрь системы из-за торможения остаточным газом протопланетного диска путем динамического трения 1). Это, однако, сильно ограничило бы продолжительность их жизни за счет тесного взаимодействия с родительской звездой и, в конечном итоге, поглощения. Такой сценарий отвечает упомянутому выше дефициту массивных планет на близких орбитах, исходя из наблюдаемого характера распределения планет по массам и радиальным расстояниям. Вместе с тем, при наличии приливного трения прекращение дальнейшего перемещения планеты, позволяющее избежать ее поглощения, могло бы быть связано с возникновением промежуточных резонансов. При этом остается неясным вопрос о времени сохранения устойчивости планетной конфигурации с близкими к звезде массивными планетами, эффективности их миграции, а также механизм зарождения и эволюции землеподобных планет при наличии возмущений от горячих сверхгигантов. Сценарий первоначального формирования сверхгигантов на больших радиальных расстояниях и их последующего миграционного дрейфа к родительской звезде подтверждается большими эксцентриситетами планет в системах с горячими юпитерами, а также открытием в экзопланетных системах планет на орбитах с обратным движением. По оценкам, такое движение существует почти у четверти экзопланет. Оно могло возникнуть в результате неустойчивости при близком взаимодействии тел внутри системы, например, при воздействии внешней планеты с большим наклоном орбиты на внутреннюю планету. Альтернативная модель исходит из идеи о важной роли массивных планетезималей, находящихся по соседству с формирующейся планетой. Они могли бы оказать значительное гравитационное влияние на эволюцию 1) Конечно, на больших радиальных расстояниях могли сформироваться и менее массивные планеты, в еще большей степени подверженные миграции, но обнаружить их гораздо сложнее.
356
Гл. 7. Экзопланеты
начальной орбиты такой планеты и, особенно, на ее перемещение вместе с роем планетезималей, движущимся в окрестности звезды таким образом, чтобы удовлетворить условию сохранения орбитальной энергии и углового момента в протопланетном диске. Другими словами, перемещение тел в диске контролируется устойчивостью динамического равновесия, которое, в конечно итоге, ответственно за конфигурацию образующейся планетной системы. С миграционными процессами, по-видимому, связан перенос большого количества вещества как внутрь, так и наружу экзопланетной системы (в том числе воды), что приводит к изменению состава планет, подобно тому, как это, вероятно, происходило в Солнечной системе (см. гл. 2 и 4). Конечно, состав планетного вещества зависит от состава материнской звезды и, возможно, от динамической истории планет и малых тел. Отметим также, что из-за миграции мог сильно изменяться тепловой режим планеты, хотя, возможно, довольно медленно, если принять во внимание постепенное изменение атмосферной непрозрачности и альбедо. Все это могло оказать влияние на космохимические, а возможно и биологические процессы. Наконец, обратим внимание еще на одно вероятное следствие динамических взаимодействий в системах экзопланет. Миграция планетгигантов, оказывающая сильное влияние на орбитальную конфигурацию, не исключает отмеченной выше возможности для некоторой планеты при ее тесном сближении ( 10 s ) с массивной планетой ( 10 J ) достичь параболической скорости и покинуть планетную систему, став свободной планетой-странником. Сообщалось, что было найдено около десятка таких «беспризорных» планет, хотя их общее количество могло бы быть сопоставимо со звездным населением в Галактике, а скорости движения в космосе подобны скоростям звезд. Предполагают, что, помимо них, в кластерах галактик существует категория «отторгнутых» межгалактических планет-странников, но их очень трудно обнаружить, поскольку они чрезвычайно тусклые. Еще более сложной является динамика планетных систем вокруг двойных и кратных звезд, которые, как отмечалось, составляют больше половины наблюдаемых звезд. Планеты, найденные вокруг таких динамически сложных систем, составляют до 20 % от общего числа открытых экзопланет. Выделяют две главные конфигурации в двойных системах: планета, вращающаяся вокруг одной звезды (внутренний, или S-тип орбиты), и планета, вращающаяся вокруг обеих звезд (внешний, или P-тип орбиты). Последний тип называют также циркумбинарной орбитой, которая представляет особый интерес для планетарной динамики, потому что такая конфигурация, по-видимому, находится на границе устойчивости (рис. 7.14 а). В то время как большинство экзопланет находятся на внутренних орбитах, было обнаружено также много циркумбинарных планет — первоначально по измерениям лучевых скоростей (планеты HW Vir, NN Ser, UZ For, DP Lео, FS Aur, SZ Her),
Динамика экзопланет
357
Рис. 7.14. а — орбитальная конфигурация в околозвездной двойной системе AB с планетой Kepler-16b; б — тройной транзит в системе Kepler-11 (концепция художника); в — система KOI-730: четыре планеты, вращающиеся вокруг родительской звезды на близких резонансных орбитах. (С любезного разрешения NASA / Tim Pyle; Википедия)
а затем методом транзитов на КА «Кеплер» (Kepler-16, -34, -35, -38 и -47). При этом Kepler-47 оказался первой обнаруженной планетной двойной звездной системой, вокруг которой планета (АВ)с обращается на достаточно большом расстоянии. В то же время экзопланета в двойной системе Kepler-34 (АВ)b расположена ближе к барицентру и испытывает сложное гравитационное воздействие от обеих звезд. Как показывают результаты компьютерного моделирования, подобные планеты вероятнее всего мигрировали к нынешней орбите из более далекой области своего формирования и, чтобы избежать разрушения приливными силами, должны перейти на более устойчивую орбиту вокруг одной из звезд. Возможно, такую эволюцию претерпела массивная
358
Гл. 7. Экзопланеты
планета HD 131399Ab, обнаруженная в тройной системе созвездия Центавра, которая могла первоначально образоваться около двух меньших планет системы, а затем перейти на более устойчивую орбиту вокруг наиболее крупной звезды. Сложные конфигурации двойных и кратных систем, когда планеты вращаются или вокруг компаньона, или вокруг всей системы, создают проблему сохранения устойчивости, по меньшей мере, в системе двойной звезды, особенно на этапе формирования такой системы в присутствии планетезималей и пыли. Важно при этом найти различие между динамическими характеристиками планетных систем вокруг одиночных и кратных звезд. Как уже говорилось, мы пока не можем достаточно надежно оценивать устойчивость планетных систем даже у одиночных звезд. Среди многочисленных мыслимых конфигураций можно выделить, например, планетную систему вокруг звезды HD 189733, где была обнаружена массивная планета, HD 189733b. В представлении художника эта система могла бы выглядеть так, как показано на рис. 7.15
Рис. 7.15. Гипотетическая планетная система вокруг звезды HD 189733b. Для сравнения сверху показано расположение планет в Солнечной системе в представлении художника. (С любезного разрешения NASA)
в сопоставлении с Солнечной системой. Ключевой вопрос, обсуждавшийся в этом разделе, состоит как раз в том, насколько устойчива такая система с гигантской планетой вблизи родительской звезды и как долго эта устойчивость может сохраняться.
Перспективы Открытие экзопланет стало одним из наиболее важных разделов астрономии, обогативших сравнительную планетологию, космохимию и астробиологию. Обнаружение землеподобных планет, обладающих умеренными климатическими свойствами и пригодных для зарождения
Перспективы
359
жизни и обитания, становится на ближайшие десятилетия одной из главных стимулирующих задач современной науки о Вселенной. Имеются многочисленные программы наблюдений экзопланет мощными наземными телескопами и космическими аппаратами. Как мы видели, первые успехи были достигнуты аппаратами европейского и американского космических агентств COROT и «Kеплер». Они проложили дорогу для будущих космических миссий, нацеленных на открытие планет, подобных Земле, в зонах, пригодных для обитания, вокруг миллионов звезд в нашей Галактике. Особое внимание уделяется некоторым звездным системам, находящимся в пределах 8 световых лет от Земли. Новые программы наблюдений сосредоточены на анализе спектров планетных атмосфер, чтобы обнаружить, в первую очередь, следы O2 , CO2 и CH4 , которые, по существу, связаны с признаками жизни, и, конечно, на получении изображений экзопланет, подобных Земле. Среди будущих космических проектов, вызывающих наибольший интерес, следует назвать, прежде всего, уже упоминавшийся нами ранее «Космический телескоп имени Джеймса Уэбба» (JWST — James Webb Space Telescope, NASA); спутник «Исследователь транзитов экзопланет» (TESS — Transiting Exoplanet Survey Satellite, NASA); космический аппарат «Исследователь планет земного типа» (TPF — Terrestrial Planet Finder), проект Российского космического агентства «Всемирная космическая обсерватория — Ультрафиолет» (WSO-UV) и аппарат «Дарвин» (DSM — Darwin Space Mission, ESA). JWST будет оснащен инфракрасным космическим телескопом нового поколения с зеркалом диаметром 6,5 м и приемниками излучения в диапазоне длин волн 0,6–28 мкм, охлаждаемыми до температуры 50 K. Состав и качество бортовых инструментов будут во многом превосходить телескоп «Хаббл». Запуск этого космического аппарата обеспечит прорыв в самых передовых направлениях современной астрономии, включая углубленное изучение звезд и галактик в масштабах времени эволюции Вселенной и поиск экзопланет 1). TESS будет проводить наблюдения всего неба, чтобы отыскать наиболее благоприятные участки для поиска экзопланет. Оптические приборы JWST и TESS будут способны использовать доплеровскую спектроскопию ультравысокой точности для измерения размера и массы экзопланет. WSO-UV будет проводить обширный комплекс измерений в ближнем и дальнем диапазонах ультрафиолетового излучения, включая поиск и определение свойств экзопланет. Телескоп и спектрографы этого КА, благодаря большой апертуре и высокой чувствительности, позволят проводить достаточно эффективные исследования, превосходящие в этой спектральной области возможности телескопа «Хаббл» 1) Конкурирующим проектом является запланированный Японией Космический инфракрасный 3,2 м телескоп для космологии и астрофизики (SPace Infrared 3,2-м Telescope for Cosmology and Astrophysics — SPICA).
360
Гл. 7. Экзопланеты
(приборы STIS/COS), хотя и с большими временами экспозиции. Ограничениями служат слабость и вариации УФ-эмиссий звезд поздних спектральных классов, у которых преимущественно рождаются планетные системы, влияние фонового коротковолнового излучения и поглощения в межзвездной среде и др. Поэтому для повышения надежности детектирования и определения свойств экзопланет необходимы тщательная калибровка и диагностика. «Дарвин» представляет собой три платформы, каждая из которых оснащена телескопом с зеркалом 3,5 м и солнечным экраном поперечником 7,5 м. Они будут размещены вдоль окружности диаметром 100 м и образуют оптический интерферометр, взаимное расположение приемников которого будет контролироваться лазером, что будет эквивалентно телескопу очень большого размера. Космический аппарат будет помещен в точку Лагранжа 2 на расстоянии в 1,5 млн км от Земли и будет вести наблюдения в далеком инфракрасном (тепловом) диапазоне длин волн, в котором яркость планеты составляет большую долю от светимости звезды, чем в видимом спектре, позволяя легче распознать планету. Очень чувствительные приемники теплового излучения будут охлаждаться до температуры ниже 30 K, что обеспечит чувствительность на порядок выше, чем на JWST. Для поддержания чрезвычайно точного расстояния между телескопами предполагается одновременно с «Дарвином» запустить специальный навигационный спутник, составляющий неотъемлемую часть всей космической миссии. В перечисленных проектах будет использоваться метод транзитов, дополненный высокоточными спектроскопическими измерениями, лежащими в основе метода лучевых скоростей. Наряду с ними, начали осуществляться проекты, основой которых является метод астрометрии. В качестве примера назовем европейскую космическую миссию глобального обзора Gaia (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics — «Глобальный астрометрический интерферометр для астрофизики»), запущенный в декабре 2013 г. на орбиту, расположенную вблизи второй точки Лагранжа 2 системы Земля–Солнце. Этот аппарат является преемником упомянутого в гл. 6 чрезвычайно успешного астрометрического проекта «Гиппаркос» (Hipparcos) осуществленного ESA в 1989–1992 гг. Новый проект призван определить координаты, собственные движения и цвета около миллиарда звезд нашей Галактики с точностью, на два порядка величины лучше «Гиппаркоса» и, кроме того, открыть около 10 тыс. экзопланет. В планах американского и европейского космических агентств существует еще ряд проектов по изучению экзопланет. Называются, в частности, проекты ESA PLATO (Planetary Transits and Oscillations of stars) для поиска тысяч экзопланет примерно земного размера, EChO (Exoplanet Characterization Observatory — «Обсерватория для характеристики экзопланет»), имеющий цель проследить историю формирования экзопланет, основываясь на данных измерений их химического состава, и CHEOPS (CHaracterizing ExOPlanet Satellite — «Спутник
Перспективы
361
для характеристики экзопланет») для поиска экзопланет с использованием транзитной фотометрии ультравысокой точности. Предложены также программы поиска экзопланет методом микролинзирования на основе космических проектов ESA WFIRST (Wide-Field Infrared Survey Telescope) и «Евклид» (Euclid). Несомненно, что осуществление этих и других проектов с использованием усовершенствованных методов и передовых технологий уже в ближайшие десятилетия неизмеримо расширит наши знания о соседних мирах в необъятной Вселенной. В направлении отыскания этих миров, особенностей их природы, возможного потенциала для возникновения жизни и многообразия ее форм пока что предприняты только первые шаги. Но сам факт существования экзопланет, число которых сопоставимо с числом звезд по крайней мере в нашей Галактике, среди которых, по оценкам, 10 миллиардов могут быть подобны Земле, обещает много новых открытий. Так что можно готовиться к потоку новых удивительных данных и настоящих сюрпризов.
Г л а в а 8.
ПЛАНЕТНЫЕ СИСТЕМЫ:
ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ Исторические предпосылки Образование планетных систем и, в частности, нашей Солнечной системы — продукт длительной эволюции вещества и процессов в космической среде. Этот важный раздел астрофизики называется звезднопланетной космогонией. По своему содержанию он является междисциплинарным и основан на фундаментальных теоретических принципах и данных наблюдений. Они связаны с процессами происхождения и эволюции звезд, структурой и свойствами протопланетных аккреционных дисков вокруг молодых звезд поздних спектральных классов, а также механическими и космохимическими свойствами Солнечной системы, которые накладывают важные ограничения на сценарии формирования и эволюции планет. Первые попытки понять, как устроена Солнечная система и как образовались планеты, были предприняты еще в глубокой древности и получили мощное развитие в средневековье. В шестнадцатом веке итальянский монах, доктор богословия и поэт Джордано Бруно выступил против догматов церкви, утверждавшей что Земля — центр Мира, и привел доводы в пользу конфигурации Солнечной системы с Землей, вращающейся вокруг Солнца. Но истина никогда не бывает бесплатной, за нее, как и за личные убеждения, часто приходится платить высокую цену, порой отдавать собственную жизнь. Это и случилось с Джордано Бруно, который был приговорен инквизицией к сожжению на костре. У Николая Коперника, который революционизировал концепцию мироустройства, была более счастливая судьба. Его теория строения Солнечной системы стала не только крупным достижением астрономии, но и вообще философской мысли. В 1755 г. Иммануил Кант, отец немецкой классической философии, опубликовал книгу «Общее естествознание и теория неба». В ее основе лежала гипотеза, выдвинутая в 1749 г. шведским мистический автором Эммануилом Сведенборгом, который предположил, что звезды образуются в вихревом движении вещества космической туманности, «как ему сказали ангелы». Кант выдвинул гипотезу, что планеты образовались из пылевого облака (туманности или небулы), которое он ассоциировал с первоначальным хаосом. Почти аналогичную идею независимо выдвинул Пьер-Симон Лаплас, который дал ей математическое подтверждение. В основном, эти идеи сохранились до сих пор и лежат в основе основных концепций происхождения Солнечной системы. Действительно, небулярная гипотеза Канта–Лапласа, выдвинутая в XVIII столетии, об одновременном образовании Солнца и протопла-
Исторические предпосылки
363
нетного облака, наряду с идеей о вращательной неустойчивости, ответственной за последовательное разделение плоских концентрических колец на периферии облака, не утратила своей актуальности до наших дней. Современные исследователи считают, что Солнечная система образовалась в результате флуктуаций и последующего гравитационного сжатия фрагмента межзвездного молекулярного облака массой больше солнечной на 10–30 %, с долею пыли по массе 1 %, плотностью 10 20 г см 3 и температурой 10 K. Предполагается также, что после сжатия центрального ядра молекулярного облака происходит его коллапс и рождается центральная протозвезда. Вещество из внешних областей облака продолжает аккретировать на диск, вызывая сильную турбулизацию газопылевой среды из-за различия между угловыми моментами падающего вещества и вещества диска, вовлеченного в кеплеровское вращение. Наблюдения подтвердили исходную концепцию, согласно которой некоторая часть материала родительского облака (туманности) с избыточным угловым моментом остается на орбите вокруг центрального сгущения и вовлекается в протопланетный диск в процессе звездного коллапса. Одновременно вещество диска продолжает аккумулироваться на протозвезде в течение 1–10 миллионов лет и в продолжение этого времени поток массы из диска уменьшается на два–три порядка величины. Заметим, что, помимо этого основного, были предложены и некоторые другие сценарии образования планетной системы. К ним относится, например: захват материи при прохождении звезды через молекулярное облако или запоздалое появление протопланетного диска вокруг звезд главной последовательности или белых карликов. Заслуживает внимания сценарий образования диска в специфичных двойных системах на различных стадиях эволюции, особенно, из-за динамического разрушения одного из компаньонов. Открытие околозвездных дисков путем наблюдений с высоким разрешением в инфракрасной и субмиллиметровой областях спектра, а затем и внесолнечных планет, в целом, подтвердило основной сценарий, принятый подавляющим большинством исследователей, и значительно расширило наши представления о свойствах планетных систем. Особо следует отметить результаты наблюдений с использованием инфракрасных телескопов на КА «Спицер» (Spitzer) и «Гершель» (Herschel), которые представили захватывающую картину того, как сочетаются между собой все компоненты протозвездной туманности, создающие из этого «космического рагу» планетные системы. Среди них были найдены разнообразные конфигурации, включая горячие суперюпитеры на орбитах вблизи родительской звезды, а позднее и менее массивные планеты, в том числе подобные Земле. Интересно, что по данным о размерах частиц и их составе на основе спектров инфракрасного излучения, полученных телескопом «Спитцер», было найдено, что процессы их слипания в дисках у молодых нормальных звезд аналогичны процессам в окрестностях коричневых карликов, причем в обоих случаях обнаружены
364
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
кристаллы оливина. Результаты этих наблюдений можно рассматривать как указание на то, что и вокруг таких «недоразвитых» звезд, как коричневые карлики, могут образовываться планеты. И, тем не менее, мы не можем пока ответить на вопросы о ключевых процессах, лежащих в основе формирования планетных систем у различных классов звезд, их устойчивости и путях эволюции. Формирование звезд, газопылевых дисков и планет представляет собой непрерывный процесс эволюции вещества во Вселенной. Общепринято, что подобно другим планетным системам Солнечная система образовалась из первичного молекулярного облака, состоящего главным образом из водорода и гелия с небольшой примесью более тяжелых элементов. Возраст образования Солнечной системы (4,567 миллиардов лет назад) был определен путем анализа радиоизотопов, сохранившихся в веществе древних метеоритов. На рождение Солнечной системы мог оказать влияние взрыв близлежащей сверхновой звезды, следствием чего стала имплантация в первичное вещество устойчивых дочерних ядер короткоживущих изотопов, таких как 26 Al и 60 Fe. На рис. 8.1. схематично показан сценарий образования Солнечной системы из сколлапсировавшего фрагмента молекулярного облака. Последовательность процессов включает в себя сжатие облака, образование центрального сгустка вещества — протосолнца и газопылевого протопланетного диска. Образование протосолнца в центральной области происходит вследствие гравитационного сжатия и роста температуры и давления, и внутри новорожденной звезды начинается термоядерный синтез. Одновременно происходит эволюция газопылевого диска, почти целиком (на 99 %) состоящего из газа, оседание пыли к экваториальной плоскости и образование в нем кольцевых скоплений первичных пылевых частиц. В образовавшемся пылевом слое развивается гравитационная неустойчивость, и он распадается на отдельные разреженные пылевые сгущения (кластеры). В последующем процессе многочисленных столкновений происходит образование и рост первичных твердых частиц и зародышей планет — планетезималей. Более подробная диаграмма эволюции протопланетной туманности согласно российскому ученому Отто Юльевичу Шмидту, изображающая последовательность преобразований первоначального газопылевого диска в частицы, их увеличения до размеров камней и глыб показана на рис. 8.2. Там же приведены предполагаемые временные промежутки для каждой стадии и всего процесса образования Солнечной системы. Однако эти схематичные представления нуждаются, конечно, в более строгом и аргументированном обосновании. В частности, необходимо рассмотрение комплекса термодинамических и динамических процессов в газопылевом протопланетном диске в совокупности с космохимическими преобразованиями вещества диска. Следуя теории конденсации, можно ожидать последовательного появления высоко- и низкотемпературных конденсатов в зависимости от радиального расстояния от Солнца, с учетом ряда ограничений, накладываемых вариациями
Исторические предпосылки
365
Рис. 8.1. Схема образования Солнечной системы от коллапса фрагмента молекулярного облака через формирование прото-Солнца и протопланетного диска (1, 2), затем его распад на отдельные кольцевые сгущения твердых частиц, из которых в процессе укрупнения путем соударений рождаются планетезимали (3, 4). Продолжающийся рост планетезималей в конечном счете приводит к образованию планет (5). (Источник: Википедия)
относительного содержания пыли и непрозрачности среды. Вероятно, такое фракционирование лежит в основе формирования ближайших к Солнцу твердых внутренних планет и далеких газово-ледяных планет. В эволюции планет земной группы на протяжении всей истории Солнечной системы важную роль играли процессы миграции малых тел, с которыми связаны столкновения и перенос вещества, в первую очередь, летучих и органических соединений. К сожалению, пока вряд ли можно предложить полноценный сценарий, полностью удовлетворяющий доступным экспериментальным
366
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
Рис. 8.2. Эволюция протопланетной туманности согласно концепции O. Ю. Шмидта. Слева: Последовательность преобразований первичного газопылевого диска в комочки, превращающиеся в камни и соединяющиеся в глы104 –105 лет. Справа: бы планетезималей. Временной интервал составляет Продолжающийся рост эмбрионов планет путем взаимных столкновений, образование протопланет и планетной (Солнечной) системы. Время формирования составляет 108 лет. (Согласно Б. Ю. Левину)
данным и пониманию механизмов происхождения и эволюции планетной системы. Тем не менее, рассмотренные выше представления об образовании планетной системы, в основе которых лежит зарождение звезды вместе с окружающим ее аккреционным диском из первичной протозвездной туманности, представляются на сегодня достаточно убедительными. Из них мы будем исходить при более полном обсуждении проблем звездно-планетной космогонии в последующих разделах этой главы.
Предварительные замечания Прежде чем приступить к обсуждению проблем происхождения планет более подробно, попробуем систематизировать то, что нам известно из предыдущих глав, применительно к проблемам космогонии. 1. Планеты образуются в едином процессе рождения и эволюции звезд из протопланетной туманности (небулы) в гигантских молекулярных облаках и могут рассматриваться как побочный продукт процесса звездообразования. Звезды, окруженные дисками, из которых в дальнейшем формируются планеты, являются довольно распространенным явлением в областях звездообразования (рис. 8.3; см. также
Предварительные замечания
367
Рис. 8.3. Область звездообразования NGC 1333 по наблюдениям при помощи ИК-телескопа космического аппарата «Спитцер». Вокруг некоторых звезд хорошо видны окружающие их диски. (С любезного разрешения Лаборатории реактивного двигателя/NASA)
рис. 6.3 и 6.6). Как показывают астрономические наблюдения, около 20–30 % рождающихся звезд имеют конфигурации типа дисков, но не из всех дисков в процессе эволюции образуются планеты. Процесс образования планет сильно зависит от массы звезды и ее положения на диаграмме Герцшпрунга–Рассела. Как было показано в гл. 6, для начала реакций термоядерного синтеза и возникновения звезды, масса исходного тела должна быть 0,08 . Тела с 0,01 рассматриваются как планеты (этот порог в десять раз больше массы Юпитера), в то время как тела в промежуточном диапазоне масс, 0,01 0,08 , являются коричневыми карликами. Наиболее подходящими для обладания планетами являются звезды поздних спектральных классов G, K, M. Поэтому не у каждой системы диск–звезда рождаются планеты, а недостаток массы приводит к другому сценарию эволюции, при котором образуются такие объекты, как коричневые
368
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
карлики или, возможно, свободно-плавающие планеты. Можно попытаться проследить такой сценарий, обратившись к модифицированной диаграмме Герцшпрунга–Рассела на рис. 8.4.
Рис. 8.4. Часть диаграммы Герцшпрунга–Рассела. Сплошная кривая обозначает главную последовательность Диагональные линии от верхнего левого к нижнему правому углу — радиусы первичного газопылевого диска от 10 а. е. до 0,1 . Пунктиром показаны треки эволюции протозвезд, имеющих солнечную, большую или меньшую солнечной массу. Объекты, имеющие , находятся за пределами главной последовательности (автор)
Как было показано в гл. 6, внутри звезд первичные водородные атомы в результате процесса нуклеосинтеза превращаются сначала в гелий, а затем в более тяжелые породообразующие элементы, такие как кремний, металлы и др., в том числе биологически важный углерод. На конечном этапе звездной эволюции, включая взрывы сверхновых (служащие главным источником элементов тяжелее железа) звезды обогащают тяжелыми элементами межзвездную среду, и входят в состав гигантских скоплений газа и пыли — туманностей, или молекулярных облаков протяженностью в десятки парсек, в которых найдены многочисленные сложные органические молекулы (см. гл. 6). В молекулярных облаках образуются последующие поколения звезд,
Предварительные замечания
369
некоторые из них окружены дисками. Содержащиеся в дисках химические элементы, дополняющие космически самые распространенные водород и гелий, образуют твердые планеты и ядра планет-гигантов. Можно думать, что такой сценарий, дополнительно включающий взрыв сверхновой по соседству с первичной небулой, лежал в основе образования Солнечной системы. 2. Холодная протопланетная туманность, из которой вместе со звездой образуется газопылевой аккреционный диск, является колыбелью рождения планет. Главным параметром, определяющим судьбу коллапсирующей туманности, является ее угловой момент 2 , в зависимости от величины которого образуются одиночные или двойные звезды. Быстро вращающиеся одиночные звезды с протопланетными дисками формируются за счет фрагментации молекулярного облака, вызванной локальными флуктуациями, в некотором ограниченном диапазоне 2 . Образующийся компактный вращающийся фрагмент туманности устойчиво уплощается, приводя к формированию газопылевого диска вокруг коллапсирующего центрального ядра — протозвезды (рис. 8.5). Этот процесс сопровождается аккрецией вещества туманности на турбулентный диск, причем большая его часть поглощается протозвездой. В свою очередь, вещество диска подвергается сжатию и уплощению с передачей углового момента от коллапсирующей протозвезды к аккреционному диску и одновременно аккрецией массы из турбулентного диска
Рис. 8.5. Последовательность образования протозвездного диска из первичного диффузного облака. Показаны изменения параметров в процессе эволюции. (С любезного разрешения Смитсоновской астрофизической обсерватории / G. Fazio)
370
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
на протозвезду. Предполагается, что уже на этой ранней стадии эволюции диска в его центральной плоскости образуется упомянутый выше относительно более плотный пылевой субдиск. Как уже отмечалось, возникающая в субдиске неустойчивость (гидродинамическая или гравитационная неустойчивость Джинса 1)) ответственна за появление первичных разреженных пылевых кластеров. Кластеры, помимо газа и первичной пыли, содержат частицы, состоящие из конденсатов, образующихся при различных температурах — от тугоплавких соединений вблизи протозвезды до льдов вдали от нее. Они предположительно имеют фрактальную структуру. Столкновения кластеров приводят к изменению их структуры и фрактальной размерности и постепенному укрупнению частиц с участием процессов коагуляции и коалесценции. Согласно этому сценарию, из первичных пылевых кластеров образуются более плотные тела — планетезимали, из которых в процессе дальнейшего роста формируются зародыши планет. Вероятно, весь этот процесс происходит на временной шкале порядка 108 лет, в то время как для роста частиц и образования первичных планетных эмбрионов потребовалось не более нескольких миллионов лет. Во всяком случае, эти тела образовались до того, как протопланетный аккреционный диск полностью диссипировал в течение 4–5 млн лет, и именно в течение этого периода происходила, повидимому, аккреция газов на ядрах планет-гигантов в Солнечной системе. Вероятно, более продолжительное время (около 30–100 млн лет) потребовалось для окончательной аккумуляции планет земной группы путем захвата остаточных планетезималей на заключительной стадии «олигархического» роста. Астероиды и кометы рассматриваются как реликты процесса формирования обеих групп планет Солнечной системы. Подобные процессы, по-видимому, происходят и во внесолнечных планетных системах. 3. Важные ограничения на сценарии происхождения и эволюции Солнечной системы налагают ее механические свойства. Все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же (прямом) направлении — против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса мира, совпадающем с вращением Солнца вокруг своей оси. Орбиты планет являются почти круговыми и имеют очень небольшой наклон к плоскости эклиптики. Аналогично годовому обращению вокруг Солнца, все планеты (кроме Венеры и Урана) вращаются вокруг своей оси также в прямом направлении, и такое же вращение у всех крупных спутников внутри планетной системы. Все это подкрепляет идею, согласно которой планеты и их спутники образовались в едином процессе из вещества одного и того же первич1) Неустойчивость Джинса наблюдается, когда внутреннее давление и вращение диска не достаточны для того, чтобы предотвратить его гравитационное сжатие (реально-пылевой фазы).
Предварительные замечания
371
ного диска. Спутники находятся в резонансах с собственным вращением планеты, и поэтому, подобно нашей Луне, всегда обращены к планете одной и той же стороной. Наиболее удаленные спутники ведут себя менее упорядоченно, демонстрируя как прямые, так и обратные орбитальные движения и собственные вращения, однако, они рассматриваются как малые тела, захваченные гравитационным полем планеты на поздних стадиях эволюции. В Солнечной системе существует специфическое распределение массы и углового момента: в то время как Солнце содержит 99,8 % всей массы Солнечной системы, планеты заключают в себе почти 98 % ее углового момента. Это явилось следствием процессов эволюции диска и формирования планет, хотя пока еще остается до конца не ясным, как произошло перераспределение углового момента в ранней истории Солнечной системы. 4. Существуют не менее важные космохимические ограничения на генезис Солнечной системы. Это, прежде всего, схожее относительное содержание нелетучих элементов на Солнце и в самых примитивных метеоритах — углистых хондритах, которые рассматриваются как первичные древние остатки планетезималей и соответствуют космической распространенности химических элементов. Существуют доказательства того, что планеты земной группы сформировались из первичного протопланетного вещества, соответствующего метеоритам хондритового состава, и недополучили летучие (хондритовая модель), в то время как газово-ледяные планеты-гиганты аккумулировали гораздо больше летучих, включая наиболее летучие водород и гелий, и сохранили свой состав по существу неизмененным от момента их происхождения. Совершенно очевидна корреляция валового состава планет с их расстоянием от Солнца, что подтверждает справедливость упомянутой выше теории конденсации. Согласно этой теории, выделение различных веществ из горячего газопылевого диска происходило путем конденсации в зависимости от радиального расстояния от Солнца и, следовательно, температуры. Это позволяет объяснить состав твердотельных планет земной группы, состоящих из тугоплавких элементов и соединений, и преимущественно газовый и ледяной состав планет-гигантов. Заметим, что теорию конденсации подкрепляет также состав астероидов в Главном поясе между Марсом и Юпитером, который занимает промежуточное положение между внутренними планетами, обогащенными силикатами и металлами, и внешними планетами, обогащенными летучими. Наряду с этим, в зонах формирования внутренних планет (до 1–1,5 а. е.) состав вещества, по-видимому, имел восстановительный, а за этой границей окислительный характер, с чем, вероятно, связан гетерогенный характер аккумуляции этих планет и обогащение их летучими на более поздней стадии. В свою очередь, кометы, состоящие, главным образом, из водяного льда и других замороженных летучих, сохранили в своем составе наиболее примитивное вещество, из которого образовалась Солнечная система и, очевидно, внесли вклад в состав Земли и других планет земной группы на ранней стадии эволюции.
372
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
5. Дополнительные ограничения на теорию происхождения Солнечной системы накладывает открытие протопланетных аккреционных дисков и внесолнечных планет. Как было показано в предыдущей главе, среди многочисленных аккреционных дисков вокруг молодых звезд, где могут зарождаться планеты, и почти двух тысяч экзопланет, обнаруженных в пределах нескольких тысяч световых лет от Земли, не было найдено ничего похожего на Солнечную систему. У ряда обнаруженных планет масса оказалась равной или даже превышающей суммарную массу Юпитер–Сатурн–Нептун, при этом они находятся на эксцентрических орбитах и зачастую очень близко к родительской звезде, а их эффективная температура превышает 1000 K. Специфические орбиты многих экзопланет ставят вопрос об устойчивости их орбит и времени жизни. Пока было найдено лишь небольшое число планет, близких по размеру к Земле и планетам земной группы, что, правда, может быть обусловлено наблюдательной селекцией. Все эти результаты ставят под сомнение вопрос о том, есть ли планетные системы, похожие на Солнечную систему, и насколько похожи на наш их генезис и сценарии эволюции. Мы не знаем, насколько уникальна конфигурация Солнечной системы в нашей Галактике и насколько удовлетворяют критериям «пригодности» природные условия даже в «зоне обитания» на землеподобных планетах. А с этими вопросами напрямую связан вопрос об уникальности природы Земли и происхождения жизни. Приведенные в предыдущей главе статистические данные о множественности «благоприятных миров» внушают определенный оптимизм, но ответ смогут дать лишь достоверные данные наблюдений. Рассмотрим теперь эти фундаментальные вопросы более подробно, уделяя особое внимание ключевым процессам эволюции протопланетных дисков, приводящим на существующем уровне знаний к формированию планет.
Протопланетные аккреционные диски Наблюдения и модели формирования. Условия, при которых формировалось Солнце, околосолнечный протопланетный диск и тела Солнечной системы, были, вероятно, подобны современным условиям формирования звезд солнечного типа с их аккреционными дисками и планетными системами. Тот факт, что значительная доля молодых звезд окружена дисками, стал очевиден к концу прошлого столетия, хотя исторически первые диски были обнаружены вокруг звезд, более массивных, чем Солнце, таких как Вега ( -Лиры). В настоящее время молодые протозвездные и звездные объекты наблюдаются практически во всем диапазоне длин волн. Один из наиболее информативных методов изучения этих объектов состоит в анализе спектрального распределения энергии. Изучение инфракрасных, субмиллиметровых и миллиметровых спектров позволило выявить кеплеровское вращение газопылевых дисков вокруг сотен
Протопланетные аккреционные диски
373
звезд типа Т Тельца — молодых переменных звезд с возрастом от 105 до 107 лет. Газопылевые диски были обнаружены у большинства таких звезд с возрастом 106 лет и у 20–30 % звезд с возрастом 107 лет и средней продолжительностью жизни 3–6 млн лет, максимум до 10 млн лет. Массы дисков оказались равными 0,01–0,2 , а протяженность до 10–100 а. е. Среди них был обнаружен вокруг звезды TW Гидры (TW Hydrae) газопылевой диск с находящейся внутри него молодой планетой. Протяженность некоторых дисков сопоставима с орбитой Нептуна в Солнечной системе (рис. 8.6). Наблюдения, выполненные с помощью космического телескопа «Спитцер», позволили обнаружить одновременно несколько молодых звезд, окруженных дисками, в довольно ограниченной области пространства (рис. 8.7). Эти и другие доступные данные о газопылевых дисках в целом подтверждают упомянутый выше сценарий образования молодых звезд и последующей эволюции диска. Само их возникновение является результатом коллапса молекулярного облака или его фрагмента, происходящего вследствие внутренних флуктуаций, или, что более вероятно, под воздействием внешних факторов, среди которых можно назвать взрыв близкой сверхновой, сжатие молекулярного облака при прохождении через галактический спиральный рукав, через газовые потоки от формирующихся поблизости массивных звезд или через расширяющуюся область ионизованного водорода H II. Гипотеза о взрыве сверхновой вблизи протосолнечной туманности представляется наиболее плодотворной. Основой для ее поддержки служит открытие обогащения вещества метеорита Альенде изотопом 26 Mg по сравнению с его космической распространенностью. Этот стабильный изотоп является продуктом радиоактивного распада (дочерним изотопом) короткоживущего радиоизотопа 26 Аl с периодом полураспада всего 0,74 млн лет. Обнаруженное повышенное содержание 26 Mg в веществе метеорита можно объяснить за счет внедрения в состав протосолнечной туманности вещества взорвавшейся сверхновой звезды, в том числе рожденного в ее недрах 26 Аl, последующий быстрый распад которого обогатил изотопом 26 Mg протосолнечный диск и образовавшиеся в нем тела Солнечной системы. Данная идея подкрепляет представления относительно важной роли короткоживущих радиоизотопов в ранней эволюции Солнечной системы. Заметим, что в пользу имплантации вещества сверхновой свидетельствует также наличие в некоторых метеоритах изотопа титана 50 Ti, образующегося в таких условиях наряду с изотопом 46 Ti, который изначально мог быть в составе фрагмента молекулярного облака вместе с другими обогатившими его тяжелыми элементами в процессе звездной эволюции. Эта гипотеза подтверждается также результатами моделирования, согласно которым, чтобы вызвать отделение и гравитационный коллапс фрагмента облака, подобного родительскому облаку Солнечной системы, было необходимо избыточное давление, которое обеспечили ударные волны, произведенные взрывом сверхновой.
374
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
Рис. 8.6. Газопылевые диски (темные полосы между яркими областями) по наблюдениям космических аппаратов в ИК-спектре. (С любезного разрешения NASA)
До начала или в процессе достаточно быстрого ( 104 лет) коллапса, вращающийся фрагмент (ядро) облака может разбиваться на отдельные части, которые порождают двойную или кратную звезду. Важным фактором, обеспечивающим устойчивость и противодействие дополнительной фрагментации протозвездного объекта, является магнитное поле. Если такой фрагментации не происходит, то центральная, наиболее плотная область ядра облака быстро коллапсирует, порождая
Протопланетные аккреционные диски
375
Рис. 8.7. Снимки газопылевых дисков, полученные по наблюдениям Космического телескопа «Хаббл»/NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer и STScI OPO). С любезного разрешения STScI, Гавайского университета, Аризонского университета, Калифорнийский университета в Лос-Анжелесе (UCLA) и NASA
сгущение, которое по мере роста плотности превращается в одиночную протозвезду, находящуюся в гидростатическом равновесии. Вокруг нее образуется газопылевой диск, на который аккретирует оставшееся вещество фрагмента молекулярного облака (окружающей оболочки), постепенно уменьшая свою массу. Такой ранний протозвездный объект, включающий в себя протозвезду с эмбриональным диском и аккреционной оболочкой с массой большей массы протозвезды, классифицируется по распределению спектральной энергии как принадлежащий к классу 0 (этот класс, обозначаемый цифрой 0, не следует смешивать со спектральным классом горячих звезд, обозначаемым буквой O) 1). На этой стадии сам диск спектрально еще не обнаруживается, но его существование и аккреция вещества на протозвезду проявляется в виде наблюдаемых мощных газовых потоков (молекулярных оттоков) из близлежащих областей молекулярного облака, протяженность которых, по оценкам, достигает 0,1–1 пк, а скорость 10–100 км/с. Они образуют своего рода «газовые коконы». Дисками обладают как молодые (106 –107 лет), так и более старые (107 –108 лет) звезды, находясь на главной последовательности, либо перед их выходом на нее. Однако молодые звезды типа T Тельца 1) На основании распределения спектральной энергии в протозвезде и окружающем диске, зависящего от изменения масс, скоростей и температур, выделяют также классы I и II (см. ниже).
376
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
сгруппированы в областях звездообразования (такой, как туманность Ориона) и содержат большее количество газа и пыли, чем более старые звезды. Очевидно, это связано с тем, что в дисках более старых звезд произошло формирование планет и, соответственно, основная часть вещества диска вошла в состав этих тел. Сохранившаяся пыль в этих дисках, по-видимому, имеет вторичное происхождение как результат многочисленных столкновений и разрушений при формировании планет, хотя часть ее отложилась на растущих телах. Между тем не все звезды, имеющие газопылевые диски, эволюционируют, следуя этому сценарию, и известно, что число звезд с маломассивными остаточными (debris) пылевыми дисками больше числа звезд с планетами. Существует большое разнообразие остаточных дисков симметричной и асимметричной формы; некоторые из них, возможно, возникли в результате разрушения планетезималей и они могут напоминать Главный пояс астероидов или пояс Койпера в Солнечной системе. Действительно, пояс Койпера мог рассматриваться как аналог пылевых остаточных дисков вокруг многих звезд главной последовательности. Подчеркнем, что изучение остаточных дисков играет жизненно важную роль в нашем понимании формирования и эволюции экзопланетных систем 1). В частности, масса и угловой момент диска, вероятно, сопоставимы с таковыми в планетах. Также взаимодействия планета–диск, естественно, производят смещения и округление орбит под действием приливных сил и возникающих моментов, которые, в свою очередь, могут приводить к орбитальным резонансам в мультипланетных системах. Как говорилось, на ранней стадии протозвезды (стадии 0) газопылевой диск спектрально не обнаруживается. Его становится возможным наблюдать в видимой и коротковолновой областях спектра сразу же после того, как завершается аккреция на диск основной части окружающей оболочки, и протозвезда превращается в молодую звезду. В то же самое время сильно замедляется скорость аккреции вещества из диска на звезду. Такие звезды с дисками, в соответствии с их спектральными свойствами, классифицируются как принадлежащие, соответственно, классам I или II 2). Из-за возмущений в аккреционных процессах у этих переменных звезд с массой 0,25–1,1 , окруженных газопылевыми дисками, наблюдаются нерегулярные изменения яркости, как это свойственно классическим звездам Т Тельца. 1)
Примером звездной системы с остаточным диском и отсутствием наблюдаемых в нем планет является Тау Кита, а примером системы, содержащей осколочный диск и холодные планеты, служит Эпсилон Эридана. Солнечная система относится к системам с холодными гигантами на 0,1 а. е., в отли0,1 а. е. чие от экзопланетных систем с горячими гигантами на 2) Отметим, что скорость аккреции вещества из диска на протозвезду Ms может быть в 3–4 раза ниже, чем скорость аккреции из оболочки на диск Md. Дисбаланс связан с потерей массы в виде потоков протозвездного ветра.
Протопланетные аккреционные диски
377
Многочисленные наблюдения дифференциально вращающихся газопылевых дисков и отвечающие им сценарии и модели призваны ответить на вопросы о физико-химических процессах, лежащих в основе их формирования и эволюции. К ним относятся: изменения состава и агрегатного состояния главных компонентов и последовательность процессов; положения фронтов конденсации-испарения, зависящие от термодинамических параметров диска; роль сублимации и коагуляции частиц в двухфазной среде; относительный вклад излучения и турбулентности в теплообмене и массопереносе, а также механизмы развития гидродинамической и гравитационной неустойчивости вместе с допущениями относительно касательных напряжений в пограничных слоях и полидисперсности взвешенных пылевых частиц. Наиболее сложными для моделирования являются плохо разрешимые внутренние области диска, где располагаются планеты земной группы Солнечной системы и горячие экзопланеты и вещество диска активно оседает на молодую звезду. Здесь происходит особенно сильное изменение отношения пыль/газ, оптической непрозрачности и теплового режима, а также наиболее существенный вклад фотохимических процессов в преобразование состава вещества. Исследования проблем эволюции диска в непосредственной близости к родительской звезде тесно связано с формированием специфических конфигураций экзопланетных систем. Газовая и пылевая компоненты. За последние десятилетия, благодаря большому прогрессу астрономических наблюдений в широком спектральном диапазоне с Земли и из космоса, было найдено много важных ограничений, накладываемых на модели эволюции протопланетных дисков. Наиболее существенный вклад в изучение химии дисков внесли измерения эмиссионного излучения газа и пыли в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах длин волн с высоким угловым разрешением. Это касается 1–2 % примесей (тяжелой компоненты) к исходному 98 % объемному содержанию водорода и гелия (в соотношении 27,5 70,5 % по массе или 1 10 по числу частиц). При этом примеси находятся в газообразном или твердом состоянии, в зависимости от температуры, в том числе водородные соединения, которые при формировании диска были в состоянии газов и льдов. На пылевые частицы приходится от 0,5 до 1,5 % по массе. Было отождествлено много молекулярных компонентов, в том числе образующихся в результате различных превращений, установлен их изотопный состав. Целый ряд молекул, таких как H2 O, СО, N2 , H2 CO, HCN и др., вероятно, генетически связан с летучими, содержавшимися в замороженных гранулах первичного материала молекулярного облака. Можно предположить, что они в дальнейшем подвергались существенному химическому и тепловому воздействию. Некоторые из этих молекул, по-видимому, были подвержены жесткому ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению молодой звезды и вследствие процессов фотолиза ионизованы или находятся в неравновесном состоянии.
378
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
Особого внимания заслуживает состав и свойства пыли, играющей чрезвычайно важную роль в эволюции протопланетного аккреционного диска, в особенности неоднородной структуры, теплового режима и динамики его внутренних областей (рис. 8.8). Свойства пылевых частиц изучались путем наблюдений в видимом, ближнем и тепловом инфракрасном диапазонах, а их эмиссионные спектры — с использованием длиннобазовой интерферометрии в миллиметровом диапазоне длин волн. Определенные сведения дало использование методов измерений инверсионного рассеяния света с учетом спектральной зависимости свойств частиц.
Рис. 8.8. Газопылевой диск вокруг звезды Бета Живописца ( Pic). Его протяженность во всех направлениях от звезды составляет 25 а. е. Ясно различима неоднородная структура околозвездного диска, обусловленная турбулентными процессами в среде «газ–пыль», на которые могут налагаться гравитационные возмущения от планет, образующихся внутри диска. Прямое излучение звезды блокировано в телескопе, чтобы увидеть диск. Снимок получен при помощи 3,6-метрового телескопа с адаптивной оптикой Европейской астрономической обсерватории. С любезного разрешения Европейской обсерватории
Было обнаружено, что частицы диска намного больше частиц пыли микронного размера в диффузной межзвездной среде: наибольшие составляют от миллиметров до сантиметров в поперечнике и напоминают песок или даже гальку. Кроме того, они стратифицированы по высоте, мелкие частицы микронного размера концентрируются у поверхности
Протопланетные аккреционные диски
379
диска. Такая стратификация, как полагают, сохраняется в течение миллионов лет. Естественно, что содержание и распределение по размерам пылевых частиц (и более крупных гранул) влияет на непрозрачность дисковой среды и структуру турбулентных потоков, воздействуя тем самым на тепловой режим, вязкость и химические превращения в газовой фазе, включая зависимость процессов от радиального расстояния от протозвезды и раннее формирование субдиска (рис. 8.9). Распределение пыли может также свидетельствовать о закономерностях распределения крупных тел типа планетезималей и областях формирования планет. Реконструкция физических характеристик и минералогии частиц пыли проводилась путем сопоставления полученных данных с данными для частиц метеоритов и аналогов пыли в атмосфере Земли. Разумно предположить, что твердые частицы диска примерно подобны по происхождению и составу частицам, содержащимся в межзвездной среде и в метеоритах. Они, видимо, включают такие соединения, как углеродсодержащие нерастворимые органические вещества и закаленное стекло с включениями металлов и сульфидов. Субмикронные частицы можно отождествить с кристаллическим компонентом в преимущественно аморфных силикатах межзвездной пыли, обогащенных магнием, или, скорее, с конденсатами, содержащимися в кометах и связанных с ними потоках метеоритов, а также в хондритовых метеоритах. Что касается генезиса частиц диска, то можно ожидать, что в их состав частично вошла пыль фрагмента молекулярного облака, а другие частицы образовались внутри диска очень близко к протозвезде и, вероятно, подверглись сопутствующим процессам испарения-кристаллизации в процессе радиального перемещения частиц и газа. Кроме того, частицы могли испытывать нагрев ударными волнами в зоне аккреции и последующее быстрое охлаждение, либо образовываться в ударных плюмах при соударениях первичных твердых тел со скоростями, превышавшими несколько километров в секунду. В согласии с этой концепцией частицы тугоплавких кристаллов находят в кометах, углистых хондритах (хондры) и на холодных окраинах Солнечной системы. Их присутствие на телах, рожденных за пределом снеговой линии при низких температурах, объясняется радиальным переносом из областей вблизи Солнца, где они изначально образовались в молодом диске при температурах 800–1000 ÆC. Кроме того, тугоплавкие частицы могли быть подняты потоками газа в коллапсирующем облаке, окружавшем протосолнце, и перенесены во внешние области формирующейся Солнечной системы, как показано на рис. 8.9. Найденные признаки воды в спектрах газопылевого диска, окружающего молодую звезду, могут быть также связаны с выпадением на нее комет на более поздней стадии эволюции (рис. 8.10). Из различных химических элементов и соединений предположительно состоят пылевые агрегаты фрактальной природы, которые входят в структуру первичного околозвездного диска (рис. 8.11).
Рис. 8.9. Схема образования газопылевого аккреционного диска и субдиска. В центре — протосолнце, на которое продолжает аккретировать вещество из протопланетной туманности (красный цвет). Зеленым цветом обозначен формирующийся пылевой субдиск, из которого происходит отток газа и пыли, включая высокотемпературные конденсаты. образованные во внутренней зоне вместе с туглплавкими кальций-алюминивыми включениями (CAI). Синим цветом обозначены биполярные потоки вещества, формирующиеся под действием солнечного магнитного поля. (С любезного разрешения Международного космического университета ISU/C. Nuth)
380 Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
Протопланетные аккреционные диски
381
Рис. 8.10. Тела размером с астероид, кометы и пыль вокруг молодой звезды Бета Живописца ( Pic), как они могли бы наблюдаться с внешнего края диска в представлении художника. Шесть вероятных комет были действительно обнаружены вокруг удаленных звезд астрономами из Калифорнийского университета в Беркли и университета Кларион по слабому поглощению света в линиях, изменявшемуся от ночи к ночи, что было объяснено облаками газа, излучаемого ядрами комет по мере их приближения к звезде. Предполагается, что экзокометы являются обычными объектами в других звездно-планетных системах и их следует рассматривать как своего рода связующее звено в сценариях формирования планет. (С любезного разрешения NASA и Lynette Cook)
Рис. 8.11. Разреженные (fluffy) пылевые агрегаты фрактальной природы в околозвездном диске в изображении художника. (Согласно Национальной астрономической обсерватория Японии SOKENDAI/NAOJ)
382
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
Хронология эволюции диска и космохимические ограничения. Коснемся теперь вопроса о том, на какой временной шкале происходили процессы в протопланетном газопылевом диске и каковы космохимические ограничения, накладываемые на его эволюцию. Главным источником информации, используемым для этой цели, являются метеориты. Очевидно, время формирования дифференцированных железных и каменных метеоритов должно соответствовать времени кристаллизации ядер и оболочек их родительских тел. Временная последовательность была определена путем радиоизотопного анализа метеоритного вещества. В основе метода лежат измерения отношений долго- и короткоживущих изотопов и продуктов их распада. 1) Главные изотопные цепи, используемые для определения возрастов, это 208 Pb–207 Pb–206 Pb, 26 Al–26 Mg, 53 Mn–53 Cr, 87 Rb–86 Sr, 129 I–129 Xe, 182 Hf–182 W. В хондритовых метеоритах Альенде и Ефремовка были найдены и тщательно проанализированы тугоплавкие включения микронных-миллиметровых размеров. Они обогащены тугоплавкими элементами Al и Ca и называются кальциево-алюминиевыми включениями (CAI). Эти включения, как считают, принадлежат древнему твердому веществу, входившему в первичный состав протопланетной туманности при ее фрагментации и сжатии, что дает возможность определить абсолютный возраст Солнечной системы, считая от первых сконденсированных пылевых частиц до настоящего времени. Датировка CAI в примитивных метеоритах разными группами авторов путем скорректированного U–Pb и Pb–Pb анализов дала близкие величины 4567,22 0,21 млн лет и 4567,30 0,16 млн лет. Вместе с тем, возраст тугоплавких включений — хондр находится в диапазоне от 4567,32 0,42 до 4564,71 0,30 млн лет, что свидетельствует о том, что хондры образовывались почти одновременно с CAI, и этот процесс длился 3 млн лет. Это время близко ко времени существования протопланетного аккреционного диска, как следует из астрономических наблюдений, и, очевидно, сам этот процесс непосредственно связан с его вековой эволюцией. Одновременно было найдено, что абсолютный возраст железных метеоритов равен 4567,5 0,5 млн лет. То есть, с учетом пределов ошибок, время происхождения Солнечной системы определено с точностью 1 млн лет, или с точностью 0,002 %. Самые древние анортозитовые породы Луны и цирконы Земли лишь немногим моложе: их возраст, по оценкам, составляет 4,4 млрд лет. В свою очередь, абсолютный возраст каменных метеоритов равен 4564,91 2,58 млн лет. Разность 3,64 1,52 млн лет можно рассматривать как оценку полного вре1) Отношение концентраций дочернего и материнского изотопов с учетом их содержаний в начальный момент и на момент измерений и концентраций нерадиогенного изотопа того же элемента называется изохроной.
Протопланетные аккреционные диски
383
мени аккумуляции и дифференциации в процессе тепловой эволюции родительских тел этих древних метеоритов. Возрастом от 1,7 до 2,0 млн лет после образования CAI датируется рождение субмиллиметровых хондр в структуре каменных метеоритов, состоящих из ферромагнитных силикатов, что близко ко времени образования хондритов различных петрологических классов. Можно поэтому предположить, что первичные родительские тела размером около 100 км формировались в первые несколько миллионов лет с момента зарождения Солнечной системы. Такой размер был достаточен для того, чтобы тело испытало дифференциацию недр с выделением железного ядра из-за интенсивного внутреннего нагрева короткоживущими изотопами, главным образом 26 Al и 60 Fe, запасы которых за 5 млн лет были полностью исчерпаны. Последующая частичная фрагментация ядра и силикатной оболочки, вызванная многочисленными столкновениями, была, вероятно, источником древних железных и каменных метеоритов. Предполагается также, что спустя несколько миллионов лет от момента исчерпания радионуклидов образовались недифференцированые хондриты, не испытавшие плавления и ставшие родительскими телами планетезималей. Такой сценарий подтверждается изучением изохрон Mn–Cr, тугоплавких элементов возраста CAI, не испытавших плавления при распаде короткоживущих изотопов и аккумулированных в виде хондр в матрицу углистых хондритов на рубеже 1,5 млн лет после зарождения Солнечной системы. В целом приведенная временная шкала согласуется с результатами компьютерного моделирования. Они дают основание считать, что, в то время как аккреция вещества диска на протосолнце завершилась через 1–2,5 млн лет после зарождения системы, пылевой субдиск, состоящий из примерно сантиметровых частиц, сформировался намного раньше, через 0,01–0,1 млн лет на радиальном расстоянии 1 а. е., где при достижении критической плотности развилась гравитационная неустойчивость. Очевидно, последующих 1–2 млн лет было достаточно для аккумуляции и тепловой эволюции первых твердых тел. Полагая, что масса протопланетного облака cl составляла 0,1 и что 0,1 cl в конечном счете вошло в состав планет, можно оценить, что из этого вещества образовалось 109 тел примерно стокилометровых размеров, столкновения которых породили древние метеориты. Обратимся теперь к тепловой истории газопылевого диска. Прежде всего, заметим, что в течение длительного времени в планетной космогонии преобладала концепция «холодной» аккумуляции тел Солнечной системы. Однако с начала 1970-х гг. постепенно, по мере накопления космохимических данных, наметился переход к «умеренно-горячей» модели протопланетного диска. Основанием послужило несоответствие между содержанием многих элементов на Солнце, в недифференцированных метеоритах и на Земле. В частности, было установлено, что все хондриты (кроме CI) и вещество нашей планеты обеднены умеренно
384
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
летучими (Na, K, Rb, Sn и др.) и высоколетучими (Cs, Pb и др.) элементами по сравнению с их содержанием на Солнце и в углистых хондритах CI. Обеднение проявляется наиболее отчетливо для таких элементов как Bi, Cd, Cs, Hg, In, Pb, Se, Te, Tl, Zn, S и т. д. В дальнейшем было найдено, что обеднение этими элементами типично не только для различных типов хондритов, но также и для валового состава планет земной группы и некоторых крупных планетезималей (например, для родительских тел эвкритов 1)). Отсюда был сделан вывод, что дифференцирование умеренно и высоко летучих элементов было важным крупномасштабным процессом на ранних стадиях эволюции солнечной туманности и протопланетного диска. Наблюдаемое обеднение летучими могло быть результатом либо частичного испарения, либо неполной конденсации исходной материи планет и родительских тел хондритов, поскольку было замечено, что чем выше летучесть элемента, тем больше обеднение. Термодинамические расчеты показали, что в обоих случаях требуются температуры не ниже 1200–900 K. Однако механизм фракционного испарения не нашел ни теоретического, ни экспериментального подтверждения, так как частичное испарение умеренно летучих элементов требует нагревания вещества до температур, при которых полностью теряются высоколетучие элементы. В то же время, экспериментальное изучение фракционного испарения вещества хондритов CI, нацеленное на получение хондритов других типов, показало, что, независимо от окислительновосстановительных условий испарения, остаток, полученный при нагревании, радикально отличается от реального вещества хондритов по содержанию высоко- и умеренно летучих элементов. Эти различия наиболее характерны для содержаний таких пар элементов, как Zn и Se, Sn и Pb, Rb и Cs и т. д. с близкими степенями обеднения относительно их содержания в хондритах. Поэтому, для дифференцирования умеренно и высоколетучих элементов, по-видимому, более оправдан механизм конденсации, сопровождаемый их неполным накоплением в исходном веществе планет и родительских тел хондритов. Для большинства элементов имеется четкая корреляция между степенью обеднения и температурой их конденсации из газа солнечного состава. Неполное соответствие ( 50%), скорее всего, объясняется влиянием кинетических ограничений на гетерогенные реакции в системе газ–твердое тело, связанных с уменьшением реакционной поверхности мелких пылевых частиц при их аккумулировании и некоторыми другими факторами. В любом случае, можно сделать вывод, что большая часть вещества хондритов образовалась путем конденсации газовой фазы протопланетного диска и что макси1)
Эвкриты — группа из ахондритового класса метеоритов, обогащенных кальцием; они также именуются базальтовыми ахондритами.
Протопланетные аккреционные диски
385
мальные температуры в околосолнечном диске в зоне формирования хондритового материала ( 1–2,5 а. е.) достигали 1200–900 K. Кроме минеральных фаз, содержащих умеренно летучие элементы, в материале хондритов имеются кристаллические Mg- и Fe-содержащие силикаты, что также подкрепляет «горячую» модель формирования протопланетного диска. Кристаллические железо-магниевые силикаты, наиболее вероятно, образуются в высокотемпературных процессах в оболочках гигантских звезд некоторых классов. Эта идея нашла подтверждение в результате недавних исследований состава межзвездной пыли, твердой компоненты межзвездных молекулярных облаков и околозвездных дисков, а также вещества комет и межпланетной пыли, хотя существенная доля этих минералов могла быть изменена вторичными процессами в родительских телах и декристаллизацией под влиянием различных внешних факторов. Эти силикаты могли также входить в аморфные формы пыли оливинового и пироксенового состава, как показали наблюдения протопланетных дисков вокруг звезд T Тельца. Конденсационное происхождение железо-магниевых силикатов находит дополнительное подтверждение при наблюдениях дисков вокруг упомянутых выше протозвезд Хербика–Аро Ae/Be с массами, незначительно превышающими солнечную. Мы можем, таким образом, предположить, что кристаллические железо-магниевые силикаты образовались в результате процессов конденсации во внутренней зоне околозвездных дисков и что, впоследствии, часть пыли была вынесена во внешние зоны. Эта идея подтверждается, в частности, спектральным отождествлением кристаллов оливина вокруг солнцеподобной эмбриональной звезды HOPS-68 в созвездии Ориона (см. гл. 6 и рис. 6.6). Распространяя этот вывод на условия в околозвездном протопланетном диске, можно допустить, что аморфные силикаты, вошедшие в состав межзвездного молекулярного облака, из фрагмента которого сформировалась Солнечная система, также испарялись в ее внутренней зоне ( 1–1,5 а. е.) на ранних стадиях эволюции. Кристаллические силикаты сконденсировались в процессе последующего охлаждения из газовых фаз диска и были частично вынесены в области дальше от Солнца в результате радиального дрейфа, где они вошли в состав родительских тел хондритов в виде тугоплавких хондр, температуры образования которых, по оценкам, равны 1700–2100 K 1). Можно предполагать, что аналогичный радиальный дрейф до зоны формирования родительских тел хондритов испытали другие включения, обогащенные наиболее тугоплавкими элементами, такими как Ca и Al, входящими в состав CaI, а также самые ранние конденсаты, содержащие такие редкие элементы, как Hf, Sc, Lu и др., образованные около Солнца на 0,5 а. е. при 2000–1700 K. 1) Некоторые хондры, вероятно, образовались во время локального нагрева, вызванного импактными процессами.
386
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
Такой сценарий, при котором тугоплавкие элементы вошли в состав первых конденсированных фаз и затем в состав образующихся первичных тел, когда газ солнечного состава остывал, полностью отвечает рассмотренной нами выше конденсационной модели. Небольшая часть этих первичных конденсатов достигла 5–10 а. е., о чем свидетельствует обнаружение кристаллов оливина в веществе комет Галлея, Хэйла–Боппа и 9P/Темпеля. Все это приводит к выводу, что температура во внутренней части протопланетного диска на расстоянии 1–1,5 а. е. достигала 1000 K, а на больших гелеоцентрических расстояниях ( 5–10 а. е.) в начальной стадии формирования Юпитера и Сатурна не превышали температуру конденсации воды. Это следует из того факта, что присутствие водного льда является необходимым условием для формирования зародышей Юпитера и Сатурна.
Формирование планетной системы Образование планет является широко распространенным и вместе с тем очень сложным процессом, который складывается из последовательности нескольких стадий. Они связаны с различными механизмами физических взаимодействий, химических превращений и воздействием многочисленных возмущений в газопылевом диске. Статистика, основанная на числе обнаруженных планет в ближайших областях Галактики и на базовых концепциях формирования и эволюции звезд, приводит к оценке, что, по крайней мере, около трети звезд в нашей Галактике обладают планетами, и это означает, что их общее количество сопоставимо или даже превышает число звезд! Эту оценку, вероятно, можно распространить на другие галактики. Сценарии и модели зарождения и эволюции протопланетной туманности опираются, как правило, на доступные многочисленные данные наблюдений. Подобные данные для формирования планет, в том числе планет Солнечной системы, отсутствуют. Возможным исключением является структура типа пояса Койпера, обнаруженная вокруг звезды HD 115600 японскими астрономами на южном телескопе обсерватории Джемини (Gemini South Telescope) в Чили. Эта звезда чуть массивнее Солнца находится в созвездии Центавра в области активного звездообразования. Этот пояс находится примерно на том же расстоянии от звезды, что и пояс Койпера, его неправильная форма свидетельствует о том, что он подвержен влиянию сравнительно близко расположенных планет-гигантов, а судя по спектроскопическим данным, в его составе присутствуют частицы водяного льда. Но особенно интересно то, что звезда HD 115600 молодая, ее возраст всего 15 млн лет, и поэтому наблюдения за изменениями структуры пояса может помочь в изучении рождения и эволюции планет. К настоящему времени разработано большое количество моделей различной степени сложности, в основе многих из которых лежит динамическое взаимодействие системы тел с учетом ограничений,
Формирование планетной системы
387
налагаемых доступными данными наблюдений. При моделировании процессов формирования планет мы опираемся, в первую очередь, на механические, физические и космохимические характеристики Солнечной системы и ее населения и на ограниченные данные о системах экзопланет, которые позволяют наложить ряд важных ограничений на создаваемые модели. Существующие структуры в системах планет и спутников определенно указывают на единый процесс их формирования, в то время как данные относительно поверхностных свойств и состава вещества для планет и малых тел при сравнении с образцами материала их зародышей и «осколков» (метеоритов) дают подход к решению основополагающих космохимических проблем. Модель формирования первичных тел. Согласно современным представлениям, планеты вокруг звезды солнечного типа формируются после потери гравитационной устойчивости в уплотненном газопылевом субдиске после оседания пыли к экваториальной плоскости турбулизованного аккреционного газопылевого диска. Последовательность и временной масштаб процессов, включая образование первичных пылевых кластеров и твердых тел (планетезималей), схематично показаны на рис. 8.9. Полагают, что этот процесс занимает менее 105 –106 лет. Наблюдения спектров у звезд типа Т Тельца позволили оценить скорость аккреции (полный поток массы) от диска на центральную звезду: для большинства звезд она находится в пределах 10 9 –10 7 /год при средней величине 10 8 /год. Тенденция уменьшения потока к нижнему пределу 10 9 /год наблюдается у звезд в диапазоне возрастов от 105 до 107 лет. Отметим, что ключевое значение при формировании субдиска и его свойств имеет дрейф частиц пыли в направлениях, радиальном и ортогональном центральной плоскости диска, и фазовые переходы при испарении и/или конденсации частиц в зависимости от температурной стратификации в диске. Структуру и эволюцию субдиска определяет также сдвиговая (shear) турбулентность, генерируемая на границах слоев протопланетного диска, которая по своему характеру соответствует экмановскому пограничному слою 1). Это во многом определяет его структуру и динамику, независимо от того, сформировался ли протопланетный диск вокруг отдельной звезды или двойной системы. Сдвиговая турбулентность оказывает также влияние на формирование пылевых кластеров, как предшественников твердых тел, и на их рост в двухфазной (газ-пыль) среде с дифференцированной угловой 1) Пограничный слой Экмана — это приближение гидродинамической теории погранслоя, используемое для математического описания переходного слоя между атмосферой и океаном. В нем, наряду с силой Кориолиса и силой барического градиента, существенную роль играет также сила внутреннего трения, которая приводит к отклонению ветра от геострофического в область пониженного давления. Изменение скорости и направления ветра с высотой приближенно описывается так называемой спиралью Экмана.
388
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
скоростью вращения, а также на процессы коагуляции. Этот механизм может оказаться определяющим при оценке возможности образования планет из первоначально крупных пористых газопылевых сгущений, заполняющих свою сферу Хилла 1) в кольцевом слое и медленно сжимающихся под действием внутренних гравитационных сил. Такая модель предлагалась в качестве альтернативы роста крупных тел за счет соударений частиц в газопылевом диске, но не получила поддержки. Физически более обоснованной представляется идея о формировании планет из первичных, относительно небольших разреженных пылевых кластеров, возникающих в субдиске из-за гравитационной неустойчивости. Их число, согласно приведенной выше оценке, могло бы быть порядка 109 . Сценарий дальнейшей эволюции предполагает взаимодействие таких кластеров при соударениях с учетом физики столкновений частиц внутри кластеров, роста частиц, начиная от наноразмеров и изменения морфологии среды и ее фрактальной размерности. Существенно при этом подчеркнуть, что только при столкновениях разреженных кластеров при скоростях в десятки и более метров в секунду можно ожидать объединения частиц, роста их размеров и постепенного уплотнения самих кластеров. Заметим, что некоторым аналогом таких структур могут быть пушистые агрегаты из маленьких льдинок, похожие на головку одуванчика, обнаруженные КА «Дип Импакт» (Deep Impact) при пролете вблизи кометы Хартли-2, о чем упоминалось в гл. 4. Согласно такому сценарию, из разреженных пылевых кластеров (см. рис. 8.11) рождались первичные твердые тела, служащие зародышами планетезималей, которые, в свою очередь, рассматриваются как планетные эмбрионы. Рост тел происходил как путем столкновений планетезималей, так и за счет аккреции пыли и более крупных частиц внутри диска. В этом процессе происходило формирование некоторой первичной системы тел планетных размеров, конфигурация которой, вероятно, сильно отличалась от нынешней Солнечной системы. Ее существующая конфигурация, включающая планеты земной группы и ядра планет-гигантов, была приобретена в процессе взаимных гравитационных взаимодействий. Планеты-гиганты продолжали увеличиваться, аккумулируя на своих ядрах газы и льды за границей снеговой линии, где водяной лед становится термодинамически устойчивым. Однако многие детали этого сценария, особенно его самые ранние стадии, нуждаются в дальнейшем подробном изучении. Прежде всего, это касается механизма роста частиц от начальных субмикронных размеров до сантиметровых-метровых, когда в основе взаимодействия лежат электростатические силы, а гравитация начинает «работать», 1) Сферой Хилла называют пространство вокруг астрономического объекта (например, планеты), в котором он способен удерживать свой спутник несмотря на притяжение объекта, вокруг которого обращается он сам (например, звезды).
Формирование планетной системы
389
только когда тела достигают километровых размеров. Кроме того, в процессе взаимных столкновений частиц и их интеграции в тела от гальки до глыб (булыжников) с высокой вероятностью может происходить не объединение, а разрушение таких тел при относительно больших скоростях столкновений. Объединение начнет преобладать при их столкновении с телами примерно километровых размеров, когда важную роль будет также играть гравитационное притяжение. Эти трудности можно попытаться обойти, если исходить из модели столкновений не отдельных частиц и тел, а их совокупностей в виде разреженных сгущений (кластеров), подобных рассмотренным выше кластерам пылевых частиц, в которых происходят тесные взаимодействия в динамически более благоприятных условиях (см. рис. 8.11). В таких сгущениях будут также более активно протекать процессы коагуляции и коалесценции частиц, и создаваться укрупненные пылевые агрегаты с учетом самопритяжения. Наконец, частицы и пылевые агрегаты могут легче объединяться в турбулентных вихрях. Этот механизм мог сыграть особенно важную роль на начальном аккреционном этапе в диске. Наряду с этим, нельзя, конечно, исключать влияние гравитации диска на рассматриваемые локальные процессы, в том числе различного рода возмущения, оказываемые на орбитальную эволюцию первичных тел. Дальнейшая эволюция. Рост первичных твердых тел до размеров планетезималей представляется физически легче осуществимым, чем укрупнение частиц на первоначальной стадии. Сценарий этого процесса включает в себя образование планетезималей примерно километровых размеров и зародышей планет размером от ста до нескольких сот километров в течение, соответственно, первых 0,1–1 млн лет с последующей аккумуляцией планет-гигантов за время меньше 107 лет и аккрецией первичных тел на планеты земной группы. Этот процесс длится дольше предшествующих периодов и завершается через 108 лет, когда планета полностью набирает свою массу. В первом приближении распределение планетезималей по массе подчиняется коагуляционному уравнению Смолуховского 1), учитывающему взаимное гравитационное притяжение и столкновения фрагментов. При взаимодействии этих тел, находящихся на квазикруговых пересекающихся орбитах и обладающих, помимо орбитальной скорости, хаотическими скоростями, происходит рост планетных эмбрионов за счет постепенного вычерпывания меньших тел и осаждения пыли в ходе эволюции роя. Из-за торможения в остаточном газе скорость обращения этих тел на орбитах становится ниже кеплеровой, что, наряду с перемещением первичных тел и обменом веществом в радиальном направлении, вносит вклад в ускорение процесса роста (рис. 8.12). 1) Уравнение Смолуховского является модификацией кинетического уравнения Больцмана применительно к процессам коагуляции.
390
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
Рис. 8.12. Газопылевой диск на поздней стадии эволюции с концентрическими кольцами вещества, окружающий молодую звезду с первичными твердыми телами (планетезималями) и пронизывающими его кометами. (Рисунок, источник: Википедия)
Существенную роль на различных стадиях формирования и эволюции планетезималей могло играть возникновение резонансов в ранней планетной системе, в том числе, в Солнечной системе, и гравитационные взаимодействия формирующихся планетных тел. В связи с этим напомним (см. гл. 3) идею относительно первоначального формирования Нептуна и Урана в зоне питания Сатурна. Действительно, как показало компьютерное моделирование, зародыши Урана и Нептуна, находясь на орбитах с небольшими эксцентриситетами, могли увеличить большие полуоси своих орбит от 10 а. е. до существующих значений, непрерывно перемещаясь благодаря гравитационным взаимодействиям с остаточными планетезималями, мигрирующими наружу. Сами эти тела перешли, в конечном счете, на гиперболические орбиты и были выброшены из этой зоны. На еще более существенное влияние планет-гигантов на формирование планет земной группы, включая образование системы Земля–Луна согласно сценарию мегаимпакта (см. гл. 2), претендует так называемая гипотеза «большого галса» (grand tack hypothesis). Согласно этой модели Юпитер первоначально сформировался на расстоянии 3,5 а. е. и перемещался к Солнцу вплоть до 1,5 а. е., пока не был захвачен в орбитальный резонанс с Сатурном, следствием чего стало движение в обратном направлении и остановка на его современной орбите (5,2 а. е.). Следствием такой миграции Юпитера стало сильное уплотнение планетезималей в диске на расстоянии 1 а. е., где происходила интенсивная аккреция газа и пыли на планетных эмбрионах
Формирование планетной системы
391
(фаза олигархического роста), дефицит вещества для образования тел на орбите Марса, сильное рассеяние планетезималей в области Главного пояса астероидов и выпадение части эмбрионов планет на Солнце. Окончательная конфигурация Солнечной системы и время завершения ее формирования определялись соотношением первоначальных эмбрионов планет и планетезималей, их массой и пространственным распределением, включая катастрофические столкновения. Подобный сценарий мог осуществляться и в системах экзопланет, о чем свидетельствует большое разнообразие их конфигураций (см. гл. 7). Коснемся теперь кратко особенностей среды, в которой формируются планеты. Вещество протопланетного газопылевого диска является сложной гетерогенной и, в общем случае, неустойчивой системой с областями, различающимися по плотности, температуре и степени ионизации. В целом, это неоднородная, дисперсионная и турбулентная среда, состоящая из многокомпонентного газа и частиц пыли различных размеров. В окрестностях звезды она представляет собой, по существу, намагниченную пылевую плазму. Сжатие вращающегося протопланетного облака и его превращение в сравнительно плоский диск происходит в условиях противодействия двух главных динамических сил — гравитационной и центробежной. Когда эти силы сбалансированы, в эволюции диска преобладают более слабые факторы, такие как тепловой и вязкостный процессы, самогравитация и электромагнитные явления. Они оказывают основное воздействие на преобразование вещества в диске, в том числе кристаллизацию, конденсацию летучих, включая воду, и относительное содержание газовых компонентов и твердых частиц, а также на энергообмен и перенос углового момента. С тепловым режимом и процессами переноса в диске непосредственно связаны специфические особенности формирования планетных тел в газопылевом диске, в частности, образования планет земной группы и планет-гигантов в Солнечной системе. За тепловой режим диска ответственно излучение протозвезды с учетом изменения непрозрачности среды и диссипация турбулентной энергии. Суперюпитеры вблизи родительской звезды сохранили газовые оболочки даже при высокой температуре благодаря их огромной массе. В то же время, в условиях Солнечной системы, газы в окрестности Солнца не удержались и были выметены наружу, оставив в этой зоне тела относительно малой массы, обедненные летучими. Основная масса летучих сосредоточилась во внешних областях, в том числе вошла в состав планет-гигантов, их спутников и малых тел. Интересно оценить, какую массу имела бы Земля, если бы она не потеряла летучие. Для этой цели используем космические отношения водорода H и гелия He к кремнию Si, которые основываются на их космической распространенности. Для водорода имеем: H/Si 2,6 104 по числу атомов, или H/Si 940 по массе. Для гелия получаем: He/Si 1,8 103 по числу атомов, или He/Si 250 по массе. Напомним, что Земля содержит 6 1026 г Si (10 % от общей массы Земли,
392
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
равной 6 1027 г). Тогда, добавляя летучие, получаем, что масса Земли составила бы 1 940 250 6 1026 7,1 1029 г. Это приблизительно 120 масс современной Земли или больше массы Сатурна! Проблема переноса углового момента. Одна из главных и до конца не решенных проблем планетной космогонии связана с механизмом переноса углового момента 2 от коллапсирующей звезды к протопланетному диску. Ограничения на начальный угловой момент протопланетного диска налагаются с учетом физических процессов на ранней эволюционной стадии Солнечной системы. Для однородной по плотности протосолнечной туманности угловой момент лежит в диапазоне 1052 2 1053 г см2 с 1 . Этот диапазон типичен как для отдельных молодых звезд солнечной массы с дисками, так и для двойных звезд, и ограничен величиной приблизительно на порядок большей для диска с массой, сосредоточенной в центре. Для Солнечной системы вычисленное значение 2 1–4 1052 г см2 с 1 . При аккреции вещества из диска на протозвезду его угловой момент передается звезде, ускоряя ее вращение. Если бы все вещество из диска было поглощено протозвездой, то она потеряла бы свою устойчивость, непрерывно ускоряя при этом собственное вращение. Это, вероятно, не происходит из-за формирования у поверхности звезды внутри диска двух ионизованных газовых потоков — протозвездного или дискового ветра. Газ изгоняется с высокой скоростью ( 100 км/с) под действием магнитного поля с обоих полюсов внутри конуса с большим или меньшим углом раствора относительно оси вращения диска и звезды, вращаясь вокруг полярной оси. Такие вращающиеся потоки газа уносят избыток углового момента, сохраняя скорость вращения протозвезды значительно ниже порога неустойчивости и одновременно удовлетворяя условию сохранения углового момента в системе протозвезда–протопланетный диск. Из-за коллимации потоков вдоль оси вращения, они имеют форму джетов, распространяющихся далеко от звезды. При их взаимодействии с окружающим газом молекулярного облака возникают небольшие диффузные образования (patches of nebulosity), известные как уже упоминавшиеся выше яркие объекты Хербига–Аро 1), и образуются биполярные оттоки молекулярной массы (см. рис. 8.9), также уменьшающие угловой момент коллапсирующей звезды. Еще более сложная картина передачи углового момента возникает в планетных системах вокруг двойных и кратных звезд, где угловой момент перераспределен между компонентами планетной и звездной систем. Можно предположить, что из-за вязких сил трения, вызываемых сдвиговой турбулентностью при орбитальном движении, перемещение вещества диска к протозвезде происходит по очень пологой спиральной 1) Предполагается также, что эти потоки в комбинации с радиацией, излучаемой протозвездой и соседними массивными звездами, могут способствовать рассеянию остатков фрагмента облака, из которого образовалась звезда.
Формирование планетной системы
393
траектории, и в процессе этого движения угловой момент передается наружу от внутренних к внешним областям. Наиболее вероятным механизмом передачи момента является турбулентная вязкость во вращающемся, конвективно-неустойчивом газовом диске, и с этим переносом связана временная шкала расширения диска. Турбулентность имеет сдвиговую природу и возникает между отдельными слоями диска, а дополнительным источником служит отличие гидродинамического движения газа от кеплерова движения пылевых частиц. Турбулентные вихри одновременно могли способствовать ускорению частиц и их объединению в первоначальные сгустки вещества, играя тем самым важную роль в процессе укрупнения зародышей. Наряду с турбулентной вязкостью, важным механизмом переноса углового момента в аккреционном диске считаются мелкомасштабные магнитные поля. Этот механизм обусловлен наличием в диске частично ионизованной среды и магнитного поля. Под действием электромагнитных сил могут возникать локальные сдвиговые неустойчивости в полоидальном магнитном поле. При существенной ионизации вещества диска и определенном отношении его толщины к радиальному расстоянию 3 можно снять ряд ограничений на возникновение гидродинамической турбулентности в полностью кеплеровом потоке. Другими словами, доминирующими в этом случае оказываются не динамика самого потока, а максвелловские магнитные напряжения 1). Нельзя также исключить возможность того, что избыточный угловой момент выносится из звезды на стадии ее сжатия и в этот процесс также вносит вклад магнитное поле, хотя магнитные поля звезд относительно слабы. Позднее угловой момент может уноситься с веществом звездного ветра и, так как сумма углового момента плазмы на единицу массы и углового момента, связанного с магнитными напряжениями, остается постоянной, перенос углового момента фактически осуществляется посредством магнитных напряжений. Это заставляет угловую скорость звезды постепенно уменьшаться. Тем не менее, наиболее адекватный механизм переноса углового момента 2 от центрального ядра в радиальном направлении пока не найден ни в одной из рассмотренных моделей. Недостаточно обоснован источник появления эффективной вязкости, включая турбулентную и магнитную вязкость, хотя с физической точки зрения турбулентный и электромагнитный механизмы кажутся наиболее правдоподобными для объяснения этого явления. Действительно, протопланетные аккреционные диски обладают существенной вязкостью. Ее наиболее вероятными источниками в дифференциально-вращающихся дисках являются сдвиговая турбулентность и хаотичные локальные магнитные 1) В теории Максвелла магнитное напряжение на участке контура определяется в виде произведения длины участка на проекцию на него вектора магнитной напряженности. Измеряется в амперах на метр.
394
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
поля, энергия которых сопоставима с энергией гидродинамической турбулентности. За счет вязкости, возникающей при дифференциальном вращении и турбулизации вещества, создается также постоянный внутренний источник тепловой энергии в диске. Что касается хаотичных магнитных полей, испытывающих растяжение аккретирующей плазмой, смешение из-за дифференциального вращения диска и пересоединение на границах между локальными ячейками, то они вносят значительный вклад в вязкость как внутренней области диска, так и его внешних слоев, где происходит ионизация достаточной доли вещества. Важную роль в переносе углового момента, как и в физическом механизме аккреции, могут играть, наряду с мелкомасштабными, также крупномасштабные магнитные поля. Очевидно, в течение первых нескольких десятков миллионов лет происходит перераспределение углового момента внутри диска в связи с изменением соотношения планетезималей и формирующихся эмбрионов планет. Динамика планетной системы. В основе динамики образования планетных систем и их устойчивости лежит закон сохранения результирующего углового момента в процессе эволюции. Особое внимание уделяется резонансам, определяющим динамическую структуру и конфигурацию системы на всех стадиях зарождения и эволюции. Различаются резонансы средних движений (которые мы кратко обсудили в гл. 1 и 4) и вековые резонансы. Первые вызваны соизмеримостью во взаимных орбитальных движениях планетных тел вокруг одиночной звезды или между планетами и родительской звездой в кратных системах, в то время как за вековые резонансы ответственны соизмеримости в прецессиях орбит. Захват в различные виды резонансов обусловлен миграцией планетезималей и формирующихся планет в протопланетном диске в ходе эволюции планетной системы. В мультипланетных системах орбитальные резонансы также, по-видимому, возникают во время взаимодействия формирующихся планет с газопылевым диском. Такие взаимодействия естественно влияют на положение и циркуляризацию орбит под действием приливных моментов, что, в свою очередь, может привести к орбитальному резонансу. Наиболее часто встречающимися являются резонансы средних движений 2 1 и 3 1, приводящие к некоторым динамическим подобиям в конфигурациях планетной системы. В Солнечной системе типичными примерами являются ранее упомянутые резонансы Уран–Нептун (резонанс 2 1) и Сатурн–Уран (резонанс 3 1), а также многочисленные резонансы в Главном поясе астероидов и поясе Койпера. В системах экзопланет соответствующие резонансы были найдены у Глизе 876 и HD 82943 (2 1), и 55 Рака (3 1). Отметим, что резонанс 2 1 считается естественным результатом динамической эволюции (миграции) первичных планетных тел в протопланетном диске. В то же время взаимодействие резонансов среднего движения (или субрезонансов) в планетной системе может вызвать ее хаотическое поведение, примером служит Кеплер 36. В этом случае форма
Формирование планетной системы
395
и ориентация планетной орбиты испытывают как медленные вариации, так и прецессию. Резонансы, по существу, связаны с проблемой устойчивости диска и планетной системы. В небесной механике известны критерии устойчивости, определяющие нехаотичное поведение планетной системы. Среди них основным является аналитический критерий Холма, определяющий зону устойчивости — радиус Хилла, или, как мы ранее называли эту зону, сфера Хилла. Это область устойчивых орбит вокруг планеты или менее массивного компаньона в двойной системе. Другими широко используемыми критериями являются критерий Чирикова, определяющий перекрытие зон резонансов и его модификации, и особенно критерий Уиздома, устанавливающий резонансную область вокруг планеты, «закрытую» для вхождения других тел. Для кратных звездных систем, особенно для динамики планетезималей в циркумбинарном диске, применяются и некоторые другие критерии устойчивости. Данный подход позволяет находить хаотические области и, в частности, оценивать так называемое время Ляпунова, определяющее движение планеты в нестабильной (хаотичной) зоне, другими словами, динамическую предсказуемость системы. Типичным примером является планета Kepler-16b, которая находится в циркумбинарной планетной системе и располагается поблизости от опасной хаотичной зоны. Как показали результаты численного моделирования, она выживает вследствие своего положения вблизи орбитального резонанса 11 2 с центральной двойной звездой — ситуация, напоминающая Плутон и плутино, выживающие из-за резонанса 3 2 с Нептуном. Отметим также, что динамика первичных тел тесно связана с упомянутыми выше остаточными дисками, обнаруженными вокруг многих звезд, у которых могут быть и планеты. Число звезд с остаточными дисками больше числа звезд с планетными системами. Предполагают, что эти диски формируются из пыли, образующейся при разрушении планетезималей, подобно тому, как это происходит в Главном поясе астероидов и поясе Койпера в Солнечной системе. На изображениях остаточных дисков у самых близких звезд было обнаружено большое разнообразие структур, которые можно интерпретировать с точки зрения динамики малых тел в существовавших планетных системах, причем наблюдаемые распределения пыли обеспечивают получение информации относительно распределения крупных объектов типа планет и планетезималей. Как уже говорилось, особый интерес вызывают конфигурации планетных систем со сверхмассивными телами в непосредственной близости от звезды. Отмечалось, что один из сценариев предполагает возможность образования суперюпитеров (а, возможно, и землеподобных планет) вдали от материнской звезды и затем их миграцию внутрь системы из-за взаимодействия с остаточным газом диска путем динамического трения. Действительно, смещение и циркуляризацию орбит в мультипланетной системе можно считать естественным следствием
396
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
взаимодействия планеты с веществом диска, а наличие приливных моментов, может, в свою очередь, приводить к орбитальным резонансам. Однако, данный механизм может ограничить продолжительность жизни планеты. Альтернативная модель исходит из идеи о том, что важную роль в эволюции системы играют массивные планетезимали, оставшиеся вблизи сформированной планеты. Они могли оказать сильное гравитационное воздействие на эволюцию первоначальной орбиты планеты и вызвать ее перемещение вместе с роем планетезималей, находящимся вблизи и вдали от звезды, чтобы удовлетворить условию сохранения орбитальной энергии и углового момента в протопланетном диске. Другими словами, в этом случае миграция тел, изменение их орбит и конфигурация формирующейся планетной системы в целом контролируются процессами динамической неустойчивости. В мультипланетной системе к взаимодействию планета–диск естественно добавляется действие приливных моментов, посредством которых возникает, прежде всего, орбитальный резонанс первого порядка, как прямое следствие сохранения энергии и углового момента в такой системе. В этой связи напомним, что процессы миграции, вероятно, оказали влияние на эволюцию планетных орбит во внешних областях ранней Солнечной системы. Согласно существующим представлениям считается, что Сатурн мигрировал внутрь системы и был захвачен в резонанс 2 3 с Юпитером. Возникновение этого резонанса могло, в свою очередь, задержать или, возможно, даже полностью остановить миграцию Юпитера на несколько а. е. Этот процесс неизбежно оказал воздействие на планетные зародыши во внутренней области Солнечной системы, в том числе на формирование планет земной группы и их орбиты, а также на положение и аккумуляцию оставшихся первичных тел в Главном поясе астероидов. Кроме того, с миграционными процессами на этапе ранней эволюции связано упомянутое выше перемещение Урана и Нептуна из области их начального формирования вблизи зоны Юпитера–Сатурна в направлении дальше от Солнца, а также на формирование пояса Койпера (см. гл. 4). Такой сценарий подтверждается оценками времени, которое было бы необходимо для аккумуляции Урана и Нептуна на их современных орбитах. Как показали результаты моделирования, для этого потребовалось бы время, превышающее возраст Солнечной системы. Модель, которую иногда называют моделью переконфигурации орбит планет-гигантов, или моделью Ниццы (Nice model), предполагает существование первоначального диска массой в несколько десятков земных масс, состоящего из кометоподобных объектов и расположенного за орбитами, на которых в дальнейшем формировались планетыгиганты. Предполагается, что этот диск был рассеян внутри Солнечной системы вследствие гравитационных взаимодействий между планетами-гигантами и вызвал миграцию этих планет. Заметим, что модель Ниццы примерно согласуется по времени со временем поздней бомбар-
Формирование планетной системы
397
дировки (LHB) Луны и планет земной группы (см. гл. 2) и хронологией лунных кратеров. Она подкрепляется также рядом космохимических соображений. Двойные и кратные системы. Открытие экзопланет стало крупным прорывом в концепции эволюции протопланетного аккреционного диска и формирования планетных систем, их динамики и устойчивости. Новые данные остро поставили ряд интригующих вопросов об основных механизмах, ответственных за происхождение различных конфигураций, отличных от конфигурации Солнечной системы. Стало ясно, что планеты могут образовываться не только вблизи отдельных звезд с избытком углового момента, но также и вокруг тесных двойных и кратных звезд и их компонентов. Было найдено (см. гл. 7), что приблизительно 20 % всех известных экзопланет населяют кратные звездные системы. Большинство являются двойными (бинарными) системами, но некоторые были обнаружены и в тройной звездной системе, подобно планете в тройной системе HD 132563. По существующим оценкам, общее число мультипланетных (кратных) систем составляет не менее 130. Наиболее характерными примерами таких систем являются 55 Рака с пятью планетами, Ипсилон Андромеды с тремя планетами, Kepler 11 (KOI 157) 1) с шестью транзитными планетами, KOI 730 с четырьмя транзитными планетами. Отметим, что, хотя наша Солнечная система отличается от систем с экзопланетами, среди многочисленных обнаруженных мультипланетных систем есть похожие на Землю — «земли» и «суперземли», расположенные вблизи зоны обитания, такие как Глизе 581 2), 47 Большой Медведицы и Мю Жертвенника () Arae) HD 160691. В частности, суперземли Глизе 581c, d и g расположены, в основном, внутри зоны обитания, в то время как 47 Большой Медведицы и Мю Жертвенника напоминают по конфигурации Солнечную систему. К сожалению, пока еще трудно реконструировать специфические сценарии образования планет вокруг двойных и кратных систем при аккреции первоначального газопылевого облака и обмена веществом между компонентами системы. Тем не менее, имеющиеся данные позволяют понять общий характер ранней эволюции звездно-планетных систем и наложить ряд дополнительных ограничений на разрабатываемые модели. Исследование кратных планетных систем способствует более глубокому пониманию динамических свойств экзопланет, хотя ответы на ключевые вопросы их происхождения могут быть получены только путем изучения самого вещества, образующего эти тела. Здесь астрономия и методы спектроскопии тесно связаны с космохимией. 1)
KOI является аббревиатурой для интересных объектов, обнаруженных КА «Кеплер» (Kepler Objects of Interest). 2) Глизе означает, что звезда взята из перечня звезд каталога Глизе, находящихся в пределах 25 пк от Солнца.
398
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
Интересно, что проблема передачи углового момента легче решается в рамках модели диска, формирующегося и эволюционирующего вокруг тесной двойной или кратной звездной системы, чем вокруг одиночной звезды. Предполагается, что диски формируются в пределах этих систем, и первичная материя, входящая в планеты, действительно косвенно наблюдалась вокруг одного или обоих компонентов некоторых молодых двойных звезд. Подобно формированию Солнечной системы в пределах газопылевого диска, процесс аккреции мог быть общим также и в системе двойных звезд, хотя окружающий первичный диск искажен в этом случае близким компаньоном. Действительно, у некоторых из систем в пространстве, окружающем двойную звезду, имеются звездные компаньоны на довольно близких орбитах, что предполагает динамически сложную эволюцию дисков у таких систем, отличную от планетных систем вокруг одиночных звезд. Альтернативным сценарием может быть распад в диск одного из компонентов двойной системы около более массивного компонента. Не исключаются и другие возможности, каждая из которых представляет большой интерес, прежде всего, с динамической точки зрения. Удельный угловой момент первичного газопылевого облака является главным фактором, определяющим различие между ранними эволюционными стадиями двойных и одиночных звезд и устойчивость планетной системы. Тесные двойные звезды могут служить своего рода «полигоном» для моделей формирования системы, выявления некоторых критических параметров и предельных состояний. Так, например, одна из планет в двойной системе HD 196885 имеет орбиту, находящуюся на расстоянии 2,6 а. е. в сильно возмущенной области — почти на пределе орбитальной устойчивости. Ее формирование, возможно, было наиболее чувствительно к возмущениям первичных планетезималей от обоих компаньонов двойной системы, индуцировавшим разрушение планетезималей на ранней стадии. С таким сценарием связаны проблемы, как окончательной аккумуляции планеты, так и достижения ее орбитальной устойчивости. Более глубокое изучение кратных систем позволило выявить некоторые дополнительные детали. Из анализа распределения двойных звезд по их угловым моментам было найдено, что у приблизительно трети протозвезд угловой момент недостаточен для формирования газопылевых дисков вокруг тесной двойной системы. Численное моделирование процесса эволюции такой системы, как функции параметров первичной двойной звезды, показало, что, в зависимости от донорно-акцепторного отношения масс и степени заполнения полости Роша 1), могут быть получены различные конфигурации. В зависимости 1) Полость Роша — радиальное расстояние от планеты, на котором приливные силы превосходят внутренние силы, удерживающие вместе частицы твердого тела, и оно может быть разрушено внутри этого предела.
Некоторые нерешенные проблемы
399
от диапазона используемых параметров получены важные ограничения на возможные сценарии эволюции системы, от обмена массами и даже объединения звезд, до формирования дисков и протопланетных систем. Особый интерес представляют случаи протопланетных систем с предшествующим образованием центральной звезды и расширяющегося диска или, как альтернатива, образование протяженного газового рукава спиралевидной формы, разбивающегося на индивидуальные облака (уплотнения) с массами, сопоставимыми с массами планет-гигантов. Последнее происходит в случае объединения двойной звезды, которое занимает, как показывают оценки, приблизительно сто орбитальных периодов первоначальной двойной системы. Наиболее массивные облака были получены на орбитах с полуосями, расположенными в диапазоне (1 3) а. е. Они могут уменьшаться за счет приливной диссипации и трения при взаимодействии с диском, однако только при условии сохранения углового момента. В рамках численной модели для околозвездного газового аккреционного диска было также показано, что сохранение углового момента требует расширения свободной от тел части диска, на периферии которого накапливается «избыток» углового момента. Соответственно, аккреция материи происходит внутри кольца радиусом не более нескольких звездных радиусов, в то время как сам диск расширяется до десятков или даже сотен звездных радиусов.
Некоторые нерешенные проблемы За последние десятилетия были достигнуты значительные успехи в звездно-планетной космогонии. Новые теоретические и экспериментальные исследования, включая обнаружение систем экзопланет, в целом подтвердили обоснованность известного сценария формирования планет, начальной стадией которого является фрагментация молекулярного облака, рождение звезды и образование газопылевого диска, из которого формируются первичные тела и планеты, как это показано в изображении художника на рис. 8.10, 8,11 и 8.13. Планеты рассматриваются как побочный продукт звездообразования. В настоящее время этот сценарий считается общепризнанным. Еще раз подчеркнем, что, по существующим оценкам, не менее 30 % звезд обладают планетными системами и, таким образом, общее число планет во вселенной приблизительно равно или даже больше числа звезд. Результаты наблюдений аккреции газопылевых дисков вокруг звезд различных спектральных классов на разных стадиях эволюции позволили довольно детально исследовать структуру дисков и их динамику. Открытие экзопланет вокруг звезд преимущественно поздних спектральных классов (G, K, M) и высокой металличности дало возможность реально узнать о существовании планетных систем, по своей конфигурации и свойствам сильно отличных от Солнечной системы. Очевидно, у них другая хронология процессов и возраст, который для Солнечной системы, установленный по радиоизотопному датированию
400
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
Рис. 8.13. Образование планетной системы. Художественное изображение первичного газопылевого диска вокруг центральной протозвезды, где происходят столкновительные процессы и образуются первичные пылевые кластеры. (С любезного разрешения NASA)
наиболее древних CAI-включений метеоритов хондритового класса, определен равным 4567,5 0,5 млн лет. Существенный прогресс достигнут в теоретическом изучении и компьютерном моделировании зарождения и эволюции протопланетного аккреционного диска, включая его тепловой режим, фазовые переходы, образование первичных пылевых кластеров и твердых тел, их столкновения и динамику. Предприняты первые успешные попытки обнаружить планеты, подобные Земле, особенно в околозвездной зоне обитания с признаками существования благоприятной природной среды, пригодной для зарождения жизни. Однако, несмотря на достигнутый прогресс, многие проблемы планетной космогонии остаются нерешенными и одновременно возникают новые вопросы, на которые пока нет ответа. Попытаемся кратко перечислить, по крайней мере, некоторые из них. — Не вполне ясны механизм аккреции и физика процессов в газопылевом диске на самых ранних этапах эволюции, последовательность и кинетика химических превращений и фазовых переходов в условиях формирующегося теплового режима и динамики в окрестности протозвезды. Недостаточно строго обоснованы фрагментация пылевого субдиска на первичные разреженные пылевые сгущения (кластеры) в первые 0,1–0,2 млн лет и рождение из них первичных твердых тел. — Не ясна хронология процессов в диске–субдиске. Наличие железных и каменных метеоритов, возраст которых близок к возрасту Солнечной системы, требует предположения об образовании их родительских тел размером 100 км и последующей частичной фрагментации при соударениях в течение 1 млн лет. Этот процесс должен, очевидно, происходить на фоне продолжающейся аккреции газа и пыли из остаточного фрагмента молекулярного облака на диск и из диска
Некоторые нерешенные проблемы
401
на протозвезду (протосолнце), которая, по оценкам, завершается за время менее 3–5 млн лет в зависимости от скорости аккреции. Нужно дополнительно обосновать, насколько реалистичен этот сценарий. — Взаимодействие частиц и тел в диске путем столкновений рассматривается как наиболее обоснованный процесс их постепенного роста от первоначального размера микрон–миллиметр до сантиметр–метр и затем даже до тел размером сотни метров–километры, когда определяющую роль начинает играть гравитация. Однако проблема интеграции мелких частиц в отсутствие гравитации остается не решенной. Наиболее приемлемым можно считать механизм взаимодействия разреженных (флаффированных) пылевых кластеров фрактальной природы, при котором происходит объединение не отдельных частиц, а их совокупностей. Однако такой механизм нуждается в подтверждении главным образом путем численных экспериментов. — По существу отсутствуют космохимические данные, связанные с различными этапами эволюции протопланетного диска и субдиска. Пока едва ли возможно восстановить основные процессы, послужившие основой петрологии пород различных классов метеоритов. В результате невозможно включить химическую кинетику в уравнения сохранения массы и энергии, а при наличии пылевых частиц в газовой фазе и электродинамических процессов — в уравнения гетерогенной механики и магнитной гидродинамики. — Необходимы дальнейшие исследования роли турбулентности и процессов самоорганизации на различных стадиях эволюции протопланетного газопылевого диска, прежде всего, при формировании его теплового режима и динамики. Нуждается в детальном изучении вклад турбулентных вихрей в объединение первичных частиц и пылевых кластеров и эффективность этого процесса как одного из механизмов роста размеров пылевых частиц. — Нужны дополнительные исследования механизма, с помощью которого происходит перенос углового момента от внутренней к внешней части диска, хотя на сегодняшний день наиболее приемлемым кажется механизм передачи момента за счет турбулентной и магнитной вязкости. — Нуждаются в дальнейшем изучении механизмы, ответственные за устойчивость планетной системы у одиночных и особенно двойных и кратных звезд. Необходимо выяснить, какую роль миграция первичных тел и планетезималей и возникшие резонансы в планетных системах, и в частности, в Солнечной системе, сыграли на различных этапах их формирования и эволюции. — Не ясен вопрос о том, какие процессы ответственны за конфигурацию планетной системы и какова была первоначальная конфигурация Солнечной системы, как Солнечная система эволюционировала от первоначальных многочисленных 100-км тел ( 109 , если исходить из оценок первоначальной массы субдиска) к большим телам планетных размеров и, в конечном счете, к ее современной конфигурации.
402
Гл. 8. Планетные системы: происхождение и эволюция
— Наблюдения свидетельствуют о том, что аккреционная стадия формирования околозвездных дисков продолжается не более 5–10 млн лет. Это ограничение трудно совместить с гипотезой одновременного формирования системы Земля–Луна из единого сгустка материи в кольцевом сжатии на орбитах Земли и Луны, которое произошло значительно позднее ( 50–70 млн лет назад, основываясь на возрасте самых древних лунных пород). Вместе с тем, эта гипотеза, в отличие от сценария мегаимпакта (см. гл. 2), подтверждается данными изотопных сдвигов, отсутствием изотопного фракционирования лунных летучих и следами воды в стеклах образцов вещества, доставленного «Аполлонами», которая иначе, по сценарию мегаимпакта, была бы изгнана вместе с другим летучими. Это сохраняет остроту проблемы происхождения Луны. Конечно, это лишь небольшая часть наиболее актуальных вопросов и их перечень может быть продолжен. Часть их была рассмотрена в этой главе, хотя по существу, все темы, обсуждавшиеся в других главах, так или иначе связаны с фундаментальной проблемой происхождения и эволюции Солнечной системы и планетных систем у других звезд. Дальнейшее изучение небесных тел Солнечной системы вместе с исследованиями структуры и эволюции дисков вокруг звезд различных классов, формирования у них систем экзопланет и самих экзопланет позволят нам ставить и решать все более сложные задачи. Эти исследования позволят наложить более строгие ограничения на развиваемые модели, обосновать и реконструировать сценарии формирования планетных систем. Ближайшие десятилетия обещают более тесный синергизм астрофизики и планетологии. Это, в свою очередь, даст новый подход к решению проблемы происхождения жизни на планетах в пределах околозвездных зон обитания и обогатит астробиологию, объединив эти разделы астрономии в единую концепцию, охватывающую всю Вселенную. Несомненно, самым интригующим являются вопросы о том, как мы пришли в этот мир и о нашем месте в этом мире. Их мы коснемся в следующих главах.
Г л а в а 9.
АСТРОБИОЛОГИЯ:
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Исторический экскурс Проблема происхождения жизни на Земле и возможности ее обнаружения в Солнечной системе и других областях Вселенной остается пока нерешенной. Исторически эта проблема приковывала к себе огромное внимание, начиная с древних времен и в эпоху Возрождения. О возможности существования жизни в других мирах с энтузиазмом говорили древнегреческие философы, такие как Эпикур, эту идею горячо защищал Джордано Бруно, хотя более сдержанно относился к ней Галилео Галилей. Воззрения этих выдающихся мыслителей приведены на рис. 9.1. Сама проблема происхождения и распространения жизни по существу связана с формированием планеты и ее оболочек — коры, гидросферы, атмосферы. На Земле первоначальные процессы эволюции привели к формированию еще одной оболочки — биосферы. Поэтому, размышляя об истоках происхождения жизни, мы говорим о комбинации космических, геолого-геохимических и биогенных процессов. Нам неизвестно, однако, насколько универсален такой подход и не следует ли прибегать к иным более абстрактным концепциям с учетом громадного количества небесных тел, многообразия и особенностей происходящих на них процессов. В любом случае, пока не существует признаков существования внеземной жизни, задача ее отыскания, требующая интеллектуальных усилий и тонких экспериментальных методов, остается одной из самых актуальных проблем современной науки. Химическая эволюция. Жизнь требует наличия жидкой воды, потребления природных веществ (биогенных элементов) и доступных источников свободной энергии. Фундаментальными свойствами жизни, которые отличают живую материю от неживой, являются потребление энергии и природных веществ, репликация (воспроизводство), выделение отходов, активный биоминеральный обмен и эволюция (рис. 9.2). Жизнь основана на тех же химических элементах, которые существуют в неживой природе, но с несравненно более высокой структурной организацией и упорядоченностью. Основной вопрос, связанный с возникновением жизни, — переход от пребиотической химии к процессам метаболизма, репликации и передачи генетической информации, поскольку жизнь в современном понимании рассматривается как функциональная система, способная к обработке и передаче информации на молекулярном уровне.
Рис. 9.1. Выдающиеся мыслители о возможности внеземной жизни: Эпикур, Д. Бруно, Г. Галилей
404 Гл. 9. Астробиология: основные понятия
Исторический экскурс
405
Рис. 9.2. Схематическое представление фундаментальных свойств живых систем. (С разрешения Международного космического университета (ISU))
На Земле, в соответствии с фундаментальными принципами термодинамики, биогеохимические функции лежат в основе основных циклических процессов энерго- и массообмена, и они считаются ответственными за происхождение, поддержание и распространение жизни, Мы не знаем, однако, что вызвало возможность абиогенеза 1) — «самозарождения» жизни на нашей планете в раннюю геологическую эпоху, как специальную форму существования материи, приобретенную на некоторой стадии ее эволюции. Очевидно, на самой ранней стадии биосферы происходил абиогенный синтез органических соединений и матричный синтез макромолекул, сопровождаемый формированием свойств метаболизма, механизма репликации, и, в конечном счете, развитием прокариотов. Мы не можем при этом ни отвергать, ни ограничивать роль возможного внешнего (космогенного) источника происхождения жизни — панспермии. Эта гипотеза впервые была выдвинута в конце XIX в. известным шведским ученым Сванте Аррениусом. Развивая ее с учетом обсуждавшейся в предыдущих главах важной роли миграции малых тел и пыли в переносе вещества в Солнечной системе и за ее пределами, можно предположить, что живые микроорганизмы или их предшественники, попав на планету и найдя на ней благоприятную среду, могли способствовать развитию абиогенеза или даже послужить источником первичной жизни. При изучении проблемы происхождения жизни следует, по нашему мнению, исходить из геохимического подхода, выдвинутого выдающимся российским ученым Владимиром Ивановичем Вернадским в первой половине прошлого столетия. Он полагал, что добиогенная 1) Под абиогенезом понимают образование органических соединений в результате геологической и химической эволюции в неживой природе (вне живого организма без участия ферментов), т. е. возникновение живого из неживого. Абиогенез является альтернативой креационизму в теологии.
406
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
стадия эволюции неживого (косного по его определению) вещества на Земле произошла очень быстро и, что уже в самую раннюю геологическую эпоху, в архее, могли появиться миллионы открытых систем на основе упомянутых разнообразных макромолекул — предшественников высокомолекулярных протеинов и нуклеотидов. Эти системы, как правило, были способны оставаться в течение некоторого времени в состоянии динамического равновесия с окружающей их средой и не изменяться, как видно из характера и парагенезиса минералов. Высокая степень внутренней организации некоторых из этих систем привела к появлению устойчивых метаболических процессов и примитивной репликации, которые послужили основой возникновения биосферы, охватывающей нижнюю атмосферу, гидросферу и верхнюю часть литосферы. По определению биосфера (от греч. bios — жизнь и sphaira — шар) — оболочка Земли, населенная живыми организмами. Само понятие принадлежит французскому естествоиспытателю Ж. Б. Ламарку (XVIII в.), а определение биосферы было дано австрийским геологом Э.-Ф. Зюссом в 1875 г. Биосфера возникла в результате сложнейшего механизма геологического и биологического развития и взаимодействия косного и биогенного вещества. Основа стабильности биосферы — биологическое разнообразие всего живого на Земле — от генов до экосистем. Биосфера возникла как система отношений микроорганизмов задолго до появления растений, животных и человека и существует практически в неизменном виде в настоящее время. Формирование биосферы, в свою очередь, запустило процесс эволюции живых организмов и возникновения «морфологически различных наследственных линий». Очевидно, физико-химическое состояние биосферы менялось в очень тесной связи с эволюцией живых форм от бактерий и первых многоклеточных организмов в докембрии и скелетных организмов в кембрии, послуживших основой постепенного появления со временем всего разнообразия растений, рептилий, млекопитающих животных, а, в конечном итоге, — и человека. Химические процессы, в которые вовлекается огромное разнообразие образующихся изомеров, лежат в основе мира макромолекул, начиная с разделения их структурных вариантов в процессе пребиотической эволюции, чтобы в дальнейшем осуществлять свою роль в качестве полимерных катализаторов и носителей информации. Вероятно, биогенез должен был начать развиваться немедленно, хотя последующий эволюционный процесс был продолжительным. Важную роль на этом начальном этапе сыграла серпентинизация, с которой связано гидротермальное преобразование примитивного вещества Земли с участием протокоры, гидросферы и атмосферы. Ее иногда рассматривают как промежуточный процесс между живой и неживой природой. Возможно, самые примитивные организмы, эобионты, как называл их Вернадский, появились на Земле приблизительно 4 млрд лет назад, В то же время возникновение фотосинтеза в прокариотических протобионтах (первых
Исторический экскурс
407
живых организмах в абиогенной среде) произошло несколько позже, примерно 3,5 млрд лет назад 1). Логично, таким образом, предположить, что именно тогда начали складываться особенности биосферы Земли, и в эволюционных процессах в последующие миллиарды лет решающую роль играли биогенные циклы атомов. Резкий скачок произошел только на 0,5 млрд лет позже, с появлением эукариот — микроорганизмов, морфологически идентичных прокариотам, но функционально превосходящих их благодаря способности осуществлять межклеточный биоминеральный обмен. Это привело к появлению внутреннего скелета и связанных с ним функций, что, в свою очередь, положило начало формированию постепенно усложняющихся организмов. Суть этого процесса состоит в том, что, в отличие от прокариот, которые использовали биоминеральные циклы вне клетки (что делало их уязвимыми к условиям окружающей среды), метаболические процессы внутри клеток у эукариот и последующее образование внешних покровов сделали организмы в гораздо большей мере независимыми от окружающей среды. В результате изменились циклические процессы с участием таких ключевых элементов, необходимых для жизни, как азот, кальций, кремний и др. Изложенная концепция дает возможность лучше понять особенности появления живых организмов и то, как они воздействуют на окружающую среду, а также позволяет сформулировать условия, необходимые для возникновения и поддержания жизни. Это, в свою очередь, налагает ограничения на наши концептуальные модели происхождения жизни, основой которых служат абиогенез или же панспермия, с которой мы связываем занос жизни из космоса в виде одноклеточных организмов, как предшественников более сложных жизненных форм. В любом случае, с появлением биосферы должны были появиться разнообразные особые биогеохимические функции и измениться структура и свойства пространства, занятого жизнью, а сама биосфера неизбежно должна была включиться в тесное взаимодействие с другими геосферами. Возникшие живые организмы входят в единую систему, непосредственно связанную с окружающей средой, а сами они функционально образуют единый многокомпонентный комплекс, включающий многочисленные морфологически разнообразные формы и сложные механизмы их взаимодействия друг с другом (сообщества). Эти формы иллюстрируют комплексный характер жизни и фундаментальные 1)
Осадочные структуры, индуцированные микробиологическими процессами (MISS — Microbially induced sedimentary structures), были найдены во многих современных породах. Некоторые из самых старых хорошо сохранившихся осадочных пород в шельфах, лагунах, речных берегах и озерах расширяют геологическую летопись до раннего архейского периода. Это означает, что сложные микробиологические сообщества, формирующие такие структуры (маты), вероятно, существовали почти 3,5 млрд лет назад, но есть и другие оценки (см. ниже).
408
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
различия между живой и неживой материей. Они служат также отражением непрерывной эволюции вещества во Вселенной, непосредственно связанной с необратимой термодинамикой и известной «стрелой времени» нобелевского лауреата Ильи Пригожина.
Предпосылки и ограничения Астробиология, как раздел современной науки, возникла из стремления найти взаимосвязь между астрономией и биологией, другими словами, между феноменом жизни и нашим космическим окружением. Ее главная цель — понять, как возникла жизнь на нашей планете, и обнаружить признаки жизни в Солнечной системе и за ее пределами на той или иной биологической основе. Космические факторы. Важный раздел происхождения жизни — изучение химической эволюции материи в космическом пространстве, составляющее предмет астрохимии, — области науки, нацеленной, в частности, на поиски пределов природных условий, необходимых для возникновения и существования жизни, а также отыскание зон обитаемости в масштабах Вселенной. К зонам обитаемости относится положение звезды в галактике, ее металличность (содержания тяжелых элементов, способствующих появлению жизни) и безопасность околозвездной зоны, иногда называемой «экосферой». Заметим, что только 5 % всех звезд Млечного Пути располагаются на расстоянии приблизительно 7–9 кпк от галактического центра в круговой (так называемой коратационной) зоне, в которой период обращения звезды вокруг ядра Галактики совпадает с периодом обращения спиральных рукавов — мест активного звездообразования (рис. 9.3 б). Такая область благоприятна для возникновения жизни, и как раз в ней находится Солнечная система. В отличие от более далеких областей, эта зона населена звездами более высокой металличности, более перспективных, как ранее отмечалось, для зарождения жизни в их планетных системах. Она также достаточно удалена от центра Галактики, чтобы избежать воздействия жесткой радиации, фатальной для появления и устойчивого развития жизни, но, вместе с тем, здесь чаще происходят взрывы сверхновых, стимулирующие фрагментацию молекулярных облаков. Открытие газопылевых протопланетных дисков и экзопланет значительно повысило шансы обнаружения признаков жизни в космосе. Поскольку средний возраст звезд в наиболее благоприятной галактической зоне составляет 4–8 млрд лет и многие из них намного старше Солнца, у них могли возникнуть планетные системы, на некоторых из которых уровень организации материи, как основа возможного возникновения жизни, далеко опередил в ходе эволюции процессы, произошедшие на Земле. Более реальным на сегодняшний день является, однако, изучение физико-химических свойств таких систем, перспективных с биологической точки зрения, при этом главное внимание, естественно, сосредоточено на экзопланетах, находящихся в умеренных
409
Предпосылки и ограничения
Рис. 9.3. а — зона обитания в Солнечной системе. Эта зона располагается в ближайших окрестностях Земли (источник: Википедия); б — потенциальные зоны обитания в Галактике. Показана доля звезд, вокруг которых могут обращаться потенциально обитаемые планеты, от общего числа звезд в Галактике, и расстояния от ее центра. В Галактике находится 1011 звезд, Солнце расположено на расстоянии 8 кпк от центра. (С любезного разрешения NASA JPL/M. G. Gowanlock et al.)
410
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
климатических зонах в окрестности родительской звезды. Но представляют несомненный интерес и сами протопланетные диски. Например, в окрестности новорожденной звезды в созвездии Возничего, находящейся в 455 св. г. от Земли, радиотелескопом ALMA обнаружено множество азотистых органических молекул, в том числе метилцианида — соединения метана и циановой кислоты. Подобные молекулы содержатся в кометах и входят в состав аминокислот. Органический синтез происходит в межзвездной галактической среде, и этот процесс занимает, по оценкам, не более нескольких тысяч лет. Он особенно эффективен в межзвездных молекулярных облаках, состоящих из газа и пыли (см. гл. 6), где ему способствуют турбулентность и испарение частиц. Можно полагать, что органический синтез начался в раннюю эпоху эволюции Вселенной. В молекулярных облаках было найдено свыше 100 типов молекул в газовой фазе по характерным признакам вращательно-колебательных переходов. Среди них отождествлено свыше 60 довольно сложных органических соединений (см. табл. 9.1), в том числе большое количество углеводородов — строительных блоков ненасыщенных полициклических ароматических углеводородов (PAH — Рolycyclic Аromatic Hydrocarbons), простейшим из которых является бензол. Известно, что органические вещества, главным образом, в форме PAH, содержатся в существенных количествах ( 34–38 вес. %) в пылевой компоненте межзвездных молекулярных облаков. При этом сами частицы пыли играют важную роль в синтезе сложных молекулярных соединений, таких как метанол, этанол, формальдегид, муравьиная кислота и ряд других, в процессах гетерогенной химии 1). Очевидно, они входят в состав околозвездных дисков, а многие из этих соединений, не претерпев серьезных изменений, — в состав ядер комет, где их масса может достигать нескольких процентов от массы пыли, и такие образования можно считать «космическими роддомами» сложных молекулярных комплексов. В качестве примера на рис. 9.4 показан органический синтез в молекулярных облаках, основой которого служит радикал СH3 , который приводит к образованию ряда сложных соединений. С этой точки зрения исключительный интерес представляет вопрос о наличии и природе воды в различных планетных системах. Если ее источником служит лед межзвездного пространства вместе с находящимися там предбиологическими органическими молекулами, то вода должна быть одинаковой во всех протопланетных дисках вокруг формирующихся звезд и различной, если она образуется в локальных химических процессах, сопутствующих зарождению звезды. Ответ на этот вопрос может дать изучение отношения дейтерия к водороду 1) Молекулярный водород образуется более эффективно в гетерогенных,а не в газофазных реакциях, что, вероятно, играло особо важную роль в ранней Вселенной.
C3 C2 H C2 O C2 S CH2 HCN HCO HCO HCS HOC H2 O H2 S HNC HNO MgCN MgNC N2 H N2 O NaCN OCS SO2 c-SiC2 CO2 NH2 H3 SiCN FeCN KCN H2 Cl H2 O AlOH HO2
3
4 c-C3 H l-C3 H C3 N C3 O C3 S C2 H2 HCCN HCNH HNCO HNCS HOCO H2 CO H2 CN H2 CS H3 O NH3 SiC3 H2 O2 HSCN PH3 l-C3 H NCCP MgCCH
5 C5 C4 H C4 Si l-C3 H2 c-C3 H2 CH2 CN CH4 HC3 N HC2 NC HCOOH H2 CHN H2 C2 O H2 NCN HNC3 SiH4 H2 COH CH3 O HNCNH
Число атомов 7 C6 H CH2 CHCN CH3 C2 H HC5 N HCOCH3 NH2 CH3 c-C2 H4 O CH2 CHOH C7 -(?)
в молекулярном соединении 8 9 CH3 C3 N CH3 C4 H HCOOCH3 CH3 CH2 CN CH3 COOH (CH3 )2 O C7 H H2 C6 CH3 CH2 OH CH2 OHCHO HC7 N C8 H NH2 CH2 CN CH3 CHNH 10 CH3 C5 N? (CH3 )2 CO NH2 CH2 COOH? HOCH2 CH2 OH
11 HC9 N C2 H5 OCHO
12 CH3 OC2 H5 C3 H7 CN
13 HC11 N
Т а б л и ц а 9.1
Примечание: Буквой «с» обозначены циклические молекулы, «l» — линейные, «е» — транс-изомер.
6 C5 H C5 O C2 H4 CH3 CN CH3 NC CH3 OH CH3 SH HC3 NH HC2 CHO HCONH2 l-H2 C4 C5 N C5 N е-HNCHCN C5 S SiH3 CN
Согласно Д. Вибе и http://astrochymist.org/.
2 AlF AlCl C2 CH CH CN CO CO CP CS SiС HCl H2 KCl NH NO NS NaCl OH PN SO SO SiN SiO SiS HF SH SH O2 HCl OH CN AlO HCl NO
Отождествленные молекулы в межзвездной и околозвездной среде
Предпосылки и ограничения 411
412
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
Рис. 9.4. Пример органического синтеза в молекулярных облаках на основе радикала СH 3 с образованием более сложных органических соединений
в молекулах воды, что и было сделано группой американских ученых, исследовавших историю льда в Солнечной системе с учетом влияния изотопа дейтерия на ход некоторых химических реакций, отражающих условия образования молекул воды. Из наблюдений известно, что для водного льда межзвездной среды отношение D/H высокое из-за низкотемпературных условий его формирования. Моделирование показало, что если бы такой лед в ранней Солнечной системе изначально отсутствовал, то образование обогащенного дейтерием льда в химических реакциях заново было бы вряд ли возможно. Отсюда следует, что, во-первых, обогащенная дейтерием вода в кометах и астероидах, вероятно, вошла в их состав со времени формирования Солнечной системы, и, во-вторых, что такой водяной лед вместе с разнообразной органикой присущ всем молодым планетным системам. Органические соединения найдены в веществе метеоритов и межпланетной пыли, генетически связанных с астероидами и кометами, а возможно и с процессами органического синтеза в галактической среде, о чем говорилось выше. В первую очередь это относится к веществу углистых хондритов, особенно к наиболее примитивным метеоритам класса CI, включающими смешанные ароматические и алифатические (цепные углеводородные) структуры, где содержание органики достигает 3,5 вес. %. Максимальная температура, при которой эти органические соединения остаются устойчивыми, по оценке, составляет 450–600 K. Этот диапазон может быть принят как верхний температурный предел на радиальных расстояниях 3,5 а. е. наиболее вероятной области формирования родительских тел хондритов CI. При еще более низких температурах, как, например, на поверхности Титана, существуют сложные углеводороды, среди которых заслуживает особого внимания циан (мономер CN) и цианистый водород HCN, считающиеся предшественниками сложных биологических молекул. Все это говорит в пользу предположения, что Солнечная система и, вероятно, ранняя Земля, были обогащены межзвездным органическим веществом.
Предпосылки и ограничения
413
Ключом к обнаружению внеземных источников органических соединений являются углистые хондриты. Они содержат химически связанную воду в гидроксильной (ОH) форме, и их родительские тела (гидросиликаты), вероятно, образовались в водной окружающей среде. Около 70 аминокислот было обнаружено в метеоритах Мурчисон и Мюррей. Кроме того, сообщалось, что в углистых метеоритах класса CI1 (эталон Ивуне — Ivuna, Alais, Orgueil) и CM2 (эталон Мигеи — Mighei, Murchinson) были найдены важные для жизни сложные биомолекулы, такие как аминокислоты хиральных белков, длинные цепочки углеводородов и хиральных протеинов — керогенов 1), и даже окаменевшие примитивные микроорганизмы в виде микроокаменелостей (microfossils). Они были отождествлены с остатками самых примитивных одноклеточных прокариотов (вирусов, цианобактерий) и более сложных многоклеточных эукариотов. Конечно, требуются более полные исследования, чтобы, прежде всего, исключить возможность биологического загрязнения метеоритов 2). Вероятно, меньшей контаминации подвергся метеорит, найденный совсем недавно на ледяной поверхности озера Тагиш (Tagish Lake) в Канаде, упавший всего 16 лет назад. Как оказалось, он состоит главным образом из углерода, а содержание в нем аминокислот в сто раз превышает концентрации, обнаруживаемые в других метеоритах. Его происхождение связывают с поясом Койпера, тела в котором особенно богаты летучими и, вероятно, по своему генезису родственны областям формирования планет-гигантов. Все эти данные расширяют представления о возможном внеземном происхождении предшественников биомолекул. Еще более подходящими «колыбелями» и переносчиками зачатков жизни считаются кометы — вероятные фрагменты древних льдистокаменных тел за пределами снеговой линии, обогащенные водой и углеродом и испытавшие сложную тепловую эволюцию. Действительно, отношение между содержаниями углерода в кометах и в углистых 1)
Хиральные белки (хиральные изомеры) — молекулы, имеющие две зеркально симметричные формы (подробнее см. ниже). Практически все белки нашего организма состоят только из левых аминокислот. Керогены — это полимерные органические вещества, содержащиеся в некоторых породах, таких как нефтеносные сланцы. С керогенами связана судьба неорганического углерода, отложения которого в известняках и доломитах вследствие химического выветривания накапливаются в виде конечного продукта в глинах, и именно в глинах происходит захоронение керогенов. 2) Чтобы опровергнуть аргументы о загрязнении, авторы утверждают, что в углистых хондритах было найдено только три из пяти нуклеотидов, необходимых для жизни, и только восемь из 20 протеиновых аминокислот, обычно присутствующих в живой клетке. Поэтому маловероятно, что только часть этих молекул, относящихся к земным организмам, могла проникнуть в метеоритное вещество и, таким образом, их внеземное происхождение кажется более правдоподобным.
414
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
хондритах составляет 10 1, хотя летучие в органическом веществе метеоритов могли быть потеряны на более поздних стадиях при столкновениях астероидов. Как отмечалось в гл. 4, простейшая протеиногенная (аминоуксусная или аминоэтановая) аминокислота глицин была обнаружена в образцах пыли кометы 81P/Вильда (Wild 2) и в коме кометы 67P/Чурюмова–Герасименко. На ее внеземное происхождение указывает большее содержание изотопа C13 , чем в земном глицине, а также тот факт, что в комете 67P были обнаружены предшественники глицина — органические молекулы метиламина и этиламина. Важно подчеркнуть, что глицин (единственная аминокислота, которая может образовываться в отсутствие жидкой воды) является компонентом многих белков и биологически активных соединений. Из него в живых клетках синтезируются такие органические природные соединения, как пуриновые основания, к которым относятся аденин, гуанин, входящие в состав нуклеиновых кислот. Наряду с обнаруженными органическими молекулами, азотом и особенно фосфором, служащим одной из ключевых основ молекул РНК и ДНК, а также клеточных мембран, эти данные подкрепляют идею о важной роли комет и астероидов, а также пыли в переносе предбиологического вещества в межзвездной среде и их возможном вкладе в процессы биологического синтеза. Как видим, при обсуждении проблемы биохимической эволюции материи и ее связи с космическими факторами мы вплотную соприкасаемся с проблемой выбора между альтернативными моделями происхождения жизни: либо непосредственно на планете, либо за счет внешнего космогенного источника. Заметим, что концепция переноса «семян жизни» между звездами является привлекательной, но вероятность такого механизма низка из-за высоких относительных скоростей звезд и низкой звездной плотности. Более обещающей кажется идея межзвездного переноса в пределах звездных скоплений, где рождается большинство звезд с планетными системами, а их относительные скорости меньше. Что касается Солнечной системы, то важная роль миграции комет, астероидов и межпланетной/межзвездной пыли в переносе вещества несомненна, и эти малые тела могли служить «курьерами» добиотической или даже биотической материи с периферии Солнечной системы и из более удаленных областей. Наряду с биоорганикой, для зарождения жизни, прежде всего, необходима вода и, как мы обсуждали в гл. 4, за счет эндогенного источника Земля могла получить количество воды, сопоставимое с объемом земных океанов. Существенную долю этого вклада могли составить молекулы органических веществ. Помимо этого, в гранулах пылевых частиц могут формироваться крошечные пузырьки, заполненные водой, благодаря реакции водородных ионов солнечного ветра с атомами кислорода. С большой вероятностью такой механизм образования воды существует в других планетных системах и имеет важные потенциальные следствия для зарождения жизни и ее распространения по всему космическому пространству.
Предпосылки и ограничения
415
Действительно, было обнаружено, что гранулы пыли в Солнечной системе содержат крошечные полости воды, которые образуются при их соударении с заряженными частицами от Солнца. Это явление было воспроизведено в лабораториях, хотя не было подтверждено результатами анализа частиц «звездной пыли», собранных в упомянутом выше эксперименте Stardust. Тем не менее, обнаружение органических соединений, так же как и воды в пылевых гранулах, дает основание предполагать, что пыль содержит основные ингредиенты, необходимые для жизни. Отметим, что пылевые частицы рассматриваются как важные носители «семян жизни» еще и потому, что они значительно меньше нагреваются при входе в атмосферу планеты, особенно под малыми углами атаки. Можно допустить, что пыль имеет примерно одинаковые свойства во всех планетных системах во Вселенной, что дополнительно подкрепляет тезис о том, что жизнь в ее примитивных формах может быть достаточно широко распространена в космосе. Происхождение части органического материала, вероятно, обусловлено химическими процессами, происходящими в космической среде. Начиная с середины XX в. были предприняты многочисленные попытки воспроизвести условия, которые можно ожидать в протосолнечной туманности или в первичной атмосфере Земли. Впервые такой лабораторный эксперимент провел в середине прошлого столетия вместе со своим аспирантом Стэнли Миллером (Stanley Miller) выдающийся американский физик и космохимик Гарольд Юри (Harold Clayton Urey). Они заключили смесь из аммиака, метана и водорода, предположительно образовывавшую раннюю земную атмосферу, в стеклянный сосуд и вместе с водой подвергли ее воздействию ультрафиолетового излучения и электрических разрядов. Было показано, что в такой смеси могут образовываться сложные органические соединения, вплоть до аминокислот. В последующие годы проводились многочисленные лабораторные эксперименты с широким варьированием исходных составляющих, которые подтвердили результаты Миллера–Юри. Разнообразная смесь органических веществ получалась также в химических процессах при воздействии высокоэнергичного ультрафиолетового излучения на простые льды, подобные обнаруженным в космосе. Эти смеси содержат молекулы биологической природы, включая аминокислоты, основания нуклеотидов и амфифилы 1), служащие строительными блоками протеинов (белков), РНК, ДНК и клеточных мембран. 1)
Азотистые основания нуклеотидов РНК и ДНК – это пурины (аденин и гуанин) и пиримидины (урацил, цитозин и тимин) (см. ниже). Амфифилы — поверхностно-активные вещества, обладающие одновременно лиофильными и лиофобными свойствами. Лиофильность и лиофобность — качественные характеристики межмолекулярного взаимодействия вещества и среды, в которой оно находится. Амфифильные вещества в растворе способны к образованию различных надмолекулярных структур, и они широко используются для синтеза наночастиц различной природы, а также пленок и мембран.
416
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
Сравнительно недавно в специальном реакторе, имитирующем космическую среду, при температуре 200 ÆC из смеси льдов воды, аммиака, метанола, метана и прочих примитивных неорганических соединений в газообразном и замороженном состоянии удалось получить, наряду с простейшей органикой, ряд сахаров, в том числе глицерозу и гликольдегид, которые играют ключевую роль в синтезе РНК. Наряду с другими сложными соединениями, они могли образовываться во время формирования Солнечной системы и внести вклад в зарождение жизни на Земли. Несомненный интерес представляет компьютерное моделирование эволюции вещества в раннем газопылевом диске, особенно в связи с проводимыми лабораторными экспериментами. Было показано, что воспроизводство ряда сложных органических соединений, включая многие важные для возникновения жизни на Земле, действительно возможно в турбулентной дисковой среде, предшествовавшей образованию Солнечной системы и планетных систем у других звезд. В частности, было показано, что, хотя частицы пыли в протопланетной туманности ведут себя различно, в совокупности они находятся в условиях, необходимых для синтеза органики в течение моделируемого периода в миллионы лет. Богатая смесь органических веществ, в том числе представляющих биологический интерес, была воспроизведена при иррадиации льдов при умеренной температуре. К образованию аминокислот, оснований нуклеотидов и амфифилов приводит также динамика частиц в турбулентной среде. И тем не менее, остается неясным, были ли эти процессы достаточными, чтобы инициировать начальную биологическую стадию на планетной поверхности и какую роль в ней могли играть эти соединения. Окружающая среда и адаптация. При обсуждении проблемы происхождения и поиска внеземной жизни отправной точкой отсчета, естественно, являются геохимические условия и биологический механизм жизни на Земле. Первостепенное значение имеют природные условия на планете, необходимые для протекания процессов добиотической эволюции и зарождения жизни. В частности, при раздельном существовании атмосферы и гидросферы требуется восстановительная среда, а также достижимость и подвижность фосфатов, что, в целом, не противоречит современным идеями о природных условиях на Земле в период появления первых примитивных форм жизни. Ее следы прослеживаются в различных геологических структурах, начиная с раннего архея ( 3,5 млрд лет назад), особенно в отложениях осадочных пород, на формирование которых оказывали влияние сами сообщества микробов (микробиальные маты). Конечно, ближайшая и, вероятно, наиболее достижимая цель — найти следы жизни или предпосылки для ее зарождения в пределах Солнечной системы, по крайней мере, на одной из планет или на их спутниках. Среди возможных ограничений на первый план обычно выдвигается положение планеты относительно Солнца, определяющее
Предпосылки и ограничения
417
существующие на ней климатические условия. Это ограничение, естественно, относится и к экзопланетам и зависит, в свою очередь, от процессов динамической эволюции протопланетного тела в протопланетном диске. Жизнь уязвима также к падениям крупных астероидов и комет. Положение Земли в Солнечной системе полностью соответствует ограничениям по природным условиям, необходимым для зарождения жизни, по крайней мере, для ее известной формы, основанной на углероде и жидкой воде. Это и есть зона потенциального обитания живых существ (или просто зона обитания) в Солнечной системе, по существу находящаяся в окрестности Земли (см. рис. 9.3 а). Распространяя это понятие на системы экзопланет (см. гл. 7), мы говорим об аналогичных пределах, внутри которых на планете теоретически может поддерживаться климат, благоприятный для возникновения, по крайней мере, простейших форм жизни. В Солнечной системе зона обитания располагается недалеко от орбиты Земли в обоих направлениях. Далеко вне ее оказывается орбита Венеры и на самом краю находится орбита Марса. Критическим обстоятельством является возможность существования на поверхности жидкой воды, а также наличие углерода и других летучих веществ, поступление которых на планету, подобную Земле, могло обеспечиваться на ранней стадии эволюции за счет миграции на основе механизма гетерогенной аккреции (см. гл. 2 и 4). Вместе с тем, примитивная жизнь могла бы возникнуть и вне зоны обитания, если благоприятные условия создаются под поверхностью планеты или спутника. Такие условия можно ожидать в предполагаемых теплых водных океанах на галилеевых спутниках Юпитера (кроме Ио) и на спутниках Сатурна — Энцеладе и Титане. Это своего рода глубинная биосфера, которая есть на Земле (рис. 9.5) и, возможно, на Марсе, основанная на обменных энергетических и продукционных процессах, отличных от фотосинтеза. Глубинная биосфера Земли — это подземная высокотемпературная экосистема, существующая на основе активных микробиологических процессов. Населяющие ее многоклеточные эукариоты приспособились к экстремальным условиям на глубине более 2 км — анаэробной среде, высоким температурам ( 100 ÆC) и давлениям (несколько сот атмосфер). Бактериальная жизнь в этих условиях неожиданно оказалась весьма богатой и разнообразной: ее составляют гетеротрофные и автотрофные бактерии, в основном, метаногены, археи и эубактерии 1). Эти бактерии — хемолитоавтотрофы — получают энергию за счет окисления неорганических веществ (хемосинтеза). Общая биомасса глубинных бактерий составляет 2 3 всей земной биомассы. Вероятно, эти микробные сообщества образовались из поверхностных микроорганизмов в результате медленной эволюции, и их геном может быть сопоставим 1) Эубактерии часто называют просто бактериями, а архебактерии именуют археями.
418
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
Рис. 9.5. Гидротермальные поля под центральной Атлантикой. Эти известковые колонны достигают высоты 60 м и выделяют флюиды с температурой 90 ÆC. Аналогичная водная среда может быть на Энцеладе. (С любезного разрешения Габриэля Тоби, университет Нанта, Франция
с геномом гидротермальных микробов. Более того, в скважинах Южной Каролины (США) на глубине 200 м найдены водоросли, грибы, амебы и жгутиковые. А в пробах из глубоких скважин в рудниках Южной Африки ( 2 км) обнаружены даже представители нематод — первичнополостных червей, питающихся бактериальными нарастаниями и обладающих широчайшим спектром адаптаций. Известно, что нематоды отличаются громадным разнообразием, они обитают в самых разнообразных условиях, в том числе в почве, на дне морей, рек, озер, а также в растениях и организмах животных, включая человека (аскариды). Число только описанных видов достигает десятков тысяч, на самом деле их гораздо больше, и считают, что по видовому разнообразию среди животных они занимают второе место после насекомых. Примеры паразитических и свободноживущих нематод показаны на рис. 9.6 а, б. Нематоды, найденные в глубоких слоях осадочных пород в рудниках Южной Африки, приспособились к жизни в анаэробных условиях с высоким содержанием сульфидов при температуре свыше 40 ÆC и при высоких давлениях. Представители этих многоклеточных животных — обитателей глубинной биосферы — показаны на рис. 9.6 в. Они соседствуют с разными морфотипами бактерий: филаментами, палочками и кокками (рис. 9.6 г). Ключевым является вопрос о том, существуют ли где-нибудь во Вселенной формы жизни, обладающие адаптациями подобного рода или даже возникшими на другой химической основе и других принципах. Хотя ответ на него нам пока неизвестен, можно, тем не менее, утверждать, что углерод, составляющий основу органических соединений и способный образовывать разветвленные полимерные цепи, и вода являются самой подходящей комбинацией для процессов биосинтеза. Процесс создания очень сложных органических соединений в космосе
419
Предпосылки и ограничения
Рис. 9.6. а, б — примеры паразитических и свободноживущих нематод — первичнополостных червей, обладающих громадным разнообразием и широчайшим спектром адаптаций; в — пример обитателей глубинной биосферы: один из четырех видов нематод — многоклеточных животных, найденных в глубоких слоях осадочных пород в рудниках Южной Африки на глубине 2 км; г — разные морфотипы бактерий (филаменты, палочки, кокки), соседствующие с найденными нематодами в рудниках Южной Африки. (Согласно комментарию РСН «Элементы большой науки» к статье G. Borgonie et al. Nature. 2011. V. 474. P. 79–82)
и их перенос на любую планету можно, вероятно, рассматривать, как некую универсальную возможность. Жизнь, как известно, может существовать лишь в очень ограниченном диапазоне природных условий. Это означает, что с самого начала есть довольно строгие ограничения на механические, термодинамические и космохимические свойства небесного тела, на котором могла бы возникнуть жизнь. Планета, подходящая для обитания, должна отвечать нескольким четким критериям. Во-первых, это оптимальный размер и масса, поскольку большая планета аккумулирует материал до тех пор, пока не становится газовым гигантом, в то время как маленькая планета легко теряет свою атмосферу. Во-вторых, это оптимальное радиальное расстояние от родительской звезды, которое, с одной стороны, должно обеспечивать благоприятные климатические условия, включая температуру и давление на поверхности, допускающие присутствие жидкой воды, а с другой стороны, должно быть не слишком мало, чтобы планета не была захвачена в приливный резонанс,
420
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
неблагоприятный для развития жизни. Наконец, это существование атмосферы с подходящим химическим составом, исключающим агрессивное воздействие на процессы метаболизма (рис. 9.7).
Рис. 9.7. Зона обитания для планет в окрестностях материнской звезды (распределение сферы зоны обитания). Вертикальная ось указывает спектральный класс и массу звезды относительно массы Солнца. Горизонтальная ось дает расстояние в астрономических единицах. Пунктирные линии показывают граничные пределы для существования планет в зависимости от класса звезды и радиального расстояния, точечная линия показывает радиус приливного захвата (tidal lock radius). Теоретически, три планеты нашей Солнечной системы — Земля, Венера и Марс — оказываются в благоприятной зоне — в пределах границ возможного обитания (Согласно J. F. Kasting, D. P. Whitmire и R. T. Reynolds)
Вместе с тем, основываясь на нашем земном опыте, следует иметь в виду и ряд обстоятельств, благоприятных с точки зрения возникновения, поддержания, распространения и обнаружения жизни. Действительно, что касается процессов метаболизма (дыхание, питание, экскреция и т. д.), жизнь имеет не только большое разнообразие, но и большую степень адаптации к чрезвычайно суровым условиям окружающей среды. Живые организмы способны выживать в довольно широком диапазон температур и давлений, в том числе в глубоком вакууме, в сильно кислотной среде (низких значениях pH 2) 1) и при 1) Наряду с ними существуют сообщества алкалофильных организмов, ко10. Это позволиторые развиваются в сильно щелочной среде при рН ло прийти к гипотезе «содового континента», как следствия углекислотного выщелачивания.
Предпосылки и ограничения
421
высоких дозах облучения (рис. 9.8 и 9.9). Напомним, что бактерии внутри камеры, снятой астронавтами «Аполлона» с посадочного аппарата Surveyor выжили в лунных условиях более шести лет. Успешными оказались эксперименты по выживанию кольцевых молекул ДНК (плазмидов) в условиях верхней атмосферы Земли, и многие ученые убеждены в том, что они могли попасть на планету из открытого космоса в раннюю эволюционную эпоху. К этому нужно добавить, что ингредиенты, необходимые для поддержания жизни, широко распространены. Есть даже раздел микробиологии, который изучает микробов, способных адаптироваться к экстремальным условиям окружающей среды. Эти микробы носят название экстремофилов. И, тем не менее, обращаясь к рис. 9.3 и 9.7, мы видим, что жизнь может существовать в весьма узком диапазоне природных условий на поверхности планеты. К сожалению, как обсуждалось в гл. 2, мы пока не можем ответить на вопрос о том, что выделило Землю среди других планет земной группы в Солнечной системе и сделало возможным появление на ней биосферы. В то же время, на Венере такой возможности воспрепятствовал необратимый парниковый эффект, из-за чего температура и давление на ее поверхности достигли, соответственно, 475 ÆC и 92 атм. Что касается Марса, есть основания предполагать, что в раннюю эпоху (неоархейскую эру) на нем существовали климатические условия, благоприятные для возникновения жизни, включая плотную атмосферу, реки и древний водный океан. Катастрофическое изменение климата произошло приблизительно 3,6 млрд лет тому назад, оставив безводную пустынную поверхность и разреженную атмосферу, хотя следы возникшей в ту эпоху примитивной марсианской жизни могли бы сохраниться, в частности, в глубинной биосфере, подобной существующей на Земле или даже более протяженной. Не исключается и возможность существования микробиальной жизни и «карманах» соленой воды, обнаруженной на поверхности Марса. По инициативе NASA в одном из научно-исследовательских центров недавно создана лаборатория по изучению возможности выживания солелюбивых экстремофилов в условиях, приближенных к марсианским. Как уже отмечалось, нельзя исключить возможности существования жизни вне традиционно очерчиваемой ныне зоны ее обитания — в глубинных водах океанов под ледяными поверхностями галилеевых спутников Юпитера — Европы, Ганимеда и Каллисто (см. гл. 3). Не меньший интерес представляют спутники Сатурна Энцелад и Титан, под поверхностью которых также предполагается наличие полостей жидкой воды или водного океана. Струи, фонтанирующие с поверхности очень маленького по размерам Энцелада через разломы в ледяной коре, вероятно, состоят из водно-аммиачной эвтектики. С точки зрения добиотической эволюции органического материала особенно интересен Титан, который по объему в 1000 раз больше Энцелада и обладает плотной азотно-метановой атмосферой. На его поверхности
422
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
Рис. 9.8. Жизнь обладает высокой степенью адаптации к условиям окружающей среды. Микробная жизнь (экстремофилы) найдена: а — вблизи жерл подводных вулканов; б — в глубоких подземных водоносных горизонтах внутри каменистых пород; в — в горячих (120 ÆC) донных океанических источниках; г — в очень кислых (pH 1–2) озерах; д — окаменелости цианобактерий из Палеозоя (650 млн лет назад). Существование этих бактерий подтверждает, что жизнь нуждается только в воде, источнике энергии и космически распространенных элементах. (С любезного разрешения NOAA PMEL)
Некоторые модели происхождения жизни
423
Рис. 9.9. Сообщество криптоэндолитов из антарктических сухих долин. Снимок в видимом и дальнем (224 нм) УФ-диапазонах длин волн (с любезного разрешения Центра поиска жизни, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, JPL/CIT)
находятся озера жидкого метана (возможно, с примесью его производной — этана) и существует круговорот метана между поверхностью и атмосферой. Частицы органического вещества на поверхности и в атмосфере, где они подвержены также процессам фотохимии, могли бы служить примитивной материей для экзотической биохимии без участия кислорода. С другой стороны, в водном океане на глубине 50 км под поверхностью Титана нельзя исключить возможности возникновения более привычных форм жизни. Особое внимание исследователей привлечено в настоящее время к экзопланетам, особенно к планетам, по своим размерам подобным Земле и находящимся в потенциальной зоне обитания (см. гл. 7). Конечно, главной целью является обнаружение признаков жизни, с учетом того, что жизнь существенно воздействует на природную среду, что в принципе, обнаружимо для внешнего наблюдателя.
Некоторые модели происхождения жизни Говоря о происхождении жизни, мы исходим только из единственно известной нам формы, существующей на планете Земля. Основу ее составляет образование цепочек нуклеотидов (нуклеиновых кислот) и аминокислот (пептидов), которые составляют, соответственно, информационную и функциональную основу жизни и экосистем. Нуклеиновые кислоты — рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты являются гетерополимерами — цепочками,
424
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
состоящими из различных мономерных звеньев. Нуклеиновые кислоты образованы четырьмя видами мономеров (нуклеотидов), а белки (протеины) — двадцатью видами мономеров (аминокислот). Нуклеотиды отличаются между собой входящими в их состав азотистыми основаниями. Это: аденин (А), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (Т). Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, а молекула РНК — из одной цепи. Между основаниями различных цепей образуются водородные связи (А–Т, G–C), т. е. основания образуют две комплиментарные пары, что обеспечивает возможность получения реплик — точных комплиментарных копий нуклеотидной цепи, необходимых для синтеза белка (рис. 9.10)
Рис. 9.10. Основы молекулярной биологии: биополимеры — нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки, как основа живых организмов
Первичное упорядочение создает небольшие полимеры — цепочки нуклеотидов и цепочки аминокислот — пептидов. Как известно, белки — это структурная и функциональная основа жизни (они участвуют в построении клеток и обеспечивают протекание биохимических реакций), а ДНК и РНК — ее информационная основа (они управляют свойствами белков, т. е. последовательностью образующих их аминокислот). Свойства белка определяются нуклеотидной последовательностью кодирующего его гена в соответствие с правилами — генетическим кодом. Процедуру синтеза белка по задающему его гену называют
Некоторые модели происхождения жизни
425
экспрессией гена. Одну аминокислоту задает нуклеотидный триплет (кодон), т. е. три последовательно идущих нуклеотида. Всего существует 43 64 различных кодонов, из которых 61 — смысловых (кодирующих) и 3 — терминирующих (стоп-кодонов). Каждому смысловому кодону соответствует одна определенная аминокислота. Из единственной и чрезвычайно длинной молекулы ДНК, содержащей линейную группу множества генов, образуется нуклеопротеидная структура клеточного ядра – хромосома, в которой сосредоточена основная часть наследственной информации, предназначенной для ее хранения, реализации и передачи. Из ДНК построены геномы, содержащие совокупность наследственного материала, заключенного в клетке организма, и всю биологическую информацию, необходимую для его построения и функционирования 1). Различия в последовательностях ДНК в пределах гена отличают одну особь от другой. Заметим, что только около 5 % из двойной спирали ДНК используется для кодирования. Оставшаяся часть содержит информацию в виде последовательности генов, которые могут быть упорядочены. Белки, создаваемые на основе аминокислот и осуществляющие обменные функции, образуют более сложные внутриклеточные структуры — органеллы, участвующие в становлении жизни и образовании биосферы. Имеется ряд различных концептуальных подходов к происхождению жизни, но мы ограничимся здесь наиболее обоснованными, по нашему мнению, гипотезами древнего мира РНК и последовательного упорядочения. Основы этих подходов разработаны, соответственно, российскими учеными А. С. Спириным и Э. М. Галимовым и представлены здесь в авторской трактовке. В каждом из них решающими являются процессы биохимической эволюции. Что касается дарвинизма, то он играет основополагающую роль на стадиях биологической эволюции, но не на ранних стадиях возникновения жизни и развития молекулярных биологических систем. С этой точки зрения молекулярная генетика, биохимия и дарвинизм дополняют друг друга и составляют основу современной эволюционной теории. Древний мир РНК. Концепция древнего мира РНК (рис. 9.11) лежит в основе эволюции первичной биосферы. Она исходит из уникальности молекулы РНК, представляющей собой трехмерный гетерополимер, свойства которого определяются последовательностью оснований (звеньев) РНК вдоль длинной цепи и характером ее намотки. Каждое звено цепи называется нуклеотидом, а каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Действительно, ансамбли молекул РНК выполняют функции ассимиляции, метаболизма и репликации. Важно подчеркнуть, что РНК может 1) Иногда геномом называют совокупность генетического материала гаплоидного (ядерного, клеточного) набора хромосом данного вида. Некоторые вирусы имеют геномы из РНК.
426
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
Рис. 9.11. Хронология событий в ходе эволюции биосферы согласно концепции древнего мира РНК (слева), схематическое описание эволюции жизни с момента ее зарождения (справа). (С любезного согласия: J. F. Atkins и R. F. Gesteland; A. С. Спирин)
содержать генетическую информацию или служить в качестве временной копии генетической информации. Для этой цели используются короткоживущие промежуточные молекулы мРНК (матричные РНК), которые совместно со структурой, называемой рибосомой, участвуют в синтезе клеточного белка и переносят исходную информацию для производства определенного белка и копируют клеточный геном, который служит каталогом генетического материала в живой системе. Этот процесс называется трансляцией. Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, т. е. в ходе синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами. Как видим, РНК обладает способностью выполнять многие из основных функций ДНК, участвуя в процессе рибосомного синтеза белка. Они включают: кодировку (программирование синтеза биополимеров линейной последовательностью полинуклеотидов); репликацию
Некоторые модели происхождения жизни
427
(точное копирование генетического материала); самосвертку линейных полинуклеотидов в уникальные компактные конфигурации (3D-структуры); опознание при взаимодействии с другими макромолекулами и каталитические функции, ускоряющие химические реакции в живых системах. В этот список нужно добавить тот факт, что молекула РНК обладает передаточными свойствами на основе ее разновидности молекулы тРНК, посредством которой она транспортирует другие молекулы, необходимые для ряда биологических реакций и для синтеза белков. Каждая из 20 существующих молекул тРНК может присоединяться только к одной из 20 существующих аминокислот, которые она переносит к определенной рибосоме и затем встраивает в цепь синтезируемого белка в соответствии с информацией о последовательности, содержащейся в промежуточной молекуле мРНК. Особо подчеркнем важную роль каталитических полимерных молекул РНК (рибосом) — подвижных немембранных органоидов живой клетки, которые по существу являются копиями генов. Они участвуют в биосинтезе белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, содержащейся в матричной РНК, и фактически представляют собой самые древние и, наверное, самые важные молекулярные наномашины, синтезирующие белки. У рибосом ничтожные размеры ( 20–30 нм), но эта важнейшая составляющая клетки, несущая информацию о структуре каждого белка, непрерывно осуществляет сложнейшие операции, соединяя аминокислоты и выдавая разнообразные белковые молекулы. Один из основоположников молекулярной биологии А. С. Спирин образно представил рибосому как технологическую машину, способную синтезировать белок путем последовательного складывания составляющих его аминокислот, и, вместе с тем, как транспортную машину конвейерного типа, которая направленно движется вдоль длинной цепочки матричной РНК (мРНК), захватывая по пути молекулы малых РНК (тРНК) с присоединенными к ним аминокислотами. Она втягивает их внутрь, там отщепляет аминокислоту, присоединяя ее к растущей полипептидной цепочке, а «голенькую» тРНК выпускает наружу, чтобы она снова «зарядилась» аминокислотой. Самим молекулам свойственна самосборка рибосомных белков на каркасе рибосомной РНК (рРНК) из хаотично сталкивающихся наночастиц, что обеспечивает удивительную упорядоченность сборки, четкость и безупречность функционирования такой наномашины и, в конечном итоге, всего биологического наномира. Другими молекулами РНК, представляющими собой еще один удивительный механизм наномира, являются рибозимы, обладающие каталитическими или ферментативными свойствами. Они участвуют в синтезе белков, наряду со стандартными катализаторами белка (ферментами, или энзимами). Многие рибозимы естественного происхождения катализируют расщепление самих себя или других молекул РНК и, кроме того, при помощи рРНК рибосом происходит образование
428
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
пептидной связи в белках 1). Они гарантируют выбор определенных межмолекулярных реакций и уменьшают количество потребляемой энергии. Кроме того, рибозимы обеспечивают точную расстановку нуклеотидных связей в цепи при сращивании молекул мРНК (т. е. способны вырезать и вставлять звенья между нуклеотидами в цепи); только после этого процесса эти связи будут правильно считываться рибосомами при протеиновом синтезе. Таким образом, молекулы рибозимной РНК играют очень важную роль в синтезе белка, так как они формируют структурное ядро рибосом, состоящее более чем из 50 различных белков и нескольких молекул рРНК. Рибосома, в некотором смысле, «полагается» на каталитические функции рРНК во время синтеза белка, и, читая информацию, закодированную в мРНК, она «знает», какой белок создает. Однако чрезвычайно сложный механизм, по которому генетическая информация нуклеиновых кислот кодируется в структурных параметрах белков, и как этот механизм сформировался в процессе эволюции, пока еще до конца не понятно. Из всего сказанного следует, что РНК, как рабочий инструмент клеточного продуцирования, действительно могла быть прототипом живых систем. Можно считать РНК, способной к саморепликации, основной работающей частью клеточного механизма. Однако появление мира РНК и его эволюция до возникновения первых высокоорганизованных организмов — бактерий — в течение чрезвычайно короткого периода времени (примерно первого полмиллиарда лет в истории Земли) кажется маловероятным, как признают сами сторонники данной концепции. Эту трудность можно обойти, если предположить, что ансамбли молекул РНК возникли и прошли начальный этап эволюции в условиях космического пространства, в частности, на малых телах типа комет. Такие тела, как мы знаем, интенсивно бомбардировали Землю и другие планеты Солнечной системы примерно 4 млрд лет тому назад в период LHB. Тем самым концепция древнего мира РНК связана с возможностью внеземного происхождения жизни на нашей планете. Последовательное упорядочение. Альтернативным подходом является концепция последовательного упорядочения структур в процессах ранней эволюции органической материи, как химической основы жизни. Этот подход опирается на вышеупомянутые идеи о процессах абиогенеза в открытых диссипативных системах, имеющих высокую степень внутренней организации и способных сохранять в течение некоторого времени состояние динамического равновесия. Аналогичной по смыслу является организующая природа биосферы, основанная на биогенных циклах атомов химических элементов, устраняющих хаотическое состояние. В рамках данной концепции, в которой основные 1) В лабораторных условиях удалось создать искусственные (синтетические) рибозимы типа упомянутой выше РНК-полимеразы, способные при определенных условиях катализировать свою собственную сборку.
Некоторые модели происхождения жизни
429
функции молекул РНК также играют важную роль, происхождение жизни рассматривается как непрерывный процесс упорядочения в открытой стационарной системе. Такая система, в отличие от консервативной (гамильтоновой) системы как частного случая динамической системы, сохраняющей внутреннюю энергию, является открытой диссипативной системой, оперирующей вдали от термодинамического равновесия и обменивающейся энергией с окружающей средой. В общем смысле можно говорить о переходах системы между многочисленными метастабильными состояниями с нерегулярным высвобождением энергии, а не о сохранении в одном состоянии равновесия. Такой подход отвечает представлениям о непрерывно происходящих в природе процессах самоорганизации материи, в том числе в живых системах, и применим как к индивидуальным организмам (онтогенез 1)), так и ко всей истории жизни. С биологической точки зрения подобная система могла состоять из добиотических органических соединений в виде макромолекул, которые появились либо в процессах химической эволюции, либо возникли в космической среде и затем были занесены на поверхность Земли, где положили начало жизни. В открытых системах происходили сопряженные химические реакции, производя как положительную, так и отрицательную энтропию, которая является необходимым условием структурирования (упорядочения) в хаотической окружающей среде. Энергия при этом поддерживается выше некоторого минимального уровня, до тех пор, пока, согласно Пригожину, выполняется условие минимума производства энтропии. Химическое упорядочивание, включающее ограничение числа партнеров в реакции и числа механизмов и путей взаимодействия, эффективно осуществляется избирательным катализом, использующим биохимические катализаторы (энзимы), которые являются пептидными 2) цепями, свернутыми в трехмерные (3D) структуры. Они высоко активны и эффективно выполняют упорядочение посредством селективного катализа. Ключевую роль в этих процессах могла играть молекула аденозинтрифосфата (АТФ), состоящая из аденина, рибозы и трех фосфатных групп. Эта молекула поглощает солнечную энергию и передает ее сопряженной химической системе, а универсальным посредником такой связи служит вода, обеспечивающая обменное разложение веществ в процессе гидролиза, который сопровождается образованием более высокомолекулярных соединений в реакциях полимеризации. Привлекательность такого механизма состоит в том, что ATФ синтезируется 1)
Онтогенемзом называют индивидуальное развитие организма, как совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований от зачатия до смерти. 2) — питательный) — это семейство веществ, моПептиды (от греч. лекулы которых построены из двух и более остатков аминокислот, соединенных в цепь пептидными (амидными) связями.
!"!#$%
430
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
из простых молекул — цианида водорода (HCN) и формальдегида (HCHO), которые широко распространены в космическом пространстве. Заметим, что концепция последовательного упорядочения представляет большой интерес с точки зрения стохастической динамики в приложении к природным процессам. Рассматриваемые события являются ничем иным, как результатом и следствием локальной неустойчивости нелинейной хаотической диссипативной системы со многими степенями свободы, какой изначально является природная среда, тогда как последовательность изменений в состоянии (эволюции) такой системы ведет к самоорганизации. Переход к новому уровню организации в модели последовательного упорядочения требует, кроме того, наличия в системе обратной связь, как одного из ее важных свойств. Исходя из концепции последовательного упорядочения, можно думать, что процессы возрастающей сложности и накопление изменений происходили на начальном этапе эволюции в сильно нелинейной системе. Характерной особенностью таких систем является неустойчивость, при накоплении которой происходят последовательные перестройки такой системы в качественно новое состояние (бифуркации) 1). На математическом языке этот процесс соответствует разветвлению решений при определенных (критических) значениях параметров. Каждому новому состоянию упорядоченности системы соответствует другой набор взаимодействий молекулярных комплексов. Другими словами, возрастающее упорядочение первоначальной (хаотической) системы приобретает форму последовательных бифуркаций от появления примитивных полимерных структур и развития универсальной каталитической функции пептидов до возникновения нуклеотидных последовательностей, участвующих в синтезе белков, и, в конечном счете, до генетического кода, в котором закодирован общий «план развития» организма и его многочисленные индивидуальные особенности. Подводя итог этому обсуждению, еще раз подчеркнем, что способность к упорядочению путем селективного катализа и способность к самовоспроизведению являются двумя наиболее важными свойствами биоорганических соединений, необходимыми для зарождения жизни и ее эволюции. Начальное упорядочение создается нуклеотидными цепями и цепями аминокислот (пептидами). Цепи аминокислот формируют универсальную конструкцию биологических структур, способную к бесконечному разнообразию, а цепи нуклеотидов обеспечивают самовоспроизведение, как фундаментальное свойство живой материи. Другими словами, природа разделила эти две способности, тенденцию 1) Сам термин происходит из неравновесной термодинамики, теории самоорганизации и синергетики. Точке бифуркации соответствует критическое состояние системы, при котором она становится неустойчивой относительно флуктуаций и состояние системы становится либо хаотическим, либо она перейдет на новый более высокий уровень упорядоченности.
Биологическая эволюция
431
к упорядочению путем селективного катализа и способность самовоспроизведения, между этими двумя классами органических соединений. Можно предположить, что даже незначительное воздействие на окружающую среду планеты с благоприятными природными условиями путем заноса на нее примитивных форм жизни могло бы стимулировать такую первоначально квазиустойчивую систему к переходу (бифуркации) к новому устойчивому состоянию, как более «выгодному», что свойственно биологическим системам. В свою очередь, при прохождении через подобные ранние стадии эволюции, при которых происходит формирование генетического кода, жизнь, в конечном итоге, приобретает очень высокую способность адаптации к условиям окружающей среды. Вновь отметим также, что в мире органических соединений упорядочение осуществляется благодаря уникальным свойствам углерода и его соединений. Хотя мы не можем в настоящее время ответить на вопрос, является ли жизнь широко распространенным явлением во Вселенной и, прежде всего в Солнечной системе и ее ближайших окрестностях, мы с достаточной уверенностью можем утверждать, что если внеземная жизнь действительно существует, то она может быть только на основе углерода. Эта гипотеза, которую надо рассматривать как главную парадигму происхождения жизни, исходит из возможности создания на этой основе сложных биополимерных структур, их последовательного упорядочения посредством селективного (ферментативного) катализа и самовоспроизведения (репликации). Поэтому предположения о возможности жизни на другой основе, прежде всего кремния, представляются совершенно необоснованными. Если есть жизнь где-нибудь во Вселенной, то ее молекулярная конструкция, вероятно, аналогична конструкции живых форм на Земле: основанных на углероде и его соединениях и на принципах, допускающих белково-нуклеотидную форму функционирования.
Биологическая эволюция Обсудим теперь проблему биологической эволюции. В основе ее лежит изучение множества функциональных геосферно-биосферных связей, циклического характера биосферных процессов (биогеохимических циклов, в первую очередь, цикла органического углерода) и других взаимодействий в природе, обеспечивающих стабильность сложившихся механизмов и устойчивое развитие. Понимание путей становления биосферы и этапов биологической эволюции непосредственно связано с изучением геологической летописи Земли. В свою очередь, палеонтология дает возможность реконструировать характер предшествующей биоты и облик вымерших видов, а также позволяет проследить приспособляемость и взаимоотношения (сосуществование) представителей всех главных групп организмов, от примитивных до самых
432
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
сложных, в истории биосферы. В основе таких взаимоотношений лежат трофические связи, т. е. образование пищевых цепочек. Становление биосферы и хронология. Образование биополимеров, способных к катализу и репликации, включает в себя наличие посредника между пептидами и нуклеотидами, такого как упомянутая выше транспортная РНК (тРНК), а также образование генетического кода. Появление генетического кода завершает стадию добиотической эволюции, вслед за которой начинается непосредственно биологическая эволюция (эволюция жизни). Одной из особенностей и фундаментальным свойством форм жизни является хиральность как частный случай нарушения соразмерности, или диссимметрии. Сам термин происходит от древнегреческом названия наиболее узнаваемого хирального предмета — руки (cheir — рука) и обозначает свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Это означает, что при пропускании света через раствор биологического вещества плоскость его поляризации приобретает лево- или правостороннюю ориентацию. Как оказалось, в отличие от классической симметрии, жизнь характеризуется преобладанием левосторонних или правосторонних энантиомеров 1). Это явление, которое было обнаружено Луи Пастером и обосновано Пьером Кюри, является исключительно свойством живых организмов и отсутствует в неживой природе. Было обнаружено, что соединения, сконцентрированные в яйце или семени, вращают плоскость поляризации света в определенном направлении, и такая ориентация присутствует также при кристаллизации этих соединений. Аналогичное явление наблюдается при потреблении пищи организмами, которые отдают предпочтение подобно ориентированным энантиомерам и избегают других. Хиральность проявляется в виде однонаправленности биологических молекул (левосторонние L-аминокислоты и правосторонние D-сахара). Это означает, что все живые организмы используют только левостороннюю форму аминокислот при построении белков и правостороннюю форму сахара рибозы при построении основы РНК и ДНК. Диссимметрия рассматривается, как мощный фактор селективности и устойчивости жизни. Считается, что ее возникновение из неживой (косной) материи в результате абиогенеза могло произойти только в специфической окружающей среде ранней Земли. Вместе с тем, сообщалось об обнаружении путем радиоастрономических наблюдений в газовой оболочке области звездообразования Sagittarius B2. признаков ключевой для земных органических соединений хиральной молекулы — окиси пропилена CH3 CHCH2 O. Это обстоятельство остро ставит вопрос об источнике и роли хиральности в зарождении жизни. 1) Энантиомеры — это пара стереоизомеров, представляющих собой зеркальные отражения друг друга, не совмещаемые в пространстве. Классической иллюстрацией двух энантиомеров могут служить ладони рук, имеющие одинаковую структуру.
Биологическая эволюция
433
На пути познания природы в истории науки долгое время противоборствовали два подхода — редукционизм (попытки объяснить целое через часть) и системный подход (попытки объяснить части через целое). Эти подходы восходят к А. Гумбольдту и Ч. Дарвину. Гумбольдт заложил основы биогеографии, выдвинув идею о единстве и целостности взаимодействий множества видов в природе, систематизированных К. Линнеем, а Дарвин объяснил происхождение множества видов, как результат изменчивости, наследственности и конкуренции — естественного отбора. Не делая специального выбора между этими подходами, попытаемся обсудить известные факты при рассмотрении проблемы становления биосферы. Биологическая эволюция понимается как совокупные изменения во времени. Первые живые организмы появились на Земле в процессе непрерывного повышения состояния упорядоченности материи, включая предшественников РНК, как полагают, приблизительно 3,8 млрд лет тому назад, на протяжении которых прослежена геологическая летопись, запечатленная в отложениях осадочных пород 1) (рис. 9.12). Это были бактерии со сложными молекулярными аппаратами наследственности, энергообмена, синтеза белка, и метаболизма. Появление первых живых систем (прокариотов, эукариотов) сопровождалось эволюцией на уровне клеток 2), организмов и экосистем, и формированием биосферы. Согласно известному российскому микробиологу Г. А. Заварзину, микробное сообщество — главное действующее лицо в природе, система отношений микроорганизмов, как фундаментальная часть биосферы, которая возникла задолго до возникновения растений, животных и человека и продолжает существовать ныне в практически неизменном виде. Основной движущей силой биогеохимической эволюции биосферы является эволюция микробных сообществ. Конкуренция и, возможно, отбор среди поступающих из других областей видов, способных существовать в условиях данного ландшафта (селектогенез), происходят внутри отдельных функциональных сообществ, а направление естественного отбора, как и свойства, необходимые для вхождения в сообщество организмов, определяются геосферно-биосферной системой более высокого уровня. Другими словами, эволюционный процесс происходит не от элемента к системе, а наоборот, от общего к частному. 1) Сообщалось об обнаружении углеродных зон в древнейших кристаллах циркона, найденных в Западной Австралии, которые связывают с результатами жизнедеятельности земных биологических организмов, существовавших на 300 млн лет раньше, о чем свидетельствуют данные изотопного анализа. 2) Здесь следует вновь подчеркнуть поразительную самоорганизацию живых организмов на клеточном уровне с участием хорошо контролируемого механизма согласованной последовательности включения и выключения особых групп генов в различных клетках.
Рис. 9.12. Эволюция жизни на Земле («Биологические часы Земли»). Справа — эволюция древнего бактериального мира. (Согласно D. Des Martis, Научно-исследовательский центр Эймса NASA)
434 Гл. 9. Астробиология: основные понятия
Биологическая эволюция
435
Как видно из рис. 9.12, этапы становления биосферы охватывали различные временные периоды и самым длительным был начальный этап эволюции, когда на Земле существовало лишь прокариотное сообщество, а с момента появления высокоорганизованных организмов прошло сравнительно небольшое время. Становление биосферы происходило параллельно с геолого-геохимическими процессами под действием только бактерий. Около 3,5 млрд лет назад началось образование железистых формаций, состоящих из магнетита и гематита, а кардинальная перестройка всей геосферно-биосферной системы и резкое изменение состояния верхней литосферы произошли в начале протерозоя около 2 млрд лет назад с появлением в атмосфере свободного кислорода. Этот период отмечен прекращением железорудной эпохи и развитием серного цикла с сульфатредукцией, а сама биосфера претерпела грандиозные изменения: вместо восстановительной атмосферы с кислородными «карманами» в цианобактериальных сообществах появляется кислородная атмосфера с анаэробными «карманами». Этот период положил начало развитию биосферы современного типа, основные этапы становления которой охватывает все эры фанерозоя. Ему предшествовал длительный период, когда Землю населяли только сообщества бактерий различного типа. Вновь обращаясь к рис. 9.12, видим, что самые первые примитивные археи и лишенные клеточного ядра прокариоты появились еще в докембрии на рубеже 3,8 млрд лет, а примерно 3,5 млрд лет назад появились одноклеточные, но тоже доядерные цианобактерии (сине-зеленые водоросли) или, как их еще называют, цианопрокариоты 1). Их уникальной особенностью стала способность к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода. По общепринятому мнению, именно они явились источниками современной кислородсодержащей атмосферы на Земле. Цианобактерии, как организмы, физиологически схожи с эукариотическими водорослями. Появление около 2 млрд лет назад эукариот, клетки которых содержат ядро (что принципиально отличает их от прокариот), стало качественным скачком в эволюции бактериального сообщества. Спустя еще миллиард лет, в конце протерозоя, Землю начали заселять первые многоклеточные тканевые организмы, тело которых состоит из множества клеток, объединенных в ткани, органы и системы органов, 1) Цианобактерии наиболее близки к древнейшим одноклеточным, нитчатым, колониальным микроорганизмам. Существуют морские, пресноводные и почвенные виды (например, они являются участниками симбиозов в лишайнике и главными участниками цветения воды). Они составляют значительную долю океанического фитопланктона, способны к формированию толстых бактериальных матов (колоний). Такие колонии (строматолиты), возраст которых более 3,5 млрд лет, обнаружены в различных районах на Земле. Их изучение позволяет составить представление о микробной биосфере протерозоя и глобальной геохимической деятельности микроорганизмов.
436
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
а затем ( 570 млн лет назад) более сложные организмы — членистоногие, которых считают предками насекомых и ракообразных. Еще спустя 70 млн лет, в начале кембрийского периода, появились рыбы, около 400 млн лет назад, на рубеже силура и девона, — наземные растения, насекомые и почвы современного типа, а в девоне 350 млн лет назад — первые земноводные. На следующих этапах эволюции, охватывающих, согласно геохронологической шкале, каменноугольный, триасовый и юрский периоды, появились пресмыкающиеся (рептилии) ( 300 млн лет назад), млекопитающие ( 200 млн лет назад) и птицы ( 150 млн лет назад). К концу силура, девону, относят начало развития биоразнообразия растений, грибов, первых животных. Человек как особый представитель высших приматов (род Homo) появился на Земле в неогене (между миоценом и плиоценом) 2, 5 млн лет назад, а люди современного облика известны лишь последние 100 тыс лет. Самыми подходящими местами для зарождения жизни на Земле были, вероятно, вулканы и глубинные океанские гидротермальные источники, где могли развиваться различные анаэробные микробы. Они образуют трофические цепочки, которые Г. А. Заварзин назвал автономными хемосинтетическими сообществами. Эти первые относительно простые микробные сообщества, способные адаптироваться к экстремальным природным условиям, постепенно усложняясь, привели, как мы видели, к глобальному изменению окружающей среды — преобразованию атмосферы Земли из восстановительной в окислительную. Это оказало решающее воздействие на биосферу, изменив структуру и иерархию популяций, внутренние трофические связи, биохимию и биоразнообразие. Очевидно, процессы упорядочения неизбежно сопровождались конкурентными процессами беспорядка и хаоса (деградации), и можно думать, что именно на этих эволюционных стадиях дарвиновский естественный отбор играл наиболее важную роль. Вероятно, он был ответственен за устранение части мутаций, вредных для выживания или производства потомств, хотя свой вклад вносили и микробные сообщества. Вновь подчеркивая важную роль дарвинизма в биологической эволюции, но не на ранних стадиях возникновения жизни и развития молекулярных механизмов организации биологических систем, мы вместе с тем вслед за Г. А. Заварзиным отдаем должное деятельности микробов и на последующих стадиях биологической эволюции, в дополнение к изменениям «на основе генетики и полового процесса». Очевидно, в этот период произошло формирование совокупностей микроорганизмов (микробиомов) — ключевой основы биологических сообществ. Таким образом, молекулярная биология, биохимическая генетика, микробилогия и дарвинизм не находятся в противоречии, а являются взаимодополняющими и последовательными основами современной эволюционной теории. Дарвинизм может получить дальнейшее развитие
Биологическая эволюция
437
через понятие «ковариантной редупликации» 1), которое основано на идее матричного воспроизводства и репликации различных вариантов генетических текстов, включая те, которые подверглись мутации; эти версии вслед за тем «предлагаются» природе для выбора. Эта концепция близка к ранее упомянутым идеям о матричном синтезе органических макромолекул в процессе эволюции биосферы. Соответственно, матричный механизм изменения и наследственности связан с естественным отбором и теорией эволюции. Ранее мы подчеркивали важность процессов переноса вещества между телами Солнечной системы путем миграции и столкновений. Малые тела рассматривались нами как потенциальные носители добиотической материи, внесшие вклад в зарождение ранней микробной биосферы на стадии абиогенеза. Однако такие тела при масштабных соударениях с планетой могли выполнять и деструктивные функции (рис. 9.13), приводя к уничтожению живых организмов или части биосферы. Только за последние полмиллиарда лет Земля испытала многочисленные катастрофические события, из которых некоторые были,
Рис. 9.13. Столкновение с планетой большого тела в изображении художника. Земля испытала многочисленные разрушительные события в течение своей истории, особенно во время Последней тяжелой бомбардировки (LHB) приблизительно 3,9–4 млрд лет назад, как раз перед становлением биосферы. (Источник: Википедия)
вероятно, вызваны процессами в глубинах космоса, а другие — столкновениями с огромными астероидами или кометами. Подобные события могли приводить к массовым вымираниям или даже почти полному исчезновению биосферы (рис. 9.14 а). С катаклизмами космического масштаба ряд исследователей связывает взрывы сравнительно близких сверхновых, которые сопровождаются губительным для Земли жестким 1) Эта идея была выдвинута выдающимся российским ученым Н. В. Тимофеевым-Ресовским.
438
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
Рис. 9.14. а — массовые исчезновения живых организмов на Земле за последние 540 млн лет. События соответствуют времени появления ударных кратеров, областей, обогащенных иридием и содержащих другие признаки падения космические тел; б — схематическое представление движения Солнечной системы через плоскость нашей Галактики. (Источник: Википедия)
гамма и рентгеновским излучением. К ним они относят, в частности, события в истории примерно 450 млн лет назад, когда погибло до 60 % морских обитателей, и массовые вымирания 250 млн лет назад, когда предположительно погибло 95 % обитавших видов. В летописи разрушительных событий, связанных с падениями астероидов, наиболее известным является Чиксулуб. Как предполагают, оно было вызвано астероидом поперечником около 10 км, который упал 65 млн лет назад в Мексике и привел к гибели приблизительно 90 % биосферных видов. С ним, в частности, связывают исчезновение рептилий, в частности динозавров как их разновидности, в конце мелового периода. Предпринимались попытки найти корреляцию регулярности массового исчезновения видов на рис. 9.14 а с кометными ливнями,
Биологическая эволюция
439
вызванными возмущениями Облака Оорта из-за периодических колебаний плоскости Солнечной системы относительно плоскости Галактики при обращении вокруг ее центра (рис. 9.14 б). Такой характер движения подтверждается статистикой образования кратеров на планетах, в котором присутствует максимум, повторяющийся каждые 35 млн лет, что отвечает полупериоду колебаний плоскости Солнечной системы в Галактике. Источник этих регулярных возмущений естественно связать с приливными эффектами из-за большей массы вещества, сосредоточенной в галактической плоскости. В качестве такой массы предполагается, в частности, существование диска темной материи. Возможно в будущем это удастся проверить путем наблюдений. Пока же мы можем ограничиться утверждением, что подобного рода события могли иметь серьезные последствия для эволюции земной биосферы. Поиск внеземной жизни. Проблема биологической эволюции и поиска жизни за пределами Земли совмещает в себе как естественнонаучные, так и философские аспекты. Как мы видели, само происхождение жизни остается непонятым, в нем не исключаются элементы случайности, такие как формирование планеты Земля с благоприятными природными условиями, вклад внешнего источника (пансмермии) и образование внутренних устойчивых связей. Биосфера и особенно ее высшие формы — млекопитающие и гуманоиды — уязвима с точки зрения астероидно-кометной опасности, различных природных катастроф. Иным мог оказаться на определенных этапах процесс биологической эволюции. Например, динозавры, возможно, имели шанс стать более высокоразвитыми («интеллектуальными») существами, если бы не были уничтожены последствиями события Чиксулуб. В этом случае уменьшились бы шансы появления на Земле приматов и человека. Задача поиска жизни во Вселенной получила дополнительный стимул в связи с открытием экзопланет. Пока на первое место выдвигается задача обнаружения, по крайней мере, следов примитивной жизни, и уже имеются первые потенциальные кандидаты в пригодных для обитания зонах у нескольких таких планет. С философской точки зрения вероятность обнаружения признаков жизни, безусловно, отлична от нуля, особенно если принять во внимание перенос материи в космическом пространстве и возможность «посева» семян примитивной жизни на планете с не слишком экстремальными природными условиями. Не следует забывать, что, попав в благоприятную окружающую среду, жизнь может не только адаптироваться, но и начать размножаться с огромным коэффициентом усиления, присущим микроорганизмам. Еще более уязвимой ветвью в общей проблеме эволюции жизни следует считать появление интеллекта. Пока мы можем только догадываться, могла ли жизнь вне Земли, однажды возникнув где-то во Вселенной, постепенно эволюционировать к наивысшему уровню организации, определяемому как ее интеллектуальная способность. На современном уровне знаний и с учетом расстояний и временных масштабов во Вселенной такая вероятность кажется ничтожно низкой.
440
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
Тем не менее, в этом направлении ведутся интенсивные исследования. Первые попытки были предприняты в рамках Международной программы поиска внеземного разума (Search for ExtraTerrestrial Intelligency, SETI) начиная с 1960-х гг. Методики и техника наблюдений непрерывно совершенствуются на базе передовых технологий, включая использование крупных радиотелескопов и мощных вычислительных комплексов. К сожалению, результаты поиска пока оказались безуспешными, но сама цель остается среди главных задач астробиологии. За несколько десятилетий осуществления программы SETI накоплен громадный опыт и одновременно пришло осознание того, что открытие существования цивилизации, способной проявлять себя и устанавливать связь, — гораздо более трудная задача, чем просто поиск признаков жизни. Для оценки числа потенциально существующих цивилизаций, достигших примерно нашего или более высокого уровня технологического развития и, следовательно, способных к общению, американский радиоастроном Фрэнк Дрейк еще полвека назад предложил простую формулу, имеющую статистический характер и включающую как астрономические, так и биолого-социальные факторы. Формула имеет следующий вид:
'
Здесь ' — общее число звезд в Галактике; — доля звезд, обладающих планетными системами; — доля планет в планетной системе, пригодных для жизни; — доля планет, на которых возникла жизнь; — доля планет, на которых развились разумные формы жизни; —
доля планет, на которых разумная жизнь достигла стадии развития, на которой она способна установить контакт с другими мирами; — средняя продолжительность существования технологически развитой цивилизации; — возраст Галактики. Как видим, оценка числа разумных и способных установить контакт цивилизаций затрагивает самые различные области научного знания и сопряжена с большой неопределенностью. Конечно, данное соотношение удалось несколько уточнить после обнаружения экзопланет, включая планеты, подобные Земле, на которых могла бы возникнуть жизнь (сомножители и ). Вместе с тем, однозначно оценить другие сомножители вряд ли возможно. Особенно это относится к члену формулы , связанному с оценкой продолжительности жизни технологически развитой цивилизации. Прежде всего, возникает вопрос о том, сколь долго может существовать такая цивилизация, поскольку, подобно нам, она может столкнуться уже в первые сотни лет эволюции с проблемами истощения сырьевых ресурсов, экологии, роста народонаселения, социально-экономических противоречий и политического противостояния, чреватого ядерными конфликтами и самоуничтожением. Казалось бы, вопреки здравому смыслу, именно интеллект приближает человечество на нашей планете к опасной черте — ведь ничего подобного нет в животном мире. Иначе
Биологическая эволюция
441
говоря, не сталкивается ли любая другая развитая ситуация с вопиющим парадоксом, состоящим в том, что развитие интеллекта неизбежно приводит к ее гибели? Другой вопрос — захочет ли цивилизация, опережающая нас в своем развитии, возможно, на тысячи и даже миллионы лет, установить с нами контакт? И если да, то сообщит ли она нам, как смогла сохранить себя на протяжении длительного времени, прежде всего, как она смогла преодолеть перечисленные проблемы, особенно обострившиеся на нашей планете за последние десятилетия. Пожалуй, это главная проблема, лежащая в основе возможности общения между цивилизациями, способными к установлению контакта. Другими словами, если даже технологически развитые цивилизации существуют, успевают ли они установить между собой связь, прежде чем исчезнуть? Основываясь на нашем собственном опыте, трудно предсказать, сколь долго просуществует человеческая цивилизация с учетом нынешней экономической и политико-социальной ситуации в мире. И насколько сопоставима даже самая благоприятная оценка времени нашего существования с громадным числом световых лет, которыми исчисляются расстояния только в нашей Галактике, чтобы общение с другой подобной цивилизацией стало возможным? Не уподобляется ли ситуация, образно говоря, пузырям на воде во время дождя, когда один из соседних пузырей схлопывается, прежде чем вступить в контакт с другим? Конечно, большая величина ' (напомним, что только в нашей Галактике свыше 200 млрд звезд!) в определенной степени уравновешивает отношение , причем значение возрастает, если попытаться выйти за пределы Млечного Пути и распространить эту оценку на всю метагалактику, насчитывающую не менее 100 млрд галактик, абстрагируясь при этом, что перспектива установления связи с такими мирами оказывается вообще нереалистичной. Между тем, любой из сомножителей , , может быть величиной крайне малой, а их произведение делает значение вообще близким к нулю. Не случайно поэтому даже самые оптимистичные оценки обычно не выходят за пределы триллионных долей процента. И, тем не менее, попытки установления контактов с возможно существующим внеземным разумом следует продолжать, используя для этого наши непрерывно возрастающие технологические (информационные, энергетические) возможности и более эффективные стратегии поиска. По существу речь идет о необходимости перехода к целенаправленной практической проверке гипотез с использованием двух методов: астрофизического (поиск «астрономических признаков» существования признаков внеземной жизни и существования цивилизации разного уровня развития в экзопланетных системах) и коммуникативного (поиск оптических и радиосигналов искусственного происхождения и разработка методов их дешифровки). Напомним также (см. рис. 9.12), что биологическая эволюция на Земле от момента зарождения жизни до возникновения интеллекта
Рис. 9.15. История Вселенной от Большого Взрыва до наших дней (13,7 млрд лет), условно изображенная на временной шкале 1 год. На шкалах показаны наиболее значимые события в истории Вселенной и биологической эволюции на Земле. (Согласно Карлу Сагану)
442 Гл. 9. Астробиология: основные понятия
Биологическая эволюция
443
потребовала нескольких миллиардов лет, и это только часть истории Вселенной. Ее наглядно изобразил американский планетолог и популяризатор науки Карл Саган, условно представивший историю Вселенной на временной шкале длиною в один год (рис. 9.15). Тогда, принимая за момент Большого Взрыва 0 часов 1-го января, получаем, что наша Галактика возникла в мае, Солнечная система — в сентябре, а первые эукариоты появились в ноябре. Возникновение млекопитающих и исчезновение динозавров произошло в конце декабря, 31-го утром появился человек, а его современный вид homo sapiens возник лишь за две
Рис. 9.16. Фантастические представления об образах «инопланетян» в художественном исполнении. (С разрешения Международного космического университета (ISU))
444
Гл. 9. Астробиология: основные понятия
минуты до Нового года. Нижняя шкала диаграммы отвечает последним 60 секундам истории человечества, охватывающей основные периоды развития культуры. На этой шкале время существования технологически развитой цивилизации занимает всего лишь 2 секунды! Это — миг в эволюции Вселенной, в том числе биологической эволюции, что с учетом обсуждавшихся выше возникающих у развитой цивилизации проблем дополнительно понижает вероятность установления контактов с другими цивилизациями. Замечательный писатель-фантаст Артур Кларк с оптимизмом смотрел на перспективы обнаружить в космосе разумные существа, скорее всего отличные от нас, с которыми можно будет в отдаленном будущем встретиться. Он писал: «Cамая любопытная область науки — исследование космоса. . . Чем лучше мы будем узнавать Вселенную, тем больше сюрпризов получим от нее. Взять хотя бы вопрос о существовании разумных существ. Не думаю, чтобы эти существа были подобны человеку. Может быть, у них три руки или три глаза — не знаю, на этот вопрос ответит будущее, но то, что они есть в других мирах, несомненно». Оптимизм и одновременно фантазию А. Кларка дополняют художественные изображения «инопланетян» на рис. 9.16. Одновременно Кларк предвидел проблемы, с которыми столкнется человечество при общении с другими мирами (по его выражению, с окружающими средами), задаваясь вопросом насколько человек будет готов к ним приспособиться. Вот что он говорил по этому поводу: «Воображая жизнь вне Солнечной системы после 2000 годов, земляне готовы использовать науку для ее поиска. Но каков потенциальный уровень их адаптации к окружающей среде и насколько различны могут быть эти окружающие среды?» Мы, естественно, не ожидаем встречи с «инопланетянами» и не пытаемся спрогнозировать их облик, но считаем научно строго обоснованной проблему выбора стратегии и способов общения в случае возможного обнаружения внеземной цивилизации и установления с нею контакта. Вместе с тем, проблема SETI подводит нас к пониманию того, что, сам процесс возникновения жизни и появления интеллекта — событие исключительное, и, вместо представлений о множественности обитаемых миров, следует скорее думать о земной цивилизации, как о «космическом чуде» и стремиться во что бы то ни стало сохранить ее уникальность.
Г л а в а 10.
СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ
Общие представления Обратимся теперь ко всему окружающему нас космосу — от крохотного пространства, занимаемого Солнечной системой, до границ Вселенной, отстоящих от нас почти на 14 миллиардов световых лет. Звезды, самые привычные наблюдаемые объекты на небе, сгруппированы в большие звездные системы в форме тонкого диска — галактики, которые едва выделяются как слабо светящиеся и слегка окрашенные полоски на ночном небе. Галактики представляют собой основные «строительные блоки» видимой Вселенной, образовавшиеся в областях с повышенной плотностью материи на ее ранней стадии, и они, по существу, являются островками материи в преобладающе «пустом» космическом пространстве. Этот факт имеет, как мы дальше увидим, ключевое значение при обсуждении проблемы происхождения Вселенной. В межгалактической среде движутся частицы газа — водорода и гелия с релятивистскими скоростями, которым отвечает кинетическая температура в десятки и сотни миллионов градусов и наблюдаемое рентгеновское излучение. Как показали массовые обзоры галактик, их звездное население очень неоднородно: в то время как карликовые галактики насчитывают десятки миллионов звезд, в гигантских галактиках их сотни триллионов. Все галактики вращаются вокруг их собственного центра масс. Большинство галактик во Вселенной, по-видимому, являются карликовыми, и многие из их вращаются также вокруг отдельной более крупной галактики. Астрономы преимущественно наблюдают много маленьких тусклых галактик и мало больших и ярких, что в целом соответствует установленному характеру распределения галактик по массам, хотя от него отклоняются сравнительно недавно обнаруженные сверхъяркие спиральные галактики. Наряду с этим недавно были обнаружены галактики совершенно нового типа, напоминающие скорее бесформенные облака, нежели ясно очерченные (сверхрассеянные) космические структуры, которые были названы «пушистыми», или «дымчатыми». Исторически галактики были классифицированы, исходя из их морфологии, как эллиптические, спиральные и неправильной формы (рис. 10.1). Большинство из них являются дисковыми. Многие галактики обладают активными ядрами в центре, и в зависимости от этого их подразделяют также на сейфертовские, радиогалактики, лацертиды и квазары. К сейфертовским относят галактики, содержащие множество ярких широких полос в их спектрах, что указывает на мощные выбросы газа со скоростями в тысячи км/с. Они составляют около 1 % наблюдаемых спиральных галактик. Радиогалактики обладают
446
Гл. 10. Структура Вселенной
Рис. 10.1. Классификация галактик. (С любезного разрешения Смитсонианской астрофизической обсерватории (SАО))
большой мощностью радиоизлучения (радиосветимостью), достигающей 1045 эрг/с. Лацертиды выделяются как мощные источники электромагнитного излучения с непрерывным спектром во всех диапазонах (от гамма до радио) длин волн и значительными кратковременными изменениями светимости, что может быть связано с массивными черными дырами в ядрах. Наконец, к квазарам относят самые яркие в видимой Вселенной астрономические объекты — активные галактики, содержащие сверхмассивные черные дыры (см. гл. 6), излучение которых превышает мощность излучения всех звезд галактики (рис. 10.2).
Рис. 10.2. Схематический вид квазара — источника огромного энерговыделения, представляющего собой ядро удаленной активной сверхмассивной галактики. (Источник: Википедия)
Общие представления
447
Есть основания считать, что образование галактик происходило почти одновременно во всей Вселенной спустя 1 млрд лет после ее возникновения 1), а Вселенная была заполнена темной материей, нейтральным водородом и гелием с незначительной примесью других элементов. Особенности образования были обусловлены различиями физико-химических свойств (массы, плотности, состава, вращения, магнитного поля) протогалактических туманностей в областях формирования. С ними связан процесс их сжатия, интенсивность образования звезд и образование галактики того или иного типа, зависящие, прежде всего, от однородности исходного распределения плотности и соотношения тепловой, вращательной, магнитной энергии. При этом, помимо гравитационного сжатия изначальных диффузных газопылевых облаков, могло происходить слияние их отдельных фрагментов и образование из молодых протогалактик более крупных. Согласно существующему сценарию, характерному для галактик спирального типа, в процессе сжатия, при достижении некоторой предельной плотности, в центральной зоне формируется активное галактическое ядро, создающее мощные потоки излучения и элементарных частиц. Возникающие при этом ударные волны ответственны за образование молодых звезд I поколения и шаровых скоплений. На этом раннем этапе звезды I поколения с содержанием тяжелых элементов примерно на четыре порядка меньше современного, вероятно, формировались почти одновременно внутри плотных (до 104 –105 част./см3 ) хаотически расположенных сгустков молекулярного водорода Н2 с незначительной примесью гидроксила ОН и угарного газа СО. Между тем, в наиболее древних шаровых скоплениях возрастом от 9 до 12 млрд лет содержание тяжелых элементов составляет 0,1–0,5%. При дальнейшем сжатии вращающейся протогалактики происходит ее уплощение с образованием диска, в котором скорости вращения вещества убывают с расстоянием от центра, а продолжению сжатия газа препятствует давление магнитного поля и космических лучей. Время эволюции протогалактики в галактику составляет по существующим оценкам в среднем около 1 млрд лет 2). В веществе диска распространяются первичные мощные спиральные волны сжатия, и за несколько оборотов вокруг своей оси в течение сотни миллионов лет формируется спиральная структура галактики. Форма рукавов поддерживается вторичными относительно слабыми спиральными ударными волнами 1)
Астрономы Европейской Южной обсерватории в Чили сообщили об открытии уникальных супермассивных галактик, которые возможно образовались за короткое время значительно раньше. 2) В литературе приводятся расчеты, согласно которым облако с массой 1011 , радиусом 200 кпк, начальной скоростью вращения 40 км/с, напряженностью магнитного поля 2 10 7 Гс и температурой около 2 105 К превращается в спиральную галактику размером 30 Кпк, содержащую в своем составе до 300 миллиардов звезд.
448
Гл. 10. Структура Вселенной
плотности, а внутри них возникают вихревые структуры циклонической формы. От плотности вещества рукавов, источников излучения и степени ионизации газа зависит интенсивность происходящих в них процессов звездообразования и величина светимости. Особо выделяются упомянутые выше квазары — источники огромного выделения энергии. Полагают, что они являются яркими ядрами отдаленных активных галактик (см. рис. 10.2). Галактики эволюционируют от молодых спиральных к более старым эллиптическим, и, в то время как в спиральных галактиках происходит активное звездообразование, а в процессе эволюции звезд постепенно увеличивается относительное содержание тяжелых элементом (и, соответственно, повышается доля образующихся звезд более высокой металличности), в эллиптических галактиках активное звездообразование практически завершилось. Этот процесс, вероятно, происходил в них один раз, и там догорают старые звезды, а новых не образуется, поскольку запасы холодного водорода, из которого формируются звезды, по существу, исчерпаны 1). Об этом свидетельствует и цветовое различие: спиральные галактики в основном голубоватого цвета (что, вероятно, обусловлено рождающимися голубыми сверхгигантами), а эллиптические — красно-желтого. Самыми крупными являются гигантские эллиптические галактики. Некоторые из них, как полагают, возникают в результате столкновения галактик, их слияния или поглощения менее массивного компаньона при взаимодействии внутри скоплений крупными галактиками-«каннибалами», а само явление получило название галактический каннибализм. При этом они вырастают до огромных размеров, значительно превышающих размеры спиральных галактик. Столкновения испытывают и спиральные галактики, при этом они не сохраняют спиральную структуру, если не соблюдается условие сохранения углового момента. Выделяют также звездно-пылевые (stardust) галактики, которые, возможно, также возникают при столкновениях, подобных тем, при которых образуются эллиптические галактики. В них наблюдается необычайно высокая скорость звездообразования. Звезднопылевых галактик, по-видимому, было больше в ранней истории Вселенной, но и в настоящее время они вносят значительный вклад в суммарное количество образующихся звезд. Вероятно, к ним относятся галактики с интенсивностью звездообразования до сотни в год, обнаруженные космическим телескопом «Гершель» в ИК-диапазоне и наземным телескопом Кека (Keck) на Гавайских островах. Для сравнения в нашей Галактике в год в среднем образуется одна звезда. Интересно, что красное смещение обнаруженных галактик свидетельствует о том, что они образовались всего через 1,5–3 млрд лет после рождения 1) Заметим, что в случае поглощения такой галактикой компаньона или окружающего газа в ней может произойти новая волна звездообразования.
Общие представления
449
Вселенной, когда, по-видимому, происходил наиболее бурный процесс рождения звезд, а яркость таких галактик должна превосходить яркость Млечного Пути в сотни и тысячи раз. В спиральных галактиках видимые звезды иногда принимают форму «вертушки» во вращающемся диске, предположительно находящемся внутри невидимой сферы — гало загадочной темной материи. Спиральные рукава, вероятно, являются областями наиболее плотной материи, или «волн плотности», имеющих форму примерно логарифмической спирали, и, возможно, возникающих вследствие возмущений в неравномерно вращающейся массе звезд. В спиральных рукавах находятся относительно более плотные молекулярные облака межзвездного водорода — потенциальные области образования новых поколений звезд. Вообще, наибольшее звездообразование происходит в меньших галактиках, где менее исчерпан холодный водород. Напротив, большие эллиптические галактики в значительной степени лишены этого газа, который преобразован в более тяжелые элементы; поэтому в этих галактиках образование новых звезд, по существу, закончено. Большинство (до 60 %) спиральных галактик имеет перемычку в форме вытянутой полосы («бара») из звезд в центральной части, которая простирается наружу по обе стороны от ядра и затем сливается со спиральной структурой рукава. Некоторые из спиральных галактик с перемычкой проявляют активность, возможно в результате волн газовой плотности, направленных к ядру вдоль рукавов или из-за приливного взаимодействия с другой галактикой. Последнее особенно характерно для пекулярных (в форме кольца) галактик, которые, как предполагают, образуются, когда меньшая галактика проходит через ядро спиральной галактики. У некоторых галактик, наоборот, после образования бара наблюдается замедление процесса интенсивного звездообразования, что возможно обусловлено генерацией баром турбулентности галактического газа. Типичная галактика содержит сотни миллиардов звезд различного возраста, массы, яркости и химического состава, которые находятся на разных стадиях эволюции, а также межзвездные облака и межзвездную среду, заполненную самыми космически распространенными газами, гелием и водородом, вместе с пылью и космическими лучами. В пределах видимой Вселенной находится около 100 миллиардов ( 1, 7 1011 галактик, а в каждой содержится почти 100 миллиардов звезд, движущихся с относительными скоростям 1 000 км/с. По оценкам, общее число звезд во Вселенной достигает громадной величины 3 1023 (300 секстиллионов). Заметим, что благодаря очень большим расстояниям между звездами вне галактического центра столкновения между ними происходят, как полагают, крайне редко. Хотя звезды существуют, в основном, в пределах галактик, были обнаружены также межгалактические звезды. Галактики представляют основное состояние материи в видимой части Вселенной. Однако, как мы увидим в дальнейшем, невидимая (темная) материя (см. гл. 11) во много раз
450
Гл. 10. Структура Вселенной
превышает количество видимой материи, и именно она позволяет избежать кажущейся диссипации углового момента и обеспечивает сохранение структуры и параметров вращения спиральной галактики.
Рис. 10.3. Рукава галактики Млечный Путь. (Источник: Википедия)
Наша галактика Млечный Путь (рис. 10.3) является огромной спиральной галактикой с перемычкой, представляющей собой вращающуюся систему в виде тонкого диска. По форме она имеет сходство с галактикой М31 Андромеда (см. рис. 5.1 б), отстоящей от нас примерно на 2,5 млн св. лет и по своим размерам приблизительно вдвое большей. Млечный Путь содержит почти 200 миллиардов звезд обшей массой 1–3 триллионов масс Солнца, в центре его находится активное галактическое ядро (bulge), из которого наружу простирается несколько спиральных рукавов, пересекающих облака газа и пыли. В отличие от Андромеды с примерно вдвое большим числом звезд и многих других спиральных галактик (например показанной на рис. 10.4 галактики NGC 4414), мы можем видеть нашу собственную Галактику только
Общие представления
451
Рис. 10.4. Примеры спиральных галактик: NGC 4414 в созвездии Волосы Вероники (а) и линзообразная галактика NGC 7049 в созвездии Индеец (б). Снимки получены телескопом «Хаббл». (С любезного разрешения NASA)
с края, причем она выглядит немного по-разному при наблюдениях на различных длинах волн (рис. 10.5). Особенно наглядно это проявляется при переходе от видимой в далекую инфракрасную область спектра, где заметный вклад в яркость вносит излучение пыли. Подобные и даже еще более крупные различия наблюдаются в изображениях созвездия Орион, полученных в различных диапазонах спектра (рис. 10.6). Светимость нашей Галактики составляет 6 1040 эрг/с, что в десять миллионов раз больше светимости Солнца. Можно сказать, что Млечный путь имеет сотни миллиардов солнечных систем, а его светимость превышает светимость Солнца на семь порядков величины. Солнце является одной из рядовых звезд, находящихся в плоскости Галактики. Окрестности Солнца в пределах 1500 световых лет, включающие плотные молекулярные облака, молекулярный газ низкой плотности в межзвездной среде и горячий ионизованный газ, показаны на рис. 10.3. Солнце находится на расстоянии примерно 2/3 от галактического центра (26 000 1 400 св. лет, или 10 кпк) и обращается вокруг него
452
Гл. 10. Структура Вселенной
Рис. 10.5. Вид с ребра нашей Галактики в видимом (a), ближнем инфракрасном (б) и дальнем инфракрасном (в) диапазонах длин волн. В дальнем инфракрасном диапазоне наблюдается зодиакальный свет, вызванный межпланетной пылью в плоскости эклиптики, который показывает положение эклиптики относительно галактического экватора, близкое к 90Æ . (С любезного разрешения Смитсонианской астрофизической обсерватории (SАО) и NASA)
с периодом 225–250 млн лет под углом 25Æ к плоскости Галактики (см. рис. 5.1). Когда Солнечная система обращается вокруг галактического ядра (движение к апексу), она колеблется (или «качается») вверх и вниз относительно плоскости диска Галактики по синусоидальной траектории. Причиной является то, что масса Галактики фактически растянута в тонкий диск и распределена неоднородно. Вертикальные осцилляции происходят примерно каждые 30–33 млн лет и накладываются на период полного оборота Галактики вокруг центра масс. В настоящую эпоху мы находимся «выше» галактической плоскости — на галактическом севере, отстоящем от нее на 75–100 световых лет. Как было сказано в предыдущей главе, с прохождением Солнечной системы через галактическую плоскость может быть связана более высокая бомбардировка планет кометами из Облака Оорта. Звезды в галактиках распределены неравномерно, с максимумом в центре. Их орбиты стянуты к центру гравитацией массивного невидимого объекта. Как было сказано в гл. 6, в нашей Галактике этот объект
Рис. 10.6. Сравнение созвездия Орион в видимом (слева) и инфракрасном (справа) диапазоне длин волн, показывающее его гораздо более сложную конфигурацию и гигантское молекулярное облако. Внизу показан электромагнитный спектр. (С любезного разрешения Смитсонианской астрофизической обсерватории (SАО) и NASA)
Общие представления 453
454
Гл. 10. Структура Вселенной
ассоциируется со сверхмассивной черной дырой (SMBH) Sgr A*, содержащей приблизительно четыре миллиона звезд солнечной массы. Она окружена гигантскими облаками газа и пыли вокруг центра, как это видно на изображениях в ИК-диапазонах длин волн (рис. 10.7).
Рис. 10.7. Композитный снимок гигантских облаков газа и пыли части кольца, окружающего сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики. Изображение получено Европейской космической обсерваторией «Гершель» (ESA’s Herschel Space Observatory) на длинах волн 70, 160, и 350 мкм в условных цветах: голубой, зеленый и красный, соответственно. (С разрешения G. Li Causi, IAPS/INAF, Italy; ESA/Herschel/PACS, SPIRE/Hi-GAL Project)
У других галактик также наблюдаются структуры, подобные Sgr A*. Наблюдения при помощи космического рентгеновского гаммателесопа «Ферми» (Fermi Gamma-Ray Space Telescope) привели также к выводу о наличии в центре Млечного Пути двух огромных энергетических «пузырей» релятивистской плазмы, энергия каждого из которых эквивалентна ста тысячам взрывам сверхновых, а происхождение неизвестно. Нельзя исключить, что их природа как-то связана с темной материей (см. гл. 11). Вместе с тем. наблюдения космической рентгеновской обсерватории «Чандра» свидетельствуют о наличии резервуара горячего газа вокруг Млечного Пути, который может расширяться на расстояния в несколько сот тысяч световых лет или даже дальше в окружающую Местную группу галактик. Это означает, что Млечный Путь и другие соседние галактики находятся внутри гало горячего газа с температурами в несколько сот тысяч градусов, что гораздо горячее поверхности Солнца. По оценкам масса гало сопоставима с массой всех звезд в Галактике. В структуре Млечного Пути и других галактик мы выделяем, прежде всего, неоднократно упоминавшиеся выше обширные газопылевые области, называемые молекулярными облаками, где происходят наиболее интенсивные процессы образования звезд. Хорошо известна такая область в созвездии Орион (см. рис. 6.6 и 10.6). Напомним
Общие представления
455
(см. гл. 6), что кроме того, существуют большие звездные системы — рассеянные и более массивные шаровые скопления, насчитывающие до 105 –107 звезд относительно небольшой (примерно солнечной) массы, где процессы формирования звезд в основном завершены. В отдаленных галактиках такие скопления наблюдаются в виде отдельного звездного источника, так как конкретные звезды внутри него не разрешаются. Точно так же не удается различить отдельные яркие массивные звезды в звездных комплексах, найденных в отдаленных галактиках. Наблюдениям мешает главным образом пыль межзвездной среды, которая непрозрачна для видимого света, но более прозрачна для дальнего инфракрасного и некоторых волн радиодиапазона. Инфракрасная и радиоастрономия располагают мощными инструментами для очень детального наблюдения внутренних областей гигантских молекулярных облаков и галактических ядер, особенно для наблюдения отдаленных и активных галактик с красным смещением. Решить проблему поглощения ряда информативных областей спектра водяным паром и углекислым газом земной атмосферы позволяет использование космических телескопов. Кроме молекулярных облаков космическое пространство в пределах галактик заполнено нейтральным и ионизованным газом в областях различной плотности и пылью. Вместе с магнитными полями различной ориентации пыль создает поистине фантастические конфигурации на больших масштабах в межгалактической среде, выявляемые при наблюдениях в определенных областях спектра, которые достойны кисти художника"=импрессиониста (рис. 10.8). «Посланцами» из дальнего космоса являются галактические космические лучи в широком диапазоне энергий от сотен до миллиардов триллионов ( 1020 электрон-вольт. Космические лучи, о которых упоминалось в гл. 5, несут информацию о наиболее мощных процессах, происходящих во Вселенной. Они состоят главным образом из протонов (приблизительно три четверти от общего числа ядер) и электронов, но включают также ядра более тяжелых химических элементов (азота, кислорода, магния, кремния, железа и т. д.), а также фотоны и нейтроны. В их состав, возможно, входит также загадочная темная материя. Космические лучи умеренно высокой энергии (до сотен тераэлектронвольт 1)) зарегистрированы приборами на спутниках и воздушных шарах. Для частиц космических лучей более высокой энергии приемником служит сама атмосфера Земли, поскольку при их входе образуются частицы вторичного происхождения — обширные атмосферные ливни, регистрируемые на поверхности Земли главным образом на горных обсерваториях. Количество частиц космических лучей обратно пропорционально их энергии: чем выше энергия, тем меньше число частиц, но при этом больше доля тяжелых ядер в их составе. 1) 1 ТэВ (один тераэлектронвольт) равен 1012 эВ; 1 ЭэВ (эксаэлектронвольт) равен 1018 эВ.
456
Гл. 10. Структура Вселенной
Рис. 10.8. Удивительное изображение Магеллановых Облаков, ближайшей к Земле карликовой галактике. Ее образуют Большое и Малое Магеллановы Облака, которые в 10 миллиардов раз больше нашего Солнца и находятся от нас на расстоянии, соответственно, 160 000 и 200 000 световых лет. Большое Облако — коричневое пятно в центре изображения, Малое — внизу слева. Их фоном являются частицы пыли, ориентированные в направлении межзвездных магнитных полей различной ориентации, что создает наблюдаемую волокнистую структуру и величественную картину, напоминающую полотна импрессионистов. Изображение получено спутником «Планк». (С разрешения ESA)
Происхождение галактических космических лучей в диапазоне энергий от миллионов тераэлектронвольт ( 1 ЭэВ) связано с процессами, происходящими как в нашей Галактике, так и в других галактиках (в Метагалактике). Наиболее вероятными являются механизмы ускорения заряженных частиц в электромагнитных полях вблизи черных дыр, в активных галактических ядрах и в мощных электрических полях на остатках относительно молодых сверхновых звезд, хотя ни один из этих механизмов не был пока подтвержден экспериментально. Существующие гипотезы проверить трудно, в частности, идентифицировать реальный источник космических лучей, поскольку частицы высоких энергий удерживаются галактическими магнитными полями, которые искажают их траектории. Теория предсказывает обрыв в спектре космических лучей за пределом огромной энергии, приблизительно 100 ЭэВ (1020 эВ). Еще менее ясными остаются распределение и состав (зависимость массы от энергии) в источниках частиц сверхвысоких энергий. Изучение природы таких частиц предполагается проводить с использованием нескольких тысяч детекторов черенковского
Иерархия структур
457
излучения 1), распределенных на площади 3 тыс. км2 на обсерватории Пьера Оже (Pierre Auger Observatory) в Аргентине. Особый интерес представляют исследования фотонов и нейтрино сверхвысоких энергий, которые являются результатом не только ускорения, но также взаимодействия частиц космических лучей с излучением космического микроволнового фона — реликтовым излучением (см. гл. 11). Такие нейтрино с энергиями до 1000 ТэВ были сравнительно недавно обнаружены в экспериментах на обсерватории «Ледяной куб» (IceCube) в Антарктиде. Подобные и еще более сложные эксперименты готовятся в настоящее время на некоторых других обсерваториях, в частности, в рамках проекта АТА («Антенная решетка Аллена») в США. Несомненно, дальнейшее изучение галактических космических лучей будет способствовать более полному пониманию физических процессов, происходящих в космических ускорителях, механизмов взаимодействия энергичных частиц с межзвездной средой и магнитными полями, а также распределения электронной плотности в различных частях Галактики. Это, возможно, поможет также понять природу темной материи и квантовую теорию гравитации.
Иерархия структур С ростом пространственных размеров, доступных наблюдению, обнаруживается интересная особенность Вселенной — непрерывно возрастающая иерархия структур, отражающая вполне определенную упорядоченность ее строения. Галактики находятся между собой во взаимосвязи и образуют скопления прогрессивно возрастающих размеров, что дает убедительные свидетельства поразительной самоорганизации материи во Вселенной. Скопления колеблются от пар и несвязанных групп до гигантских галактических кластеров, формирующих фрактальную иерархию структур. Гигантские кластеры представляют собой крупные скопления, насчитывающие тысячи галактик, связанных гравитационным взаимодействием и испытывающих быстрый рост из-за процесса, называемого инфляцией (см. гл. 11). Согласно теореме о вириале 2), каждый член галактики имеет достаточно низкую 1) Черенковское излучение (точнее эффект Вавилова–Черенкова) — свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. 2) Теорема о вириале (от латинского viris — энергия) связывает среднюю по времени полную кинетическую энергию стабильной механической системы, частиц (в данном случае, галактик) в ограниченной обласостоящей из сти пространства, с общей потенциальной (гравитационной) энергией системы и позволяет тем самым связать кинетическую энергию системы с ее массой. Это определение было введено Рудольфом Клаузиусом в 1870 г. как следствие уравнений движения механической системы.
458
Гл. 10. Структура Вселенной
кинетическую энергию, чтобы избежать убегания. Теоретически было найдено, что одиночных галактик, не имевших за последний миллиард лет существенного взаимодействия с другой галактикой сопоставимой массы, мало. Полагают, что только приблизительно 5 % наблюдаемых галактик являются действительно изолированными, но они, возможно, взаимодействовали с другими галактиками в прошлом, и на их орбитах могут еще находиться галактики-спутники меньшего размера. Заметим, что в изолированных галактиках могут более интенсивно, чем в обычных галактиках, рождаться звезды, поскольку их газ и пыль не отбираются другими близлежащими галактиками. Ближайшее окружение Солнца в пределах 1500 световых лет, внутри которого находятся молекулярные облака и полости с низкой и высокой плотностью газа в межзвездной среде, включая области горячего ионизованного газа, показаны на рис. 10.9. Оно составляет лишь небольшую область нашей Галактики, которая является членом Местной группы из почти двадцати других галактик, включая
Рис. 10.9. Ближайшее окружение Солнца в пределах 1500 световых лет. Видны молекулярные облака высокой плотности (оранжевый); содержащие горячий ионизированный газ (голубой); полости с низкой плотностью газа в межзвездной среде (черный); молекулярный газ низкой плотности в спиральном рукаве (серый). Показано направление движения Солнца вокруг Галактического центра (к апексу). (С любезного разрешения Смитсонианской астрофизической обсерватории)
Иерархия структур
459
Андромеду, Магеллановы Облака и много их карликовых компаньонов. Окрестности Млечного Пути относительно галактического центра по результатам наблюдений в микроволновом спектре с космического аппарата «Планк» показаны на рис. 10.10. Местная группа (галактичесий кластер) образует диск диаметром 100 млн световых лет, или около 30 Мпк. Другим примером является группа галактик, известная как
Рис. 10.10. Вселенная в окрестности Млечного Пути по результатам наблюдений всего неба в микроволновом спектре в течение одного года с космического аппарата «Планк». Кружками выделено положение наиболее известных галактик относительно Галактического центра. (С любезного разрешения ESA)
компактная группа Хиксон 44 (NGC 3190), расположенная на расстоянии от нас приблизительно 60 млн световых лет в созвездии Льва и содержащая несколько спиральных и эллиптических галактик, как показано на рис. 10.11. Некоторые скопления, содержащие более тысячи галактик, могут быть в сотни раз массивнее Млечного Пути. Они образуют сверхскопления (суперкластеры). Местная группа галактик, к которой мы принадлежим, по космическим масштабам является сравнительно небольшой. Она представляет собой часть облакоподобной структуры внутри сверхскопления Девы — протяженной структуры групп и кластеров галактик с доминирующим галактическим кластером в центре. Часть скопления расположена в созвездии Девы, а часть — в созвездии Волосы Вероники 1). Суперкластер Девы находится от нас на расстоянии 1)
Наблюдения астрономов Гавайской обсерватории указывают на то, что Местная группа галатик принадлежит более крупному (примерно в 100 раз по объему и массе) суперкластеру, получившему название Laniakea — в переводе с гавайского «неизмеримые небеса».
460
Гл. 10. Структура Вселенной
Рис. 10.11. Местная группа галактик Хиксон 44 (Hickson 44), содержащая более 30 галактик. (С любезного разрешения NASA)
приблизительно 64 миллиона световых лет ( 20 Мпк) и содержит около 2 500 галактик (рис. 10.12). У ряда подобных массивных структур (например таких, как Fornax cluster, NGC 1399) обнаружены протяженные галактические гало внутри кластера, на образование которого, вероятно, оказала сильное влияние диффузная компонента, включающая излучение ICL (intracluster light), в самую раннюю эпоху формирования кластера. Этот эффект мог быть сопоставимым с тесным взаимодействием и поглощением галактик. Галактические кластеры и суперкластеры, находящиеся в окружающей Вселенной, показаны на рис. 10.13.
Рис. 10.12. Сверхскопление галактик Девы (Virgo), находящееся от нас на расстоянии приблизительно 64 миллиона световых лет и содержащее приблизительно 2 500 галактик. (С любезного разрешения Смитсонианской астрофизической обсерватории (SАО) и NASA)
Иерархия структур
461
Рис. 10.13. Скопление галактик на расстоянии 7,7 млрд св. лет. Фотоснимок получен с помощью широкоугольного инфракрасного космического телескопа WISE (NASA). Cлева — изображение всей области, справа — центральной части в виде композиции данных в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, полученных на телескопе WIYN на обсерватории Китт-Пик в Аризоне и японском телескопе Subaru на Гавайях. Красные галактики на правом снимке являются частью скопления, в то время как кружками выделены галактики, найденные WISE, по которым было выявлено скопление. Данное галактическое скопление является первым из тысяч ожидаемых скоплений, которые будут обнаружены с помощью космического телескопа WISE. (С любезного разрешения NASA / JPL-Caltech / UCLA / WIYN / Subaru)
Как видим, в то время как кластеры содержат десятки галактик и их средние размеры 3 Мпк (что приблизительно в 100 раз превышает размер нашей Галактики), некоторые суперкластеры содержат сотни кластеров, или десятки тысяч галактик. Типичный размер суперкластера в 20–30 раз превышает размер галактического кластера, что составляет около 300 млн световых лет ( 100 Мпк). Внутри суперкластера галактики образуют вытянутые полосы и нити (sheets and filaments) вокруг обширных пустых пространств (voids). В масштабах вне пределов этих образований Вселенная считается одинаковой во всех направлениях — изотропной и однородной (см. гл. 11). Отметим, что галактические кластеры и суперкластеры, возникшие в ранней Вселенной и находящиеся очень далеко от нас, трудно наблюдать при помощи наземных оптических телескопов в видимом диапазоне длин волн, так как свет, испускаемый этими далекими источниками смещается в более длинноволновую (инфракрасную) область спектра из-за расширяющегося пространства Вселенной (см. гл. 11). Наиболее подходящим для наблюдения таких структур оказался космический инфракрасный телескоп NASA, установленный на спутнике WISE
462
Гл. 10. Структура Вселенной
(Wide-field Infrared Survey Explorer — «Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь»). Пример обнаруженного WISE крупного галактического кластера, расположенного от нас на расстоянии 7,7 млрд св. лет, показан на рис. 10.13. Кластеры и суперкластеры галактик можно также обнаружить, используя наблюдения космического микроволнового фона (см. гл. 11), на котором галактики, и галактические кластеры, содержащие горячий газ с температурой, значительно превышающей солнечную (107 К) и видимые только в рентгеновском диапазоне длин волн, выглядят как специфические дыры. Проходя через них, микроволновое излучение приобретает дополнительную энергию и изменяет интенсивность из-за обратного комптоновского рассеяния на горячих электронах межзвездного и межгалактического газа. Это так называемый эффект Сюняева–Зельдовича, который широко используется при изучении структуры Вселенной. Важную информацию о структуре Вселенной позволяют также получить наблюдения в других диапазонах длин волн. Характер распределения галактических кластеров в суперкластере на основе данных, полученных в радиодиапазоне, показан на рис. 10.14.
Рис. 10.14. Галактический суперкластер, наблюдаемый в диапазоне радиоволн. (С любезного разрешения NASA)
Изображение глубоких областей Вселенной по наблюдениям космического телескопа «Хаббл» (HST) — так называемое «ультраглубокое поле Хаббла» — показано на рис. 10.15. «Хаббл» дал возможность проникнуть до расстояния, эквивалентного приблизительно пяти миллиардам световых лет, что немногим более трети расстояния 13,8 млрд лет, отвечающего возрасту Вселенной — моменту Большого Взрыва (гл. 11), с которым ассоциируют ее наблюдаемую границу. Образование первых галактик началось 1–2 млрд лет спустя и продолжалось на протяжении последующих миллиардов лет. Областей пространства, отстоящих
Иерархия структур
463
Рис. 10.15. Изображение глубин Вселенной, полученное космическим телескопом «Хаббл». (С любезного разрешения Института телескопа «Хаббл» и NASA)
от момента Большого Взрыва всего на несколько сот тысяч километров, достигли наблюдения, проведенные на спутниках COBE (Cosmic Background Explorer), WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) и наиболее полно на спутнике «Планк». Во Вселенной, как мы видели, содержится свыше 100 миллиардов галактик, объединенных в кластеры и суперкластеры, а ее размер равен примерно 30 расстояниям между суперкластерами, что составляет более 10 миллиардов световых лет ( 4 Гпк). Эта величина близка к приведенному выше возрасту Вселенной. Можно предполагать, что в формирование таких структур значительный вклад вносит распределение темной материи (см. гл. 11), удерживающей вместе с ней галактики в непрерывно расширяющейся Вселенной. Ее крупномасштабная структура и распределение предполагаемой темной материи в галактических кластерах исследуются с низкой околоземной орбиты при помощи японского космического рентгеновского телескопа (проект ASTRO-H, который до запуска назывался NeXT — New X-ray Telescope). Важная роль отводится трехмерному картированию распределения в Метагалактике многих миллиардов астрономических объектов с использованием космического телескопа Gaia (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics) Европейского космического агентства. Неоднородное распределение суперкластеров, свидетельствующее о вполне определенной упорядоченности в распределении материи во Вселенной, стало одним из наиболее впечатляющих открытий в астрофизике последних десятилетий. Это подтверждают результаты наблюдений (рис. 10.16) и математического моделирования (рис. 10.17). Удивительно, что такое неоднородное распределение формирует, в конечном итоге, более или менее четко организованные структуры.
464
Гл. 10. Структура Вселенной
Рис. 10.16. Сверхскопления галактик, неоднородно распределенные во Вселенной. (С любезного разрешения Смитсонианской астрофизической обсерватории (SАО) и NASA)
Рис. 10.17. Моделирование крупномасштабной структуры космоса. Изображение охватывает в поперечнике приблизительно 400 миллионов световых лет. (Источник: Википедия)
Результатом является то, что крупномасштабная трехмерная структура — гигантская «космическая паутина» — состоит из нитей (filaments), в пересечениях которых находятся плотные комки видимой материи — сверхскопления галактик и отдельные галактики, разделенные пустым пространством (рис. 10.18). Их называют, соответственно, стенами (Walls) и пустотами (Voids). Кластеры галактик, расположенные в узлах между стенами, являются самыми крупными видимыми структурами. Их считают остатками ранней Вселенной, образованными в результате квантовых флуктуаций изначальной плотности и проявляющихся
Иерархия структур
465
Рис. 10.18. Крупномасштабная структура Вселенной — космическая паутина, состоящая из суперкластеров, распределенных в виде гигантских нитей — стен и «свободного» пространства между ними — пустот. Стены являются самыми крупными наблюдаемыми структурами, представляющими собой «отголоски» образования Вселенной. (С любезного разрешения Смитсонианской астрофизической обсерватории (SАО) и NASA)
в виде их слабых отпечатков — «акустических волн». Эти структуры, непосредственно связанные c темной энергией, ответственной за происходящее с ускорением расширение Вселенной, были обнаружены при исследованиях «микроволнового эха» (afterglow) Вселенной на спутниках COBE, WMAP и Planck (см. гл. 11). Подтверждением такого сценария служит также 3D-картирование галактик и галактических кластеров приблизительно 1/4 части неба в рамках программы спектроскопического обзора барионных осцилляций BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey). На изображении, приведенном на рис. 10.19 а, охватывающем примерно 1/4 часть неба, что составляет сегмент размером 650 куб. млрд св. лет, находится рекордное число 1,2 миллиона галактик! Другими словами, каждая точка — это не звезда, а галактика, а их близкие совокупности — скопления и сверхскопления в виде стен и пустот! Трехмерность изображения обеспечивается измеренными значениями расстояний до галактик по величине красного смещения, которому соответствуют различные условные цвета точек. Перспективное изображение сегмента размером 1000 кв. град., содержащее около 120 000 галактик, показано на рис. 10.19 б. Оно отражает образование галактик и галактических кластеров, происходившее в основном на промежутке от 12 до 7 млрд лет после рождения Вселенной. Одной из интригующих проблем при изучении крупномасштабной структуры Вселенной, с которой связывают понимание процесса
466
Гл. 10. Структура Вселенной
Рис. 10.19. а — трехмерная карта приблизительно 1/4 части неба — сегмент размером 650 куб. млрд св. лет, в котором находится 1,2 миллиона галактик и галактических кластеров. Изображение получено путем систематизации данных наблюдений в рамках программы Спектроскопического обзора барионных осцилляций BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), которая, в свою очередь, является разделом Слоановского цифрового обзора неба SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey III), целью которого является изучение слабых отпечатков «акустических волн» на фоновом микроволновом излучении (CMB) — Big Bang afterglow, см. гл. 11 (с любезного разрешения Daniel Eisenstein и SDSS-III); б — перспективное изображение сегмента размером 1000 кв. град., содержащее около 120 000 галактик. Оно отражает образование галактик и галактических кластеров в период от 12 до 7 млрд лет после рождения Вселенной. (С любезного разрешения Jeremy Tinker и SDSS-III)
образования галактик и эволюции всей космической структуры, является так называемый эффект кажущегося «исчезновения» барионной материи. Дело в том, что, как показывали астрономические наблюдения, галактики содержат в себе в общей сложности лишь половину от общей массы Вселенной. До недавнего времени предполагалось, что недостающая материя может находиться между галактиками в виде вещества, названного «горяче-теплая межгалактическая среда» (WHIM). Между тем, совсем недавно удалось впервые заглянуть в нити космической паутины соединяющей все скопления галактик во Вселенной, благодаря наблюдениям при помощи орбитального телескопа XMM-Newton
Рис. 10.20. Галактические скопления и сверхскопления относительно центра Млечного Пути. (Согласно Википедия и http://spacegid.com/)
Иерархия структур 467
468
Гл. 10. Структура Вселенной
за скоплением галактик Abell 2744, известным как «скопление Пандоры». В нем содержится несколько групп галактик и крупных облаков газа, разогретого до нескольких миллионов градусов и светящихся в рентгеновском диапазоне, что позволяет разглядеть даже ту материю, которая остается холодной и темной в других скоплениях. Оказалось, что нити, соединяющие плотные комки видимой материи — галактические кластеры, находящиеся в их пересечениях, — состоят почти целиком из темной материи 1), но, подобно галактическим кластерам, содержат также большую часть недостающей видимой материи Вселенной. Другими словами, структура космической паутины складывается из галактик, состоящих из видимой материи, и обволакивающей их темной материи, которые образуют галактические кластеры и суперкластеры, и соединяющих их нитей, состоящих примерно на 90–95 % из темной материи и на 5–10 % из видимой материи, что составляет, однако, почти половину видимой материи Вселенной ( 2,5 % от ее общей массы). Современные представления о крупномасштабной структуре Вселенной в виде трехмерной карты скоплений и сверхскоплений галактик показаны на рис. 10.20. Цвет галактик отражает величину красного смещения, отвечающего скорости их убегания, и тем самым характеризует динамику расширяющейся Вселенной. Мы вернемся к обсуждению этих проблем в гл. 11.
Образование и динамика галактик Образование галактик и галактических скоплений можно объяснить, основываясь на современных представлениях о расширяющейся Вселенной и общей теории относительности Эйнштейна. Этот процесс предположительно начался почти одновременно во всей Вселенной спустя несколько сот миллионов лет после ее возникновения. Галактики, вероятно, сформировались в областях темной материи путем агрегации массы из субгалактических гало и последующего коллапса самогравитирующих объектов вследствие развития гравитационной неустойчивости при росте квантовых флуктуаций на самой ранней стадии инфляции. Очевидно, в этот процесс были вовлечены внутренние источники выделения энергии, связанные с диссипативными газодинамическими процессами, с нагреванием ударными волнами при взрывах сверхновых и с аккрецией вещества на сверхмассивные черные дыры. В дальнейшем протогалактики росли путем присоединения меньших сгустков или объединения с гало сопоставимых размеров. На этой стадии должно было происходить интенсивное охлаждение газа путем излучения, 1) Как будет показано в гл. 11, доля обычной материи во Вселенной, которая доступна наблюдениям, составляет не больше 5 %, а все остальное приходится на долю темной материи (22–26 %) и темной энергии (68–73 %).
Образование и динамика галактик
469
сопровождаемое эмиссией рентгеновских лучей, процессами рекомбинации и столкновительного возбуждения эмиссионных линий К этому же периоду ранней Вселенной, вероятно, относится перераспределение углового момента системы, формирование газового галактического диска и начало формирования звезд. Наблюдения галактических кластеров и суперкластеров с массами до сотен триллионов солнечных масс, их космических корреляций и красных смещений служат основой для понимания структуры и эволюции Вселенной и вносят вклад в прогресс современной космологии. Полагают, что приблизительно 70–80 % массы в скоплении находится в форме темной материи, а 20–30 % составляет приток очень горячего (сотни миллионов градусов) газа. Его приток сопровождается продолжающимися процессами слияния галактик меньшего размера, что приводит к образованию более крупных кластеров и уменьшению в нем числа галактик. Таким образом, только несколько процентов вещества галактик находится в форме барионной материи 1). Среднее расстояние между галактиками внутри скопления примерно на порядок величины больше, чем их собственный размер и, следовательно, взаимное притяжение и приливные взаимодействия между галактиками, также как и некоторый обмен газом и пылью, могут играть важную роль в их эволюции. Более драматические события происходят, когда две галактики сталкиваются друг с другом. Большей частью они обладают достаточно большим относительным моментом количества движения, чтобы не слиться, а сами они сильно разреженные, так что столкновения звезд обычно не происходит (говорят, что такие разреженные галактики «не замечают» такого прохождения). Однако при столкновениях более плотных галактик наиболее существенным является взаимодействие облаков газа и пыли в межзвездной галактической среде, при котором может происходить как разрушение, так и сжатие облаков. Это вызывает всплески образования звезд и серьезное искажение формы одной или обеих галактик, с образованием перемычек, колец или структур, подобных хвосту. В предельном случае взаимодействия происходит постепенное слияние галактик, которое заканчивается формированием отдельной более крупной галактики. Очевидно, морфология новой галактики значительно изменяется по сравнению морфологией первоначальных галактик, но имеются случаи, когда при слиянии большая из галактик становится гораздо массивней, оставаясь относительно неизмененной по форме, в то время как меньшая галактика разрывается на части. Такой сценарий известен, как галактический каннибализм. Взаимодействия и столкновения существенно влияют на эволюцию галактик. 1) Барионной называют обычную материю, состоящую из барионов — нейтронов, протонов и электронов.
470
Гл. 10. Структура Вселенной
В механизме формирования структур и динамики галактик прослеживается комбинация порядка и хаоса. В семействе галактических орбит присутствуют эпициклические, резонансные и нерезонансные орбиты внутри и вне областей совместного вращения (коротации), а также коротко- и долгопериодические орбиты, наряду с непериодическими и исчезающими (уходящими в бесконечность) орбитами. В плоскости симметрии галактик выделяются плоские кольца, ударные волны и вихри циклоническо-антициклонического типа. Наряду с этим, из плоских орбит возникают неустойчивые хаотические орбиты, которые обычно не комбинируются с непериодическими орбитами. Они могут появляться в результате многократных бифуркаций вдоль вертикальной оси и непосредственно связаны с различными резонансами. Взаимодействие резонансов, вызванное возмущающей силой большой амплитуды, может приводить к хаотическому движению. Заметим, что для рукавов спиральных галактик характерно распространение нелинейных волн плотности, воздействующих, как следует из теории спиральных волн плотности, на периодические орбиты. Такие взаимодействия, очевидно, могли иметь место на самой ранней стадии формирования звездных систем и приводить к упорядочению в структуре материи во Вселенной в процессе эволюции. К появлению новых структур приводят и обсуждавшиеся выше тесные взаимодействия и столкновения галактик. Следует подчеркнуть различие между звездной динамикой и статистической физикой и неприменимость концепции термодинамического равновесия к любой самогравитирующей (звездной) системе. В то время как существует тенденция к установлению равновесия в термодинамической системе, такого процесса не происходит в самогравитирующей системе с центром плотности. Другими словами, в отличие от самой звезды, удовлетворяющей условию теплового равновесия при определенной температуре на каждом ее внутреннем уровне, звезды в звездной системе (галактике) движутся с постоянной энергией в широком диапазоне расстояний от гравитационного центра, и распределение звездных скоростей на данном (галактическом) радиусе не является температурной характеристикой. Независимо от конкретной конфигурации звездной системы ее энтропия растет за счет передачи энергии от центральной плотной области до гораздо более разреженной внешней области.
Г л а в а 11.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
И СУДЬБА ВСЕЛЕННОЙ
Краткая история Проблемы происхождения, эволюции и, в конечном итоге, судьбы Вселенной относятся к разделу астрофизики, называемому космологией. Истоки космологии связаны с именами многих выдающихся ученых. Первые попытки понять устройство мира восходят к эллинистической школе древних греков и наиболее глубоким идеям Аристотеля. В его фундаментальной «Метафизике» он наиболее полно развил физическую космологию вращающихся небесных сфер, основанную на планетной теории ученика Платона Евдокса. Следуя этой концепции, он полагал, что неподвижные звезды и планеты закреплены во взаимосвязанных сферах с шарообразной Землей в центре Вселенной и что планеты движутся вдоль семи концентрических сфер через почти пустое пространство. Эта концепция была позже развита в эпициклах Птолемея и сохранялась практически неизменной в течение почти пятнадцати столетий, хотя была немного подправлена христианскими и исламскими теологическими философами. Лишь в XVI веке Николай Коперник совершил революцию в теории мироздания, создав вместо геоцентрической гелиоцентрическую систему мира. Важный шаг в развитии космологии был сделан выдающимся ученым Исааком Ньютоном, который в своем труде «Принципы» (Principia) сформулировал законы движения тел и закон всемирного тяготения. Они доминировали во взглядах ученых о Вселенной в течение следующих трех столетий. Закон всемирного тяготения Ньютона поставил умозрительные представления на строгую научную основу и проложил путь к дальнейшим исследованиям. Ньютон показал, что движения небесных тел и объектов на Земле подчиняются одним и тем же физическим принципам, а выведенные Кеплером законы движения планет вместе с математической теорией гравитации полностью подтвердили гелиоцентрическую теорию. Основные теоретические принципы Ньютона были значительно развиты другим выдающимся ученым Альбертом Эйнштейном, который революционизировал прежнее представление о мире, заложив основы современной физики и космологии. Он развил специальную и общую теории относительности (ОТО), применив последнюю к моделированию структуры Вселенной как целого. Эйнштейн показал, что свойства физической Вселенной могут изменяться в зависимости от движения, и описал гравитацию как сущность, обусловленную не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, вызываемой как массой,
472
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
так и энергией. Выведенные им уравнения устанавливают связь кривизны пространства-времени с присутствующей в нем материей. Такая связь была подтверждена экспериментально. Пытаясь согласовать общую теорию относительности с его взглядом на Вселенную, как статическую, вечную и неизменную, он ввел гипотетическую космологическую константу, которая, как впоследствии оказалось, находится в соответствии с современным представлением о расширяющейся Вселенной. Мечта Эйнштейна об объединении фундаментальных законов физики с гравитацией (Великое объединение) служит мотивацией современных исследований на ряде современных передовых направлений физики, таких как теория струн, где геометрические поля возникают в объединенном квантово-механическом окружении. В двадцатых годах прошлого столетия Александр Фридман впервые оспорил представления Эйнштейна о статической Вселенной и, основываясь на своем решении уравнений общей теории относительности Эйнштейна, показал, что Вселенная является расширяющейся, предсказав красное смещение галактик. Это предсказание было вскоре успешно подтверждено тщательными наблюдениями Эдвина Хаббла. Открытое им убегание галактик показало, что Вселенная действительно не статична, а динамична. Жоржем Леметром была предложена и теоретически обоснована идея происхождения Вселенной из взорвавшейся точки громадной плотности и температуры, позже названная
Рис. 11.1. Галерея выдающихся космологов
473
Основы космологии
Большим Взрывом (Big Bang). Концепция первоначального расширения Вселенной из точки была позже поддержана Георгием Гамовым, который предсказал наличие в космосе микроволнового излучения как оставшегося следа Большого Взрыва. В свою очередь, Фред Хойл развил теорию нуклеосинтеза, согласно которой этот процесс связан с происхождением химических элементов. Современная концепция модели Большого Взрыва включает, в качестве его ключевой составляющей, квантовую теорию суперинфляции, предложенную Алексеем Старобинским и усовершенствованную Аланом Гутом и Андреем Линде. Основная концепция инфляционной модели является сейчас общепризнанной. Это позволило найти лучший подход к решению многих космологических проблем и, в частности, усовершенствовать модель Большого Взрыва. Галерея выдающихся космологов показана на рис. 11.1.
Основы космологии Мы рассмотрим, прежде всего, основные подходы, на которые опираются исследователи при изучении фундаментальной проблемы генезиса окружающего нас мира, и вероятные сценарии эволюционных процессов, которые привели к наблюдаемым особенностям строения Вселенной. Закон Хаббла. В 1929 г. Эдвин Хаббл обнаружил, что все галактики удаляются от нас со скоростью, которая пропорциональна расстоянию до них. Это явление было названо в честь его первооткрывателя законом Хаббла. Линейное расширение Вселенной за время ее существования было найдено методом доплеровского смещения в спектральных линиях излучения, испускаемого галактиками. Согласно этому явлению, хорошо известному из школьных уроков физики, если источник света или звука движется относительно наблюдателя, то наблюдатель будет видеть изменение длины волны света (звука) % относительно эталонной длины волны %0 (рис. 11.2). В оптике движение от наблюдателя вызывает увеличение длины волны (красное смещение), движение к наблюдателю вызывает уменьшение длины волны (синее смещение). Величина отношения волнового смещения 0% к длине волны % пропорциональна скорости источника * относительно скорости света (:
4 В нерелятивистском случае (*
4
():
&
'
0 0
&
'
474
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
Рис. 11.2. Иллюстрация доплеровского сдвига частоты электромагнитных колебаний. В случае стационарного источника света (слева) сдвига волнового фронта (и, соответственно, спектральных линий ) не происходит; в случае нестационарного источника света (справа) наблюдатель А, от которого источник удаляется, видит красное смещение, а наблюдатель Б, к которому источник приближается, — синее. (Согласно G. Fazio)
В релятивистском случае (*
4
() 1):
1 & ' 1 2 1
1 & ' 1 2
Как видим, по величине 4 легко определить лучевую скорость источника * . Из наблюдений световых спектральных линий, испускаемых галактиками, Хаббл нашел, что удаленные галактики показывают большее красное смещение, и таким образом они убегают быстрее, чем более близкие. Это похоже на то, что длина волны света, испускаемого далекими галактиками, «растягивается», и чем быстрее движется галактика, тем больше красное смещение. Аналогично, самые старые галактики показывают наибольшее красное смещение. Заметим, что в теории относительности доплеровское красное смещение рассматривается 1)
Релятивистскими называют движения, происходящие при скоростях, близких к скорости света. Такие движения описываются специальной теорией относительности Эйнштейна (СТО), учитывающей, в отличие от классической механики Ньютона, пространственные и временные характеристики движения в зависимости от скорости, причем максимально возможной является скорость света в вакууме.
475
Основы космологии
как результат замедления течения времени в движущейся системе отсчета. Динамическое удаление галактик друг от друга, и в частности, от нашей Галактики, означает расширение Метагалактики, ее нестационарность. Его называют космологическим красным смещением. Астрономы измеряют убегание галактик величиной 4 : чем больше 4 , тем быстрее удаляется галактика. При смещениях 4 2 скорость * 0,8( 240 000 км/с, и при таких скоростях начинают сказываться специфические космологические эффекты — нестационарность и кривизна пространства-времени. Объекты, которые находятся от нас сравнительно недалеко, имеют 4 10. Так, например, если говорят, что объект расположен на 4 0,3, то это означает, что он находится от нас на расстоянии около 3,5 млрд св. лет, а если на 4 3, то на расстоянии 11,2 млрд св. лет. У обнаруженных далеких сверхновых типа Ia красное смещение 4 2, а у удаленных квазаров оно может достигать 4 6. Исходя из общей теории относительности, в некоторый фиксированный момент времени в прошлом (условного начала отсчета времени 5 0) красное смещение испущенного в этот момент света 4 , хотя на самом деле Вселенная на этом этапе была очень плотной и непрозрачной для излучения. Наблюдаемое в настоящее время фоновое микроволновое излучение СМВ (см. ниже) было испущено в момент, отвечающий началу эпохи рекомбинации с 4 1000. Скорость галактики * в зависимости от расстояния определяется следующим простым соотношением:
*
30 ,
которое означает, что Вселенная расширяется. Это отношение включает коэффициент пропорциональности 30 , нормализованный на один мегапарсек (Mпк). Величина 30 называется постоянной Хаббла (рис. 11.3) 1). Наиболее точное значение, соответствующее наблюдениям на КА «Планк», составляет 30 72,8 2,4 км/(с Мпк). Обратная величина 1 30 называется временем Хаббла и определяет средний возраст Вселенной как 1 30 13,7 млрд лет. Закон Хаббла лежит в основе так называемого космогологического принципа, согласно которому наблюдатель, где бы он или она не находились в космосе, видят Вселенную однородной и изотропной во всех направлениях. Большой Взрыв и микроволновое фоновое излучение. Открытие Хаббла поставило перед исследователями очень важные вопросы. Прежде всего, так как галактики разбегаются друг от друга и чем 1)
Предложено определение постоянной Хаббла, исходя из космологического красного смещения, выраженного в квантовой форме. Ему отвечает уменьшение частоты фотона при каждом колебании электромагнитной волны на квантовую величину, равную постоянной Хаббла 0 , где 0 — квант красного смещения. Так как со временем период колебаний увеличивается, длина волны растет экспоненциально.
&
476
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
Рис. 11.3. Диаграмма, поясняющая значение константы Хаббла 0 . По горизонтальной оси — расстояние до галактик (в 0 , по вертикальной — скорость убегания (км/с). Наклон прямой соответствует значению 0 (скорость, нормированная на Mпк). Фактическая величина согласно современным данным равна 72,8 2,4 км с 1 Mпк 1 . (Согласно G. Fazio и результатам «Планка», 0 ESA)
дальше от нас, тем быстрее, демонстрируя необратимое расширение Вселенной, откуда и когда началось это расширение? Насколько галактики были ближе друг к другу в прошлом? И поэтому, можно ли, отсчитывая время назад, допустить, что ранее вся Вселенная была сжата в один невероятно плотный источник? Такое экстраординарное сжатие, обусловленное гравитацией, означало бы тогда, что вся материя во Вселенной была первоначально сосредоточена в точке почти чистой энергии и огромной температуры, которая постепенно уменьшалась по мере расширения. Можно также предполагать, что расширение оставило после себя своего рода «послесвечение» во всем пространстве, как это предсказывал Георгий Гамов. Такое излучение было действительно обнаружено в 1965 г. по счастливой случайности американскими физиками Арно Алланом Пензиасом и Робертом Вудро Уилсоном, изучавшими природу шумов в радиодиапазоне, создающих помехи для радиосвязи. Авторы, удостоенные за это открытие в 1978 г. Нобелевской премии по физике, пришли к выводу, что это фоновый шум, источник которого имеет внегалатическое происхождение. Это излучение с максимумом на частоте 160,4 ГГц, (что соответствует длине волны 1,9 мм) было названо космическим микроволновым фоновым излучением (Cosmic
477
Основы космологии
Microwave Background, CMB) 1). Оно имеет температуру 2,725 K и заполняет почти однородно всю Вселенную. Поэтому его отождествляют с остатком Большого Взрыва, начальная громадная температура в котором уменьшилась до температуры CMB за миллиарды лет почти адиабатического расширения Вселенной. Поставленные вопросы напрямую связаны с фундаментальной проблемой происхождения Вселенной, с историей возникновения и эволюции мира, в котором мы живем. Гипотеза Большого Взрыва в целом подтверждается данными доступных к настоящему времени наблюдений, основанная на ней теория достаточно хорошо объясняет этапы и различные особенности развития и современного состояния Вселенной. Действительно, согласно теории Большого Взрыва Вселенная возникла 13,7 млрд лет назад из точки бесконечно высокой температуры и плотности. После начального расширения она продолжала расширяться и охлаждаться. Доказательствами, поддерживающими теорию Большого Взрыва, служат наблюдаемое продолжающееся расширение Вселенной согласно закону Хаббла, микроволновое фоновое излучение CMB как «эхо» этого взрыва, а также существующая распространенность легких элементов (водорода, дейтерия, гелия и лития), которые были синтезированы первыми вскоре после взрыва. Однако из-за недостатка знаний о такой специфический субатомный точке, как ранняя Вселенная, до Большого Взрыва мы вынуждены ассоциировать ее с сингулярностью — особой областью с бесконечными кривизной пространства и электрическим полем, к которой известные нам законы физики неприменимы 2). Физика процессов неясна до момента 10 43 с — планковского времени 3). Наряду с такой особенностью, современная космология постулирует также, что расширение молодой Вселенной из точки немедленно (по существу мгновенно) повлекло за собой стадию суперинфляции, механизм которой также труден для понимания. Мы вернемся к этому вопросу немного позже. Космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) было впервые измерено на космических аппаратах (рис. 11.4) — спутнике COBE 1)
Выдающийся российский астрофизик И. С. Шкловский назвал CMB реликтовым излучением. 2) В математике сингулярностью называют точку, в которой функция стремится к бесконечности или имеет иные особенности поведения. Выдающийся физик Стивен Хоукинг в статье «Краткая история времени. От Большого Взрыва до черных дыр» заметил: «В точке Большого Взрыва и в других сингулярностях нарушаются все законы, а потому за Богом сохраняется полная свобода в выборе того, что происходило в сингулярностях и каким было начало Вселенной». 3) Планковское время ( P ) — единица в планковской системе единиц, составленная из произведения фундаментальных констант в соответствующих степенях и имеющая размерность времени. Это время, за которое частица, двигаясь со скоростью света, преодолеет планковскую длину P .
(
478
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
Рис. 11.4. Космические аппараты для исследования микроволнового излучения (CMB): а — COBE (Cosmic Background Explorer); б — WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe); в — «Планк»
(Cosmic Background Explorer, NASA) в 1992 г., затем на спутнике WMAP (Wilkinson Anisotropic Probe, NASA) в 2001 г. и с наилучшим достигнутым разрешением на спутнике ESA «Планк» (Planck), запущенном в мае 2009 г. 1). Эти наблюдения позволили проникнуть в состояние молодой Вселенной до времени приблизительно 380 000 лет после Большого Взрыва (рис. 11.5). Точность измеренной однородности и изотропии излучения составила 10 5 , что только в пределах множителя 2 соответствует, как будет видно из дальнейшего, модели плоской однородной Вселенной. Одновременно была обнаружена небольшая анизотропия температуры и неоднородность CMB («космическая рябь»), которые были объяснены первичными квантовыми 1)
КА WMAP и «Планк» были запущены в точку Лагранжа
2 ; см. рис. 1.6.
Основы космологии
479
Рис. 11.5. Наблюдаемая Вселенная. Диаграмма показывает, насколько глубоко (по времени в световых годах от рождения Вселенной) способны проникнуть современные наземные телескопы, космический телескоп «Хаббл» и КА для исследования космического микроволнового излучения (СМВ). Первый из этих аппаратов COBE впервые наблюдал Вселенную в состоянии на момент 380 000 лет после Большого Взрыва, т. е. свыше 13,2 млрд лет назад. (С любезного разрешения NASA)
флуктуациями плотности в ранней Вселенной после ее экспоненциального расширения. В результате этих флуктуаций, названных «первыми вибрациями Большого Взрыва», произошли, как полагают, локальные увеличения плотности, что привело к формированию галактик и галактических кластеров, создавших крупномасштабную структуру Вселенной — космическую паутину, которую мы обсуждали в гл. 10. По существу, наблюдаемые флуктуации плотности барионной материи представляют собой как бы «слепки акустических волн» в ранней Вселенной (рис. 11.6). Их измеренные спектры подтверждают предсказание инфляционной модели, которую ниже мы обсудим более подробно. Таким образом, измерения на спутниках COBE, WMAP и особенно «Планк» предоставили нам изображения новорожденной Вселенной, находившейся почти в идеальном состоянии термодинамического равновесия, в структуре которой были обнаружены первоначальные возмущения (неоднородности) плотности, сформировавшие впоследствии ее крупномасштабную структуру. При этом как «Планк», так и работавшие одновременно с ним мощные телескопы Keck Array на Гавайях и BISEP 2 в Антарктиде на Южном полюсе не обнаружили
480
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
Рис. 11.6. Распределение во Вселенной космической микроволновой фоновой радиации (СМВ) согласно измерениям КА «Планк» (внизу), COBE вверху слева и WMAP (вверху справа). Наиболее детальные измерения выполнены на КА «Планк». Температурная неоднородность поля и анизотропия 10 5 . (С любезного разрешения ESA и NASA)
Æ
убедительных свидетельств первичных гравитационных волн; первоначально отождествленные с ними вихревые сигналы вероятнее всего были вызваны излучением межгалактической пыли, карта распределения которой получена КА «Планк». На основе прецизионных измерений этого космического телескопа создана наиболее детальная карта температуры космического микроволнового фонового излучения, что позволило получить с высокой точностью статистику анизотропии CMB. В то же самое время, эти измерения убедительно доказали наличие аномалий в температурном поле CMB, которые не вполне согласуются с принятой парадигмой происхождения этого излучения. Результаты «Планка» также подтвердили стандартную модель холодной темной материи и, в основном, подкрепили с высокой точностью теорию инфляции, хотя наложили некоторые ограничения на ряд инфляционных параметров. Крайне важными являются данные о том, как распределены во Вселенной поляризованные CMB-фотоны, что может свидетельствовать о первичных гравитационных волнах, оставленных после инфляционной стадии. Их следы, однако, однозначно определить трудно, поскольку такие волны могут быть замаскированы
Эволюция Вселенной
481
неравномерным распределением пыли в Метагалактике. В целом, результаты «Планка» внесли значительный вклад как в стандартные, так и в нестандартные космологические модели и вообще в фундаментальную физику.
Эволюция Вселенной Обратимся теперь к проблеме эволюции Вселенной, которая тесно связана с интригующими вопросами относительно ее будущей судьбы. Эта проблема включает в себя фундаментальные процессы эволюции первичной материи, рождение звезд и газопылевых облаков из диффузной среды, формирование галактик и галактических кластеров, а также аккреционных дисков и планетных систем. Важную роль играют процессы самоорганизации, с которыми связано возникновение и прогрессивное усложнение структур на первоначальном хаотическом фоне. Идеи, касающиеся процессов преобразования материи, лежат в основе космологии Вселенной. Хотя за последние десятилетия в этой области астрофизики был достигнут большой прогресс, многие проблемы все еще ждут своего решения, и потребуется еще немало усилий, чтобы прийти к внутренне согласованной и непротиворечивой модели происхождения и эволюции Вселенной. Сценарии эволюции. Сценарии эволюции Вселенной исходят из оценки ее массовой плотности и того, как она соотносится с величиной критической массовой плотности (вещества и энергии) , определяющей глобальные геометрические и динамические свойства Вселенной. Критическая плотность оценивается по формуле
02 , !
3 8
которая содержит постоянную Хаббла 30 и гравитационную постоянную . Обычно рассматривают отношение омега , накладывающее ограничения на будущую скорость расширения и геометрию пространства: величине отвечает открытая Вселенная с отрицательной кривизной пространства, т. е. Вселенная будет расширяться вечно; величине — замкнутая Вселенная с положительной кривизной пространства, т. е. расширение сменится сжатием и произойдет коллапс Вселенной; величине — плоская открытая Вселенная. Исторически рассматривалось несколько моделей, предсказывающих судьбу Вселенной: — модель Эйнштейна–де Ситтера, 1, предполагавшая, что Вселенная является открытой, плоской, бесконечной и статической; — модель Фридмана–Леметра, 1, предполагавшая, что Вселенная является открытой, бесконечной, гиперболической и динамической, кривизна ее пространства отрицательна, и она будет расширяться вечно;
482
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
— модель Фридмана–Леметра, 1, предполагавшая, что Вселенная является закрытой, конечной и динамической, кривизна ее пространства положительна, расширение сменится сжатием и произойдет коллапс — Большое Сжатие (Big Crunch); — модель Голда–Бонди–Хойла, 1, предполагавшая, что Вселенная является стационарной и что ее расширение сбалансировано постоянно рождаемой материей, образующейся в «поле творения», чтобы поддерживать неизменной среднюю плотность Вселенной. Общая теория относительности Эйнштейна в основном согласуется с идеей о том, что средняя плотность материи во Вселенной равна критической массовой плотности, строго обоснованной, исходя из современной теории суперинфляции, и подкрепленной данными измерений СМВ на спутниках WMAP и «Планк». Эта теория также подкрепляет концепцию, согласно которой Вселенная является открытой, плоской, и что ее пространство подчиняется евклидовой геометрии 1). Из приведенного выше соотношения следует, что критическая 5 частиц/см3 или 10 29 г/см3 . В то же самое плотность равна время средняя плотность наблюдаемой Вселенной составляет только 0,2 частиц/м3 , или 4 10 31 г/см3 . Следовательно, для видимой барионной материи (точнее, того, что мы можем наблюдать во всем диапазоне электромагнитного спектра от радиоволн до гамма-излучения) 0,049. Это означает, что из всей массы вещества Вселенной видимая материя составляет всего около 5 %, причем звездам принадлежит не более 0,5 %, примерно 0,3 % дают имеющие массу нейтрино 2), а остальное ( 4,1 %) приходится на межзвездный газ и пыль. Темная материя. Значительно лучший баланс наблюдаемой и критической плотности обеспечивается при учете невидимой (темной) материи. Идея о существовании холодной темной материи (CDM — Cold Dark Matter) и сам термин были предложены американским астрономом швейцарского происхождения Фрицем Цвикки (Fritz Zwicky) еще в 1933 г., исходя из наблюдений галактик. Но она была недооценена и предана забвению на протяжении почти половины столетия, пока не началось углубленное изучение этого явления. Первой на него обратила внимание в 1970 г. американский астроном Вера Рубин (Vera Cooper-Rubin), которая изучала динамику галактик. Она обнаружила, что между скоростью звезд в центре галактики и в более отдаленных периферийных областях нет никакой разницы. Это противоречило законам ньютоновой механики, согласно которой звезды на окраинах галактики должны были обращаться более медленно, и означало, что скорость обращения удаленных звезд и газа вокруг галактического 1) Напомним, что впервые модель плоской Вселенной с 1 (с точностью порядка 1 %) получил, исходя из уравнений Эйнштейна, Александр Фридман. 2) Эта оценка суммарной массы нейтрино, примерно равная массе всех звезд во Вселенной, получена с учетом нейтринных осцилляций, обсуждавшихся в гл. 5.
Эволюция Вселенной
483
центра не соответствует скорости, которую создавала бы видимая масса звезд и газа. Другими словами, тяготение, удерживающее вместе звезды, должно заметно превышать то, которое обеспечивает их видимая масса, иначе галактики распались бы на составные части и звезды рассеялись бы в космическом пространстве. Как сейчас полагают, проблема вращения галактик объясняется присутствием больших количеств невидимой темной материи, находящейся, в основном, за пределами видимого диска. Очевидно, она является одним из важных компонентов формирования галактик и всей структуры Вселенной. По данным космического микроволнового телескопа «Планк», эта скрытая масса составляет 0,268, т. е. более четверти вещества Вселенной, более чем в пять раз превышающее содержание видимой материи 1). Природа темной материи пока неизвестна и ее поведение отличается от барионной категории элементарных частиц как основы видимой материи. Действительно, темная материя не обнаруживает никаких особенностей при взаимодействии с электромагнитным излучением и проявляет себя только через гравитационные силы. Возможно, она состоит из стабильных, массивных и электронейтральных частиц небарионной природы, т. е. выходит за пределы так называемой Стандартной модели (см. ниже), но существуют и другие предположения. Еще в 1980-х гг. в качестве возможных кандидатов на роль темной материи называли, наряду с частицами типа массивных нейтрино, такие макрообъекты, как белые карлики, нейтронные звезды, небольшие черные дыры, недоразвитые планеты-гиганты. Но все эти идеи не нашли подтверждения и были отвергнуты. Позднее в качестве CDM были предложены слабо взаимодействующие массивные частицы — вимпы (от английской аббревиатуры WIMP — Weakly Interactive Massive Particles), масса которых превышает массу протона примерно на два–три порядка величины (от 100 ГэВ до 1 ТэВ). Считают, что они могли возникнуть во время Большого Взрыва при энергии
,
1,38 10 16 эрг/град — постоянная Больцмана). В мире проводятся десятки экспериментов по поиску вимпов, в том числе с использованием крупных подземных ксеноновых детекторов LUX (Large Underground Xenon) в Южной Дакоте, США и PandaX в лаборатории Цзиньпин, Китай. Рассматривались также гипотетические (,
1)
Картирование распределения предполагаемой темной материи во Вселенной проведено при помощи метрового телескопа на чилийской обсерватории Серро-Тололо, оборудованного специальной камерой DEC (Dark Energy Camera) с матрицей 570 мегапикселей, подтвердило, что темная материя обволакивает разные типы галактик и сосредоточена в комках и нитях космической паутины (см. гл. 10).
484
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
нейтральные частицы чрезвычайно малой массы — аксионы 1), которые, однако, участвуют, помимо гравитационного, также в электромагнитном взаимодействии. Эти идеи так или иначе связывают образование темной материи с самым ранним этапом возникновения Вселенной. К ним примыкают и существенно модифицированные представления о роли крупных объектов. Так, выдвинуто предположение, что темную материю могли бы составлять массивные тела от десятков граммов до астероида среднего размера с плотностью нейтронной звезды или атомного ядра, однако, с примесью так называемых странных кварков, или «кварков странного аромата». При этом остаются открытыми вопросы о том, что в реальности представляет собой «странное ядерное вещество», состоящее из таких кварков, насколько оно стабильно, чем обусловлено его отличие от барионной материи, состоящей из обычных кварков, и, наконец, укладывается ли эта гипотеза в упомянутую выше Стандартную модель. Все эти предположения, так или иначе, требуют экспериментальной проверки. Ожидается, что определенный подход к решению этой интригующей проблемы могут дать результаты исследований в области гамма-астрономии, в том числе наблюдения, проводимые в течение почти десяти лет на космическом гамма-телескопе Ферми FGST (Fermi Gamma-ray Space Telescope) в широком энергетическом диапазоне от 8 кэВ до 300 ГэВ. Напомним (см. гл. 10), что для решения проблемы динамики галактик можно было бы, казалось, не прибегая к темной материи, иметь в виду найденные вокруг галактик «недостающие барионы» в расширенном гало горячего газа. Действительно, наблюдения на космической рентгеновской обсерватории «Чандра» показали, что Галактика внедрена в гало горячего газа с температурой 1–2,5 млн К, которое простирается на сотни тысяч световых лет, и что масса газа в гало, по оценкам, сопоставима с массой всех звезд в Галактике. Это означало бы, что галактические недостающие барионы скрыты в гало газа. И тем не менее, существование темной материи едва ли следует подвергать сомнению. Галактики были, вероятно, образованы внутри нее путем агрегации гало субгалактических масс и коллапсом самогравитирующих объектов в процессе развития гравитационной неустойчивости, которая увеличивала квантовые флуктуации на самой ранней стадии инфляции. В дальнейшем протогалактики росли путем аккреции меньших 1)
Аксион — это гипотетический бозон, возникающий в результате спонтанного нарушения симметрии в физике элементарных частиц. Он был постулирован для сохранения CP-инвариантности в квантовой хромодинамике (см. ниже), а значительно позднее предположение о его обнаружении было сделано, исходя из анализа рентгеновского излучения при взаимодействии солнечных фотонов с магнитным полем Земли. Предполагают, что аксионы могут возникать в солнечном ядре и выходить в космическое пространство, не взаимодействуя с обычной материей, в частности, с солнечной плазмой.
Эволюция Вселенной
485
Рис. 11.7. Эволюция галактик начиная с момента их образования 2 млрд лет после рождения Вселенной до современной эпохи (справа налево). Снимки получены при помощи широкополосной планетарной камеры космического телескопа «Хаббл». (С любезного разрешения Института телескопа «Хаббл» STScI)
сгустков материи и/или объединения с гало сопоставимых размеров (рис. 11.7). К этому же периоду следует, очевидно, отнести перераспределение углового момента системы, образование газового галактического диска и начало образования звезд. Формирование галактик и галактических кластеров в расширяющейся Вселенной удовлетворяет условиям современной теории тяготения и общей теории относительности Эйнштейна и может быть связано с наличием адиабатических метрических флуктуаций в инфляционной модели, что также согласуется с наблюдениями CMB. Кроме того, это делает возможным уточнить соотношения видимой и темной материи. Темная энергия. Видимая и темная материя в совокупности дают 1, т. е. общая плотность Вселенной оказывается меньше критической величины плотности . Баланс достигается, однако, если к видимой и темной материи добавить темную энергию .
486
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
Действительно, как показали сравнительно недавние наблюдения, Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением, т. е. быстрее, чем обеспечивает суммарная масса, включающая темную материю. Этот факт был обнаружен при наблюдениях ослабления яркости удаленных сверхновых типа Ia, вызванного расширением Вселенной. За это открытие трем ученым — Саулу Перлмуттеру, Брайану Шмидту и Адаму Райссу в 2011 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Ускорение требует наличия дополнительной плотности энергии. Ее связывают с существованием в пространстве Вселенной антигравитационной силы. Она оказалась аналогом космологической постоянной , первоначально введенной Эйнштейном, чтобы противодействовать гравитационному коллапсу в статической Вселенной, причем такая постоянная служила эквивалентом силы отталкивания. Интересно, что сам великий физик позднее сожалел, что, введя эту постоянную, он «испортил» свои основные уравнения поля в общей теории относительности и считал ее «самой большой ошибкой» в своей научной карьере. На самом деле он оказался прав, и его предположение было гениальным предвидением реального состояния Вселенной.
Рис. 11.8. Валовый состав Вселенной — соотношения видимой материи, темной материи и темной энергии. Как видно, видимая материя составляет 5% вещества Вселенной, причем на звезды, число которых по оценкам достигает 1022 , приходится всего лишь 0,5 %, 0,03 % из которых составляют тяжелые элементы. (С любезного разрешения NASA и ESA)
487
Эволюция Вселенной
Условие баланса плотности вещества во Вселенной можно формально записать следующим образом:
1
Очевидно, для баланса необходимо, чтобы 0,7. И действительно, согласно самым последним оценкам, основанным на измерениях «Планка», темная энергия достигает 68,3 % общей массы Вселенной по сравнению с 26,8 % темной материи и 4,9 % видимой (барионной) материи 1). При этом темная энергия не просто связана с массой согласно известной формуле Эйнштейна, (2 , а скорее с положительной космологической постоянной все еще неизвестной природы, т. е. эта связь гораздо глубже. Как уже отмечалось, из 4,9 % барионной материи звезды занимают только 0,5 %, а 0,3 %, как полагают, принадлежит нейтрино. Отметим, что тяжелые элементы, которые имеют решающее значение для зарождения планет, жизни и человечества, составляют только 0,03 % от общей материи Вселенной (рис. 11.8). К настоящему времени такой баланс вещества/энергии Вселенной подтвержден наблюдениями c точностью 1 %, и это означает, что ее общая массовая плотность действительно близка к критической ( 1). Это дополнительно подкрепляет обоснованность модели Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной. Энергия вакуума. Как видим, современным представлениям отвечает модель нестатической, бесконечной, плоской и открытой Вселенной, непрерывно расширяющейся с ускорением. Отношение обычной (барионной) материи, темной материи и темной энергии приближенно составляет 1 10 25. Таким образом, судьба Вселенной полностью определяется заключенной в ней темной энергией. Природа темной энергии все еще остается загадочной. Вероятно, она связана с совершенно иным пониманием вакуума, как новой формы плотности энергии, неизмеримо превосходящее все то, что нам до недавнего времени было известно. Были открыты фантастические свойства вакуума: он обладает отрицательным давлением, плотность его энергии не зависит от расширения, которое сам он вызывает. Следовательно, вакуум является энергетически самой плотной из известных нам сред и эта плотность полностью однородна во всей Вселенной. Энергия единицы его объема, вызванная, как полагают, квантовыми флуктуациями некоторого скалярного поля, заполняющего Вселенную, совершенно невероятна: она в 10120 раз (!) превышает энергию, которая требуется для наблюдаемой скорости расширения Вселенной, и это несоответствие объяснить пока невозможно. 1) До измерений «Планка» данные были следующие: 72,8 % темная энергия, 22,7 % темная материя и 4,5 % барионная материя, что иногда еще можно встретить в литературе.
488
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
К сожалению, многие вопросы остаются без ответа. В частности, мы не можем ответить на принципиальные вопросы о том, изменяются ли свойства вакуума со временем, и как лежащие в его основе космологические скалярные поля и их эволюция связаны с фундаментальными физическими постоянными или их вариациями 1). Нам пока неясно, как связаны с энергией вакуума темная материя и темная энергия, на изучение свойств которых направлены усилия многочисленных групп исследователей. Важным шагом на этом пути является картирование распределения плотности темной материи путем создаваемого ей гравитационного линзирования света, идущего от далеких галактик, и путем изучения спектра обрезания галактических космических лучей. Новый обширный комплекс исследований природы и свойств темной энергии был предпринят начиная с 2013 г. в рамках научной программы «Исследование темной энергии» (Dark Energy Study, DES), также с использованием метода гравитационного линзирования и высококачественного оборудования. Используется 4-м американский телескоп «Бланко» (Blanco) на межамериканской обсерватории в Чили (Cerro Tololo Inter-American Observatory) и 8-м телескоп «Субару» (Subaru) японской национальной обсерватории на Гавайях. Цель программы состоит в том, чтобы наблюдать сотни миллионов галактик и галактических кластеров с очень высоким разрешением, чтобы картировать распределение материи во Вселенной в попытке обнаружить влияние темной энергии на это распределение. Очевидно, если такой эффект существует, то из-за расширения пространства видимый свет от этих удаленных структуры должен сдвигаться в более длинноволновую часть спектра. Европейское космическое агентство ESA планирует осуществление амбициозного проекта «Евклид» (Euclid) для изучения темной энергии и темной материи и их влияния на архитектуру Вселенной. Заметим, что эти исследования дают ключ к пониманию горизонта Вселенной и упомянутого выше космологического принципа, а также природы темного фона ночного неба с отдельными излучающими галактиками и звездами. С этих позиций можно лучше объяснить известный фотометрический парадокс Ольберса, согласно которому для наблюдателя в бесконечной статической Вселенной, все пространство которой равномерно заполнено звездами, поверхностная яркость которых равна яркости типичной звезды — Солнца, поверхностная яркость небосвода в среднем должна быть равна поверхностной яркости Солнца. Раньше думали, что разрешение этого парадокса объясняется поглощением излучения от далеких звезд межзвездным газом и пылью. На самом деле необходимо учитывать конечность возраста Вселенной и скорости света и поэтому, в молодой Вселенной свет от очень далеких звезд 1)
Было показано, что величина одной из фундаментальных констант 1836,15267247)
(отношение массы протона к массе электрона, изменится менее чем на 10 5 за 12–13 млрд лет.
489
Эволюция Вселенной
просто не успел до нас дойти за время ее существования, а некоторые звезды еще не успели образоваться или потухли. Определенный вклад в уменьшение яркости ночного неба вносит также красное смещение галактик, так что суммарная энергия от далеких галактик в 1 4 2 раз меньше, чем если бы они не удалялись от нас вследствие космологического расширения Вселенной. Вакуумная концепция значительно изменила прежние представления о самых ранних стадиях происхождения Вселенной. Очевидно, если расширяющаяся материя выполняет работу против сил тяготения, то ее общая энергия (и следовательно масса ) должны уменьшаться со временем. В настоящее время общая масса Вселенной равна 1056 г (1050 т) и предполагается, что первоначально при Большом Взрыве она была почти на 40 порядков больше. Заметим, что эта оценка соответствует теоретически максимально возможной плотности Планка, определяемой на основании теории подобия и размерностей путем комбинации фундаментальных постоянных:
6 2 (7
3
1094 г/см ,
где 7 — минимальная фундаментальная длина Планка (7 10 33 см), 6 — постоянная Планка (6 6,67 10 33 эрг с) и ( — скорость света (( 3 1010 см/с). Однако сейчас полагают, что первоначальная масса
Вселенной была несравненно меньше ( 10 3 г), потому что в ней была сосредоточена громадная энергия (и, следовательно, масса и плотность) вакуумного скалярного поля. Такой вывод следует из теории суперинфляции, которая постулирует почти мгновенное гигантское расширение первоначального ничтожного объема материи до огромной по массе и размерам Вселенной, включающей темную энергию и темную и видимую материю со всеми ее галактиками, звездами, межзвездным веществом и планетами. Кроме того, согласно этой модели, однажды рожденная Вселенная начинает воспроизводить себя, рождая многочисленные другие вселенные, имеющие разнообразные свойства. Эта идея лежит в основе концепции Мультивселенной, к обсуждению которой мы еще вернемся. Судьба Вселенной. Попытаемся теперь суммировать главную последовательность процессов в сценарии происхождения и ранней эволюции Вселенной, в основу которого положена модель Большого Взрыва. На сегодняшний день такой сценарий представляется наиболее обоснованным и сводится к инфляционной модели. На этом фоне проследим, какой ожидается судьба нашей Вселенной. Вселенная началась из субатомной точки малой массы и бесконечно большой энергии, которой отвечала громадная начальная температура. В момент времени 5 10 43 с (упоминаемый иногда как супергравитационная стена) при температуре 1032 K она представляла собой Вселенную Планка (сингулярность). Это момент происхождения категории «пространство-время», и поэтому, бессмысленно спрашивать,
490
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
что существовало до этого момента. Между 5 10 36 –10 34 с ( 1028 K) на стадии «бурно кипящего вакуума», когда Вселенная была еще далека от термодинамического равновесия, произошло ее мгновенное хаотическое расширение — суперинфляция, при которой пространство мгновенно расширилось в 1050 раз и произошло нарушение симметрии 1). Это означает, что скорость расширения мгновенно возросла до такой величины, что за 5 10 35 с объем пространства увеличился от размера субатома до размера апельсина, а затем от апельсина до Метагалактики. Вслед за тем расширение остановилось, и скалярное поле (энергия) преобразовалось в обычную материю в соответствие с уравнением Эйнштейна (2 . В момент времени 5 10 6 с ( 1013 K) в состоянии термодинамического равновесия образовались барионы (протоны и нейтроны), а затем за время 5 1–1000 с (при 1010 –107 К) начался нуклеосинтез, и в результате ядерных реакций возникли предшественники химических элементов. Самый ранний период, до которого удалось проникнуть при наблюдениях с космических аппаратов, насчитывает 380 000 лет истории Вселенной от момента ее происхождения, когда, вероятно при 103 K, электроны и барионы достаточно остыли, образовались атомы H, D, He и Li, и по Вселенной смогли распространяться фотоны коротковолнового электромагнитного излучения, регистрируемые в современную эпоху в виде СМВ. Одну из поляризованных компонент этого излучения (так называемую В-моду поляризации) связывают с суперинфляцией, и именно ее пытались обнаружить и связать с воздействием гравитационных волн в упомянутых выше измерениях КА «Планк» и антарктического телескопа BISEP 2. Конечно, принципиальной (и наиболее трудной для понимания) стадией в этом сценарии является суперинфляция, которая произошла немедленно после того, как Вселенная родилась из особой точки, определяемой сегодня как сингулярность. Инфляционная теория позволила объяснять многие особенности нашего мира и сделать несколько важных предсказаний, в соответствии с исторически наиболее близкой к реальности моделью Эйнштейна–де Ситтера. Одно из них — это то, что Вселенная должна быть чрезвычайно плоской — кривизна менее 10 41 , что отвечает величине cr . Все другие упомянутые выше модели оказались гораздо более сложными и едва ли реалистичными. Действительно, как предсказывает теория, инфляция создает гауссовские адиабатические возмущения метрики пространства с масштабнонезависимым (почти плоским) спектром. Важно, что плоскостность 1) Согласно современному сценарию эволюции ранней Вселенной, инфляционная (деситтеровская) относительно холодная стадия предшествует горячей радиационно-доминированной стадии и протекает при очень большой кривизне пространства-времени. Предсказания теории суперинфляции, разработанной с учетом квантово-гравитационных эффектов, были подтверждены экспериментально измерениями угловых флуктуаций температуры СМВ и позволяют объяснить основные качественные свойства современной Вселенной.
Эволюция Вселенной
491
Вселенной может быть экспериментально проверена, так как плотность плоской Вселенной очень просто связана со скоростью ее расширения, задаваемой постоянной Хаббла. Эту концепцию подтвердили доступные данные наблюдений, которые показали, что плотность и температурные возмущения, произведенные во время инфляции, как бы «отпечатались» в микроволновом фоновом излучении CMB, и что они соответствуют распределению материи во Вселенной. Представить себе, как выглядела Вселенная на стадиях рождения и самой ранней эволюции едва ли возможно, а прямые наблюдения крайне затруднены. Попытаться хоть как-то восстановить события этой ранней эпохи помогают измерения поляризации СМВ и оценки степени ионизации межгалактического газа по спектрам поглощения квазаров. Одна из попыток представить этот период (который иногда называют темной эпохой с водородной дымкой) в художественном изображении воспроизведена на рис. 11.9. В последующие сотни миллионов — миллиард лет, при температуре 100 К образовывались звезды, галактики и галактические кластеры, создавшие видимую «космическую ткань» Вселенной (см. гл. 10). Дымка развеялась, водород стал, в основном, ионизованным и пространство наполнилось фотонами за счет света, излучаемого звездами и галактиками. Как отголосок Большого
Рис. 11.9. Ранняя стадия Вселенной в изображении художника. (С любезного разрешения Смитсонианской астрофизической обсерватории / G. Fazio)
Взрыва, сегодня, спустя 13,7 млрд лет, космос заполнен также фотонами микроволнового фонового излучения с 2,735 K. Наблюдения яркости удаленных галактик показали, что процесс формирования звезд был наиболее активным в ранней Вселенной. Исследования на космическом телескопе «Хаббл» привели к выводу, что значительная часть звезд возникла в течение несколько сот миллионов лет после Большого Взрыва. Еще одна концепция художника о бурных процессах рождения звезд в той ранней эпохе показана на рис. 11.10.
492
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
Рис. 11.10. Рождение первых звезд в изображении художника. (С любезного разрешения Смитсонианской астрофизической обсерватории / G. Fazio)
Надо, естественно, отдавать себе отчет в том, что на сегодня стройной космологической картины мира нет. Существующая модель Большого Взрыва является гипотетической и, хотя она базируется на строгих физических принципах, с ней связан ряд нерешенных проблем, нуждающихся в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях. К ним относятся, в первую очередь, поиск темной материи и темной энергии, изучение свойств вакуума и антигравитации, и эти цели представляют собой настоящий вызов, Розеттский камень (Rosetta Stone 1)), для современной астрофизики. Мы пока не знаем, почему и как Вселенная стала столь однородной и изотропной, что породило флуктуации плотности, из которых возникли сгустки вещества, галактики и звезды. Не вполне ясно, что случилось с частицами антиматерии, образовавшимися одновременно с материей при Большом Взрыве, хотя существуют попытки объяснения этого феномена, исходя из теории элементарных частиц, к которой мы обратимся в следующем разделе. Мы не до конца понимаем, почему Вселенная оказалась такой плоской и почему ее общая масса близка к критической ( 1), хотя, как было сказано раньше, в принципе это можно объяснить в рамках теории суперинфляции и ее доводов в пользу формирования гладкой и идентичной Вселенной. Предпринимаются попытки проверить теорию раннего периода инфляции Вселенной путем обнаружения наиболее массивных галактических кластеров, находящихся от нас на расстояниях в миллиарды световых лет. Однако, сама теория пока 1)
Розеттский камень — базальтовая плита с идентичными надписями на древнеегипетском языке, начертанными иероглифами, и древнегреческом языке, найденная в 1799 г. в Египте. Иероглифический текст был расшифрован в 1822 г. Ф. Шампольоном, что положило начало изучению египетской письменности. В переносном смысле — сокровенная тайна природы, которую надо разгадать.
Стандартная модель и теория суперструн (M-теория)
493
еще далека от завершения. В частности, остается открытым один из ключевых вопросов в космологии — как первые неоднородности (выпуклости, завихрении) в распределении материи быстро эволюционировали в наблюдаемые массивные структуры галактик. Более того, сегодня мы не можем привести убедительные доказательства того, что Вселенная находится во власти холодной темной материи и темной энергии, связанных с космологической постоянной и энергией вакуума. Перед современной космологией остро стоит вопрос о том, как связать чудовищную энергию вакуума с космологической постоянной и как компенсировать их различие. Нужно также объяснить, почему величина в нашей Вселенной находится, как оказалось, в довольно узком диапазоне временной шкалы, пригодном для формирования звезд, галактик, планет, и, в конечном счете, для появления многообразных форм жизни и даже развития интеллекта. В случае другой положительной или отрицательной величины судьба Вселенной была бы совершенно иной и это обстоятельство можно связать с парадигмой антропного принципа (см. ниже), который устанавливает, что законы природы удивительно хорошо соответствуют существованию жизни. Приведенные соображения особенно важны в свете новейших наблюдений, которые показали, что ускорение расширяющейся Вселенной возрастает экспоненциально со временем, и поэтому ее окончательная судьба определяется действующими параллельно силами гравитации и антигравитации. Поскольку член определяет антигравитацию, это означает, что антигравитация будет преобладать над гравитацией, приводя к отталкиванию, а не к притяжению. Более того, теория предсказывает, что антигравитация будет расти и через миллиарды лет начнется новый этап эволюции Вселенной — Большой Разрыв (Big Rip), который закончится ее разрушением. Конкретно можно представить себе следующий сценарий: в условиях доминирующей антигравитации начнут распадаться галактические кластеры, галактики, звезды, планетные системы, а затем химические элементы и, в конечном счете, даже атомы, оставив после себя темное пустое пространство.
Стандартная модель и теория суперструн (M-теория) Основные взаимодействия и элементарные частицы. Космологию нельзя рассматривать в отрыве от фундаментальных основ строения материи, поскольку имеется тесная взаимосвязь (синергизм) микро- и макрофизики. Космология тесно связана с физикой элементарных частиц 1) (называемой также физикой высоких энергий) 1)
Элементарными называют субъядерные частицы (электрон, нейтрино, кварки и др.), которые нельзя расщепить на составные части. На сегодня известно (вместе с античастицами) около 350 (стабильных и нестабильных — самопроизвольно распадающихся за ограниченное время) элементарных частиц.
494
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
и с четырьмя основными взаимодействиями (силами), лежащими в основе всей материи и сил, действующих в природе. К ним относятся: сильное взаимодействие с участием 8- и d-кварков, образующих протоны и нейтроны (нуклеоны), каждый из которых состоит из трех кварков и глюонов, удерживающих кварки вместе в ядре; слабое (или электрослабое) взаимодействие, ответственное за радиоактивность, с участием лептонов (электронов и нейтрино), которые взаимодействуют с калибровочными бозонами W , W , и Z0 и фотонами; электромагнитное взаимодействие с участием ; и гравитационное взаимодействие с участием гравитонов 1). Соответственно, исходя из представлений современной теоретической физики, строение материи выглядит следующим образом. Кварки служат основой адронов — мезонов и барионов, а барионы — основой нуклонов, которые вместе с лептонами и электронами образуют атомы (вещество), в то время как фотоны, W , W , и Z0 бозоны, глюоны и гравитоны являются переносчиками взаимодействий. Электромагнетизм лежит в основе квантовой электродинамики и вместе со слабым взаимодействием является фундаментом электрослабой теории, а сильное взаимодействие и гравитация лежат в основе, соответственно, квантовой хромодинамики и квантовой гравитации. Атомы и молекулы, определяющие состав и строение вещества, связаны с переносчиками взаимодействий через бозон Хиггса. Электрослабые, сильные и гравитационные взаимодействия вместе с главными «кирпичиками» вещества — кварками и лептонами — дают подход к созданию так называемой теории Великого объединения всех составных частиц и взаимодействий в природе. Попытки найти подход к объединению всех четырех взаимодействий как фундаментальному свойству природы предпринимались еще со времен Эйнштейна. Ниже мы обсудим эту проблему подробнее. Бозоны представляют собой слабо взаимодействующие положительно или отрицательно заряженные элементарные частицы (W и W и нейтральные частицы (Z0 , которые подчиняются статистике Бозе– Эйнштейна 2), широко используемой в физике. Они действуют как переносчики фундаментальных взаимодействий природы, которые описываются калибровочной теорией (поэтому их также называют калибровочными бозонами). Ниже мы познакомимся со Стандартной моделью, в которой используются три типа калибровочных бозонов: фотоны, W и Z-бозоны и глюоны. Каждый тип соответствует одному из трех
1)
Гравитоны — квазичастицы, используемые для описания слабых гравитационных полей в масштабах длины и времени и предсказанные А. Эйнштейном еще в начале прошлого столетия; до последнего времени экспериментально обнаружить не удавалось, хотя предпринимались многочисленные попытки. Успех пришел благодаря осуществлению международного проекта LIGO (см. ниже). 2) Квантовая статистика Бозе–Эйнштейна определяет распределение тождественных частиц с нулевым или целочисленным спином по энергетическим уровням в состоянии термодинамического равновесия.
Стандартная модель и теория суперструн (M-теория)
495
взаимодействий: фотоны — калибровочные бозоны электромагнитного взаимодействия, W и Z-бозоны переносят слабое взаимодействие, а глюоны переносят сильное взаимодействие. В то время как массы глюона, фотона и гравитона равны нулю, калибровочные W- и Z-бозоны являются весьма тяжелыми частицами с массой почти на два порядка больше массы протона, который, в свою очередь, в 1852 раза тяжелее электрона). Согласно той же Стандартной модели W- и Z-бозоны получают массу через механизм Хиггса (см. ниже). Помимо них есть составные бозоны (бозоны сильных взаимодействий), называемые мезонами, состоящие из четного числа кварков и антикварков. Отметим, что в галактических космических лучах еще выделена частица — мюон, которая принадлежит к семейству лептонов, и может расцениваться как тяжелый (в 207 раз более массивный) электрон со временем жизни только 2,2 мкс, но со скоростью, близкой к скорости света. Помимо электронного нейтрино существуют также тау-нейтрино и мюонное нейтрино, происходящие от их заряженных напарников по группе лептонов – электрона, мюона и тау-лептона. Как Вселенная, так и все пространство вокруг нас заполнено громадным числом нейтрино — достаточно сказать, что каждую секунду нас пронизывают триллионы этих бесконечно малых частиц, к счастью, не нанося нам никакого вреда. Все нейтрино различаются по квантовому числу и участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях, причем были обнаружены преобразования их энергии/массы из одного вида в другой (нейтринные осцилляции). Три сорта нейтрино, которым соответствуют три сорта антинейтрино, были названы различными «ароматами» (flavor) 1). Их осцилляции, вероятно, связаны с основными принципами структуры материи и Вселенной в целом, и именно они позволили, в частности, разрешить парадокс солнечных нейтрино, о чем говорилось в гл. 5. Все элементарные частицы имеют античастицы противоположного заряда, но одинаковые по массе и спину. Спин (единицу измерения спина называют спиновым квантовым числом) является одной из фундаментальных характеристик в квантовой механике, определяя собственный момент импульса элементарных частиц. Это важное свойство, которое относится непосредственно к самим элементарным частицам, а не к их собственному движению. В отличие от классической механики, спин характеризует обмены через взаимодействия в пределах квантово-механической системы. Он может приобретать целую или полуцелую положительную величину. В зависимости от этого все элементарные частицы делят на две группы: частицы с целочисленным спином — бозоны (фотоны, глюоны, мезоны, бозон Хиггса) и частицы 1) Аромат (от англ. flavour) — это общее название для ряда квантовых чисел, характеризующих тип кварка или лептона. Так, существует шесть кварковых ароматов, по числу типов кварков: u, d, s, c, b, t.
496
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
с полуцелым спином — фермионы (электроны, протоны, нейтроны, нейтрино и др.). Так спин 0 имеют скалярные частицы, подобные 9- и K-мезонам (бозоны сильных взаимодействий, состоящие из кварков и антикварков); спин 1 2 имеют фермионы (электроны, кварки, нейтрино, протоны, нейтроны и мюоны); спин 1 у векторных частиц, таких как фотоны, глюоны, W- и Z-бозоны; спин 2 у тензорных частиц, таких как гравитоны. Полезно помнить, что терминологически выделяют также группу тяжелых элементарных частиц — это протоны, нейтроны, и гиперионы 1), которые называют барионами (отсюда название барионная материя, которое мы использовали ранее). В свою очередь, барионы и мезоны составляют группу частиц — адронов, участвующих во всех типах фундаментальных взаимодействий. Можно, например, описать мезон, как частицу сильного взаимодействия (адрон), состоящую из равного числа кварков и антикварков и имеющую целочисленный спин. Стандартная модель и принцип симметрии. Еще со времен Эйнштейна предпринимались попытки найти подход к объединению всех четырех взаимодействий (упомянутому выше Великому объединению) как фундаментальному свойству природы, что мы обсудим ниже. Предпосылкой и первым шагом на пути Великого объединения взаимодействий в природе служит так называемая Стандартная модель, как фундаментальная основа в физике элементарных частиц. Эта модель описывает как сильные и слабые взаимодействия между элементарными частицами, так и электромагнитные силы. Подобная общей теории относительности, Стандартная модель подчиняется принципам симметрии (инварианта), отражающим универсальный характер законов природы с точки зрения сохранения их формы, независимо от положения наблюдателя в пространстве. Принципы симметрии важны не только при преобразовании пространства и времени, но также и в физике элементарных частиц, которая, в основном, базируется на квантовой механике с оговоркой, обсуждаемой ниже. Здесь мы имеем дело с внутренней (или локальной) симметрией, исторически называемой также калибровочной симметрией. Как было сказано ранее, поля глюонов создают сильные взаимодействия, которые «склеивают» кварки в протоны и нейтроны. Имеется, однако, другая локальная симметрия, неразрывно связанная с внутренними характеристиками кварков, условно называемыми цветом. Это означает, что каждый 8- и 0-кварк может существовать в трех различных состояниях и между ними существует особый вид симметрии. Однако, кварки различных цветов не могут существовать независимо друг от друга. Вместо этого, они объединяются глюонами, чтобы образовать бесцветные комбинации трех кварков (подобные мезонам), 1) Гипероны (от греч. hyper — сверх, выше) — тяжелые нестабильные элементарные частицы с массой больше массы нуклона (протона и нейтрона). Эти барионы содержат минимум один s-кварк, но не содержат более тяжелых c- и b-кварков.
Стандартная модель и теория суперструн (M-теория)
497
формируя протон или нейтрон. Это свойство сильного взаимодействия известно как конфайнмент. В квантовой теории поля такая симметрия/взаимодействие изучаются квантовой хромодинамикой. Еще более необычная симметрия свойственна слабому взаимодействию. Здесь, вследствие внутренней симметрии, слабые ядерные силы, вызванные обменом W- и Z-бозонами, объединяются с электромагнитными силами, вызванными обменом фотонами. В электрослабой теории, симметрия ответственна за фотоны, а W- и Z-частицы создаются как сгустки энергии четырех полей. Вследствие локальной симметрии формы физических законов остаются неизменными, если вместо поля электрона или нейтрино берутся в некоторой пропорции смешанные поля этих частиц, и одновременно, в той же самой пропорции, смешиваются другие семейства частиц (например, кварки 8 и 0). Интересно, что, так как слабые ядерные силы являются результатом обмена W- и Z-бозонов, симметрия электрон-нейтрино также означает симметрию между электромагнитными и слабыми ядерными взаимодействиями. Такой вид симметрии аналогичен симметрии различных систем координат в гравитационном поле, как это следует из симметрии общей теории относительности, но полностью отличается от того, к чему мы привыкли в нашей повседневной жизни. Как видим, для понимания микрофизики требуется подход, значительно отличающийся от наших стандартных представлений об окружающем мире 1). Мощным инструментом, позволяющим изучать внутренние процессы в атомах и субатомных структурах, является квантовая механика. В отличие от законов движения материальных частиц в механике Ньютона, квантовая механика имеет дело с волновыми функциями и их преобразованиями, которые служат удобным математическим формализмом, позволяющим проследить вероятное положение и скорость частиц в рассматриваемой системе, и, в конечном счете, описать состояние и структуру материи. Квантовая механика также обосновывает различные типы взаимодействий и такие физические сущности, как общие и локальные принципы симметрии. Как заметил нобелевский лауреат Стивен Вайнберг, в физике доминируют принципы симметрии и различные методы преобразования волновой функции с использованием этих принципов, а не сама материя. Поэтому, принципы симметрии определяют само существование всех известных сил в природе. Нарушение симметрии и бозон Хиггса. В настоящее время в рамках усовершенствованной Стандартной модели достигнуто объединение трех из четырех (кроме гравитации) взаимодействий, хотя между ними сохраняются некоторые различия. Особенно это касается 1)
Достаточно сказать, что размеры фундаментальных частиц составляют (в пределах погрешности измерений) от 10 15 м (барионы, мезоны) до 10 18 м (калибровочные бозоны, кварки, лептоны), а возможно, размеры последних близки к фундаментальной планковской длине.
498
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
трудностей, возникающих при объединении слабых и электромагнитных взаимодействий с сильными ядерными взаимодействиями. Стандартная модель является крупным шагом вперед на пути создания единой теории поля, которую называют также «теорией всего» (Theory Of Everything, TOE), так как она лежит в основе природы нашего мира, но она все еще находится в стадии разработки. Создание единой теории поля было мечтой Альберта Эйнштейна, пытавшегося в течение последних 30 лет своей жизни безуспешно объединить гравитационные и электромагнитные взаимодействия. Современная Стандартная модель сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий является в основном теорией поля, включая симметрию пространства и времени из специальной теории относительности и внутренние симметрии электромагнитных и других полей, ответственных за передачу взаимодействий. Существуют, как мы теперь знаем, поля, создаваемые фотонами, электронами, кварками и другими частицами. В свою очередь, электроны и кварки являются сгустками энергии различных полей, которые вместе с моментом количества движения определяют свойства этих частиц в квантовой теории поля. К сожалению, квантовая теория поля, которая должна также включать симметрию общей теории относительности, не описывает физику гравитации. Это, вероятно, вызвано крайне низкой силой гравитационного взаимодействия, которое меньше электростатической силы кулоновского взаимодействия двух электронов в 1042 раз (!). Но мы также хорошо знакомы с противоположной ситуацией, когда электромагнитная сила сильно уступает гравитационному взаимодействию между телами большой массы. Фактически это то, что мы ощущаем, живя на нашей массивной планете, и то, что мы наблюдаем в окружающем нас космическом пространстве. В сущности, конечная цель единой теории поля — объединить эти поля при очень высокой энергии на принципах симметрии, как фундаментальной основе материи и структуры Вселенной, особенно на самой ранней стадии ее существования. Другими словами, цель состоит в построении наиболее полной теории без каких-либо требований изменить существующие или вывести другие более фундаментальные принципы. В рамках Стандартной модели, дающей общепринятое в настоящее время описание всех фундаментальных частиц и их взаимодействий, было также предложено явление спонтанного нарушения симметрии. Оно появляется в некоторых решениях основных уравнений модели, хотя симметрия самих уравнений, непосредственно определяющих свойства частиц, которая, вероятно, имеет более глубокий и широкий смысл, сохраняется. Спонтанное нарушение электрослабой симметрии (результатом чего является безмассовость фотонов и массивность W- и Z-бозонов) было обнаружено в электрослабых взаимодействиях. Хиральное нарушение симметрии, как общий эффект модели, найдено также у сильных взаимодействий. Важность этого явления трудно переоценить, поскольку оно, по своей сути, связано с происхождением
Стандартная модель и теория суперструн (M-теория)
499
массы элементарных частиц. Дело в том, что симметрии Стандартной модели фактически запрещают частицам иметь массу, хотя, как мы знаем, реально у частиц она есть. Это означает, что в Стандартной модели все частицы приобретают их массы вследствие нарушения симметрии между слабыми и электромагнитными силами. Иначе говоря, все кварки, электроны, W- и Z-бозоны имели бы, подобно фотонам, нулевую массу; и только механизм спонтанного нарушения электрослабой — электромагнитной симметрии позволяет избежать такого сценария. Кроме того, в рамках нарушения симметрии оказалось возможным предложить решение ключевой проблемы преобладания материи над ее зеркальным отражением — антиматерией. Эту проблему называют нарушением зарядово-пространственной симметрии, или нарушением CP-инвариантности, согласно которой законы физики должны быть одними и теми же, как в мире, состоящем из вещества, так и в мире, состоящем из антивещества. Отметим, что в происхождении асимметрии Вселенной вскоре после ее рождения могли сыграть роль упомянутые выше трансформации нейтрино — превращение мюонных нейтрино в электронные нейтрино и мюонных антинейтрино в электронные антинейтрино. Для объяснения механизма нарушения симметрии в природе было выдвинуто предположение о существовании гипотетического квантового поля ненулевой величины, заполняющего все пространство (поле Хиггса), и оно было введено математически в уравнения Стандартной модели. Это привело к появлению новой гипотетической короткоживущей субатомной частицы — бозона Хиггса, ответственной за возбуждение (квант) этого поля выше его основного состояния. Такой механизм придает массу элементарным частицам путем взаимодействия с полем Хиггса. Он был постулирован приблизительно 50 лет назад, в 1964 г., независимо Питером Хиггсом из Эдинбургского университета (Великобритания), и Франсуа Энглером и Робертом Браутом из Брюссельского свободного университета (Бельгия). Важно подчеркнуть, что именно бозон Хиггса, с которым связывали спонтанное нарушение электрослабой симметрии, был той недостающей частицей, которая позволяла сохранить упорядоченность в системе элементарных частиц и тем самым доказать справедливость Стандартной модели. Поэтому на ее поиск были направлены большие усилия. Основная серия экспериментов с целью подтвердить существование бозона Хиггса была проведена на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider, LHC) в ЦЕРН-е, Швейцария. Сообщалось, что подобная частица, имеющая энергию 125 ГэВ, то есть чуть больше тысячи масс протона ( 1000 с точностью 1–2 %) была действительно найдена, хотя ее масса оказалась несколько меньше ожидаемой. С высокой вероятностью эта частица — бозон Хиггса, хотя некоторые дополнительные доказательства (в частности, более подробная статистика и проверка, что частица имеет нулевой спин) еще требуются.
500
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
Франсуа Энглер и Питер Хиггс в 2013 г. стали нобелевскими лауреатами (Роберт Браут умер в 2011 г.). Важность открытия бозона Хиггса трудно переоценить. Он является наиболее подходящей (и востребованной) частицей, которая, вероятно, придает массу всей атомной материи, включая электроны, кварки, лептоны, W- и Z-бозоны. Полагают, что он взаимодействует с другими элементарными частицами посредством слабого взаимодействия, что он имеет нулевое спиновое квантовое число, не имеет ни электрического заряда, ни цвета и легко распадается путем различных комбинаций частиц или каналов. Как оказалось, его масса действительно раннее оценивалась в пределах (50–1000) . Предполагается, что массы всех других фундаментальных частиц, таких как кварки и электроны, пропорциональны массе бозона Хиггса. Не случайно, он был назван «частицей бога» или «божественной частицей», так как эта частица, по-видимому, служит ключом к основополагающим концепциям о материи во Вселенной. Другими словами, все, что мы знаем о Вселенной, проходит через поле Хиггса, в противном случае, все элементарные частицы, так же как фотоны, были бы лишены массы. Образование атомов и молекул, составляющих основу материи Вселенной, было бы тогда невозможным, и мир был бы совершенно другим. Стоит упомянуть, что роль электрослабого взаимодействия в теории элементарных частиц, исходя из которой предсказано наличие бозона Хиггса, была разработана ранее независимо тремя лауреатами Нобелевской премии Стивом Вайнбергом, Абдусом Саламом и Шелдоном Глэшоу. Можно вполне обоснованно предположить, что обнаружение бозона Хиггса открывает новые горизонты в физике и что нарушение симметрии в слабых и сильных взаимодействиях является только частью более фундаментального принципа, лежащего в основе всей структуры материи, включая соотношение бозона Хиггса и темной материи и объединение гравитации со всеми другими силами в природе. Замечательно, что нарушение CP-инвариантности наблюдалось в экспериментах на LHC одновременно с распадом так называемых нейтральных / -мезонов. Эти мезоны возникают в большом количестве при столкновениях протонов. Можно, поэтому, заключить, что открытие бозона Хиггса и нарушения CP-инвариантности, которые, в основном, согласуются со Стандартной моделью, вносят громадный вклад в космологию и открывают новые перспективы для понимания в дальнейшем на более высоком уровне осознания происхождения, состава и эволюции наблюдаемой Вселенной. Вместе с тем, не исключено, что при более высоких энергиях столкновений частиц (до 14 ТэВ), ожидаемых на LHC после его модернизации, могут быть выявлены феномены, выходящие за рамки Стандартной модели. В частности, пролить свет на природу темной материи и меньшую, чем ожидалось, массу бозона Хиггса могло бы получение доказательств справедливости гипотезы суперсимметрии, которая, в отличие от Стандартной модели, не противопоставляет частицы материи (фермионы) частицам — переносчикам
Стандартная модель и теория суперструн (M-теория)
501
взаимодействий (бозонам), а объединяет их, т. е. считает симметричными друг другу. Вероятно, изучение неизвестных областей тесно переплетенных фундаментальных основ космологии и микромира — процесс бесконечный. Великое объединение. Возвратимся теперь к фундаментальной проблеме Великого объединения. Выше мы говорили о том, что Стандартная модель служит предпосылкой и первым шагом на пути Великого объединения четырех взаимодействий в природе, включая гравитационное 1). Носители последнего (гравитационные волны, или гравитоны), несмотря на очевидное существование в природе сил гравитации, обнаружить не удавалось. Ситуация изменилась лишь в самые последние годы. Было сообщено об экспериментальном обнаружении гравитационных волн в сентябре 2015 г. благодаря многолетним объединенным усилиям ученых из 14 стран в рамках проекта Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), расположенной в США, и вновь в декабре того же года — на ее усовершенствованном аналоге аLIGO. В основе проекта лежит регистрация гравитационных волн низких частот путем высокоточных измерений вызываемых ими смещений интерференционных полей при помощи гигантских антенн в виде ортогонально расположенных вакуумных тоннелей длиной 4 км (плечи телескопа), в которых распространяются лазерные лучи, при минимальном искажении оптического пути. Под действием гравитационной волны происходит смещение (растяжение одного и сжатие другого плеча) регистрируемое путем отражения лазерного луча от установленных на противоположных концах тоннелей специальных зеркал. Проходя в тоннелях разное расстояние, лазерные пучки создают интерференционную картину. Такой метод обладает значительно более высокой чувствительностью по сравнению с использовавшимися ранее в качестве приемников американским физиком Джозефом Вебером (Joseph Weber) массивными алюминиевыми цилиндрами, отстоящими на определенном расстоянии друг от друга и смещающимися под действием гравитационной волны. По существу в этом методе антенной служил земной шар, который должен пульсировать под действием приходящих гравитационных волн, а тысячекилограммовые цилиндры, находящиеся в изолированной вакуумной камере, являлись детекторами таких колебаний 1)
Главным ограничением при теоретическом описании гравитации, исходя из Стандартной модели, является то, что, в отличие от трех других фундаментальных взаимодействий, описываемых классической теорией поля и поддающихся квантованию, версия квантовой гравитации уже во втором порядке теории возмущений оказывается расходящейся. Есть надежда, что обойти это ограничение поможет теория струн.
502
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
в диапазоне от ультранизких до средних ( 10 3 –1600 Гц). Помимо этого, существовало ограничение, налагаемое так называемым стандартным квантовым пределом Брагинского–Торна 1), которое удалось значительно легче преодолеть в использованном в LIGO интерференционном методе за счет определенного расположения зеркал внутри детектора гравитационных волн. В конечном счете, из-за низкой чувствительности метода и высокого уровня шумов эксперименты Вебера оказались неудачными. Интенсивность гравитационных волн, представляющих собой совершенно ничтожные возмущения на ткани пространства-времени, чрезвычайно мала (на уровне 10 21 ). Между тем, источник излучения, который позволяет их обнаружить, связан с катастрофическими событиями в космосе, такими, как слияние черных дыр или нейтронной звезды с черной дырой, вызывающих грандиозное энерговыделение. Такие события сопровождаются мощным излучением практически во всем диапазоне электромагнитных волн. Заметим, что на слияние черных дыр как наиболее вероятного источника гравитационных волн, которые возможно обнаружить на Земле в определенном диапазоне частот, указали российские астрономы еще в середине 1990-х гг., хотя предполагались и другие релятивистские события, такие как слияние нейтронных звезд. Такие слияния порождают короткие и длинные гамма-всплески жесткого излучения (gamma ray bursts) с энергией от десятков килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт и типичной длительностью от нескольких миллисекунд до нескольких секунд 2). Следует сказать, что природа гамма-всплесков, регистрировавшихся одновременно на различных космических аппаратах, долгое время была совершенно неясна, и их природу удалось лучше понять сравнительно недавно, когда появилась возможность локализовать и отождествить источники излучения, включая их послесвечение в оптическом диапазоне. Стало ясно, что мощные короткие всплески обусловлены упомянутым взаимодействием нейтронных звезд в Метагалактике на космологических расстояниях, в то время как более длительные и меньшей мощности всплески связывают с эволюцией звезд — коллапсом массивных ядер (иногда образно называемых «предсмертной судорогой» коллапсирующей звезды), взрывами сверхновых типа Ib/c (см. гл. 6) и образованием черных дыр. Гамма-всплески характеризует громадное выделение энергии порождающего их источника, которое сопоставимо 1) Стандартным квантовым пределом в квантовой механике называют ограничение, накладываемое на точность непрерывного или многократно повторяющегося измерения какой-либо величины. Он тесно связан с соотношением неопределенностей Гейзенберга. 2) Парадоксально, что впервые гамма-всплески были обнаружены в конце 1960 гг. спутниками VELA, предназначенными для контроля за испытаниями атомного оружия.
Стандартная модель и теория суперструн (M-теория)
503
с энергией излучения Галактики ( 1046 эрг/c) 1). Наиболее полные исследования проводились в 1990-х гг. на американской космической обсерватории «Комптон» (Kompton), а в настоящее время ведутся американским КА «Свифт» (Swift) и в рамках российско-американского эксперимента «Конус-Винд» (Konus Wind). Особого внимания заслуживает, в частности, мощнейший всплеск гамма-излучения, зарегистрированный «Свифтом», а также телескопами «Чандра» и «Хаббла» в марте 2014 г., вызванный разрывом и поглощением звезды солнечной массы черной дырой в созвезлии Дракон на расстоянии 4 млрд световых лет от Земли, при котором было выброшено в виде энергии около 10 % звездной массы. С последствиями слияния нейтронных звезд связывают также вспышки космических радиоволн, периодически регистрируемых астрономами. Так, один из подобных источников излучения оказался в старой эллиптической галактике, удаленной от нас примерно на 6 млрд св. лет, в которой процессы звездообразования практически завершились и преобладают звезды на заключительной стадии эволюции. Первое событие, которое позволило обнаружить гравитационные волны в эксперименте LIGO, было обусловлено слиянием двух черных 5 4 дыр с массами 36 и 29 масс Солнца, что привело к образованию 4 4 4 объекта в 62 4 солнечных масс на расстоянии 500 Мпк. Второе событие связывают со столкновением черных дыр с массами в 14 и 8 солнечных масс, отстоящих от нас на 1,4 млрд световых лет, слившихся во вращающуюся черную дыру с массой 21 . Согласно общей теории относительности, слияние черных дыр не сопровождается излучением электромагнитных волн или частиц во всех диапазонах спектра, как при слиянии других источников, например, нейтронных звезд. Вместе с тем, время и пространственное положение самого события детально регистрировалось международной сетью космических, оптических и радиотелескопов. Наблюдения и результаты численного моделирования хорошо согласуются с обнаруженным всплеском, отвечающим процессу слияния. Экспериментальное обнаружение гравитационных волн трудно переоценить. Оно открывает эру гравитационно-волновой астрономии и позволяет всесторонне проверить общую теорию относительности Эйнштейна. Вместе с новыми методами исследования глубин Вселенной это дает подход к построению теории Великого объединения. Дальнейшие перспективы связаны с совершенствованием системы LIGO, введением в строй детектора итальянской обсерватории гравитационных волн VIRGO и, конечно, с совместным проектом NASA–ESA Laser Interferometer Space Antenna, LISA. Он предусматривает запуск трех одинаковых космических аппаратов, образующих треугольник 1) Называют даже величину вплоть до 1054 эрг, что сравнимо с массой покоя Солнца, под которой понимают эквивалентность массы и энергии объекта 2 . в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна
) '
504
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
со стороной 5 миллионов километров, которые, обмениваясь лазерными лучами, будут засекать малейшие изменения расстояний между ними, вызванные проходящими гравитационными волнами. Это позволит лучше отождествить источник излучения и одновременно понять процессы и историю формирования черных дыр, в том числе возникновение сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Можно ожидать, что решение проблемы Великого объединения будет, вероятнее всего, найдено на основе квантовой теории гравитации. Известно, что интенсивность взаимодействий зависит от массы передающих их элементарных частиц (таких как W- и Z-бозоны), и от некоторых чисел, определяющих вероятность эмиссии и абсорбции частиц (фотонов, глюонов, калибровочных бозонов). Эти числа, входящие в основные уравнения квантовой теории гравитации, называются постоянными взаимодействия, или константами связи. Теория предсказывает, что при предельно высоких энергиях величины этих констант становятся равными. Это подразумевает, что незначительные силы гравитации сильно возрастают, в то время как другие силы взаимодействия частиц одновременно уменьшаются и, поэтому, все силы, действующие между элементарными частицами, становятся сопоставимыми. Громадная энергия, при которой достигается такая ситуация (то есть, когда все силы в природе уравниваются), называется энергией Планка, ее величина составляет 1019 ГэВ (1,956 109 Дж). Эта энергия равна произведению планковской массы (массы частицы, имеющей одинаковые радиус Шварцшильда и комптоновскую длину волны, равную 2,176 10 11 г) на квадрат скорости света. Планковская энергия является единицей измерения энергии в естественной системе единиц, в которой за основные единицы приняты фундаментальные постоянные — скорость света в вакууме (, гравитационная постоянная , постоянная Планка 6, постоянная Больцмана , , число Авогадро и др. Она примерно на восемь порядков превосходит максимальную измеренную энергию космических лучей. При такой энергии все силы становятся сопоставимыми по величине и, как полагают, представляют разновидность одной единственной силы в природе. Заметим, что эта величина только на три порядка меньше энергии, при которой происходит нарушение симметрии слабого и сильного взаимодействий и их соответствующие константы становятся равными. Это указывает на то, что все взаимодействия в природе действительно могут быть объединены в рамках более фундаментальной теории, такой как единая теория поля (TOE). Однако к решению этой проблемы возможен только теоретический подход, поскольку энергия Планка превышает в сто тысяч миллиардов раз ( 1014 ) все, что было достигнуто на самых мощных ускорителях частиц на Земле (энергия столкновений частиц в LHC после доработки равна 13 ТэВ, что вряд ли откроет «новую физику» за пределами Стандартной модели). Известный космолог Стивен Хокинг (Stephen Hawking) заметил, что для достижения энергии, при которой могло бы произойти Великое
Стандартная модель и теория суперструн (M-теория)
505
объединение, потребовался бы ускоритель размером в Солнечную систему! Это означает, что едва ли теория TOE будет когда-нибудь проверена экспериментально. Несмотря на большой прогресс в нашем знании о свойствах материи, предстоит решить еще много чрезвычайно сложных проблем. К ним относится, в частности, проблема иерархии в физике элементарных частиц, связанная с фантастическим различием их энергий (например, масса бозона Хиггса оставляет всего лишь около 102 ГэВ, что в 1017 раз меньше энергии Планка!). Были попытки найти решение этой проблемы, исходя из идеи суперсимметрии, объединяющей константы сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий при очень высокой энергии ( 1016 ГэВ), чтобы подтвердить возможное нарушение законов сохранения для числа лептонов и кварков и стабильности материи 1). Они оказались безуспешными, подобно попыткам найти кандидата для частиц темной материи. Укажем на еще одну интересную особенность. Было найдено, что, в отличие от классических законов механики, законы физики элементарных частиц не являются инвариантными относительно трех существующих преобразований симметрии: , и . Это означает, что эти законы будут работать по-разному для частиц и античастиц ; что будут различными пути эволюции Вселенной и ее зеркального отражения ; и что Вселенная будет вести себя по-другому при обращении времени . Отсюда вытекает важное следствие, которое относится к ранней Вселенной. Действительно, нужно осознать, что если бы при Большом Взрыве появилось равное количество материи и антиматерии, это закончилось бы аннигиляцией пар кварк–антикварк с огромным дополнительным высвобождением энергии. Этого, однако, не произошло, из-за неинвариантности преобразований симметрии, которая допустила преобладание кварков над антикварками, называемое барионной асимметрией, хотя в других вселенных можно ожидать противоположную ситуацию. В результате, наше существование основано на материи, а не на антиматерии, что является ключевой основой космологии, физики элементарных частиц и нашей Вселенной. Заметим, что уравнения, предсказывающие существование антиматерии, выдающийся физик Поль Дирак (Paul Dirac) вывел еще в 1928 г., показав, что она аналогична обычной барионной материи, но частицы имеют противоположный заряд. Образцы антиматерии (тяжелых изотопов антиводорода и ядер антигелия-4) были получены экспериментально международной коллаборацией STAR на релятивистском ускорителе тяжелых ионов (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) при энергиях 200 Гэв в Брукхвейской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory) в Нью-Йорке. Однако получить целые 1) Для обнаружения суперсимметричных частиц энергию, достигнутую на LHC, нужно было бы повысить в триллион (!) раз.
506
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
антиатомы, состоящие из антипротонов и антинейтронов, крайне сложно, так как они обычно аннигилируют раньше, чем может образоваться антиядро. Тем не менее, полученные результаты являются весьма обнадеживающими. Несмотря на некоторые ограничения и проблемы, усовершенствованная Стандартная модель, подтвержденная в многочисленных экспериментах, связанных с сильными и слабыми взаимодействиями и открытием бозона Хиггса, служит важным ключом для понимания самой ранней истории Вселенной. Она доказывает, что при огромных температурах в первые несколько мгновений после Большого Взрыва, когда все частицы еще не имели массы, существовала симметрия между электрослабыми и электромагнитными силами. Барионная асимметрия, по-видимому, возникла только после 10 10 секунды, когда темпе15 ратура понизилась до 10 K и затем образовались первые массивные частицы (кварки, электроны, W- и Z-бозоны), появление которых сопровождало возникновение сильных и электрослабых взаимодействий при построении ядра. Теория суперструн. Дальнейшее развитие теории организации строения материи связано с концепцией теории струн, выдвинутой релятивистской квантовой механикой. Эта математическая теория лучше известна как теория суперструн и ее называют также М-теорией — Матерью всех теорий. Ее базисом служит многомерное пространство, основанное на струнах, и она объединяет все разнообразия элементарных частиц, квантовую механику, гравитацию и природу Вселенной (космологию). С математической точки зрения теория суперструн является гармоничной, стройной и совместимой с квантовой механикой. Она удовлетворяет принципам фундаментальной симметрии пространства-времени, известной как конформная симметрия, а также внутренним симметриям, лежащим в основе современной Стандартной модели сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий. Есть надежда объединить на основе теории струн Стандартную модель и Общую теорию относительности. Теория струн рассматривается как теория фундаментальных частиц и сил, основным объектом которой является не точечная частица, а крошечная одномерная структура — «струна». Теория постулирует, что все элементарные частицы различных энергий и масс являются результатом колебаний таких крошечных вибрирующих струн — ультрамикроскопических петель минимально возможной планковской длины (10 33 см, на которой по существующим оценкам понятие классического, гладкого пространства-времени уже неприменимо) и огромного натяжения. Стивен Вайнберг ассоциирует их с миниатюрными одномерными надрезами на гладкой ткани пространства («tiny one-dimensional cuts on the smooth tissue of space»). Они могут быть или открытыми или закрытыми. Каждая частица существует подобно волне, произведенной вибрацией струны, подобной обертонам, по аналогии с музыкальным тоном — высотой звука. Таким образом, вибрации струн
Стандартная модель и теория суперструн (M-теория)
507
(резонансные моды в бесконечном диапазоне длин волн) ответственны за тип и массу всего разнообразия элементарных частиц и всех четырех взаимодействий в природе. Теория струн предсказывает существование частицы, имеющей нулевую массу и спин вдвое больший спина фотона, который связан с гравитацией, т. е. квант гравитационного излучения. В этом проявляется уникальность динамики теории струн. Приложение концепции суперсимметрии к теории струн приводит к теории суперструн. Теория суперструн требует десятимерного «пространства-времени», хотя только четыре из этих измерений (длина, ширина, высота и время) наблюдаются в современной Вселенной. Другими словами, представление о том, что струны существуют в 10-мерном пространстве и, следовательно, пространство на основе струн является многомерной сущностью, приводит нас к новому взгляду на микромир и Вселенную. Вероятно, основываясь на этой теории, Вселенная возникла как многомерная, и известные нам время и пространство появились со времени Планка (10 43 с после Большого Взрыва). Вновь напомним — вопрос о том, что было до этого момента, не имеет смысла: просто до этого еще не было времени и пространства, и сами эти категории появились только в момент Большого Взрыва. Теория суперструн, разрабатываемая совместно с современной квантовой электродинамикой, квантовой теорией поля и калибровочными теориями, в основе которых лежит квантовая механика, является одним из главных кандидатов на создание квантовой теории гравитации и «Теории всего» (М-теории), которая должна охватить все силы и частицы в природе. Эта теория призвана, таким образом, объяснить все основные свойства материи во Вселенной и непосредственно саму Вселенную, являясь, по-видимому, реальным шагом к TOE. Как видим, подобно теории элементарных частиц, современная космология имеет дело с категориями, которые являются очень далекими от нашего повседневного восприятия окружающей жизни. Действительно, невозможно вообразить планковские длину, время, плотность и энергию, как главные составляющие первоначального состояния материи и основы Большого Взрыва, или «кипящий вакуум», за которым следует суперинфляция, преобразующая в течение ничтожно малого времени бесконечно малую точку бесконечно большой энергии в пространство огромного масштаба. Все эти понятия находятся вне нашего бытового мышления. Кроме того, события и их следствия в самые первые моменты рождения Вселенной невозможно проверить или подтвердить экспериментально. Поэтому в нашем восприятии этих событий и отвечающих им категорий мы полностью полагаемся на теорию, которая не противоречит фундаментальным физическим законам природы и позволяет последовательно и всесторонне развивать подходы и концепции образования и эволюции Вселенной. Антропный принцип. Размышляя о природе материи, истоках ее происхождения и трансформации в космосе, о синергизме микрои макромира, мы не можем не коснуться еще одного интересного
508
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
и в какой-то мере даже поразительного феномена, получившего название антропного принципа 1). Речь идет об удивительных закономерностях значений основополагающих констант и их соотношений, даже незначительные отклонения от которых сделали бы невозможным существование нашего мира. Это относится как к элементарным частицам (прежде всего, отношению их масс) и законам основных взаимодействий в природе, так и к устойчивости состояния вещества и движений материальных тел. Так, например, атом водорода стабилен, поскольку масса свободного нейтрона больше массы системы протон–электрон, а при ином соотношении масс у материи был бы только ядерный уровень организации (водород быстро превращался бы в нейтрон) и было бы невозможно образование атомов, молекул и химических элементов. Стабильность атома и всех химических элементов обусловлена тем, что, несмотря на огромное различие масс протона и электрона, их электрические заряды в точности равны. То же самое относится к сильным взаимодействиям, удерживающим нуклоны в атомном ядре — окажись они чуть слабее, не образовались бы стабильные атомы и химические элементы вскоре после рождения Вселенной, а при более высоких значениях стали бы невозможны термоядерные реакции — источник энергии звезд, в том числе нашего Солнца. Другой характерный пример — силы гравитационного притяжения. Если бы гравитационная постоянная была больше существующего значения, Вселенная не смогла бы расширяться после своего рождения, образовывать звезды, галактики, планеты, и наоборот, при ее меньших значениях вещество попросту распылилось бы в космосе, не говоря уже об орбитах планет вокруг звезд и т. д. Нельзя не упомянуть об уникальном характере резонанса в ядре атома углерода, играющего роль своего рода катализатора при слиянии трех томов гелия, что обеспечивает рост сечения нуклон-нуклонного взаимодействия и образование как углерода, так и последующих тяжелых элементов в процессах нуклеосинтеза, а сам углерод, как мы видели (гл. 9) служит единственной основой образования сложных полимерных цепочек — строительных блоков живой материи. Эти примеры можно было бы продолжить. Сказанное приводит к представлениям о как бы чрезвычайно «удачно выбранных» значениях фундаментальных постоянных и физических закономерностях, обеспечивающих гармонию окружающего мира и саму возможность нашего в нем существования. В предельном случае можно вообще говорить об особом месте нашей планеты, как единственно пригодном для обитания, что, однако, противоречит космологическому принципу Коперника, отвергшего представление о Земле, 1) Этот принцип впервые был выдвинут в середине прошлого столетия американским астрофизиком Робертом Диком (Robert H. Dicke) и сформулирован в более полной форме в 1973 г. американцем Брэндоном Картером (Brandon Carter). Само название предполагает связь данного принципа с человеком-наблюдателем.
Параллельные вселенные и кротовые норы
509
как центре Вселенной. Выделяют два антропных принципа — слабый и сильный. Первый утверждает, что благодаря благоприятному подбору и сочетанию физических констант возможно появление биологического вещества, рождение жизни и ее развитие до интеллектуального уровня, способного ставить вопросы о ключевых проблемах мироустройства, истоках нашего происхождения и устойчивого развития. При этом не предпринимаются попытки отыскать первопричины возникновения из практически бесконечного множества вероятных сочетаний удивительного природного феномена, сделавшего наш мир поистине уникальным. В свою очередь, в основе сильного антропного принципа лежит постулат о том, что Вселенная изначально была устроена так, чтобы в ней неизбежно должны были появиться жизнь, интеллект и разумный наблюдатель, ассоциируемый с разумным участием в ее создании. Поэтому соответствующие фундаментальные константы были «подобраны» как бы закономерно и стали для нее универсальными. Очевидно, в сильном антропном принципе легко усматривается теологический подход к «сотворению Вселенной» и не случайно он поддерживается богословами, видящими в нем божественное начало и разделяющими представления некоторых ученых-креационистов «о привнесении сознания во Вселенную». Конечно, ни один из этих принципов экспериментально проверить невозможно, и хотя логической основой каждого из них является вполне доказательное утверждение, что «жизнь есть, потому что мы живы и это осознаем», слабый антропный принцип представляется несравненно ближе к философии материализма, как научной основы окружающего мира. Такой подход не исключает, а наоборот, предполагает существование вселенных с другими фундаментальными константами и физическими законами, по своей природе принципиально отличающихся от нашей, в которых зарождение жизни стало невозможным и, следовательно, в таком мире не могло появиться наблюдателя.
Параллельные вселенные и кротовые норы Современная космология предполагает, что существует бесконечное множество других (параллельных) вселенных, и что наша собственная довольно молодая Вселенная является только одной из них. Параллельные вселенные образуют Мультивселенную (рис. 11.11). Теория суперинфляции допускает само-воспроизводство вселенных, другими словами, то, что вселенные рождаются и распадаются (исчезают) в различных областях пространства и в разное время. При этом, согласно общей теории относительности Эйнштейна, пространство не является гладким, а пространство и время неразрывно связаны и образуют единое целое. По мнению ряда космологов, на существование параллельных миров указывает ненулевое значение космологической постоянной (лямбда-члена) в уравнениях Эйнштейна.
510
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
Рис. 11.11. Концепция Мультивселенной. Вселенные, «плавающие» в Космосе, ассоциируются с невидимыми «пузырями», которые формируют «пространственно-временную пену», и могут испытывать столкновения. Топология «кротовых нор» с тоннелями (а) и без тоннелей (б). (Согласно И. Д. Новикову, Н. С. Кардашеву и А. А. Шацкому)
Расширение первоначального сгустка материи, образующей вселенную, происходит мгновенно, причем каждая имеет определенный «цвет», соответствующий специфическим свойствам каждой образующейся вселенной. Происхождение вселенной и ее определенного «цвета» может быть результатом квантовых осцилляций в вакууме (creatio ex nihilo). Вселенные, «плавающие в пространстве космоса, находятся от нас бесконечно далеко, на экспоненциально увеличивающихся расстояниях, и, следовательно, не могут быть обнаружены. Они ассоциируются с невидимыми «пузырями» в космосе, как следствием квантовой теории гравитации. Эти «пузыри», порождаемые квантовыми осцилляциями на масштабах планковской длины, образуют в макромасштабах «пространственно-временную пену», и могут испытывать столкновения. Происхождение нашей Вселенной могло быть результатом такого столкновения, которое вызвало Большой Взрыв и сопровождавшие его эффекты. Предполагается также, что, так как пространство заполнено квантовыми флуктуациями, во Вселенной и Мультивселенной могут существовать пространственно-временные переходы, напоминающие черные дыры, — так называемые кротовые норы 1) (рис. 11.12). Такие гипотетические топологические особенности пространства-времени были теоретически предсказаны, исходя из общей теории относительности, еще в 1935 г. А. Эйнштейном, который сам рассматривал их в качестве побочного математического решения, артефакта. В отличие от черной дыры, из которой нельзя вернуться веществу и даже свету, попадающим в ее гигантское поле тяготения, у кротовой норы нет 1)
В англоязычной литературе их называют worm holes — червоточинами.
Параллельные вселенные и кротовые норы
511
Рис. 11.12. Концепция кротовой норы в виде туннеля в пространстве-времени, ассоциируемого с черной дырой (а). Аккреция фантомной материи через кротовую нору с регулярным магнитным полем типа черной дыры может окончиваться белой дырой (б). (согласно И. Д. Новикову, Н. С. Кардашеву и А. А. Шацкому)
горизонта события. Распространение решений уравнений общей теории относительности на некоторые экстремальные состояния открывает гипотетическую возможность «возбуждения» черной дыры и перехода через нее, как через кротовую нору, в другое «пространство-время», хотя любое возмущение может нарушить такую возможность. Переход возможен через своеобразный тоннель в другое место Вселенной, причем, согласно теории, длина тоннеля может быть порядка километра между областями, отстоящими друг от друга на миллионы световых лет. Можно также предположить, что если «оба устья кротовой норы» выходят в одну и ту же вселенную, то возникают своего рода «временные петли», в то время как при сообщениях между разными вселенными (через «мосты», или «проходимые» кротовые норы) таких петель не возникает. При этом вселенные, удаленные друг от друга как по времени, так и по расстоянию, могут соединяться между собой через кротовые норы вдоль скрытого измерения 1) (рис. 11.13). Процесс может напоминать хаотическую инфляцию во время Большого Взрыва. Аккреция фантомной материи на кротовую нору с искривленным трехмерным пространством и регулярным магнитным полем может привести к появлению черной дыры, т. е. обе концепции взаимосвязаны. 1) Понятие пространства-времени, как категории, содержащей больше четырех измерений, позволяет расширить представления об архитектуре кротовых нор. Сюда относится, в частности, концепция, согласно которой вся наблюдаемая материя располагается на некоторой четырехмерной поверхности — «бране» (ахронизм мембраны), а в окружающем пяти- или шестимерном объеме нет ничего, кроме гравитационного поля, влияющего на геометрию окружающего объема, играющего роль экзотической (возможно, темной) материи, порождающей кротовые норы. Норы в этом случае могут быть любого размера и, в отличие от черных дыр, не обладать собственным тяготением.
512
Гл. 11. Происхождение и судьба Вселенной
Рис. 11.13. Пространственно-временные туннели, предположительно существующие в Мультивселенной и позволяющие выйти в гиперпространство. Удаленные в пространстве и времени вселенные могут взаимодействовать через кротовые норы вдоль скрытого измерения. (Согласно И. Д. Новикову, Н. С. Кардашеву и А. А. Шацкому)
Теоретически кротовую нору можно представить как черную дыру, обладающую угловым моментом и вращающуюся относительно одной из осей симметрии. К ней применима так называемая метрика (или вакуум) Керра, описывающая геометрию пустого пространства-времени, вращающегося вокруг незаряженной аксиально-симметричной черной дыры со сферическим горизонтом события. Метрика Керра представляет собой точное решение уравнений поля в общей теории относительности Эйнштейна и дает теоретический шанс избежать сингулярности, что означало бы крушение теории. Конфигурация кротовой норы также может быть представлена в виде двух черных дыр в форме конуса, соединенных в середине перемычкой с радиусом Шварцшильда (горизонтом события) (см. рис. 11.13). Здесь могла бы существовать экзотическая материя с плотностью энергии , где — давление некой экзотической материи. Подобно черным дырам, кротовые норы могут находиться в центрах некоторых галактик и обнаружить различие между ними трудно. Одной из предполагаемых возможностей является регистрация не красного, как в окрестности черной дыры, а фиолетового смещения в спектре излучения благодаря выходу вещества из кротовой норы наружу, а ее внутренняя структура доступна для наблюдения. Но кротовые норы могут быть очень компактными, и для их обнаружения необходимо достигнуть разрешения внутригалактических областей не менее одной миллионной доли угловой секунды! Конечно, заманчиво думать, что через кротовые норы мы сможем заглянуть в другие миры, однако само существование таких экзотических образований остается пока чисто гипотетическим, а возможность путешествий между вселенными (существование машины времени) остается только теоретической абстракцией. Подводя итоги, мы можем сказать, что наша Вселенная, как часть Мультивселенной, представляет собой несравненно более сложную
Параллельные вселенные и кротовые норы
513
сущность, чем предполагалось ранее, и заключает в себе множество таинственных особенностей, которые только еще предстоит осознать. Мультивселенная постоянно изменяется, и Большой Взрыв можно рассматривать как заурядный случай взаимодействия параллельных вселенных в процессах формирования порядка из хаоса, а черную дыру — как маленькую модель взаимного проникновения вселенных друг в друга. Эволюция вселенных, включая нашу, представляет собой непрерывный эволюционный процесс, который в нашем случае привел через свойственный природе феномен самоорганизации к существующей в настоящее время структуре с множеством галактик, галактических скоплений, многообразию звезд и планетных систем. Как отметил Андрей Линде, Вселенная в целом бессмертна. Каждая ее часть могла быть отделена от сингулярности где-то в прошлом, и она может завершиться сингулярностью где-то в будущем. Однако нет никакого конца в развитии всей Вселенной. Более того, исходя из постулируемой теории современной космологии, начальные квантовые флуктуации и рождение областей постинфляции (вероятно с различными пространственно-временными измерениями и различными физическими константами) могут рассматриваться, как универсальная парадигма бесконечного процесса упорядочения бесконечного числа первоначально хаотических структур, заполненных полями и материей. Теоретическая и экспериментальная физика, лежащая в основе космологии и астрофизики в целом, прогрессирует настолько быстро, что уже в ближайшем будущем можно ожидать новых крупных открытий, которые расширят существующие представления и, возможно, даже изменят наше современное понимание мира, в котором мы живем.
Заключение В юности автору довелось познакомиться с несколькими замечательными книгами по астрономии, оставившими глубокий след в сознании от завораживающих картин таинственного космоса. Среди них была изданная в 1947 г. Издательством технико-теоретической литературы книга известного астронома профессора Б. А. Воронцова-Вельяминова «Вселенная». Держа ее сегодня в руках, испытываешь, с одной стороны, чувство восхищения перед способностью человеческого разума постигать тайны природы при ограниченных в тот период возможностях наблюдений и накопления знаний, а с другой — чувство осознания грандиозности прогресса в познании Вселенной, достигнутого человечеством за время чуть более полстолетия. Мы попытались рассказать на страницах этой книги о Космосе во всем его величии и многообразии, сложности и бесконечности, и одновременно об удивительной красоте и гармонии мира, в котором мы обитаем на крохотном островке пространства — планете Земля — «Бледно-голубой точке» (Pale Blue Dot), как назвал ее Карл Саган. Это не простая задача, поскольку тематика столь же необъятна, как сам Космос, и от читателя требуется не только желание узнать новое, но и определенный уровень подготовки, чтобы вникнуть в суть достаточно сложных проблем, с которыми приходится сталкиваться, пытаясь понять природу и закономерности окружающего мира, простирающегося от собственной планеты до воображаемых условных границ Вселенной. Конечно, книга не является легким развлекательным чтением, ее задача — нацелить на серьезные размышления о природе нашего мира. Мы переживаем уникальный по насыщенности и быстроте накопления знаний этап познания природы микро- и макромира, составляющих основу современных представлений о структуре материи, происхождении и эволюции разнообразных объектов и механизмах превращения материи и энергии в космической среде. Наука о Космосе многогранна, она охватывает различные области современного естествознания, опираясь на древнейшую из наук — астрономию и одновременно выходя далеко за ее пределы. Эти области огромны по охвату, имеют много специфических разделов, которые не легки для понимания и еще более трудны для описания сравнительно простым языком без привлечения языка математики. Такую цель поставил перед собой автор. Насколько ему это удалось — судить читателю. Начиная с древнейших времен, на всем протяжении человеческой истории, любознательность людей граничила со страхом перед неизвестностью явлений природы, с желанием обезопасить себя от «гнева
Заключение
515
небес». Стремление понять окружающий мир сочеталось с божественным началом и суевериями, а порой с желанием богатства и власти, несмотря на очевидные затраты и риски. В свою очередь, необходимость противостоять силам природы была мотивацией для изобретений и развития примитивных технологий. На форпосте постижения неизвестного и тайн природы были фундаментальные науки — прежде всего физика, математика, механика, химия, биология. Они стимулировали технический прогресс и первые робкие попытки выйти за пределы собственной планеты. Первые шаги в космос, предпринятые человечеством в середине прошлого века, стали достойным научным и культурным этапом развития цивилизации в XX столетии. Парадоксально, что основой выхода в космос послужили императивы холодной войны, а прогресс в его изучении длительное время мотивировался политическими критериями и противостоянием двух сверхдержав — СССР и США в состязании за глобальное превосходство. Для достижения этой цели было необходимо развивать и совершенствовать наступательные и оборонительные средства, среди которых ведущая роль принадлежала ракетной технике. Она, в свою очередь, предопределила начало космических исследований и имела ключевое значение для громадного прогресса в познании окружающего мира, достигнутого всего за несколько десятилетий. Поэтому, как это уже не раз бывало в истории, военные, а не мирные, гуманные цели, стремление изобретать все более изощренные средства истребления способствовали прогрессу фундаментальных наук и развитию технологий, а в начале 1960-х гг. привели мир к порогу самоуничтожения. Это в полной мере относится к космосу, на котором сосредоточились передовые направления науки и техники. Дополнительной мотивацией была национальная гордость, как это было в случае лунной гонки. Так или иначе, уроки, усвоенные из истории космонавтики, лишний раз подкрепили тезис о том, что научный прогресс происходит параллельно с политическими амбициями и социально-экономическими отношениями, подчас оставляя фундаментальную науку, в лучшем случае, на втором или даже на третьем плане, хотя принципиально от нее зависим. В случае космоса, однако, сама возможность взглянуть на Землю со стороны, увидеть ее малость и уязвимость в необъятных просторах Вселенной, осознание уникальности ее природы повысили ответственность за судьбу собственной планеты. Мы не собираемся, однако, подробнее обсуждать эти соображения в книге, посвященной естественно-научным проблемам. Упомянуто об этом лишь потому, что без такого во многом парадоксального развития науки и техники не было бы, вероятнее всего, столь стремительного расширения представлений о мире и, соответственно, основы для написания этой книги, вобравшей в себя самые передовые достижения астрофизики, планетных исследований, космохимии, космогонии и космологии. Результаты уже проведенных и продолжающихся исследований, их анализ и обобщение, обсуждаемые в книге, не только неизмеримо
516
Заключение
расширили наши горизонты в понимании явлений, происходящих в космосе при энергиях и в масштабах, недоступных обычному воображению, но также оказали громадное воздействие на основополагающие философские концепции и осознание нашего места в мире. Подчеркнем, что мы только в самом начале пути расширения границ познания нашего космического окружения, и дальнейший прогресс даже трудно вообразить. Несомненно, что на современном этапе оптимальным является рациональное сочетание робототехнических и пилотируемых средств. Следует при этом иметь в виду и то, что возможности автоматических космических аппаратов далеко не исчерпаны, они непрерывно возрастают, особенно при использовании средств искусственного интеллекта. Именно такие космические роботы позволили нам получить основной объем данных о телах Солнечной системы и практически всю основную информацию о Вселенной и населяющих ее уникальных, зачастую экзотических объектах. Создаются все более совершенные аппараты, оснащенные уникальными телескопами и приемниками излучений во всех диапазонах длин волн, призванные дать ответ на кардинальные вопросы о том, как мы пришли в этот мир, на каком этапе его эволюции находимся и куда движемся. Будущие поколения будут стремиться не только исследовать, но и расширять границы своего присутствия в космосе, в первую очередь, в Солнечной системе, чтобы постепенно превратить человечество в обитателей множества миров. Новые технологии предоставят для этого уникальные возможности, открывающие перед нашей цивилизацией беспрецедентные перспективы. Уже на данном этапе обсуждаются проекты пилотируемых экспедиций к планетам, прежде всего к Луне и Марсу, хотя в случае Марса, с учетом существующих технических ограничений и социально-экономических проблем, осуществление такого проекта кажется нам преждевременным. Наиболее реалистичным и актуальным представляется поставленный в сегодняшнюю повестку дня вопрос о начале освоения Луны, создании лунной инфраструктуры. Более отдаленные цели — это, безусловно, видение перспективы, к воплощению которой нужно готовиться, создавать заделы. По своему существу такой подход отражает философию развития человеческой цивилизации. Глобальная задача будущих исследований состоит в поиске подходов к решению фундаментальных проблем прошлого, настоящего и будущего Вселенной. В первую очередь это, конечно, касается крохотной ее части — Солнечной системы, представляющей первостепенный интерес для человечества с точки зрения его ближайшего космического окружения. Здесь на первый план выступают проблемы сравнительной планетологии, на основе которой необходимо понять, какова судьба собственной планеты в общей концепции происхождения и эволюции Солнечной системы. С проблемами космологии и звезднопланетной космогонии тесно связаны проблемы астробиологии, призванные ответить на вопросы о происхождении жизни и возможности
Заключение
517
ее существования за пределами Земли. Это направление исследований не только объединяет астрономию и биологию, но и затрагивает актуальные философские проблемы, поскольку человечество — продукт длительной последовательности космической эволюции, тесно связанной с условиями окружающей природной среды, служащей первоосновой возникновения известных нам форм жизни и тем более ее развития до интеллектуального уровня. Совокупность существующих знаний о природе Вселенной, населяющих ее объектах и формах существования материи мы попытались обсудить на страницах книги, охватывающей широкий круг проблем, относящихся к емкому понятию Космос. Каких открытий, которые будут способствовать дальнейшему прогрессу науки о космосе, можно ожидать в ближайшей перспективе? Собрать короткий список — не простая задача, и большинство прогнозов вообще малопродуктивно. Как когда-то заметил отец кибернетики Норберт Винер, порочность прогнозов состоит в крайне робком проецировании на будущее. И тем не менее, в обобщающем смысле можно говорить о том проникновении в мир все меньших масштабов и все больших энергий. Дальнейший прогресс в исследованиях Солнечной системы будет связан с расширением знаний о природе планет и малых тел, их происхождения и ранних этапах эволюции, изучением первичного вещества и реконструкцией процессов формирования планетных систем, поисками следов существования примитивной жизни. Экспериментальное подтверждение существования и установление свойств темной материи может произвести революцию в физике. Природа темной энергии и свойств вакуума связана с проблемой понимания эволюции и будущего Вселенной, с чем будут связаны новые крупные достижения в космологии, поставленной ныне на экспериментальную основу. Поистине интригующими являются представления современной космологии о нашей Вселенной как части Мультивселенной в виде «пространственно-временной пены» в бесконечном Космосе, с кротовыми норами вдоль скрытых измерений, «позволяющих» выходить в гиперпространство. Прогресс в этом новом разделе физики связан с постулируемой теорией начальных квантовых флуктуаций и доминированием постинфляционных областей, которые можно рассматривать как универсальную парадигму бесконечного процесса упорядочивания бесконечного числа первоначально хаотичных структур в Космосе, заполненном полями и материей. Можно думать, что совершенствование наших знаний о структуре и свойствах материи и природе фундаментальных взаимодействий, а вместе с ними, Великое объединение и создание «теории всего» (ТОЕ), включая квантовую теорию гравитации и суперсимметрию, будет достигнуто на основе теории струн. Прогресс, ожидаемый в космологии и физике элементарных частиц как основ новой физики может в самом ближайшем будущем значительно дополнить и, возможно, даже изменить нынешнее понимание мира, в котором мы живем.
518
Заключение
В свою очередь, наряду с пониманием синергизма макро- и микромира возрастает перспектива все более тесной связи астрономии и биологии. Потенциальное обнаружение признаков жизни в Солнечной системе и экзопланет, подобных Земле, с благоприятной природной средой и, возможно, даже с признаками биоты, продвинет астробиологию и расширит представления о происхождении жизни и возможных зонах обитаемости в Галактике вокруг звезд солнечного типа. Это будет также способствовать поиску ответа на интригующий вопрос о том, есть ли признаки разума вне Земли и действительно ли мы не одиноки во Вселенной, имеющий глубокое гносеологическое значение. По существу это может открыть перспективу перехода от ограниченного планетологического к обобщенному космологическому мышлению. В заключение хочется процитировать двух выдающихся людей прошлого столетия. Альберту Эйнштейну принадлежат слова: «Самое непостижимое в этом мире — это то, что он постижим». Как нам кажется, в справедливости этой мысли убеждает изложенное в данной книге, посвященной поистине удивительному, необъятному и на первый взгляд действительно непостижимому миру Космоса, который, тем не менее, удается познавать силой человеческого разума. Другое высказывание, отражающее наше восхищение тем, что мы способны познавать окружающий мир, принадлежит Владимиру Ивановичу Вернадскому, который писал: «Мы переживаем . . . величайший перелом научной мысли человечества, совершающийся лишь раз в тысячелетие, переживаем научные достижения, равных которым не видели долгие поколения наших предков. Стоя на этом переломе, охватывая взором открывающееся будущее, мы должны быть счастливы, что нам суждено это пережить, в создании такого будущего участвовать».
Рекомендуемая литература для дополнительного чтения 1. Брайан Г. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. М., УРСС, 2007. 2. Брайан Г. Ткань Космоса. Пространство, время и текстура реальности. М., УРСС, 2009. 3. Вайнберг С. Первые три минуты. М.: ЭКСМО, 2011. 4. Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. Физика в поисках самых фундаментальных законов природы / Пер с англ. А. В. Беркова. М.: УРСС, 2008. 5. Вайнберг С. Космология. М., УРСС, 2012. 6. Войткевич Г. В. Проблемы космохимии. Ростов: Изд-во Ростовского университета, 1987. 7. Галимов Э. М. Феномен жизни. Между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. М., УРСС, 2001. 8. Голдсмит Д., Оуэн Т. Поиски жизни во Вселенной / Пер. с англ. под ред. М.Я. Марова. М.: Мир, 1987. 9. Грибов Л. А., Баранов В. И. От молекул к жизни. М: УРСС, КРАСАНД, 2012. 10. Дорофеева В. А., Макалкин А. Б. Эволюция ранней Солнечной системы. Космохимические и физические аспекты. М.: УРСС, 2004. 11. Дэвис П. Проект Вселенной. Новые открытия творческой способности природы к самоорганизации. М.: Библейско-Богословский институт Св. Апостола Андрея, 2009. 12. Засов А. В., Постнов К. А. Общая астрофизика. Фрязино, 2006. 13. Иванов А. А. Природа регулярности онтогенеза. М.: Икар, 2013. 14. Исследования Солнечной системы. Космические вехи. Материалы научной сессии, посвященной 80-летию академика М. Я. Марова. Четвертый Международный симпозиум по исследованию Солнечной системы 4М-S3 / Под. ред. А. В. Захарова (Серия: Механика, управление и информатика). М.: ИКИ РАН, 2015. 15. Каку М. Параллельные миры. Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса. М.: София, 2008. 16. Келдыш М. В., Маров М. Я. Космические исследования. М.: Наука, 1981. 17. Колесниченко А. В., Маров М. Я. Турбулентность сред. М.: Наука. Интерпериодика, 1999.
многокомпонентных
520
Рекомендуемая литература для дополнительного чтения
18. Колесниченко А. В., Маров М. Я. Турбулентность и самоорганизация. Проблемы моделирования космических и природных сред. М.: БИНОМ Лаборатория знаний, 2009; 2014. 19. Кузьмин А. Д., Маров М. Я. Физика планеты Венера. М.: Наука. ФИЗМАТЛИТ, 1974. 20. Кусков О. Л., Дорофеева В. А., Кронрод В. А. Макалкин А. Б. Системы Юпитера и Сатурна. Формирование, состав и внутреннее строение крупных спутников. М.: УРСС, 2009. 21. Маров М. Я. Планеты Солнечной системы, 2-е издание. М., Наука. ФИЗМАТЛИТ, 1986. 22. Маров М. Я. Советские роботы в Солнечной системе. Технологии и открытия. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. 23. Маров М. Я., Колесниченко А. В. Введение в планетную аэрономию. ФИЗМАТЛИТ, 1987 24. Марочник Л. С., Сучков А. А. Галактика. М.: Наука. ФИЗМАТЛИТ, 1984. 25. Метеорит Челябинск — год на Земле. Сб статей (астрономия, физика, геохимия, минералогия, петрография) / Под ред. Н. А. Антипина и др. Челябинск, 2014. 26. Монин А. С., Солнцева Н. И. Жизнь и разум. М.: Наука, 2007. 27. Мороз В. И. Физика планеты Марс. М.: Наука. ФИЗМАТЛИТ, 1978. 28. Пайерлс Р. Е. Законы природы / Пер. с англ. под ред. И.М. Халатникова. М.: Физматгиз, 1962. 29. Перельман А. И. Геохимия биосферы. М. Наука, 1973. 30. Пригожин И. Конец определенности. Время, Хаос и Новые Законы Природы. —М.-Ижевск: R&C, 2001. 31. Пригожин И. От существующего к возникающему. Время и сложность в физических науках. Изд. 3. М.: УРСС, 2006. 32. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. М.: Прогресс, 1986. 33. Проблемы происхождения жизни / Под ред. А.И. Григорьева и др. М.: ПИН РАН, 2009. 34. Рюэль Д. Случайность и хаос. М.-Ижевск: R&C, 2001. 35. Саган К. Э. Космос. Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации. С-Пб.: Амфора, 2015. 36. Саган К. Наука в поисках Бога (пер. с англ.). С-Пб.: Амфора, 2009. 37. Современная космология. Философские горизонты / Под ред. В.В. Казютинского. М.: Канон, 2011. 38. Современные проблемы механики и физики космоса. К 70-летию со дня рождения чл.-корр. РАН М. Я. Марова / Под ред. В. С. Авдуевского, А. В. Колесниченко. М., ФИЗМАТЛИТ, 2003. 39. Сурдин В. Г. Вселенная от А до Я. М.: Эксмо. 2013. 40. Сурдин В. Г. (ред.-сост.) Солнечная система. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 41. Сурдин. В. Г. (ред.-сост.) Звезды. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008.
Рекомендуемая литература для дополнительного чтения
521
42. Уипл Ф. Л. Семья Солнца / Пер. с англ. под ред. М. Я. Марова. М., МИР, 1984. 43. Ульмшнайдер П. Разумная жизнь во Вселенной / Пер с англ. под ред. Беляева Д. А. и др. Долгопрудный: Интеллект, 2009. 44. Фортов В. Е. Физика высоких плотностей энергии. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. 45. Фридман А. М., Горькавый Н.Н. Физика планетных колец. М.: Наука. ФИЗМАТЛИТ, 1994. 46. Фридман А. М., Хоперсков А. В. Физика галактических дисков. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. 47. Хокинг С. Три книги о пространстве и времени. С.-Пб.: Ф/Амфора, 2012. 48. Черепащук А. М., Чернин А. Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязино, 2003. 49. Чижевский А. А. Солнечный пульс жизни. М.: Айрис-Пресс, 2015. 50. Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. Изд. 7-е. М.: АНО «Журнал «Экология и жизнь», 2006.
Алфавитный указатель
Абиогенез 136, 194, 405, 407, 428, 432, 437 Абсолютная звездная величина 288, 289, 293 Адамс Джон (Adams, J.C.) 167, 199, 201 Адроны 494, 496 Аквариды 240, Аккреция 145, 154, 323, 370, 375, 376, 383, 390, 399, 511 Аккумуляция 153, 154, 158, 162, 169, 238, 251, 370, 371, 383, 389, 396, 398, Альбедо 14–25, 64, 86, 88, 98, 144–148, 155, 160, 165, 168, 188, 195, 202, 208, 215, 219, 221, 236, 346, 356 Альфвеновские волны 272 Амальтея 16, 187, Аминокислоты 237, 245, 410–416, 423–432 Амур 33, 44, 211, 212, Ананке 17, 188, Андромеда (Туманность Андромеды) — галактика 258, 397, 450, 459 Антенная решетка Аллена (радиотелескоп Allen Telescope Array — ATA) — 457 «Аполлон» (Apollo) — космический корабль 63, 66, 71–77, 142, 402, 422 Апофис 250 Апоцентр 36, 107, 195, 223, 327, Аристотель 471 Ариэль 23, 195, Аррениус Сванте (Arrhenius, S.) 405, Архей 114, 138, 255, 407, 417, 435,
Астероид 7, 12,13, 32–47, 60–65, 202–215, 241, 253–255, 370, 376, 381,391, 395, 412–417, 437–439, Астероиды, сближающиеся с Землей (NEO) 33, 44, 209, 211, 212, 251 Астробиология 403, 408, Астрометрия 341, 360 Атмосфера 6, 45, 46, 49–65, 83, 88–150, 171 Атмосферная непрозрачность 100, 122, 147 — суперротация 102, Атон 33, 44, 211, 212, Ахондриты 138, 242, 245, 384 Аэрономия 127, 134, 140, 280 Бактериальные окаменелости 107, 137, 244, 422 Барион 469 Барионная асимметрия 506 — материя 9, 465–469 Белки (протеины) 413–415, 424–433 Белковые катализаторы (энзимы) 427, 429, Белый карлик 7, 263, 290, 300, 308–326, 363 Бианка 21, 195, Биогенез 406 Биологическая эволюция 431–444 Биомолекулы 413 Биоорганические соединения 430 Биосфера 8, 45, 57, 138–140, 248, 403–439 Бифуркация (раздвоение) 177, «Бланко» (Blanco) — телескоп 488 Бозон 310, 494–506 Бозон Хиггса 9, 494–506 Большое Красное Пятно 152, 169, 174, 175, 176
Алфавитный указатель Большое Магелланово Облако 314, 318, 456, 459 — Темное Пятно 152, 167, Большой адронный коллайдер 499 — Взрыв 8–10, 442, 443, 462, 463, 473, 477–490, 505–507, 510, 513 Браут Роберт (Brout, R.) 499, 500 Бредихин Федор Александрович 230 Бруно Джордано (Bruno, G.) 362, 403, Вайнберг Стивен (Weinberg, S.) 497, 500, 506, 519, Вегенер Альфред (Wegener, A.) 55, Вековые возмущения 36, 39, 41, 44 Великое объединение 9, 472, 494, 496, 501, 503, 517 Венера 12, 16, 32, 38, 50–103, 144–148, 288, 420 Вернадский Владимир Иванович 61, 406, 518 Веста 32, 108, 205–210, 255 Волластон Уильям Хайд (Wollaston, W.) 269 Волны Россби 60, 173 Вольф Шарль-Жозеф-Этьен (Wolf, C.) 307 Время Ляпунова 395 Время существования 59 Время Хаббла 475 Вселенная 6, 326, 447, 459, 461, 472–495, 505, 507–513 Вспышки 242, 248, 267, 270, 272–279, 326 Вырожденная материя 310–313, 317, 319, 320, 349 Газопылевой аккреционный диск 8, 293, 324, 369, 380, 387, 399, Галактики 287, 291–328, 445–470 Галактический диск 226, 306, 445–452 — каннибализм 448, 469 Галатея 24, 195 Галилей Галилео (Galilei, G.) 159, 171, 172, 181–185, 403, 404, Галимов Эрик Михайлович 75–77, 425, 519
523
Галле Иоганн Готфрид (Galle, J.G.) 167 Гало 40, 198, 229–231, 291, 449, 454, 460, 468, 484, 485 Гамов Георгий Антонович 473, 474 Ганимед 187–191, 346, 421 Гаспра 206, 234 Гелиосфера 257–285 Генетическая информация (генетический код) 306, 403, 426–432, Геомагнитная активность 38, 277, 281, Гершель Фредерик Уильям (Herschel, W.) 253, 254, 301, 312 Гигантские молекулярные облака (GMC) 295, 366, 453, 455 Гидростатическое равновесие 32, 287, 300, 303, 375 Гидросфера 252 Гиперион 20, 162, 188, 496 Гипотеза Канта–Лапласа 362 Главная последовательность (ГП) 146, 260, 262, 289–303, 329–330, 356, 363, 368, 375 Главный пояс астероидов 12, 32–34, 43–44, 168, 206–208, 215, 227, 228, 239, 253, 254, 371, 376, 394–396 Глэшоу Шелдон Ли (Glashow, S.) 500 Глюоны 494–496, 504 Горизонт события 321, 322, 511, 512 Гравитационная неустойчивость (неустойчивость Джинса) 364, 370, 377, 468, 484 Гравитационный коллапс 306, 314, 317, 320–326, 373, 486 Гравитация 12, 32–35, 39, 40, 67, 501, 507, Гравитон 494–496, 501 Граница Гуттенберга 57 Группа метеоритов SNC (шерготтиты–наклиты–шассиньиты) 77, 114, 137, 148, 149, 243, 246, 247 Гюйгенс Христиан (Huygens, C.) 191
524
Алфавитный указатель
Дарвинизм 425, 436, Двойные звезды 285–401 Дездемона 21, 195 Деймос 14, 16, 134, 135, 234 Деспина 24, 195 Джульетта 22, 195 Диаграмма Герцшпрунга–Рассела (ГР-диаграмма) 65, 146, 260, 289, 317, 367, 368 Диона 20, 188 Дифференциация недр на оболочки 49, 70, 84, 145, 186, 245, 383 ДНК 414, 415, 421–426, 432 Докембрий 56, 406, 435 Долгоживущие изотопы 115 Доплеровское смещение (доплеровский сдвиг) 335, 336, 342, 359, 468, 469, 473–475, 489 Дрейк Фрэнк Дональд (Drake, F.) 440 Дэвис Дональд (Davies, D.) 75, 519 Евдокс Книдский (Eudoxus) 471 Европа, 6, 99, 113–119, 214, 265 Единая теория поля (TOE — Theory of Everything) 10, 498, 499, 505, 507 Железо-каменные метеориты 151, 157, 206, 242, 245 Жизненный цикл звезд 260, 289, 314 Заварзин Георгий Александрович 433, 436 Закон излучения Планка 100, 261, 288 — тяготения Ньютона 35, 36, 471, — Хаббла 472–476 Законы Кеплера 35–37, 363–372, 363, 372, 393–396, 471 Звездная величина 287–293, 313 — зола 307 Звездные ассоциации 255, 295, 306 — спектры 294, 378 Звездный коллапс 307, 313, 314, 363, 392, 502
Звезды Вольфа–Райе (WR-звезды) 307, 314 — типа T Тельца 293, 373, 376, 387 — Хербига–Аро (Ae/Be) 293, 392 Земля 11–90, 143–149, 175, 219, 240, 255, 280, 345, 362, 390, 391, 412, 414, 420, 423, 437, 444, 513 Ида 206, Изохроны 382, 383 Интерферометр 342, 360, Инфляционная модель Вселенной 473, 479, 485, 490 Ио 16, 179–185, Ионосфера 58, 59, 91, 116, 159, 166, 183 КА (космический аппарат) — «Вега» (Vega) 230 — «Венера-4» 88 — «Венера-8» 89 — «Венера-9» 89, 102 — «Венера-10» 89 — «Венера-13» 97, 98 — «Венера-14» 89, 97 — «Венера-15 и -16» 91, 92 — «Венера-Экспресс» 89, 101, 102 — «Викинг» (Viking) 106, 110, 117, 246, 247 — «Вояджер-1 и 2»(Voyagers 1 and 2) 159, 161, 165–169, 180–188, 196–198, 201, 283, 284 — «Гайа» (Gaia) — космический телескоп 327, 354, 360, 463 — «Галилей» (Galileo) 159, 160, 181, 184, 185 — «Гершель» (Herschel) — космический телескоп 363, 454 — «Гюйгенс» (Huygens) 161, 162, 192, 193 — «Дарвин»(DSM — Darwin Space Missions) 359 — «Дип Импакт» (Deep Impact) 231, 232, 388 — «Джотто» (Giotto) 227, 230 — «Кагуйя» (Kaguya) 63, — «Кассини» (Cassini) 161, 162, 171, 188–194, 241
Алфавитный указатель КА «Кассини-Гюйгенс» (CassiniHuygens) 161, 192, — «Кеплер» (Kepler) 331, 335, 338, 340, 346–350, 357 — «Клементина» (Clementine) 63, — «Кьюриосити» (Curiosity Mars Rover) — марсоход 107, 120, 128 — «Лаплас» — проект 159 — «Луна» 63 — «Луна-Глоб» — проект 79 — «Лунар Проспектор» (Lunar Prospector) 63, — «Луна-Ресурс» — проект 79 — «Луноход-1, -2» 63 — «Магеллан» (Magellan) 89, 91, 92 — «Маринер» (Mariner) 82, 88, 89, 106 — «Маринер-10» (Mariner 10) 82, 89, — «Маринер-2» (Mariner 2) 88, — «Марс-3, -5, -6» 106 — «Марс-Одиссей» (Mars Odyssey) 107, 123 — «Марс-Экспресс» (Mars Express) 107, 110, 111, 118, 120 — «Мессенджер» (Messenger) 82, 83–86 — «Миллиметрон» — проект 328 — «Опортьюнити» (Mars Exploration Rover Opportunity) — марсоход 107, 115 — «Пасфайндер» (Pathfinder) — марсоход 107, 141 — «Пионер-10 и -11» (Pioneers 10 and 11) 159, 161 — «Пионер-Венера» (Pioneer Venus) 89, 98, 101, — «Планк» (Planck) 456, 459, 463, 475–487 — «Радиоастрон» — космический радиотелескоп 327 — «Розетта» (Rosetta) 232, 235 — «Спирит» (Spirit) — марсоход 107 — «Спитцер» 296–302, 315, 333, 346, 364, 367, 373 — «Феникс» (Phoenix) 107 — «Филы» (Philae) 233, 236, 239 — «Фобос-Грунт» 106, 135,
525
КА «Хаббл» (HST — Hubble Space Telescope) — космический телескоп 73, 104, 176, 184, 186, 192, 221, 300, 327, 328, 334, 342, 346, 354, 359, 462 — «Чанг-Е» (Chang-E) 63, 79 — «Чандра» (Chandra X-ray Space Observatory) — космическая обсерватория 298, 301, 315, 325, 326, 454, 484 — «Чандраяан-1» (Chandrayaan 1) 63 — «ЭкзоМарс» — проект 140 — «Юту» (Yutu) — луноход 63 — Astrosat 327 — COBE (Cosmic Background Explorer) 463, 465, 477–480 — COROT (Convection Rotation and planetary Transits) 331, 359, — Hitomi (Astro-H) 327 — КА IBEX (Interstellar Boundary Explorer ) 284 — JWST (James Webb Space Telescope) — космический телескоп 328, 359, 360 — LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) 63, 72, 73 — LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) 63, 72, 73, 129, — MGS (Mars Global Surveyor) 106, 109, — MPL (Mars Polar Lander) 106 — MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) 106 — SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) 264, 273, 279 — TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) 359 — TPF (Terrestrial Planet Finder) 359 — WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropic Probe) 463, 465, 478–482 — WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) 251, 461, 462 Каллисто 17, 179–191, 421
526
Алфавитный указатель
Кальций-алюминиевые включения (CAI) 53, 72,380–385, 400 Каменные метеориты 206, 242, 245, 382, 383, 400 Каналы 105, 114, 117, 119, 192, 500 Кант Иммануил (Kant, I.) 362 Карликовые планеты 218, 219, 221 Карме 18, 188 Квадрантиды 340 Квазар 324, 325, 445, 446, 448, 475, 491 Кварки 320, 484, 494–500, 505 Кембрий 406, 436 Кентавры 213–216, Кеплер Иоганн (Kepler, J.) 35, 36, 216, 471 Кеплеровское вращение 36, 341, 363, 372 Кинетическое уравнение Больцмана 389 Кларк Артур (Arthur Clark) 444, Клаузиус Рудольф Юлиус Эммануэль (Clausius, R.) 457 Клеточные мембраны 414, 415 Коллимация 392 Кольца 151, 161, 177–201, 268, 302, 390, 449, 454, 470 Кома (атмосфера кометы) 229, 230 Комета Галлея 211, 226, 227, 230, 234, 386 — Джакобини–Циннера 231 — Темпеля 231, 232, 386 — Хартли-2 388, 239, 253, 388 — Хейла–Боппа 227, 253, 386 — Чурюмова–Герасименко 232, 235, 253, 424 — Шумейкеров–Леви 46, 247, 248 Конвективная зона 261, 263, 264, 268, 272, 275 Консервативная (гамильтонова) система 429 Коперник Николай (Copernicus, N.) 35, 65, 362, 471, 508 Кора 48–56, 66, 72, 85, 112, 114, 186, 193, 305 Корделия 21, 195 Коричневые карлики 156, 300, 308, 326, 329, 363, 367
Корона 263, 272–279 Корональные выбросы массы (CME) 273, 278, 279 Космическая паутина 8, 464, 465, 468, 479, 483 Космические лучи 273, 276, 284, 455–457, 488 Космическое микроволновое фоновое (реликтовое) излучение (CMB) 9, 259, 457, 462, 475–480, 483, 491 Космогония 8, 44, 45, 150, 203, 362, 366, 392, 399, 400, 515, 516 Космологическая постоянная 9, 486, 487, 493, 509 Космологический принцип 488 Космология 473, 475, 477, 493, 501, 504–509, 513, 517 Красное (доплеровское) смещение см. Доплеровское смещение Красный гигант 61, 293, 308–310 Кратер 45–49, 65, 67, 71, 73, 80–85, 94–96, 105–110, 114–129, 134–136, 181–210, 223, 247, 397, 438, 439 Крессида 21, 195 Кротовая нора («червоточина») 9, 509–513 Критерий Чирикова 395 Критическая плотность 9, 320, 321, 383, 481, 482, 487 Лаплас Пьер-Симон( Laplace P.-S.) 35, 36, 39, 41, 179, 185, 362 Леметр Жорж (Lemaitre, G.) 472, 481, 482 Лептоны 265, 320, 494–497, 500, 505 Летучие 45, 53, 70–73, 82, 114, 121, 134, 144–146, 153, 182, 208, 237, 251–256, 349, 350, 365, 371, 377, 384, 385, 391, 392, 402, 413, 414, 417 Линде Андрей Дмитриевич 473, 513, Луна 6, 14, 16, 45, 49, 52, 61–81, 288, 390, 402
Алфавитный указатель Магнитосфера 7, 57, 64, 86, 116, 140, 156–159, 163, 166, 167, 170, 183, 185, 187, 247, 274, 279, 280, 283 Майор Мишель (Mayor, M.) 330 Макемаке 216, 217 Макромолекулы 405, 406, 427, 429, 437 Маломассивная звезда 295, 306 Малые тела 6, 12, 34, 36, 41, 195, 203–256, 279, 371, 412, 414, 428, 437 Мантия 32, 38, 48, 49, 53, 55–57, 62, 66, 68, 71–76, 84, 85, 98, 114, 115, 139, 144, 145, 148, 151, 157, 166, 170, 172, 174, 186, 208–210, 245, 254, 255, 282, 351 Марс 12, 14–16, 32, 33, 38, 43–52, 74, 78, 103–149, 168, 176, 182, 205, 215, 246, 253, 331, 349, 353, 391, 417, 420, 421 Марси Джефри (Marcy, G.) 331 Маскон 66, 85 Маундеровский минимум 276 Межпланетная пыль 12, 239, 240 Мезосфера 57–59, 90 Меркурий 6, 7, 12, 15, 32, 36, 38, 42–45, 49, 50, 52, 60, 81–87, 179, 185, 188, 334, 337, 343, 347, 349, 352 Местная группа галактик 291, 454, 458–460 Местное Межзвездное Облако 257 — скопление галактик (суперкластер) 178 Метаболизм 138, 403, 405, 420, 425, 433 Метагалактика 441, 456, 463, 475, 481, 490, 502 Металличность 274, 291, 307, 329, 351, 399, 408, 448 Метеориты 7, 43, 45, 53, 62, 65–79, 114, 135–137, 148, 149, 203–255, 277, 364, 371–387, 400, 401, 413, 414 Метеорная пыль 32, 37, 203 Метеороиды 7, 12, 32, 34, 37, 45, 46, 203, 205, 239
527
Метод транзитов 331, 335, 337, 338, 339, 341, 342, 349, 357, 360 — радиальной скорости 269, 336, 344 Миграция 6, 247–256, 356, 396, 401 Микролинзирование 339–345, 361 Мимас 19, 188, 199 Миранда 22, 189, 195 Мичелл Джон (Michell, J.) 320 Млечный Путь (наша Галактика) 8–12, 213, 257, 258, 286, 295, 319–329, 408, 441, 449–459, 467 Модель Голда–Бонди–Хойла 482 — Ниццы 396 — Фридмана–Леметра 481, 482 — Эйнштейна–де Ситтера 481, 490 Молекулярные облака 241, 259, 295–300, 363–412, 449–458 Мультивселенная 489, 509–517 Мультипланетные системы 394, 395–397 Мультиполь 158 Мюон 267, 495, 496, 499 Нарушение симметрии 484–504 — СР-инвариантности 499, 500 Наклиты 246 Наяда 24, 195 Нейтринные осцилляции 482, 495 Нейтрино 265–267, 305, 315, 457, 482–499 Нейтронная звезда 7, 308–326, 483, 484, 502, 503 Нептун 6, 11–15, 24, 31, 32, 36, 38, 43, 151–179, 195–201, 211–222, 390, 394 Нереида 24, 195 Нуклеосинтез 274, 287, 290, 306, 368, 473, 490, 507 Нуклеотидные цепи 424, 230, Нуклеотиды 406–432 Ньютон Исаак (Newton, I.) 35, 36, 471, 474, 482, 497 Оберон 23, 195 Обитаемая зона 258, 347, 518 Облака Венеры 51, 87–103
528
Алфавитный указатель
Облако Оорта 12, 32, 33, 44, 213–227, 239, 254, 257, 439 Образование звезд 286–307, 366, 367, 448, 449, 454, 469, 503 Обсерватория Кека (W.M. Keck Observatory) 325, 342, 448 Общая теория относительности Эйнштейна 468, 485, 512 Околозвездный диск 363, 378, 385, 399, 402, 410 Орбитальный резонанс 42, 43, 188, 215, 216, 376, 390, 395, 396 Орлов Сергей Владимирович 230 Остатки сверхновой 258, 315, 317 Офелия 21, 195 Пéле 181 Паллада 32, 205 Палласиты 242, 243, 245 Панспермия 8, 405, 407 Параллакс 11, 291 Парсек (пк) 11 Пасúфе 18 Полициклические ароматические углеводороды (PAH — Рolycyclic Аromatic Hydrocarbons) 241, 302, 410 Пептиды 423–431 Переменная звезда 79, 259, 292–295, 373, 376 Перлмуттер Сол (Perlmutter, S.) 486 Персеиды 239 Планеты-гиганты 151–202 Планеты земной группы 47–150, 251, 255, 333, 346–397, 421 Планетная геология 49 — космогония 8, 44, 45, 150, 362, 366, 392, 400, 516 — система 8, 33–35, 327–334, 341–349, 356, 358, 362–402, 481, 493, 513 Планета-сирота 343 Планетарная туманность 14, 308, 309, 310 Планетезималь 8, 47, 65, 145, 153, 226, 252–254, 356–398 Планковская длина 477, 497, 506, 507, 510
Планковское время 477 Платон (Plato) 471 Плутино 216, 218, 221, 395 Плутоиды 217, 220 Плутон 32, 36, 43, 196–225, 321, 395 Показатель цвета 288 Полость Роша 313, 398 Полярная шапка 51, 111, 112, 124, 131, 196 Порог зажигания водорода в термоядерном синтезе 314 Постоянная Больцмана 483, 504 — Планка 489, 504 — Стефана–Больцмана 346 — Хаббла 475, 476, 481 491 Пояс Койпера 7, 12, 32–34, 43, 45, 155, 168, 196–226, 238, 239, 252, 376, 386, 394–396, 413 Правило Тициуса–Боде 36, 37, 206 Пребиотическая химия 403, 406 Предел Роша 197, 198, 202, 248 — Чандрасекара 310, 317, 320 Прецессия орбиты 43, 82, 394, 395 — оси 121 Пригожин Илья Романович 147, 408, 429 Приливное взаимодействие 37, 43, 82, 86, 177, 179, 183, 196, 199, 355, 449, 469 Приливный момент 394, 396 — резонанс 419 Принцип запрета Паули 310, 311 — симметрии 496–498 Происхождение жизни 252, 256, 261, 403–408, 423–431, 517 Прокариоты 435 Прометей 18, 181, 199 Пространственно-временная (квантовая) пена 510, 517 Протозвезда 298, 300, 329, 363–392, 398, 400, 401 Протоны 57, 78, 153, 158, 240, 265–281, 300–320, 455, 469, 488–508 Протопланетная туманность 75, 76, 364, 366, 369, 380, 382, 386, 415
Алфавитный указатель Протопланетный диск 76, 78, 82, 244, 254, 293, 355, 356, 362–365, 369, 372–410 Птолемей Клавдий (Ptolemy, C.) 65 Пульсар 7, 286, 314–335 Равновесная температура 144, 148, 346, 347, 352 Радиационные пояса 158, 167 Радиоактивный распад 44, 241 Радиоинтерферометрия 327, 328, 378 Радионуклиды 47, 48, 57, 83, 186, 187, 276, 383 Радиотелескоп 327, 328, 410, 440 Радиус Шварцшильда 321, 504, 512 Райе Жорж Антуан Пон (Rayet, G.) 307 Репликация 403, 405, 406, 425, 426, 428, 431, 432, 437 Ресурсы 60, 61, 78, 80, 138, 142, 440 Рея 20, 188 Рибозимы 427, 428 РНК 414–415, 423–433 Роскосмос (РКА) 80, 90, 135, 140 Рубин Вера (Rubin, V.) 482 Рукав Ориона 257 Сáган (Сэйгэн) Карл Эдвард (Sagan, C.) 443, 514 Салам Абдус (Salam, A.) 500 Самоорганизация 174, 179, 197–199, 273, 309, 401, 429–433, 457, 481, 513, Сатурн 14, 15, 18, 28–32, 38, 42, 43, 44, 49, 150–202, 209, 215, 222, 253, 331, 337, 345–396, 421 Сведенборг Эммануил (Swedenborg, E.) 362 Сверхмассивные черные дыры 324–327, 395, 446, 468, 504 Сверхновая звезда 258, 263, 275–319, 327, 364, 368–373, 408, 437, 454, 456, 468, 475, 486, 502 Сверхскопление Девы 459, 460 Светимость 146, 151, 287, 288–293, 346, 451 Световой год (св. г.) 11, 226,
529
Седна 216, 217 Селективный катализ 429–431 Кориолисова сила 60, 101, 171, 387 Сингулярность 9, 322, 477, 489, 490 Синтез белка 424–433 Смолуховский Мариан (Smoluchowski M.) 389 Снеговая линия 205, 226, 379, 388, 413 Собственное движение 291, 292, 311, 326, 327, 495 — вращение 42, 62, 82, 104, 121, 134, 155, 160–170, 218, 233, 274, 287, 329, 371, 392 Солнечная активность 7, 90, 261–284 — плазма 7, 86, 134, 164, 260–285, 484 Солнечные вспышки 272, 277–282 — протонные события (SPE) 277, 278, 279 Солпитер Эдвин (Salpeter, E.) 286, 313, 323 Спектр масс Солпитера 313 Спектральный класс 274, 288, 290, 293, 329, 337, 353, 360, 362, 375 Спиральные рукава галактик 257, 295, 373, 408, 449, 450 Спирин Александр Сергеевич 425–427 Стандартная модель (СМ) физики элементарных частиц 9, 483, 484–507 Старобинский Алексей Александрович 322, 473 Статистика Бозе–Эйнштейна 310, 494 Суперинфляция 473, 477, 482, 489, 490, 492, 507, 509 Суперюпитеры 340, 344, 346, 351, 352, 395 Сфера Хилла 12, 39, 226, 388, 395 Таласса 24, 195 Тектоника 49, 53, 55, 112 Темная материя 9, 295, 327, 439, 447–449, 455, 463, 468, 469, 480–493, 500, 505, 511, 517
530
Алфавитный указатель
Темная энергия 9, 327, 465, 468, 485–493, 517 «Теория всего» (Theory of Everything) см. Единая теория поля Теория суперструн (единая М-теория) 9, 493–507 Термосфера 57, 58, 59, 90, 166, 170 Тефия 19, 188 Тимофеев-Ресовский Николай Владимирович 437 Титан 20, 82, 161, 162, 175, 179, 188, 191–196, 209, 417, 421, 423 Титания 23, Точки Лагранжа (либрации) 39, 40, 214, 231, 292, 327, 360, 478 Транзитная фотометрия 337–339, 361 Транснептуновые объекты (ТNО) 215, 216, 220 Трек Хаяши (Хаяси) 260, 293, 300 Тритон 24, 179, 195–197, 221 Тропопауза 131, 157, 166, 170, Тропосфера 57–59, 99–103, 124, 131–133, 173 Троянцы 40, 41, 211–216 Углистые хондриты 77, 145, 206, 208, 242, 244, 252–255, 371, 379, 383, 412, 413 Уилсон Роберт Вудро (Wilson, R.) 476 Уиппл Фред Лоуренс (Whipple, F.) 229 Умбриэль 23, 195 Упорядоченность в хаотической среде 118, 309, 429, Уравнение коагуляции Смолуховского 389 Уран 6, 12–15, 21, 31, 32, 38, 43, 87, 151–175, 195, 199, 200, 215, 390, 394, 396 Феба 20, 189 Фобос 14, 16, 134–136, 141 Форма галактик 445, 447–450 Формула Эйнштейна 305, 487, 503 Фотоны 170, 266, 267, 475, 480, 484, 490–500, 504, 507
Фотосфера 7, 261, 263–277, 288, 290 Фотохимические процессы 59, 127, 153, 170, 238, 377, 423 Фридман Александр Александрович 472, 481, 482 Фундаментальные взаимодействия 494, 496 Функция масс Солпитера 286, 313 Хаббл Эдвин Пауэлл (Hubble, E.) 472–476, 481, 491 Хартман Уильям ( Hartmann, W.) 74 Хаумеа 216 Хвост кометы 86, 228–238 Хесс Гарри Хэммонд (Hess, H.) 53, 55 Хиггс Пимтер Уэйр (Higgs, P.) 9, 494–500, 505, 506 Хиральность 432 Хойл Фред (Hoyle, F.) 473, 482 Хокинг Стивен Уильям (Hawking, S.) 322, 504 Холодная темная материя (CDM) 482, 483 Хондриты 66, 70, 77, 114, 137, 145, 149, 384, 385, 206–209, 242–247, 252–255, 371, 379–385, 412–414 Хромосфера 7, 269–272, 277, 335 Хронология 382, 397, 399, 400, 426, 232 Цвикки Фриц (Zwicky, F.) 482 Центавр (созвездие) 12, 353, 354, 358 Церера 32, 205–210 Цефеиды и цефеидоподобные звезды 293, 294 Чандрасекар Субрамманьян (Chandrasekhar S.) 310, 317, 320 Частицы WIMP (слабовзаимодействующие массивные частицы) 483 Челябинский болид 46, 247, 248, 250 Черная дыра 7, 290, 308–328, 446, 454, 468, 483, 502–513
Алфавитный указатель Черные карлики 326 Чиксулуб 247, 249, 438, 439 Число Россби 60, 101, 171 Шаровые скопления 293, 294, 295, 314, 317, 447, 455 Шерготиты 246, 247 Шмидт Брайан (Schmidt B.P.) 486 Шмидт Отто Юльевич 364, 366, Щели Кирквуда 205 Эвкриты 208, 245, 255, 384 Эволюция биологическая 8, 403, 431–444 Эволюция звезд 7, 286–295, 300–328, 366, 368, Эйнштейн Альберт (Einstein, A.) 9, 305, 310, 322, 341, 368, 471–474, 485–518 Экзопланета 8, 329–361, 372, 376, 377, 387, 397, 399, 402, 408, 417, 439–441 Экзосфера 57–60, 64, 86, 87, 133 Экзотические компактные звезды 311, 320 Элементарные частицы 9, 265, 447, 483, 484, 492–517 Элонгация 87 Энглер Франсуа (Englert, F.) 499, 500 Энзимы 427, 429 Энтропия 429, 470 Энцелад 19, 162, 163, 188–194, 198, 209, 254, 417, 418, 421 Эпициклы Птолемея 471 Эрос 206 Эукариоты 407, 413, 417, 433, 435, Эфемерида 44 Эффект Пойнтинга–Робертсона 240, 241
531
Юпитер 6, 7, 12–16, 26, 32, 38–48, 82, 151–216, 226, 239–260, 287, 331–346, 351, 355, 367–390, 396, 421 Ядерный синтез (нуклеосинтез) 153, 259, 260, 263, 265, 287–314, 364–368, 473, 477, 490, 508 Ядро планеты 48, 49, 55–57, 71, 72, 85, 98, 115, 157, 162, 166, 170, 184, 186, — кометы, астероида 203, 208, 210, 211, 227–237 — Солнца 263–265, — звезды 305, 306–317, 374 — галактики 446–450 Япет 20, 188 Яркость 93, 95, 105, 144, 160, 208, 261, 277, 314, 326, 337, 339, 341, 360, 376, 449, 451, 486, 488, 489, 491 ESA — Европейское космическое агентство 14, 140, 161, 185, 189, 232, 235, 271, 360, 454, 478, 488, 503 LHB — поздняя массивная метеоритная бомбардировка 45, 65, 114, 155, 252, 253, 397, 428, 437 NASA — Национальное агентство по аэронавтики и исследованию космического пространства, США 67, 80, 231, 251, 328, 503 SETI — Международная программа поиска внеземного разума 440, 444 SWEEPS — самые далекие экзопланеты 333, 334