haritonoff (haritonoff) wrote,
haritonoff
haritonoff

Categories:

О рождении планет


Лучшее из всех когда-либо полученных изображений остатка сверхновой Тихо. Это результат взрыва звезды, который более 400 лет назад первым заметил знаменитый астроном Тихо Браге. Картинка смонтирована из изображения в рентгеновских лучах, полученного орбитальной рентгеновской обсерваторией Чандра, инфракрасного изображения, полученного орбитальным космическим телескопом Спитцера, и оптического снимка, сделанного 3.5-метровым телескопом обсерватории Калар Альто на юге Испании.

Коричневый текст – выдержки из первой главы книги Александра Никонова "Верхом на бомбе" (Рекомендую)

Четыре с половиной миллиарда лет тому назад где-то на окраине Млечного пути взорвалась очередная сверхновая звезда...


Волокна из газа - это все, что осталось от звезды, принадлежавшей когда-то к населению Млечного Пути. Около 5000 лет назад эта звезда вспыхнула как сверхновая и оставила после себя туманность Вуаль, показанную на этой картинке. Облако, находящееся в созвездии Лебедя, начало расширяться. В то время оно светило ярко, как лунный серп, и наши далекие предки могли видеть его в течение нескольких недель. Чтобы туманность Вуаль была лучше видна, яркость звезд на этом изображении была уменьшена при цифровой обработке. Яркое волокно вверху известно под названием туманность Ведьмина Метла, ее можно увидеть в небольшой телескоп. Фото с орбитального телескопа им. Хаббла.


Крабовидная туманность, остаток взрыва сверхновой 1054-го года. Зелёный цвет на этом снимке обязан своим существованием излучению водорода, выброшенного взрывом звезды. Фото с орбитального телескопа им. Хаббла.

Разбросанное взрывом вещество смешалось с космической пылью. Затем постепенно, под действием гравитации (а также, на первых этапах в большей степени, светового давления окружающих звезд) эта смесь стала стягиваться к новому центру тяжести. Чем больше сжималась туманность, тем быстрее она вращалась — как фигурист, который прижимает раскинутые руки, и тем самым резко увеличивает скорость своего вращения. Скорость вращения нашей туманности от практически нулевой в самом начале сжатия выросла до весьма ощутимых величин. И, в конце концов, центробежные силы уравновесили силы гравитации и сжатие остановилось. В это время туманность напоминала двояковыпуклую линзу. Диаметр этого газопылевого образования аккурат укладывался в нынешнюю орбиту Меркурия — 100 миллионов километров. В середине холодной туманной линзы было сгущение, позже превратившееся в Солнце, а на периферии — более-менее разреженный газ. По-другому такую туманность астрономы называют небулой (здесь у Никонова неточность: небула (nebula) – это туманность вообще. Конкретно протопланетный диск астрономы называют проплидой). Температура в центре небулы была тогда всего ничего — несколько тысяч градусов. Обычный физический нагрев сжимающегося газа.

Процесс этот, надо признаться, занял некоторое время. Правда, по астрономическим часам время совершенно ничтожное — миллион лет.



Газопылевые протопланетные диски на разных стадиях формирования в туманности Ориона, удалённой на 1,5 тыс. световых лет от Земли – в настоящее время это область зарождения молодых звезд. Эволюция каждой из них может привести к рождению планетной системы, подобной нашей. У четырех из пяти звезд на кадре, покрывающем 0.14 светового года, имеются проплиды - три яркие и одна темная - видимые на фоне светлой туманности. Всего в этой туманности среди исследуемых 110 звезд найдено 56, которые имеют проплиды. Объект в виде капли немного правее центра представляет собой необычно расположенный газопылевой диск. Размер этой капли равен примерно размеру нашей Солнечной системы. Со временем эта капля тоже сожмется, и в ней образуются планеты.

Фоновая волокнистая структура представляет собой "ударные волны", в которых быстродвижущееся вещество – останки сверхновых – сталкивается в межзвездном пространстве с медленно движущимся галактическим водородом.


Что же представлял собой этот самый газ, который сгустился до крутящейся приплюснутой туманности? Клёвую кашу из новеньких атомов, наработанных в ядерной топке сверхновой и потом раскиданных взрывом по межзвездному пространству! Там была вся таблица Менделеева. Были там и радиоактивные элементы — как долгоживущие, так и с периодом полураспада в сто тысяч или миллион лет. Сейчас их в нашей Солнечной системе уже нет — давно вымерли. А когда-то были и сыграли очень важную роль – они ионизировали атомы, из которых туманность состояла. Из-за радиоактивности и сопутствующей ей ионизации наша туманность состояла из частично ионизированного газа — плазмы. Плазма — электропроводник. А в центре небулы, к тому времени разогретом до нескольких тысяч градусов и потому начавшем тускло светиться темно-красным светом, появились первые конвекционные потоки, которые выносили избытки тепла к внешним границам небулы. Силы Кориолиса закручивали конвекционные потоки плазмы против направления вращения туманности. Они завивались в спирали, и вся эта конструкция напоминала соленоид.

К этой картине надо добавить силовые линии магнитного поля галактики, которые сгустились в небуле и приобрели форму «бабушкиного клубка шерсти» (по сути, они навивались на небулу при сборе ее массы). Что же получилось? Классическая картина — проводники (конвекционные потоки плазмы) движущиеся в магнитном поле. Электромотор! В проводниках должны генерироваться электрические токи. Но поскольку эти проводники закручены в катушку соленоида, такая конструкция обязана генерировать свое магнитное поле. И это поле было очень мощным, поскольку энергия для него черпалась непосредственно от энергии гравитационного стягивания будущей звезды.
Небула, жестко армированная, словно скелетом, магнитными силовыми линиями, начала вращаться, как одно целое — как твердое тело, то есть угловая скорость всех атомов в ней стала одинаковой. До этого она вращалась, как облако газа: разные слои и частицы неслись с разными скоростями; примерно так сейчас вращается Солнце — слоями.

Это была почти пустота, практически лабораторный вакуум. И вот эта "почти пустота" с редкими частицами и "вмороженными" в нее магнитными силовыми линиями вращалась, как единое целое! Кроме того, произошло значительное уплощение толстенькой линзы небулы, она стала больше похожа на монету.



И вот, через некоторое время после того как небула перестала быть хаотической кашей, «схватилась» и стала вращаться единым целым, от экватора крутящейся туманности рывком отделилась часть массы, образовав «дымное кольцо». Из этого кольца позже и появились планеты...

Момент количества движения был сброшен — фигурист раскинул прижатые руки, и его вращение замедлилось. Туманность стала крутиться медленнее, поэтому силы Кориолиса в центре сгущения ослабли почти до нуля, струи плазмы перестали закручиваться в спирали, соленоид разрушился, а с ним отключилась генерация магнитного поля небулы.
Получается, что небула будто специально включила собственное магнитное поле, чтобы сбросить часть массы для формирования планетной системы. Сколько же длил-
ся этот космический миг сброса части лишней массы и формирования протопланетного диска? Ничтожных сто лет! Впечатляющий мгновенный аккорд после миллиона лет поначалу неспешного, а потом ускоряющегося сгущения!



Ну а дальше пошло как по маслу. Поскольку скорость вращения центрального сгущения (протосолнца) упала, центробежные силы уже не могли противостоять гравитации, газ начал активно сжиматься, температура расти, и, в конце концов, в центре всей этой газовой кучи, состоящей в основном из водорода, начались термоядерные реакции — зажглась звезда.




А что в это время происходило со сброшенным газовым бубликом, крутящимся вокруг звезды? Он начал жить своей жизнью. И жизнь эта была удивительной.
Магнитное поле небулы до его отключения было довольно сильным. А внутренняя часть протопланетного диска, охваченная этим полем, была ионизированной, то есть токопроводящей. Когда рубильник был выключен (соленоид распался) и поле стало разрушаться, в токопроводящем диске навелись круговые электрические токи. Известное дело: вспомните школьный опыт — учитель размыкает цепь в индукционной катушке, и стрелка вольтметра делает мах, фиксируя скачок напряжения. Это происходит из-за того, что в катушке наводится ток, который стремится сохранить магнитное поле от распада. В школьном опыте это явление (скачок напряжения) продолжается долю секунды. Но в небуле катушка соленоида была в тысячу миллиардов раз больше. Поэтому скачок напряжения растянулся на тысячи лет. И все это время во внутренней части протопланетного диска (где потом сформировались планеты земного типа) гуляли мощные электротоки.

В результате газовый бублик стал разделяться на множество более тонких отдельных колец. Это произошло потому, что токи, текущие в одном направлении, притягиваются. (Опять-таки школьный опыт — притяжение друг к другу проводников с однонаправленным током.) Сначала этих тонких колец вокруг протосолнечной небулы было очень много, но потом они стали сливаться друг с другом. Причем слияние нескольких соседних тонких газовых колец в одно не приводило к его утолщению. Напротив, сечение колец уменьшалось, они становились все плотнее и плотнее по тем же самым причинам взаимопритяжения.



Протопланетное облако вокруг звезды OTS 44

А потом произошло необычное явление — крутящиеся вокруг протосолнца тонкие газовые обручи начали в отдельных местах словно перетягиваться невидимыми нитками, превращаясь в кольцевую связку «сосисок» неравной длины. В физике это явление называется пинч-эффектом: когда через плазменный шнур течет ток, на нем начинают образовываться кольцевые манжеты из магнитных силовых линий, которые вскоре пережимают проводник полностью. Позже под действием гравитации эти сосиски превратились в газовые шары — глобулы, из которых потом собрались планеты. Разновеликих глобул были десятки тысяч, а их диаметры достигали миллиона километров.

Любопытно, что, как только в оторвавшемся от небулы газовом бублике навелись токи, бублик засветился мерцающим белым светом — по тем же причинам, по которым светится неоновая лампа. И чем больше потом уплотнялись тонкие плазменные кольца, получившиеся из распавшегося бублика, тем ярче они светились. При этом Солнца на тот момент еще не было, оно только-только раскочегаривалось и едва теплилось багрово-красным цветом.

Ионизация газа, которая постоянно поддерживалась короткоживущими радиоактивными элементами, не позволяла частичкам вещества собираться в твердые и потому упругие комки - электростатическое отталкивание положительно заряженных ионов противилось силам всемирного тяготения. Потому-то сбор планет происходил не из твердых частиц и тел, но из газовых протопланетных сгустков — глобул. По мере сбора протоземли ее масса увеличивалась и, соответственно, возрастали силы гравитационного стягивания. Это приводило к увеличению средней плотности. В результате радиус растущей протопланеты оставался в пределах миллиона километров. В таком же состоянии (газовых протопланет) находились первое время и другие планеты земного типа. И лишь затем началась конденсация, поскольку к этому времени подвымерли короткоживущие изотопы и стала спадать степень ионизации.

В газовой протопланете, объединенной силами гравитации, рост крупных твердых тел был невозможен, и конденсация протовещества с последующим уплотнением его в твердую планету была подобна "мягкому пеплопаду" к центру тяжести.

Происходила она довольно медленно — в течение следующего миллиона лет — и напоминала то ли слияние капель, то ли слипание крупных хлопьев пепла в медленном полете. Из этого "пепла" и получилась Земля.

Постепенная гравитационная конденсация вещества приводила к его разогреву. Тот же самый процесс мы уже наблюдали ранее в протосолнце, когда стискивание газа привело к его нагреву до полутора-двух тысяч градусов и легкому бордовому свечению. Однако дальнейшего нагрева — до двух-трех тысяч градусов на Земле не произошло. Потому что энергия гравитационного сжатия теперь расходовалась уже не на нагрев, а на создание химических связей между водородом и металлами. Дело в том, что реакции образования гидридов эндотермические, то есть идут с поглощением тепла. Получается, что тепловая энергия самым буквальным образом запасалась, аккумулировалась в гидридах. Чтобы потом высвободиться и дать толчок теперь уже не космической, но геологической истории планеты.

Давление способствует проникновению водорода в металлы. А температура, напротив, способствует разложению металлогидридов. На первом этапе работало именно давление, формируя металлогидридное ядро планеты. Причем поскольку процесс шел с поглощением тепла, ядро не нагревалось до той температуры, при которой гидриды уже начали бы разлагаться, высвобождая водород обратно. Это случилось позже, когда радиогенное тепло разогрело недра новенькой, только что из-под пресса, планеты. Радиогенное тепло — это тепло от распада радиоактивных элементов. Когда-то короткоживущие (время жизни около миллиона лет) радиоактивные элементы сыграли свою роль в эволюции небулы: ионизировали нейтральный газ, благодаря чему стала возможной магнитная сепарация элементов. А вот теперь уже «долгоиграющие» радиоактивные элементы типа урана сыграли свою роль в запуске геологического двигателя нашей планеты.

Неспешный распад трансурановых начал постепенно прогревать планету изнутри по всему ее объему. И металлогидриды начали постепенно разлагаться. Химические связи металл — водород рвались, и освобожденный водород, для которого металл прозрачен, устремлялся наружу. Разумеется, сначала металлогидриды начали распадаться там, где их не сдерживало давление, - неподалеку от поверхности планеты. И постепенно этот процесс продвигался вглубь.

Через какое-то время планета расслоилась на несколько геосфер, вложенных друг в друга, как матрешки. Внутри планеты оставалось тяжелое и очень плотное ядро из ме-таллогидридов. Его окружил пояс металлов, в которых гидриды уже разложились и теперь это были просто металлы с обильно растворенным в них водородом, который интенсивно утекал вверх. С течением времени, по мере радиогенного прогрева, слой металлов расширялся, а металлогидридное ядро уменьшалось из-за распада гидридов.
Заметьте важную деталь. Вот уже 4,5 миллиарда лет внутри Земли работает радиоактивная печка. А Земля не нагрелась, не расплавилась. Почему? Потому что избыточное тепло интенсивно отводится утекающим вверх водородом. Который, достигнув поверхности планеты, затем улетает в открытый космос.

В настоящий момент в самом центре планеты мы имеем пока еще не исчезнувшее металлогидридное ядро диаметром 2750 км. Его называют внутренним ядром, потому что есть еще внешнее ядро, состоящее из исчезающих гидридов вперемешку с металлами, которые просто насыщены водородом. Толщина этого слоя 2100 км, а вместе внутреннее и внешнее ядра составляют Большое ядро Земли. Большое ядро окружает металлосфера толщиной примерно в 2750 км. Как ясно из названия, она состоит из сплавов разных металлов на основе кремния, магния и железа. Водорода там практически нет. Наконец, сверху Землю покрывает тоненький слой силикатов и окислов толщиной до150 км.
(данные в оценке толщины вышеуказанных слоев различаются у разных авторов в зависимости от применяемых методик. Например, на схеме внизу представлены данные, полученные с применением спутников, таких как CHAMP и Orsted).



Поступающий снизу водород вступает в реакцию с кислородом, сосредоточенным в литосфере, и образует воду, которая заполняет впадины между материковыми плитами. Вот откуда взялась вода в океанах — буквально из-под земли. Это, кстати, подтверждается неожиданно высоким содержанием пара в вулканических газах. Геологи были слегка удивлены, когда обнаружили сей феномен. Оказалось, в газах постоянно извергающихся вулканов на Гавайских островах содержится 80 % водяного пара. Курильские вулканы тоже выдают 80 % воды.

Надо отметить, что металлогидридное ядро планеты теряет водород не по всему объему сразу, водород начинает активно испаряться только с верхних слоев ядра, потому что чем дальше к центру планеты, тем больше давление, а давление повышает устойчивость гидридов к температуре. Гидриды распадаются, увеличиваются в объеме и превращаются сначала в металл, густо насыщенный водородом, а потом и просто в металл. То есть металлосфера утолщается, а гидридное ядро «усыхает». К сегодняшнему дню металлогидридное ядро занимает всего один процент объема Земли. А учитывая, что именно водородная дегазация является тектоническим двигателем планеты, можно сказать, что наша планета в тектоническом смысле переживает период глубокого климакса... Когда кончится весь водород, внешнее ядро перестанет быть жидким, отключится магнитное поле. И Земля постепенно станет таким же мертвым миром, как Марс или Луна.
(Точных сроков не приводится, но, насколько я понимаю в математике, согласно самым пессимистичным расчетам пара десятков миллионов лет у нас в запасе еще есть).

Tags: иные миры
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 8 comments