Книга: Кара небесная. Космическое миропонимание

1.1. Попытки осмысления

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

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

Далеко не все были согласны с эволюционным сценарием происхождения планет вокруг Солнца. Еще в XVIII веке французский естествоиспытатель Жорж Бюффон высказал предположение, поддержанное и развитое американскими физиками Чемберленом и Мультоном. Суть этих предположений такова: когда-то в окрестностях Солнца была грандиозная катастрофа из-за опасного сближения другой звезды. Ее притяжение вызвало на Солнце огромную приливную волну, вытянувшуюся в пространстве на сотни миллионов километров. Оторвавшись, эта волна стала закручиваться вокруг Солнца и распадаться на сгустки, каждый из которых сформировал свою планету.

Рис. 1. Катастрофы обновления и эволюции звёзд

Английским астрофизиком Фредом Хойлом была предложена своя гипотеза. Согласно этой гипотезе у Солнца была звезда-близнец, которая взорвалась. Большая часть осколков унеслась в космическое пространство, меньшая – осталась на орбите Солнца и образовала планеты. Все гипотезы по-разному трактуют родственные связи между Землей и Солнцем, но они едины в том, что все планеты произошли из единого сгустка материи, а дальше судьба каждой из них решалась по-своему. Земле предстояло пройти путь в 4,6 миллиардов лет, испытать ряд фантастических превращений, прежде чем мы увидели ее в современном облике. Однако необходимо заметить, что гипотезы, не имеющей серьезных недостатков и отвечающей на все вопросы о происхождении Земли и других планет Солнечной системы, пока еще нет. Как полагают многие современные учёные, все атомы живых организмов в свое время побывали в недрах звезд. Из плотного молекулярного облака пыли и газа формируется звезда, в которой синтезируются более тяжёлые элементы. После исчерпания их ресурса происходит взрыв сверхновой.

Одни из атомов синтезированы до взрыва сверхновых, другие образовались именно в моменты таких взрывов. Они будто бы родились из пепла звезд. Взрывы соседних сверхновых якобы важны для того, чтобы выбросить в космос наработанные в звезде элементы для формирования новых звёзд. Перед самым взрывом структура массивной звезды подобна луковице. Ядро окружено несколькими оболочками. В тот самый момент, когда ядро начинает катастрофически сжиматься, превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру, по лежащим выше слоям от центра наружу пробегает мощная волна взрывного ядерного горения. В результате химический состав вещества сильно сдвигается в сторону тяжелых элементов.

Считается, что обогащают Вселенную тяжелыми элементами от натрия до германия (включая железо) звезды с массами от 12 до 25 солнечных. Звезды поменьше, с массами в 8—12 солнечных элементов группы железа образуют мало. Зато появляются более тяжелые элементы. Когда чудовищные силы гравитации сжимают ядро звезды, ядра атомов буквально спрессовываются друг с другом. Электроны, оказавшись в ловушке, вдавливаются в ядра и сливаются с протонами, превращая их в нейтроны. При этом выделяются нейтрино – трудноуловимые частицы, которые обычно легко пронизывают всю толщу звезды и уходят в космос. Возникает так называемый нейтринный ветер. Подобно тому, как давление света в массивных звездах приводит к истеканию вещества в виде звездного ветра, нейтрино увлекают протоны и нейтроны. В веществе образуется избыток нейтронов, которые могут проникать в ядра, формируя все более и более тяжелые изотопы. Из-за огромного потока нейтронов ядра ими буквально переполняются, отчего становятся крайне нестабильными и начинают очень быстро избавляться от избыточной нейтронизации – нейтроны в них превращаются в протоны. Но едва только это происходит, как новые волны нейтронов опять доводят ядра «до предела». Такое превращение получило название r-процесса (от англ. rapid – «быстрый»). Ее итогом становятся ядра всех масс вплоть до самых тяжелых. В r-процессе образуются, например, платина и актиноиды – тяжелые радиоактивные элементы, к которым относится, в частности, уран. Относительное содержание изотопов последнего, равно как и тория, часто используют для оценки возраста звезд. Также в ветре новорожденной нейтронной звезды могут идти реакции с участием заряженных частиц – протонов и ядер гелия, – увлеченных потоком нейтрино. Так образуются цирконий, серебро, йод, молибден, палладий и многие другие элементы. Теория всех этих процессов очень сложна и не однозначно признана. Причем речь тут не только об астрофизических эффектах, но и о неопределенностях в рамках ядерной физики – далеко не все параметры идущих на данном этапе реакций точно определены. Продолжаются и споры ученых относительно того, может ли этот сценарий претендовать на полноту: способен ли он объяснить рождение тяжелых элементов в наблюдаемых нами пропорциях. «Мир рвался в опытах Кюри огромной ядерной бомбой…» Эти слова поэта Андрея Белого оказались пророческими. Первый шаг в освобождении ядерной энергии был сделан в опытах Фредерика и Ирен Жолио-Кюри. Было установлено, что все элементы тяжелее висмута (атомный номер 83) радиоактивны, и они распадаются. Можно достаточно точно оценить, каким периодом полураспада должен обладать изотоп, чтобы «дожить» до наших дней. Изотоп можно считать исчезнувшим, если с момента его рождения прошло более 10 периодов полураспада. При этом его количество уменьшается в 210 ? 1000 раз; его останется менее 0,1% от исходного. Возраст Земли оценивается в 4,6 миллиардов лет, или ? 1,5 ? 10¹⁷секунд. Шансы уцелеть с момента образования нашей планеты имеют только торий с периодом полураспада 4,5 ? 10¹⁷ секунд и уран с периодом полураспада 2,2 ? 10¹⁶ секунд. Космическая пыль не могла быть источником возникновения Солнечной системы, так как она возникает при истечении плазмы из атмосфер звезд, а также при взрывных процессах на звездах и бурном выбросе газа из ядер галактик. Она в космическом пространстве существует миллиарды лет, а потому в ней не могут сохраниться радиоактивные вещества. Этого достаточно для опровержения гипотезы образования Солнечной системы из газопылевой туманности.

Радиоактивные элементы показывают, что на Земле сейчас не было бы даже их следов. Вместе с тем, их распространённость в земной коре близка к распространённости свинца, бериллия и других элементов, отнюдь не считающихся редкими. Уран – довольно распространённый, но очень рассеянный элемент. В двадцатикилометровом слое Земли содержится 1014 тонн урана. Энергия его распада эквивалентна 2,36 ? 1024 кВт ? ч, что во много миллионов раз превышает теплосодержание всех разведанных горючих ископаемых и возможности гидроэнергетики.

Кроме того, в морской воде содержится 0,034 грамма на 1 м3, то есть в водах Мирового океана содержится около 4 миллиардов тонн урана. Торий, как и уран, рассеянный элемент. При этом если урановые руды практически не содержат тория, то примесь урана в ториевых рудах бывает значительной. Поэтому эти руды называются ураноториевыми. Высокая распространённость радиоактивных элементов в природе свидетельствует о том, что запасы радиоактивных элементов со временем пополняются. По этой же причине остро встал вопрос о происхождении радиоактивных элементов. Выше приведённые аргументы вынудили Джинса создать теорию, согласно которой планеты Солнечной системы образовались потому, что несколько миллиардов лет тому назад сблизились две звезды. Под действием приливного течения значительная часть вещества одной из звёзд была оторвана от неё и выброшена в космическое пространство. Сама же звезда превратилась в наше Солнце, а выброшенный сгусток звёздной плазмы раздробился на несколько кусков, из которых при постепенном охлаждении образовались современные планеты и их спутники.

Джинс Джеймс Хопвуд был близок к истине. Он показал, что в результате эволюции быстро вращающегося массивного жидкого тела либо должно происходить деление этого тела на две части и таким образом могут образовываться двойные звезды, либо тело принимает очень уплощенную чечевицеобразную форму и вещество срывается с его острых экваториальных краев. Последний процесс Джинс связывал с образованием спиральных туманностей. Он пришел к заключению, что планетная система не может образоваться из вращающейся сжимающейся массы газа. На этом основании он отвергал космогонические теории И. Канта и П. С. Лапласа и предложил приливную теорию образования Солнечной системы, которая явилась дальнейшей разработкой теории Т. К. Чемберлина и Ф. Р. Мультона; она была очень популярна в 20-30-е годы. Согласно приливной теории планеты образовались из вещества, вырванного из Солнца гравитационным притяжением близко проходившей звезды. Джинс показал, что из отделившейся при такой катастрофе массы могло образоваться несколько небольших тел с достаточным количеством тяжёлых элементов. Так как близкое прохождение двух звезд – явление маловероятное, это означало, что планетные системы встречаются очень редко. Космогоническая теория Джинса была подвергнута критике Н. Н. Парийским, Л. Спитцером, В. Лёйтеном, которые показали ее несостоятельность.

Исходя из этой гипотезы следовало, что большинство звезд в галактике не испытывают таких сближений ни разу за всё время своего существования. Тем более, что доказано всеобъемлющее и ускоренное расширение Вселенной. Экспериментальные данные показывают, что удельный момент количества движения, заключенный в Солнце на порядок меньше, чем таковой для планет. Расчеты Н.Н. Парийского подтвердили, что вещество, вырванное из Солнца должно было либо упасть обратно на него, либо увлечься вырвавшей его звездой. В этой связи естественно предположить, что поверхность всех звёзд типа нашего Солнца может взрываться.

К сожалению, устройство Вселенной и нашей Солнечной системы значительно сложнее, чем это представлялось ранее. В Солнечной системе действуют недостаточно изученные разрушительные и созидательные силы. Закончилось формирование базальтовой оболочки земной коры окончанием “лунной эры” развития Земли. Лунная эра или «эра раннего существования земной коры» отличалась грандиозным развитием вулканических явлений на Земле. Целые моря лав изливались на земную поверхность. В это время закончилась структурная дифференциация Земли. В истории Земли имели место многочисленные угрозы жизни. Самое грозное из них было в период венерианского периода развития нашей планеты. Тогда микроорганизмы сохранились только в верхних слоях атмосферы. За последние 500 миллионов лет жизнь на Земле испытала, по крайней мере, шесть массовых вымираний.

Приведём лишь крупнейшие вымирания. 440 миллионов лет назад – ордовикско-силурийское вымирание – исчезло более 60 % видов морских беспозвоночных; 364 миллионов лет назад – девонское вымирание – численность организмов сократилась на 50 %; 251,4 миллионов лет назад – «великое» пермское вымирание, самое массовое вымирание из всех, приведшее к исчезновению более 95 % видов всех живых существ; 199,6 миллионов лет назад – триасовое вымирание – в результате которого вымерла, по меньшей мере, половина известных сейчас видов, живших на Земле в то время; 65,5 миллионов лет назад – мел-палеогеновое вымирание – последнее массовое вымирание, уничтожившее шестую часть всех видов, в том числе и динозавров. 33,9 миллионов лет назад – эоценолигоценовое вымирание. В эти периоды резко падало содержание кислорода в атмосфере, что свидетельствует о грандиозных катастрофах космического масштаба. Изучение их движущих сил поможет нам в прогнозировании подобных катастроф в будущем.

Следует подчеркнуть обстоятельство, не всегда привлекающее к себе должное внимание, – любое великое вымирание сопровождалось не менее великим обновлением. Так, после гибели древних земноводных и пресмыкающихся на рубеже триаса и юры их экологическую нишу заняли динозавры, расцвет которых произошел в юре и мелу, а вымирание динозавров способствовало восхождению млекопитающих и установлению их господства в кайнозое. Примечательно, что границы между палеозойской и мезозойской, мезозойской и кайнозойской эрами (совпавшие со временем великих вымираний) были помечены геологами уже к середине XIX в., когда никаких сколько-нибудь точных данных о масштабах, приуроченных к ним обновлений органического мира еще, естественно, не существовало.

Каковы механизмы столь важных событий? На этот счет были выдвинуты многочисленные гипотезы. Широко распространено мнение, что такой причиной стало существенное изменение физико-географических и климатических условий на поверхности Земли: затопление суши, отравление морской и речной воды, а также атмосферы, сурового температурного режима и др. Действительно, все эпохи вымирания отмечены значительными вариациями отношений изотопов кислорода, углерода, стронция и серы в осадочных породах соответствующего времени. Найти механизмы великих вымираний – наша задача.