ЧАСТЬ 1. У НАЧАЛА ИСТОРИИ
1. Тайна тайн
«В начале сотворил Бог небо и землю. Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною, и Дух Божий носился над водою. И сказал Бог: да будет свет. И стал свет. И увидел Бог свет, что он хорош, и отделил Бог свет от тьмы. И назвал Бог свет днем, а тьму ночью. И был вечер, и было утро: день один…»
Именно так книга книг Библия описывает момент сотворения мира. Однако Библия – это предмет веры, а не точного знания. Уже несколько веков ученые пытаются получить ответ на вопрос, как же формируются звезды с планетами, и кажется, они уже близки к разгадке…
Гипотезы Сотворения
По-видимому, одна из самых старинных гипотез о возникновении Солнечной системы принадлежит шведскому ученому и теософу-мистику Эмануэлю Сведенборгу. Позднее ее развил знаменитый немецкий философ Иммануил Кант в очерке «Всеобщая естественная история и теория неба», который был опубликован в 1755 году.
Следуя идеям Сведенборга, Кант предположил, что до образования планет и Солнца существовала огромная рассеянная туманность (по терминологии астрономов, «диффузная туманность»). Она обязательно должна была вращаться, чтобы из нее могло возникнуть большое центральное тело и малые планеты.
Кант, правда, не сумел внятно объяснить причину вращения этой первичной туманности. Он предположил, что сначала туманность была совершенно неподвижной, а движение ее возникло из местных «локальных» вращений.
Через сорок лет после выхода в свет очерка Канта великий французский математик Пьер Лаплас в дополнении к «Изложению системы мира» сформулировал гипотезу о том, что первичная туманность вращалась с самого начала и была изначально горячей. По мере охлаждения она сжималась, а скорость ее вращения росла. С увеличением скорости вращения возрастали центробежные силы, что привело к удалению части туманности от центрального тела к периферии и к расслоению на кольца. Из этих колец впоследствии образовались планеты и спутники.
Эта схема хорошо объясняла, почему все планеты Солнечной планеты лежат в плоскости эклиптики и движутся в одном направлении. Кроме того, теория Канта-Лапласа позволяла определить сравнительный возраст планет. Считалось, что более удаленные от Солнца планеты имеют более почтенный возраст, поскольку за счет центробежной силы удалились и сформировались раньше. На базе этого допущения выросло целое направление в фантастической литературе, в котором принято было описывать Марс как древнюю планету с высокоразвитой цивилизацией, а, скажем, Венеру – как мир динозавров.
Однако эта стройная и общепринятая теория тоже имела свои слабые стороны, которые отчетливо проявились к середине XIX века. В 1859 году Джеймс Максвелл математически доказал, что превращение кольца в планету невозможно. Дополнительно к этому оказалось, что Солнце и планеты по схеме Канта-Лапласа должны вращаться совсем не так, как это происходит в действительности.
Ученые стали искать другие возможные пути возникновения Солнечной системы.
Английский астроном Джеймс Джинс выдвинул идею о так называемом «катастрофическом образовании» нашего мира. Допустим, говорил он, что миллиарды лет назад некая массивная звезда прошла сравнительно недалеко от молодого Солнца. Что же могло произойти во время такого сближения? Подобно океанским приливам, происходящим в системе Земля-Луна, приближение массивной звезды вызывало грандиозные приливы в огненной атмосфере Солнца. Высота этих приливов достигала многих тысяч километров. И, наконец, в точке максимального сближения произошла великая космическая катастрофа: огромный протуберанец вырвался из Солнца и образовал сигарообразную нить раскаленного газа, которая впоследствии распалась на капли, подобно тому как облако пара, остывая, образует отдельные капли воды. Некоторая часть протуберанца могла быть захвачена проходящей звездой, но часть вещества осталась в сфере гравитационного воздействия Солнца, и именно из этой части образовались известные нам планеты.
Параллельно в научных кругах обсуждалась «планетезимальная» гипотеза, согласно которой крупные сгустки вещества выбрасывались во время извержений с поверхности Солнца, усиливающихся при сближении с другой звездой. Выброшенное из Солнца вещество быстро остывало. Из него возникало большое число отдельных тел, называемых планетезималями и двигающихся независимо друг от друга по произвольным орбитам вокруг Солнца. Затем при столкновениях этих тел возникали зародыши планет – более крупные тела, которые притягивали к себе другие планетезимали, и в конце концов образовались планеты.
Но и эти «катастрофические» теории не описывали всех явлений, наблюдаемых в Солнечной системе.
Начало новому направлению в планетной космогонии было положено исследованиями советских ученых и в особенности работами школы академика Отто Шмидта. Значительный вклад в эту теорию был внесен также известным шведским физиком Ханнесом Альвеном. Однако конечный вид новая гипотеза о происхождении Солнечной системы приобрела в формулировке английского астрофизика Фреда Хойла, а потому стала называться его именем.
Гипотеза Хойла в известной степени явилась возвращением к схеме Канта-Лапласа. Но если теория Канта-Лапласа основывалась главным образом на законах механики, то новые теории впитали в себя современные достижения астрофизики и электродинамики.
Рассмотрим, как по гипотезе Хойла формируется типичная планетная система на примере нашего мира.
Вернемся на пять миллиардов лет назад и посмотрим, что же происходило с вращающейся шаровой туманностью. Правда, в отличие от горячей туманности Канта и Лапласа, наша туманность холодная. При вращении она постепенно сплющивалась и превращалась в диск с шарообразным утолщением в центре.
В начальную эпоху и температура, и плотность вещества в туманности были очень низки, но с течением времени плотность ее центральной части увеличивалась, пока в середине диска не зажглось Протосолнце. Размер первичной туманности при этом был порядка нескольких световых лет.
Протосолнце постепенно сжималось под действием собственного гравитационного поля, и, когда его радиус стал равным десяти сегодняшним, внутренняя температура повысилась настолько, что началась термоядерная реакция сгорания дейтерия.
Несколько раньше, еще до ядерных реакций, на начальных стадиях сжатия произошло резкое увеличение температуры и светимости Солнца. Температура наружных слоев протозвезды достигла 50 тысяч градусов, а светимость увеличилась в 400 раз.
Звезды, находящиеся в такой стадии развития, принято называть звездами типа Т-Тельца. После стадии Т-Тельца светимость Протосолнца уменьшилась, и Солнце стало стабильной звездой.
Протопланетный диск, вращающийся вокруг Протосолнца, должен был разделиться на большое число отдельных сгущений, которые двигались по близким орбитам и поэтому очень быстро росли за счет взаимодействия друг с другом.
Сначала сгущения представляли собой смесь чрезвычайно разреженного газа и пыли. В результате соударений, а также процессов объединения и слипания плотность их увеличивалась. За сравнительно непродолжительный промежуток времени центральные части сгущений превратились в сплошные тела. Так, на расстоянии орбиты Земли этот интервал времени составил всего 10 тысяч лет, а на расстоянии от Юпитера до Солнца – миллион лет. Таким образом, первичные сгущения в туманности положили начало образованию роя сплошных тел, который впоследствии и привел к возникновению планет.
Рис.1. Эволюция протопланетного облака (схема)
На определенной стадии появился «зародыш» нашей планеты (протопланета), который стал «вычерпывать» пыль в своем районе. Зародыш Земли по своим размерам не превышал Луну. А твердые тела в протопланетном облаке достигли линейных размеров порядка десятков километров. Можно представить, что происходило при столкновении десятикилометрового тела (камня!) с зародышем Земли при скорости порядка 10 километров в секунду! Большая часть падающего тела просто испарялась при ударе, но масса зародыша была достаточно большой, и вещество не могло улететь в космическое пространство. Зародыш увеличивался, постепенно наращивая свою массу. Кстати говоря, впервые именно Шмидт высказал мысль о том, что ударные процессы могли положить начало образованию атмосферы и океана еще до того, как закончилось формирование Земли.
Рис.2. Молодая планета в протопланетном облаке
Сколько же времени мог занять процесс образования Земли? Здесь мнения ученых сильно расходятся: одни называют промежуток времени в 100 миллионов лет, другие – в 1000 лет.
Гипотеза Хойла так и оставалась бы гипотезой, существующей наравне со многими другими, однако новые методы наблюдений и принципиально новые инструменты позволили современным астрономам своими глазами увидеть протопланетные диски у молодых звезд.
«Семена жизни»
Ученые уже неплохо представляют себе, как формируются планеты и планетные системы. Однако важно еще и понять, на какой стадии эволюции небесных тел начинается эволюция жизни, в какой момент происходит ее зарождение.
Гипотезу о том, что «зародыши жизни» существуют везде во Вселенной и время от времени выпадают на планеты, первым сформулировал шведский химик и один из первых лауреатов Нобелевской премии Сванте Аррениус. Он назвал такой путь возникновения и развития жизни на планетах «панспермией».
Критику эта гипотеза вызывала прежде всего тем, что в ней не давалось ответа на вопрос о происхождении самих зародышей. Тем не менее в ХХ веке она начала подтверждаться. При исследовании радиоастрономическими методами газопылевых облаков в Галактике в них было обнаружено несколько типов органических соединений. Такое открытие тем более удивительно, что раньше в газопылевых облаках предполагалось лишь присутствие водорода и некоторого числа двухатомных соединений.
В качестве примера рассмотрим типичное плотное облако, которое изучено лучше всего – молекулярное облако Туманности Ориона. Это скопление газа и пыли в «мече» Ориона имеет массу, равную миллиону солнечных масс. Большая часть вещества в облаке находится при температурах всего лишь на несколько десятков градусов выше абсолютного нуля. Но в некоторой части этого огромного облачного комплекса плотность вещества так велика, что в ней недавно образовались и начали светить звезды. Возраст этих звезд – несколько сотен тысяч лет, то есть они намного моложе типичных звезд вроде нашего Солнца, возраст которого измеряется несколькими миллиардами лет.
В Туманности Ориона мы видим не только юные звезды, но и области, где звезды еще не образовались, – они рождаются сейчас или «появятся на свет» в ближайшие десятки или сотни тысяч лет. В этих областях концентрации вещества составляют миллиарды частиц в 1 см3– такие концентрации чрезвычайно благоприятны для образования сложных молекул. Вот и в молекулярных облаках Туманности Ориона земные астрономы уже обнаружили более 130 различных типов органических молекул: от простых молекул окиси углерода СО и циана CN до таких сложных, как молекула этилового спирта С2Н5ОН.
Внимание прежде всего привлекают крупные молекулы. Хотя они не так распространены, как простые, но зато гораздо ближе к сложным молекулам, встречающимся в живых организмах. Такие молекулы, как метиламин СН3NН2, являются звеном в формировании простейших аминокислот. Конечно же, аминокислоты – это еще не живые организмы, но это кирпичики, из которых складывается белок, являющийся основой известной нам жизни.
Простейшая аминокислота, глицин (С2H5О2N), содержит 10 атомов. Следующая по сложности, аланин (С3Н7О2N), – 13 атомов. Другие аминокислоты содержат от 14 до 26 атомов. Как мы видим, большинство атомов в них – это водород, углерод, азот или кислород, хотя встречается и сера.
Особенно плотные облака – такие как в Туманности Ориона и в центральных областях нашей Галактики – являются первыми кандидатами для поисков межзвездных молекул аминокислот. И ожидаемое открытие уже состоялось!
Об обнаружении простейшей аминокислоты глицина в открытом космосе было впервые объявлено в 1994 году командой астрономов Университета штата Иллинойс, возглавляемой американцем Льюисом Снайдером. Однако выводы Снайдера и его коллег не подтвердились.
Второе заявление было сделано в июле 2002 года. Льюис Снайдер и его коллега И-Цзэн Куань из Национального Университета Тайваня подвергли спектральному анализу радиоизлучение нескольких космических объектов – в частности, крупных сгустков космического газа, пыли и гигантских молекулярных облаков. В результате целенаправленных поисков астрономам удалось-таки обнаружить линии спектра, характерные для глицина.
Как отмечается в научном сообщении по этому поводу, в прошлый раз Снайдеру и компании повезло обнаружить только две спектральные линии, соответствующие глицину. Теперь их было десять!
Обнаружение аминокислот в открытом космосе убедительно доказывает, что эти соединения могут образовываться не только на планетах, но и в пылевых облаках, а значит, теория панспермии близка к истине.
После открытия органических молекул в космическом пространстве межзвездные пылинки, на которых могут концентрироваться эти молекулы, стали называть «семенами жизни».
Открытие молодых миров
Долгое время теории об образовании планет из протопланетного диска оставались теориями. Для того чтобы подтвердить или опровергнуть их, нужны были непосредственные наблюдения молодых звезд в процессе формирования вокруг них протопланетных облаков. И такие наблюдения стали возможны после запуска на орбиту телескопа «Хаббл» (Hubble Space Telescope).
Космический телескоп имени Хаббла – это уникальная космическая обсерватория с телескопом-рефлектором диаметром 2,4 метра, работающая в оптическом диапазоне и близких к нему областях УФ– и ИК-излучения. «Хаббл» был запущен в космос 24 апреля 1990 года на борту шаттла «Дискавери», выведен в автономный полет на следующий день после запуска и успешно эксплуатируется по сей день. С приборов различного типа, камер и спектрографов поступает поистине бесценная информация. Все уже привыкли к тому, что буквально каждый день «Хаббл» преподносит сюрпризы, опровергая одни научные теории и подтверждая другие.
Рис.3. Космический телескоп «Хаббл»
Именно телескоп «Хаббл» заснял протопланетные диски у молодых звезд в Туманности Ориона. Им были зафиксированы не только формирующиеся диски, но и диски в процессе разрушения под воздействием гравитационных сил ближайших звезд – то есть далеко не любой протопланетный диск ведет к появлению планетной системы, все зависит от окружения.
Рис.4. Молодые звезды в Туманности Ориона, четыре из них – окружены протопланетными дисками
Наиболее интересно изображение очень молодой звезды (ее возраст оценивается в диапазоне от 300 тысяч до 1 миллиона лет), которая окружена веществом, оставшимся от периода звездообразования. Эта холодная красноватая звезда имеет массу, равную примерно одной пятой массы нашего Солнца. Темный диск, выделяющийся силуэтом на фоне туманности Ориона, является протопланетным диском, из которого формируются планеты. Диск содержит по крайней мере в семь раз больше вещества, чем наша Земля, и имеет в диаметре около 90 миллиардов километров, что в 7,5 раз превышает размеры Солнечной системы.
Рис.5. Протопланетный диск в Туманности Ориона
Рис.6. Пять протопланетных дисков в Туманности Ориона, сфотографированных «Хабблом».
Не менее эффектно смотрится горячий пылевой диск у Беты Живописца. На изображении, полученном «Хабблом», была не только показана внутренняя область пылевого диска диаметром 320 миллиардов километров, окружающего звезду, но и обнаружены признаки массивной планеты, гравитация которой стягивает часть пыли на себя.
Рис.7. Бета Живописца (снимок с Земли)
А методы наблюдений отдаленных объектов тем временем совершенствуются.
25 августа 2003 года с Мыса Канаверал стартовала тяжелая ракета-носитель «Delta-2» с инфракрасной астрономической обсерваторией SIRTF на борту.
Телескоп SIRTF, называемый также «Спитзер» («Spitzer») был выведен на межпланетную траекторию, очень близкую к орбите Земли вокруг Солнца, и его расстояние от Земли составляет более 3 миллионов километров. Понятно, что и возможностей по проведению наблюдений у этой новой обсерваторией гораздо больше, чем у «Хаббла», который остается на околоземной орбите. Во-первых, не нужно заботиться о засветке от Земли и Луны, и только Солнце ограничивает ту область неба, которая недоступна приборам телескопа в тот или иной день. Во-вторых, вдали от Земли обсерватория естественным образом охлаждается примерно до 35 градусов по шкале Кельвина, что близко к абсолютному нулю.
Почему для наблюдений была выбрана именно инфракрасная часть спектра? Дело в том, что в инфракрасном диапазоне излучают объекты, более холодные, чем звезды. Это прежде всего – пылевые облака, протопланетные диски вокруг звезд, сами планеты и так называемые «коричневые карлики». В то же время пылевые облака, непрозрачные в видимом диапазоне, прозрачны для инфракрасных лучей, что позволяет увидеть сквозь них объекты, находящиеся, например, в центре Галактики, а также детали процесса звездообразования. Таким образом, «Спитзер» позволит увидеть то, чего не видит человеческий глаз, и поможет нам ответить на многие вопросы, связанные с происхождением планет, звезд и всей Вселенной в целом.
Рис.8. Инфракрасный космический телескоп «Спитзер»
Планируется, что «Спитзер» выполнит не менее ста тысяч наблюдений. Научная программа «Спитзера» состоит из шести основных тем: поиск «коричневых карликов» и «суперпланет» (то есть тел, занимающих промежуточное положение между звездами и планетами); обнаружение и изучение протопланетных дисков вокруг молодых звезд; изучение процессов рождения и смерти звезд; спектроскопия ультраярких инфракрасных галактик и активных галактических ядер; исследование ранней Вселенной, протогалактик и их эволюции; изучение объектов Солнечной системы.
Не успел «Спитзер» выйти на рабочий режим, как начали поступать первые и поистине сенсационные результаты. К примеру, уже 27 мая 2004 года космическое агентство НАСА официально сообщило, что «Спитзер» обнаружил органику в протопылевых дисках, вращающихся вокруг пяти молодых звезд в созвездии Тельца. Частицы, составляющие эти диски покрыты водой, углекислым газом и метанолом. Молодые звезды удалены от нас на расстояние 420 световых лет и сейчас проходят стадию формирования планет.
Как уже указывалось, ученые обнаруживали простые органические молекулы в космических туманностях. Но это первый случай, когда они найдены в пылевых дисках, предшествующих появлению планет у молодой звезды!
Кроме того, «Спитзер» выполнил еще два любопытных наблюдения.
Первое из них позволило открыть самую молодую планету в обозримой Вселенной. Точнее саму планету увидеть нельзя, но в плотном пылевом диске, окружающем молодую звезду CoKu Tau 4, находящейся в созвездии Тельца, телескоп нашел крошечное пятно – кольцевидный просвет. По мнению ученых, это только что сформированная планета притянула пыль, очистив близлежащее пространство. Возраст юной планеты составляет менее миллиона лет (для сравнения – возраст человека как вида оценивается в 3,5 миллиона лет, а возраст Земли – в 4,5 миллиарда лет).
«Этому телу только миллион лет, – заявил астроном Дэн Уотсон, работающий с космическим телескопом. – Возможно, это самая молодая планета, которая известна людям. Она настолько молода, что может поставить под сомнение большинство теорий формирования планет».
Второе наблюдение «Спитзер» позволило открыть более трехсот новорожденных звезд, целый «звездный детский сад» Вселенной, в скоплении RCW 49, которое находится в 13700 световых годах от Земли в созвездии Центавра.