книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Глава 2. Земля во Все генной

фикация галактик, опубликованная в 1925 г., принадлежит Эдвину Хабблу. В несколько модифицированном виде эта классификация используется и поныне. Введены следующие основные морфологические классы галактик: эллиптические (Е). спиральные (S), спиральные с перемычкой (SB), лин­ зообразные (So), неправильные (1г) и пекулярные (рис. 2.3, 2.4). На самом деле существует множество галактик, не укладывающихся в эту схему.

L = - >

Нормальные спиральные галактики

Пересеченные спиральные галактики

Примечание. Стрелки показывают, что в ходе эволюции галактики меняют свой

тип, перемещаясь от Е к S, возможны преобразования и по вертикали [Хаббл Э. с до­ бавлениями Джинса Дж., 1932]

Рис. 2.3. Морфологическая классификация галактик

Рис. 2.4. Диаграмма Арпа (1932). Связь морфологического типа галактик с их

массой и угловым моментом. При переходе от эллиптических галактик (ЕО) к спи­

ральным (S) масса галактик в среднем убывает, а их угловой момент растет

71

Раздел /. Принципы зволюции и взаимодействия сложных систем

Спиральные галактики имеют хорошо заметное плоское спиральное распределение яркости вокруг утолщенного ядра. Эта форма обусловлена более быстрым, чем у эллиптических галактик, вращением. Галактики могут иметь две и более спиральных ветвей (рукавов), исходящих либо прямо из ядра, либо из двух концов бара (перемычки), отходящего от ядра. По этому признаку выделено два основных подтипа: нормальные спиральные галак­ тики (S) и пересеченные спиральные галактики (SB). Спиральные галакти­ ки различаются по массе и размерам. Большинство из них имеет массу око­ ло 10,() масс Солнца. Это массы видимого звездного населения галактик. Невидимая масса — в 5—10 раз больше.

К неправильным галактикам Хаббл отнес все объекты, отличающиеся от перечисленных выше. Их характерная особенность — фрагментарность. В настоящее время выделяют еше и пекулярные галактики.

Наша Галактика — гигантская звездная система, состоящая из 100 млрд звезд, в число которых входит и наше Солнце. Она является галактикой про­ межуточного типа — Sb или Sa. В нашей Галактике есть спиральные рукава, диск, центральное утолщение, корона. Размер Галактики в поперечнике — 100 000 световых лет. Центральная выпуклость занимает пространство 20000 световых лет в поперечнике и 3 000 световых лет в толщину. Гало простирается на 150 000 световых лет. Масса Галактики в пределах объема радиуса 15 килопарсек — около 15 х 10|() масс Солнца. Земляне видят диск «с ребра», поэтому огромное количество дальних звезд сливается в одну по­ лосу, которая видна в ночном небе как Млечный Путь (galacticos — млеч­ ный). Диск Галактики состоит из спиральных рукавов. Наша Галактика по­ хожа на галактику 2997 (рис. 2.5).

Солнечная система сейчас находится в зоне коротации между рукава­ ми Персея и Стрельца и движется в сторону рукава Персея со скоростью около 220 км/с. Ее период обращения, или галактический год, составляет примерно 200 млн лет. Время пребывания между рукавами оценивается в 7,8 млрд лет. В спиральных рукавах происходят вспышки «сверхновых» звезд, поэтому спокойный период Солнечной системы начался после ухо­ да ее из места своего рождения (рукав Стрельца) и вхождения в межрукав­ ное пространство.

Стрелец А — объект в самом центре Галактики — является источни­ ком самого сильного излучения. Его размер около 1,2 млрд км (размер ор­ биты Юпитера). Энергия его гамма-излучения составляет 511 тыс. эВ (энергия фотона видимого света — 2 эВ), что соответствует аннигиляции огромного количества антивещества (около 10 млрд т позитронов в 1 с). Интенсивность излучения сильно варьирует. Все это говорит о необычно­ сти источника излучения. Такое излучение может генерироваться вблизи очень плотных объектов типа нейтронных звезд или «черной дыры»

72

Pasriei /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

нечной системы в зоне коротации возникают ситуации их пересечения, и Солнечная система испытывает повышенное галактическое воздействие.

В период пребывания Солнца в струйном потоке (около 1 млн лет) один раз в миллион лет поблизости проходит звезда. Она будоражит обла­ ко Орта, и на Землю выпадает от 100 до 1000 комет. Основные события на Земле за последние 700 млн лет (эпохи горообразования, трансгрессии и регрессии океанов, резкие климатические изменения, вымирания биоты и др.) коррелируют с этими прохождениями и повторяются с новым галак­ тическим годом, оцениваемым в 250 млн лет. Последний раз Солнце во­ шло в струйный поток — рукав Ориона — Лебедя около 3 млн лет назад и вышло из него 0,6 млн лет назад. Интервалы попадания в струйные пото­ ки в течение фанерозоя изменяются от 19 млн (кембрий, пермь) до 37 млн лет (юра, силур, рифей). Все сильные воздействия в фанерозое (послед­ ние 600 млн лет) падают на периоды пересечения Солнечной системой зон газоконденсации в ветвях Персея и Киля — Стрельца. Периоды таких про­ хождений сопровождаются массовым воздействием комет на Землю, что су­ щественно влияет на климат планеты. Это позволяет по-новому взглянуть на проблему происхождения и ритмику земной гидросферы (рис. 2.6. 2.7).

180°

II

IV 4кпс

Примечание. Положение Солнца отмечено кружком. I, II, III. IV — ло!арифмиче-

ски закрученные спиральные нет ни [Баренбаум А.А., 1993). Штрихами помечен коротационный круг (круг, по которому движется Солнечная система].

Рис. 2.6. Аппроксимация распределений на галактическую тоск ость (малая астрономическая энциклопедия) гигантских молекупярных облаков (точки) и обла­ стей эмиссии газа (прямоугольники)

74

Гwea 2. Зе\ия во Все генной

Рис. 2.7. Логарифмические (сплошные линии) и архимедовская спираль (пун­ ктирная линия), рассчитанные А.А. Баренбаумом в 1993 г

Авторы полагают, что кометы могли давать до Ю2 г воды, что могло вызывать трансгрессию океана до 20—30 м Одновременно кометы прино­ сили на планету значительное количество углерода (102()—102) г) и других тяжелых элементов, образующихся за счет взрывов близких «сверхновых» звезд. Это вещество поглощалось живыми организмами, включалось в об­ щий круговорот и затем, спустя некоторое время, отлагалось и преобразо­ вывалось в виде геохимически аномальных черных сланцев. Следует отме­ тить, что это лишь гипотеза авторов.

2.3

Эволюция звезд

Звезды возникали в ходе эволюции галактик. Боль­ шинство астрономов считают, что это происходило в результате сгущения (конденсации) облаков диффузной материи, которые постепенно форми­

75

Ра и)е 1 /. Принципы эво иоции и взаимодействия сложных систем

ровались внутри галактик. Одна из исходных предпосылок такой гипотезы состоит в том, что, как показывают наблюдения, «молодые» звезды всегда тесно связаны с газом и пылью. Эти звезды и диффузная материя концен­ трируются в спиральных ветвях галактик. Местами наиболее интенсивно­ го звездообразования считаются массы холодного межзвездного вещества, которые называются газовоп ы левы м и ком п лексам и . Наиболее изученный га­ зовопылевой комплекс нашей Галактики находится в созвездии Ориона, он включает туманность в Орионе, более плотные газовопылевые облака и другие объекты. Представим себе холодное газовопылевое облако. Силы тяготения или взрыв «сверхновой» поблизости сжимают его, и оно прини­ мает шарообразную форму. При сжатии будут возрастать плотность и тем­ пература облака. Возникнет будущая, рождающаяся звезда (протозвезда). Температура поверхности протозвезды пока еще мала, но она уже излучает в инфракрасном диапазоне, поэтому рождающиеся звезды можно попытать­ ся обнаружить среди довольно многочисленных источников инфракрасного излучения. Поиски протозвезд (и протогалактик) сейчас ведутся на многих обсерваториях.

Одно из основных отличий протозвезды от звезды заключается в том, что в протозвезде еще не происходят термоядерные реакции, т.е. в ней нет еще основного источника энергии обычных звезд. Излучение идет за счет гравитационного сжатия и аккреции. Когда в процессе сжатия протозвезды температура в ее недрах достигнет величины около 107 К, начнутся термо­ ядерные реакции. С этого времени стадия сжатия звезды прекращается — сила внутреннего давления газа теперь уже может уравновесить силу тяготе­ ния внешних частей звезды.

Стадия сжатия звезд, массы которых значительно больше массы Солн­ ца, продолжается всего сотни тысяч лет, а звезды, массы которых меньше солнечной, сжимаются в течение сотен миллионов лет. Чем больше масса звезды, тем при большей температуре достигается равновесие. Поэтому массивные звезды обладают большей светимостью.

Стадию сжатия сменяет стационарная стадия, сопровождающаяся по­ степенным «выгоранием» водорода. В стационарной стадии звезда проводит большую часть своей жизни. Именно в этой стадии эволюции находятся звезды, которые располагаются на главной последовательности диаграммы «спектр — светимость» Таких звезд больше всего. Время пребывания звез­ ды на главной последовательности пропорционально массе звезды, так как от этого зависит запас ядерного горючего, и обратно пропорционально све­ тимости, которая определяет темп расхода ядерного горючего. А поскольку светимость звезды пропорциональна примерно ее массе в четвертой степе­ ни, то массивные звезды, массы которых в несколько раз больше массы Солнца, эволюционируют быстрее. Они находятся в стационарной стадии

76

Глава 2. Земля во Все генной

только несколько миллионов лег. а звезды, подобные Солнцу, — милли­ арды лет.

Когда весь водород в центральной области звезды превратится в гелий, внутри звезды образуется гел и ево е ядро . Теперь водород будет превращать­ ся в гелий не в центре звезды, а в слое, прилегающем к очень горячему ге­ лиевому ядру. Пока внутри гелиевого ядра нет источников энергии, оно будет постепенно сжиматься и при этом еше более разогреваться. Когда температура внутри звезды превысит 1,5 х 107 К, гелий начнет превращать­ ся в углерод (с последующим образованием все более тяжелых химических элементов). Светимость и размеры звезд будут возрастать. В результате обыч­ ная звезда постепенно превратится в красного гиганта или сверхгиганта. Многие звезды не сразу становятся стационарными гигантами, некоторое время они пульсируют, как бы проходя в своем развитии стадию цефеид (пульсирующих звезд).

Заключительный этап жизни звезды, как и вся ее эволюция, решаю­ щим образом зависит от массы звезды. Внешние слои звезд, подобных нашему Солнцу (но массой не больше 1,2 массы Солнца), постепенно расширяются и, в конце концов, совсем покидают ядро звезды. Вместо гиганта остается маленький и горячий белый карлик. Белых карликов в мире звезд много. Таким образом, многие звезды превращаются в белых карликов, которые затем постепенно остывают, становясь потухшими звездами.

Иная судьба у более массивных звезд. Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звезды на последних этапах сво­ ей эволюции теряют устойчивость. В частности, они могут взорваться, как «сверхновые», обогащая межзвездную среду тяжелыми химическими эле­ ментами (которые образовались внутри звезды и во время ее взрыва), а за­ тем катастрофически сжаться до размеров щаров радиусом в несколько ки­ лометров, т.е. превратиться в нейтронные звезды.

Внутри звезд в ходе термоядерных реакций может образоваться до 30 хи­ мических элементов, а во время взрыва «сверхновых» — остальные элемен­ ты Периодической системы. Из обогащенной тяжелыми элементами меж­ звездной среды образуются звезды следующих поколений.

Если масса звезды вдвое превышает массу Солнца, то такая звезда, поте­ ряв равновесие и начав сжиматься, либо превратится в нейтронную звезду, либо вообще не сможет достичь устойчивого состояния. В процессе неогра­ ниченного сжатия (коллапса) она, вероятно, способна превратиться в «черную дыру». Такое название связано с тем, что могучее поле тяготения сжавшейся звезды не выпускает за ее пределы никакое излучение (свет, рентгеновские лу­ чи и т.д.). Поэтому «черную дыру» нельзя увидеть ни в каком диапазоне элек­ тромагнитных волн.

77

Pcndei /. Принципы эволюции и взаимодействия сложных систем

2.4

Солнечная система. Активность Солнца

В современной планетарной космологии представле­ ние о совместном происхождении Солнца и планет из единой вращающей­ ся туманности сочетается с идеей О.Ю. Шмидта об образовании планет в околосолнечном протопланетном облаке путем аккреции (аккумуляции) твердых частиц и тел. Установлено [Сафронов и др., 1982], что первона­ чально однородная и равномерно вращающаяся протосолнечная туман­ ность коллапсирует в звезду солнечного типа, окруженную протопланетным диском, при величине момента количества движения КГ2—10V' г см2 / с. При меньших значениях момента образуется одиночная звезда, а при боль­ ших — двойная звезда. Чтобы коллапс завершился образованием Солнца и вращающегося вокруг него газопылевого диска, необходим эффективный перенос углового момента из центральной области наружу. В современных моделях главная роль в этом процессе отводится турбулентной вязкости. Согласно расчетам, за 10"— 106 лет масса центральной части становится доста­ точной для начала реакций термоядерного синтеза и составляет около 1027 г (масса Юпитера). Для удержания и развития ядерного горения нужна масса не менее 10™ г (масса самых маленьких звезд).

В протосолнечном диске химическая дифференциация управлялась в ос­ новном магнитным, гравитационным и тепловым полями. В этих условиях нейтральные молекулы газов оттеснялись тепловым полем молодой звезды к периферии диска, а ионизированные радикалы и атомы тяжелых элементов стремились к внутренней части диска. Более ранние центры аккреции внут­ ри диска разрастались быстрее. Совместное действие всех механизмов приве­ ло к сепарированию вещества и образованию планет с разным химическим составом и, следовательно, различной плотностью, которые закономерно расположились в пространстве по направлению от внутренних, более плот­ ных, к внешним, менее плотным. В Солнечной системе образовалось 9 пла­ нет, 2 пояса астероидов (Койпера и «Фаэтона») и 1 облако комет (Оорта). Большинство планет имеют спутники.

Все 9 планет вращаются вокруг Солнца по орбитам примерно в одной плоскости (рис. 2.8). Солнце медленно вращается вокруг своей оси с запада на восток, и в ту же сторону вращаются все планеты, кроме Венеры и Урана. Венера вращается в обратную сторону, а ось вращения Урана находится в пло­ скости его орбиты.

Четыре планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — относятся к вну­ тренним планетам, а Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон — к внеш­

78

Гюва Зе\ия во Все генной

ним планетам-гигантам. Внутренние и внешние планеты разделены поя­ сом астероидов.

Рис. 2.8, Схема строения Солнечной системы и траектория кометы Галлея

Два важных свойства Солнечной системы подтверждают данный сце­ нарий образования.

Во-первых, все планеты Солнечной системы обращаются почти в од­ ной плоскости: орбиты всех планет, за исключением Меркурия и Плутона, наклонены не более чем на 30 к плоскости земной орбиты, называемой экнштикой. Средняя орбитальная плоскость планет наклонена не более чем на 60 к экваториальной плоскости Солнца. Следовательно, все планеты сформировались из единой дискообразной структуры — протосолнечной туманности. Все планеты вращаются вокруг Солнца против часовой стрел­ ки. Планеты движутся по почти круговым орбитам (хотя для Меркурия и Плутона это не совсем так). Это свидетельствует об определенной упоря­ доченности внутри родительского диска. В табл. 2.1 приведены основные параметры планет Солнечной системы.

Во-вторых, отмечается закономерное изменение химического состава по мере удаления от Солнца. Внешние планеты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон) в основном состоят из относительно легких, летучих эле­ ментов. Внутренние — из более тяжелых элементов, таких, как кремний, железо и др. Объяснение этого различия состоит в том, что внутренняя часть протосолнечной туманности была достаточно горячей для того, что­ бы летучие элементы находились там в газообразном состоянии. Они, бу­ дучи нейтральными по отношению к магнитному полю, вытеснялись тептовым давлением на периферию. Более того, на ранней стадии формиро­ вание планет происходило за счет аккумуляции твердого вещества при важной роли воды, поскольку она широко распространена и конденсиру­ ется при относительно высокой температуре по сравнению со средней тем­ пературой туманности. В тех областях, где температура была 270 К или ни­ же (точка конденсации водяного льда), образовались планеты-гиганты.

79