Пока не было света: предыстория Солнца и Солнечной системы28.11.2018 18:50

Роман Фишман

28 ноября 2018 16:19

Обсудить 0

В начале был водород — плюс несколько меньше гелия. Лишь эти два элемента (с примесью лития) наполняли молодую Вселенную после Большого взрыва, и звезды первого поколения состояли только из них. Однако, начав светить, они изменили все: термоядерные и ядерные реакции в недрах звезд создали весь ряд элементов вплоть до железа, а катастрофическая гибель самых больших из них во взрывах сверхновых — и более тяжелые ядра, включая уран. До сих пор на водород и гелий приходится не менее 98% всей обычной материи космоса, но звезды, которые образовались из пыли предыдущих поколений, содержат примеси других элементов, которые астрономы с некоторым пренебрежением совокупно называют металлами.

Каждое новое поколение звезд отличается все большей «металличностью», и Солнце не исключение. Его состав однозначно показывает, что звезда сформировалась из вещества, прошедшего «ядерную переработку» в недрах других звезд. И хотя многие детали этой истории еще ждут объяснения, в целом клубок событий, который привел к появлению Солнечной системы, кажется вполне распутанным. Копий вокруг него было сломано немало, однако современная небулярная гипотеза стала развитием идеи, появившейся даже раньше открытия законов гравитации. Еще в 1572 году Тихо Браге объяснял появление на небе новой звезды «сгущением эфирного вещества».

Звездная колыбель

Понятно, что никакого «эфирного вещества» не существует, а звезды образуются из тех же элементов, что и мы сами, — точнее, наоборот, это мы сложены из атомов, созданных ядерным синтезом звезд. На них приходится львиная доля массы вещества Галактики — остается не более нескольких процентов свободного диффузного газа для рождения новых светил. Но это межзвездное вещество распределяется неравномерно, местами образуя сравнительно плотные облака.

Несмотря на довольно низкую температуру (лишь несколько десятков и даже единиц градусов выше абсолютного нуля), здесь происходят химические реакции. И хотя почти всю массу таких облаков по‑прежнему составляют водород и гелий, в них появляются десятки соединений, от углекислого газа и цианида до уксусной кислоты и даже многоатомных органических молекул. В сравнении с довольно примитивным по устройству веществом звезд такие молекулярные облака — это следующая ступенька в эволюции сложности материи. Недооценивать их не стоит: они занимают не больше процента объема диска Галактики, но зато на них приходится около половины массы межзвездного вещества.

Отдельные молекулярные облака могут иметь массу от нескольких солнц до нескольких миллионов. Со временем их строение усложняется, они фрагментируются, образуя довольно сложные по структуре объекты с внешней «шубой» из сравнительно теплого (100 К) водорода и холодными локальными компактными уплотнениями — ядрами — ближе к центру облака. Такие облака живут недолго, вряд ли больше десятка миллионов лет, зато здесь происходят таинства космических масштабов. Мощные, быстрые потоки вещества перемешиваются, закручиваются и собираются все плотнее под действием гравитации, становясь непрозрачными для теплового излучения и нагреваясь. Нестабильной среде такой протозвездной туманности достаточно толчка, чтобы перейти на следующий уровень.«Если гипотеза о сверхновой верна, то она произвела лишь начальный толчок к образованию Солнечной системы и более никакого участия в ее рождении и эволюции не принимала. В этом отношении она не праматерь, а скорее праотец». Дмитрий Вибе

Праматерь

Если масса «звездной колыбели» гигантского молекулярного облака составляла сотни тысяч масс будущего Солнца, то сгустившаяся в нем холодная и плотная протосолнечная туманность была лишь в несколько раз тяжелее него. Существуют разные гипотезы о том, что вызвало ее коллапс. На одну из самых авторитетных версий указывает, например, исследование современных метеоритов, хондритов, вещество которых образовалось еще в ранней Солнечной системе и более 4 млрд лет спустя оказалось в руках земных ученых. В составе метеоритов обнаруживаются и магний-26 — продукт распада алюминия-26, и никель-60 — результат превращений ядер железа-60. Эти короткоживущие радиоактивные изотопы образуются только во взрывах сверхновых. Такая звезда, погибшая недалеко от протосолнечного облака, могла стать «праматерью» нашей системы. Этот механизм можно назвать классическим: ударная волна сотрясает все молекулярное облако, сжимая его и заставляя разделяться на фрагменты.

Однако роль сверхновой в появлении Солнца часто подвергается сомнению, и не все данные подтверждают эту гипотезу. По другим версиям, протосолнечное облако могло сколлапсировать, например, под давлением потоков вещества от близкой звезды Вольфа — Райе, отличающейся особенно большой яркостью и температурой, а также высоким содержанием кислорода, углерода, азота и других тяжелых элементов, потоки которых наполняют окружающее пространство. Впрочем, и эти «гиперактивные» звезды существуют совсем недолго и заканчивают жизнь взрывами сверхновых.

С того знаменательного события прошло больше 4,5 млрд лет — весьма приличное время, даже по меркам Вселенной. Солнечная система совершила десятки оборотов вокруг центра Галактики. Звезды кружились, рождались и умирали, появлялись и распадались молекулярные облака — и так же, как нет никакой возможности выяснить форму, которую еще час назад имело обычное облако в небе, мы не можем сказать, каким был тогда Млечный Путь и где именно на его просторах затерялись останки звезды, ставшей «праматерью» Солнечной системы. Зато мы более или менее уверенно можем сказать, что при рождении у Солнца были тысячи родственников.

Сестры

Вообще, звезды в Галактике, особенно молодые, почти всегда входят в состав ассоциаций, связанных близким возрастом и совместным групповым движением. От двойных систем и до многочисленных ярких скоплений, в «колыбелях» молекулярных облаков они рождаются коллективами, как при серийном производстве, и даже разлетевшись далеко друг от друга, сохраняют следы общего происхождения. Спектральный анализ звезды позволяет выяснить ее точный состав, уникальный отпечаток, «свидетельство о рождении». Судя по этим данным, по количеству сравнительно редких ядер вроде иттрия или бария, звезда HD 162826 образовалась в той же «звездной колыбели», что и Солнце, и принадлежала к тому же скоплению сестер.

Сегодня HD 162826 находится в созвездии Геркулеса, примерно в 110 световых годах от нас — ну, а остальные родственники, видимо, где-то еще дальше. Жизнь давно разбросала бывших соседок по всей Галактике, и о них остались лишь крайне слабые свидетельства — например, аномальные орбиты некоторых тел далеко на периферии сегодняшней Солнечной системы, в Поясе Койпера. Похоже, что «семейство» Солнца некогда включало от 1000 до 10 000 молодых звезд, которые образовались из единого газового облака и были объединены в рассеянное скопление общей массой порядка 3 тыс. солнечных масс. Их союз долго не продержался, и группа распалась максимум через 500 млн лет после образования.

Коллапс

Независимо от того, как именно произошел коллапс, что послужило ему толчком и сколько рождалось звезд по соседству, дальнейшие события развивались стремительно. За какую-то сотню тысяч лет облако сжалось, что — в соответствии с законом сохранения момента импульса — ускорило его вращение. Центробежные силы сплюснули вещество в довольно плоский диск диаметром в несколько десятков а.е. — астрономических единиц, равных среднему расстоянию от Земли до Солнца сегодня. Внешние области диска стали быстрее остывать, а центральное ядро — еще сильнее уплотняться и нагреваться. Вращение замедляло падение нового вещества к центру, и пространство вокруг будущего Солнца расчистилось, оно стало протозвездой с более или менее различимыми границами.

Основным источником энергии для него еще оставалась гравитация, но в центре уже начались осторожные термоядерные реакции. Первые 50−100 млн лет своего существования будущее Солнце еще не запустилось на полную мощность, и в нем не происходило характерное для звезд главной последовательности слияние ядер водорода-1 (протонов) с образованием гелия. Все это время оно, видимо, было переменной типа Т Тельца: сравнительно холодные, такие звезды весьма неспокойны, покрыты крупными и многочисленными пятнами, которые служат сильными источниками звездного ветра, раздувающего окружающий газопылевой диск.

На этот диск действовала с одной стороны гравитация, а с другой — центробежные силы и давление мощного звездного ветра. Их баланс вызвал дифференциацию газопылевого вещества. Тяжелые элементы, такие как железо или кремний, оставались на умеренном удалении от будущего Солнца, а более летучие вещества (прежде всего водород и гелий, но также азот, углекислый газ, вода) выносились к окраинам диска. Их частицы, оказавшиеся в медленных и холодных внешних областях, сталкивались друг с другом и понемногу слипались, образуя зародыши будущих газовых гигантов внешней части Солнечной системы.

Родился и так далее

Тем временем сама молодая звезда продолжала ускорять вращение, сжималась и нагревалась все сильнее. Все это усилило перемешивание вещества и обеспечило постоянный приток лития к ее центру. Здесь литий стал вступать в реакции слияния с протонами, выделяя дополнительную энергию. Запустились новые термоядерные превращения, и к моменту, когда запасы лития практически исчерпались, уже началось слияние пар протонов с образованием гелия: звезда «включилась». Сжимающее действие гравитации стабилизировалось расширяющим давлением лучистой и тепловой энергии — Солнце стало классической звездой.

Скорее всего, к этому времени образование внешних планет Солнечной системы уже практически завершилось. Некоторые из них сами были подобны крошечным копиям протопланетного облака, из которого образовались и сами газовые гиганты, и их крупные спутники. Следом — из железа и кремния внутренних областей диска — сформировались и каменистые планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Пятой, за орбитой Марса, не позволил родиться Юпитер: воздействие его гравитации нарушало процесс постепенного накопления массы, и крошечная Церера осталась самым крупным телом главного пояса астероидов, навсегда карликовой планетой.

Молодое Солнце постепенно разгоралось все ярче и излучало все больше энергии. Его звездный ветер вынес из системы мелкий «строительный мусор», а большая часть оставшихся крупных тел упала на само Солнце или его планеты. Пространство расчистилось, многие планеты мигрировали на новые орбиты и стабилизировались здесь, на Земле появилась жизнь. Впрочем, на этом предыстория Солнечной системы уже закончилась — началась история.

* Некоторые белые карлики, появившиеся еще в молодой Вселенной, существуют в том же виде до сих пор. Теоретически предполагается, что через триллион или больше лет они могут эволюционировать в черные карлики, темные и остывшие до температуры немногим выше абсолютного нуля.