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.