Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир - Тим Грегори

Вспышка в центре продолжающей сжиматься туманности в первый раз осветила остатки газа и пыли вокруг центрального ядра. К этому времени вокруг новорожденного Солнца уже возник и вращался наподобие гигантской карусели плоский газовый диск поперечником в десятки миллиардов километров – так называемый «протопланетный диск».

Еще до наступления коллапса наша нарождающаяся туманность медленно вращалась. Это первоначальное вращение в ходе всего процесса стягивания к центральному ядру новых масс газа и пыли сохранялось и усиливалось благодаря фундаментальному физическому закону: закону сохранения углового момента. В своей простейшей форме он заключается в том, что вращающийся объект будет продолжать вращаться, пока на него не подействует внешняя сила. Так как вращательному движению туманности в процессе коллапса ничто не препятствует, она продолжает сжиматься к центру, и по мере ее сжатия вращение ускоряется. Точно так же балерина, крутящая пируэт, вращается быстрее, когда прижимает руки к телу[7]

В природе крутящиеся тела стремятся распластаться. До наступления коллапса частицы газа и крохотные пылинки были вовлечены в турбулентные движения; туманность в целом вращалась, но движения отдельных частиц были случайными. Но когда газ и пыль были стянуты к ядру силами гравитационного притяжения, их движения в вертикальном и горизонтальном направлениях взаимно скомпенсировались, что привело к образованию плоского газопылевого диска. Частицы диска, обращаясь по своим орбитам вокруг массивной центральной звезды, сохраняли свое вращательное движение в силу закона сохранения углового момента. И этот небесный пируэт не прекращается до сего дня.

Время собирать камни

Природа внесла строгий порядок в изначально бесформенное межзвездное облако. Солнце и протопланетный диск образовались из коллапсирующей туманности всего за несколько миллионов лет – в геологической шкале времени практически мгновенно. Если вернуться к нашему 24-часовому «геологическому дню», на это ушло чуть больше 90 секунд. Так что в этом временном масштабе формирование Солнечной системы практически закончилось за первые полторы минуты.

Пока в Солнечной системе шли процессы концентрации под действием силы тяготения и продолжалось ее уплощение, связанное с сохранением углового момента, вблизи нашей звезды формировались и другие звезды. Некоторые из них были гигантскими – массой в десять, пятьдесят, а то и в сто раз больше нашего Солнца. Они сжигали запасы своего «горючего» невероятно быстро: за время, в течение которого Солнце и его протопланетный диск едва успели сконденсироваться, эти звезды уже подходили к концу отпущенного им срока существования. Пока они расходовали последние остатки топлива, яростные звездные ветры неслись с их поверхностей, и потоки ядер тяжелых элементов, образовавшихся глубоко в их недрах в ходе термоядерных реакций, выбрасывались в окружающую туманность. Затем звезды гибли: не в состоянии больше уравновешивать силой газового давления колоссальную силу собственного гравитационного поля, они катастрофически сжимались, после чего тут же взрывались в виде сверхновой.

Химический коктейль из тяжелых элементов, приготовленный в невероятно горячих и плотных ядрах звезд, обогащал туманность новообразованными атомами. Некоторое количество этих недавно синтезированных элементов попало и в наш все уплощающийся протопланетный диск. А еще, когда окрестные сверхновые взрывались, подобно космическим петардам, распространяющиеся при этом ударные волны проходили свозь формирующуюся Солнечную систему, внося в нее возмущения.

В коллапсирующей туманности выделялось огромное количество энергии, и поэтому некогда замороженное облако постепенно раскалилось. Энергии было достаточно не только для расплавления, но и для испарения твердого вещества. В результате большая часть каменной пыли, содержавшейся в коллапсирующей туманности, превратилась в газ. Температура Солнечной системы на этом этапе ее истории была гораздо выше, чем можно себе представить – со стороны новорожденная система, вероятно, выглядела как яростно раскаленный диск светящегося газа, окружающий юное Солнце.

По мере того как этот диск, обращаясь вокруг центральной звезды, уплотнялся, состояние газа начало меняться. Атомы, концентрируясь во все меньших объемах пространства, стали химически взаимодействовать друг с другом. Диск охлаждался, так как излучал много энергии в межзвездное пространство. В течение примерно 100 000 лет начали образовываться минералы – твердые частички вещества. И наконец, в туманных волокнах газа, обращающихся вокруг молодой звезды, начались геологические процессы.

Живя на Земле, мы привыкли к тому, что минералы образуются из жидкостей: обычно это происходит, когда раскаленная докрасна лава, охлаждаясь, превращается вулканические породы, или когда из богатых минералами потоков осаждаются соли. Но в протопланетном диске минералы образовывались прямо из охлаждающегося газа в ходе процесса конденсации. Вблизи Солнца, при испепеляюще высокой температуре – значительно выше 1 500 °C – единственными минералами, способными конденсироваться, были экзотические окиси алюминия и кальция (минералы, содержащие в разных пропорциях кислород, алюминий и кальций). Все остальное при таких температурах химически неустойчиво. Первым минералом, который образовался из медленно остывавшего светящегося горячего газа, был корунд (окись алюминия Al2O3), известный нам еще как рубин или сапфир.[8] Так газ стал превращаться в пыль.

Конденсация корунда в горячем диске, обращавшемся вокруг молодого Солнца, ознаменовала первое событие образования твердого вещества в Солнечной системе. Но при дальнейшем охлаждении газ стал вступать в реакцию с корундом и разрушать его. Однако разрушение одного минерала ведет к образованию другого: вместо корунда стал появляться новый минерал хибонит (CaAl12O19). Как и корунд, чистый хибонит бесцветен, но случайные примеси, попавшие в свежескоденсировавшиеся кристаллы, придают им ярко-голубой, темно-зеленый или апельсиновый оттенок. При дальнейшем охлаждении газ конденсируется в целый ряд новых экзотических минералов, богатых кальцием и алюминием: перовскит (CaTiO3), за ним мелилит (Ca2Al2SiO7), потом шпинель (MgAl2O4). В необычной среде появляется и необычная геология.

Постепенно газ в диске продолжал охлаждаться, медленно конденсируясь и кристаллизуясь в один минерал за другим. Большая часть этого вещества имела вид мелких пылинок.

Дальше от кипящей солнечной поверхности и вглубь протопланетного диска температура уже была достаточно низкой, чтобы могла конденсироваться оливиновая пыль (перидот) и шарики металлического железа. Еще дальше от Солнца, присоединяясь к семейству уже образовавшихся к тому времени из газа минералов, конденсировались крупинки полевого шпата. Так в Солнечной системе появились первые камни и началась ее геологическая история. А за полмиллиарда километров от Солнца (на расстоянии примерно вдвое превышающем расстояние от Солнца до Марса) в недрах медленно остывающего диска температура упала уже настолько, что здесь конденсировались крупинки водяного льда. Воображаемую окружность вокруг Солнца, за пределами которой температура достаточно низка, чтобы там мог существовать лед, космохимики романтически назвали «снеговой линией». Если крупинка льда, двигаясь в сторону Солнца, пересечет эту линию, она испарится и снова станет газом. А гораздо дальше снеговой линии, где температура еще ниже, конденсируется еще больше льда, но уже не водяного – из промерзшего газа