Как сформировалась наша Солнечная система?
С незапамятный времен человечество пытается ответить на вопрос о том, как появилась Вселенная. Однако всерьез заниматься этим вопросом стали только с началом научной революции, когда в мире стали доминировать теории, доказательства которых осуществлялось эмпирическим путем. Именно с этого момента — промежуток между 16-м и 18-м веками — астрономы и физики стали выводить доказательные объяснения того, с чего началась жизнь нашего Солнца, планет и всей Вселенной.
Есть несколько гипотез, которые могут ответить на этот вопрос.
Если речь идет о Солнечной системе, то наиболее популярным и широко признанным взглядом является небулярная гипотеза происхождения миров. Согласно этой модели, Солнце, планеты и все остальные объекты Солнечной системы образовались многие миллиарды лет назад из плотных облаков молекулярного водорода. Первоначально предложенная в качестве объяснения происхождения Солнечной системы, она по-прежнему остается наиболее широко принятой.
Небулярная гипотеза — что это?
С этого момента из облаков газа и пыли начали формироваться более плотные сгустки. Достигнув определенной плотности, сгустки согласно закону сохранения импульса начали вращаться, а повышающееся давление их разогрело. Большая часть материи собралась в центральном сгустке, в то время как оставшаяся материя образовала вокруг этого сгустка кольцо.
Сгусток в центре со временем превратился в Солнце, а остальная материя образовала протопланетарный диск.
Планеты же образовались из материи этого диска. Притягивающиеся друг к другу частицы пыли и газа собрались в более крупные тела. Рядом с Солнцем смогли сформироваться в более плотные объекты только те сгустки, в которых присутствовала наибольшая концентрация металлов и силикатов. Так появились Меркурий, Венера, Земля и Марс. Поскольку металлические элементы слабо присутствовали в первичной солнечной туманности, планеты не смогли очень сильно вырасти.
Как появились планеты
В свою очередь такие гигантские планеты, как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, образовались уже где-то в точке между орбитами Марса и Юпитера — где-то за границей отрицательных температур, где материал замерзает настолько, что позволяет летучим соединениям сохранять твердую форму в виде льда. Разнообразие этого льда оказалось гораздо шире, чем разнообразие металлов и силикатов, из которых образовались планеты внутренней части Солнечной системы. Это позволило им вырасти настолько огромными, что в конечном итоге у них появились целые атмосферы из водорода и гелия. Оставшийся материал, который так и не был использован для образования планет, сосредоточился в других регионах, сформировав в конечном итоге пояс астероидов, пояс Койпера и облако Оорта.
Ранняя Солнечная система в представлении художника. Столкновение между собой частиц в аккреционном диске привело к формированию планетоземалей и в конце концов планет
В течение следующих 50 миллионов лет давление и плотность водорода в центре протозвезды стали достаточно высокими для начала термоядерной реакции. Температура, скорость реакции, давление и плотность продолжили возрастать до тех пор, пока не было достигнуто гидростатическое равновесие. С этого момента Солнце превратилось в звезду главной последовательности. Солнечные ветра создали гелиосферу, сметав при этом оставшийся от протопланетарного диска газ и пыль в межзвездное пространство и ознаменовав завершение процесса планетарного формирования.
История небулярной гипотезы
Впервые идея о том, что Солнечная система образовалась из туманности, была предложена в 1734 году шведским ученым и теологом Эммануилом Сведенборгом. Иммануил Кант, знакомый с работой Сведенборга, занялся дальнейшим развитием теории и опубликовал результаты в своей работе «Всеобщая естественная история и теория неба» в 1755 году. В ней он заявлял, что газовые облака (туманности) медленно вращаются, постепенно разрушаются и под действием гравитации сжимаются, формируя звезды и планеты.
Аналогичная, но менее детальная модель формирования была предложена Пьером-Симоном Лапласом и описана в труде «Изложение системы мира», который был опубликован в 1796 году. Лаплас теоретизировал на тему того, что первоначально Солнце имело атмосферу, расширенную на всю Солнечную систему, и в какой-то момент это «протозвездное облако» начало охлаждаться и уменьшаться. С увеличением скорости вращения облака оно выбросило излишнюю материю, из которой впоследствии сформировались планеты.
Туманность Sh 2-106. Компактная область звездообразования в созвездии Лебедя
Небулярная модель Лапласа получала широкое признание в течение 19-го века, хотя и содержала некоторые явные нестыковки. Основной вопрос вызывало угловое распределение импульса между Солнцем и планетами, которое небулярная теория не объясняла. Помимо этого, шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) утверждал, что разность скорости вращения между внешней и внутренней частью протопланетарного диска не позволила бы материи накапливаться. Кроме того, теория была не принята также и астрономом сэром Дэвидом Брюстером (1781–1868), который однажды сказал:
«Те, кто считают, что небулярная теория верна, и уверены в том, что наша Земля получила свою твердую форму и атмосферу из кольца, брошенного из солнечной атмосферы, которое впоследствии было заключено в твердую терраквальную сферу, вероятнее всего, считают, что Луна образовалась таким же образом. [Если рассматривать с этой точки зрения], то на Луне тоже обязательно должна иметься вода и своя атмосфера».
К концу 20-го века модель Лапласа утратила доверие в лице ученых и заставила последних начать поиск новых теорий. Началось это, правда, не раньше самого конца 60-х годов, когда появился самый современный и самый широко признанный вариант небулярной гипотезы — модель солнечного небулярного диска. Заслуга принадлежит советскому астроному Виктору Сафронову и его книге «Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет» (1969 год). В этой книге описаны практически все основные вопросы и загадки процесса планетарного формирования, и что важнее всего — ответы на эти вопросы и загадки четко сформулированы.
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на нас в Яндекс.Дзен, чтобы не пропускать новые материалы!
Например, модель допланетного облака успешно объясняет появление аккреционных дисков вокруг молодых звездных объектов. Множественные симуляции также показали, что аккреция вещества в этих дисках ведет к формированию нескольких тел размером с Землю. Благодаря книге Сафронова вопрос происхождения планет земной группы (или землеподобных, если хотите) можно считать решенным.
Несмотря на то, что изначально модель допланетного облака применялась только в отношении Солнечной системы, многие теоретики считают, что ее можно использовать в качестве универсальной системы мер для всей Вселенной. Поэтому ее даже сейчас нередко используют для объяснения процесса формирования многих экзопланет, которые были нами найдены.
Недостатки небулярной гипотезы
Несмотря на то, что небулярная модель имеет широкое признание, она по-прежнему содержит ряд вопросов, которые не могут решить даже современные астрономы. Например, есть вопрос, связанный с наклоном. Согласно небулярной теории, все планеты, находящиеся вокруг звезд, должны обладать одинаковым наклоном осей по отношению к плоскости эклиптики. Но нам известно, что планеты внутреннего и внешнего кругов обладают совершенно разными наклонами осей.
В то время как планеты внутреннего круга обладают углом наклона осей, составляющим от 0 градусов, оси других (Земли и Марса, например) имеют угол наклона около 23,4 и 25 градусов соответственно. Планеты внешнего круга, в свою очередь, тоже обладают разными наклонами осей. Наклон оси Юпитера, например, составляет 3,13 градуса, в то время как у Сатурна и Нептуна эти показатели составляют 26,73 и 28,32 градуса соответственно. А Уран вообще имеет экстремальный наклон оси в 97,77 градуса, что фактически заставляет один из его полюсов постоянно находиться лицом к Солнцу.
Список потенциально обитаемых экзопланет согласно Planetary Habitability Laboratory
Кроме того, изучение планет вне Солнечной системы позволило ученым отметить несоответствия, которые ставят под сомнение небулярную гипотезу. Некоторые из этих несоответствий связаны с классом планет «горячие Юпитеры», чьи орбиты близко расположены к своим звездам, и периодом в несколько дней. Астрономы скорректировали некоторые моменты гипотезы, чтобы решить эти вопросы, но всех проблем это не решило.
Вероятнее всего, неразрешенные вопросы имеют наиболее близкое значение к пониманию природы формирования, и поэтому на них так трудно ответить. Просто когда мы думаем, что нашли наиболее убедительное и логичное объяснение, всегда остаются моменты, которые объяснить мы не в состоянии. Тем не менее мы прошли немалый путь, пока не пришли к нашим текущим моделям звездообразования и планетарного формирования. Чем больше мы узнаем о соседних звездных системах и чем больше исследуем космос, тем более зрелыми и совершенными становятся наши модели.
До появления Земли
Никто не знает, когда древний человек, глядя в ночное небо, впервые стал задаваться вопросами: откуда взялись бесчисленные звезды, как появилась Луна, почему Солнце каждый день восходит и заходит? Пытаясь найти объяснение, многие народы создавали мифы и красивые легенды, но научные гипотезы появились очень нескоро.
Последовательная теория, позволяющая шаг за шагом обосновать возникновение Солнечной системы, сформировалась лишь в последнее столетие. Сравнительно недавно по меркам истории люди получили связное объяснение и тому, как Земля стала единственной планетой во Вселенной, на которой существует жизнь.
Появление Вселенной (13,7 ± 0,13 млрд лет назад)
Наиболее распространенное объяснение возникновения Вселенной, — это теория Большого взрыва (далее — ТБВ). Она кажется невероятной и поражает человеческое воображение, однако не нужно сравнивать ее с религиозными мифами — ТБВ основана на физических наблюдениях и математических расчетах. При этом до сих пор остается много вопросов, на которые наука ответить не может, например что было, когда Вселенная еще не существовала, и что взорвалось? Человеческому воображению это не подвластно, а ученые придумали красивый термин для названия Вселенной до Большого взрыва: космологическая сингулярность (от латинского слова singularis — одиночный).
Наблюдения астрономов доказали, что галактики — гигантские скопления звезд и их планет — постоянно движутся, удаляясь от наблюдателя.
Считается, что то же самое мы увидели бы из любой точки Вселенной. Это дало основание предположить следующее: если вещество Вселенной движется, удаляясь от некой точки, вероятно, когда-то оно в ней находилось. На основе этой несложной гипотезы и возникла ТБВ.
Невероятная мощь Большого взрыва заставила вещество будущей Вселенной разлететься в пустоте, которая позже стала космосом. Дальнейшие события разделяют на несколько этапов — фазовых переходов развития Вселенной. Считается, что сначала, на этапе космической инфляции (то есть раздувания), появились силы притяжения между отдельными (теперь уже!) телами. Затем через невероятно малые доли секунды наступил следующий фазовый переход — бариогенезис (барионы — вид элементарных частиц). На этом этапе возникли те «кубики», из которых собрана любая материя — протоны и нейтроны, составляющие атомы.
Температура стала падать, и произошел заключительный фазовый переход — образование физических сил (кроме силы тяготения) и элементарных частиц в их нынешнем виде.
Через 380 тыс. лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что стало возможным существование атомов первого элемента таблицы Менделеева — водорода. Потом возникли и другие виды частиц (химические элементы). Новообразованные атомы создавали гигантские облака пыли и газов, составляющие которых притягивались друг к другу. Так со временем возникали звезды, планеты и целые галактики.
Возникновение Солнца и планет Солнечной системы (5–4,5 млрд лет назад)
В одной из галактик (огромных скоплений звезд и их спутников-планет), которую называют Млечный Путь, находится звезда средней величины — Солнце. Восемь планет являются его спутниками и образуют Солнечную систему. На месте нашей галактики 5 млрд лет назад была пустота, или вакуум.
Отдельные атомы находились друг от друга так далеко, что возможность их столкновения и соединения была близка к нулю. Около 95% тех немногих элементарных частиц, которые существовали, составляли водород и гелий, а на более тяжелые элементы их приходилось не более 1–2%. Кислород, углерод и азот, важные для возникновения будущей жизни, были задолго до того, как на месте пустоты появились Солнце и планеты.
Для того чтобы из разбросанных в пустоте частиц возникла Солнечная система, необходимо было с колоссальной силой сжать первичное межзвездное облако. Как это произошло — мы можем только догадываться. Одно из объяснений заключается в том, что неподалеку взорвалась неизвестная нам большая звезда, ударная волна взрыва сжала межзвездное облако и привела к формированию небесных тел.
Микроскопические частицы, которые составляли облако, оказались достаточно близко друг к другу. При этом намного возросли и силы притяжения (как вы помните из физики, она обратно пропорциональна квадрату расстояния между объектами). Увеличилась плотность межзвездных облаков, и появились гигантские скопления пыли и газов — туманности.
Звездные свет и тепло плохо проходили сквозь туманности, в результате чего температура (а давление газа пропорционально ей) там понижалась почти до абсолютного нуля. В результате облака сжимались и разделялись на более мелкие части. Одна из них в итоге превратилась в Солнечную систему.
При падении давления и сжатии облака большее количество вещества переместилось к его середине. Так в центре туманности образовалось протосолнце (от греческого «протос» — первый), которое сохранило связь с оставшимися газами вокруг себя с помощью магнитного поля. Эти внешние части облака и дали начало планетам Солнечной системы.
Из протосолнца развилось наше родное Солнце. Новая звезда сконцентрировала в себе почти все вещество протосолнечной туманности. Огромное давление, которое возникло в ее ядре, вызвало цепочку термоядерных реакций.
Нашему светилу около 4,57 млрд лет. Звезды такой массы и размера живут примерно 10 млрд лет, значит, Солнце сейчас находится в середине своего жизненного цикла.
Солнце, как и всякая звезда, для всех своих планет является источником энергии, выделяемой в виде света и тепла.
Происхождение Солнечной системы
Солнечная система состоит из центрального небесного тела – звезды Солнца, 8 больших планет, обращающихся вокруг него, их спутников, множества малых планет – астероидов, многочисленных комет и межпланетной среды. Большие планеты располагаются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.
Один из важных вопросов, связанных с изучением нашей планетной системы – проблема ее происхождения.
Развитие представлений о происхождении Солнечной системы
К настоящему времени известны многие гипотезы о происхождении Солнечной системы, в том числе предложенные независимо немецким философом И. Кантом и французским математиком и физиком П. Лапласом:
Несмотря на такое различие между двумя рассматриваемыми гипотезами, обе они исходят от одной идеи – Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта–Лапласа.
Английский астроном Хойл утверждает, что Солнце в момент рождения представляло собой сгусток газопылевой туманности, в котором существовало магнитное поле. Вначале он вращался с большой скоростью, а позже из-за влияния магнитного поля его вращение начало снижаться.
Гипотеза Джинса – формирование системы произошло в результате катастрофы. Солнце столкнулось с другой звездой, в результате часть выброшенного в космическое пространство вещества конденсировалось и образовало планеты.
Согласно современным представлениям, планеты солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Такая точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта.
Стадии образования Солнечной системы
Основная теория предполагает, что на месте нынешней Солнечной системы 5 млрд. лет тому назад существовало гигантское облако из газов и пыли. Оно имело огромные размеры, и было растянуто в пространстве на 6 млрд. км.
Аналогичные пылевые облака существуют во многих уголках необъятной Вселенной. Их основная масса состоит из водорода. Это тот газ, из которого первоначально образуются звёзды. Затем, в результате термоядерной реакции, начинает выделяться инертный газ гелий. На долю остальных веществ приходится всего 2%.
Образование Солнца
В какой-то момент пылевое облако получило внешний мощный импульс, представляющий собой огромный выброс энергии. Это могла быть ударная волна, сгенерированная взрывом сверхновой звезды. А возможно, что внешнего воздействия и не было. Просто за счёт закона притяжения облако стало уменьшаться в объёме и уплотняться.
Данный процесс дал толчок гравитационному коллапсу. То есть произошло быстрое сжатие космической массы. В результате этого в центре возникло раскалённое ядро с очень высокой плотностью. Вся остальная масса рассосредоточилась по краям ядра. А так как в космосе всё вращается вокруг своей оси, то эта масса приобрела форму диска.
Ядро уменьшалось в размере, увеличивая свою температуру и плотность. В результате оно трансформировалось в протозвезду. А газовое облако вокруг ядра всё больше уплотнялось, пока в ядре температура и давление достигли критической величины. Это спровоцировало начало термоядерной реакции, и водород начал превращаться в гелий.
С момента формирования туманности до запуска в протозвезде термоядерных реакций проходит в среднем 100000 лет.
Протозвезда перестала существовать, а вместо неё возникла звезда под названием Солнце.
Новая звезда еще очень мала – она находится в стадии коричневого карлика. Она в течение нескольких сотен миллионов лет превращается в звезду солнцеподобного типа.
После того, как значительная часть массы протозвездной туманности сформировало звезду, вокруг нее образуется протопланетный диск.
Постепенно молодая звезда и окружающее ее пространство остывает, что приводит к конденсации летучих веществ. Формируются пылевые частички, начинающие слипаться между собой. Так постепенно образуются планетазимали – «кирпичики» диаметром не более 1 км, из которых строятся планеты.
Формирование планет земной группы
А вот далее пошёл другой процесс. Газопылевые облака, вращающиеся вокруг Солнца, стали стягиваться в плотные кольца.
Планеты внутренней группы сформировались в тех областях протопланетного диска, где температура слишком высока для существования частиц льда и газа в диком состоянии. Поэтому эти объекты построены преимущественно из термоустойчивых горных пород.
Планетазимали вначале быстро приращивают массу, достигая диаметра более километра. Далее крупные фрагменты притягивают к себе более мелкие, пока запас планетазималей в диске не окажется полностью исчерпан. Наступает стадия окончательного формирования Солнечной системы и приобретения ее телами определенной орбиты.
Весь процесс возникновения планеты внутренней группы занял от 10 до 100 миллионов лет.
Выражаясь совсем просто, можно сказать, что с ближайших ядер звезда «сдула» газовые оболочки. Так образовались маленькие планеты, вращающиеся рядом с Солнцем. Это Меркурий, Венера, Земля и Марс.
Возникновение газовых гигантов
Формирование газовых гигантов, к которым относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, более сложный процесс.
До момента образования крупных планетазималей их развитие подобно планетам земного типа. Но в их составе содержатся частицы льда, и они наращивают свою массу путем аккреции газа из протопланетного диска. Это возможно, т.к. во внешней области будущей звездной системы температуры относительно невысоки.
Процесс сбора газа занимает несколько миллионов лет до истощения газовых запасов диска.
Формирование газовых гигантов оказывает значительное влияние на количество твердотельных планет внутри системы. Чем раньше началось образование газовых планет, тем меньше строительного материала останется на формирование землеподобных тел.
Одной из заключительных стадий эволюции Солнечной системы стало образование главного пояса астероидов. Считается, что он образован из «строительного материала», оставшегося после формирования основных планет.
Образование спутников
В дальнейшем произошло возникновение спутников вокруг планет.
Естественные спутники образовались у большинства планет Солнечной системы, а также у многих других тел. Так возле Земли появилась Луна.
Различают три основных механизма их формирования:
И, в конце концов, образовалось единое космическое сообщество, которое существует по сей день.
Вот таким образом наука объясняет происхождение Солнечной системы. Кстати, данная теория присуща и другим звёздным образованиям, которых в космосе бесконечное множество.
Будущее Cолнечной системы
По последним научным данным, Солнечная система является стабильной системой. То есть больших изменений в ближайшее время не стоит ждать. Самые большие изменения будут происходить с изменением состояния Солнца.
Другими словами, не будет претерпевать экстремальных изменений до тех пор, пока Солнце не израсходует запасы водородного топлива. Этот рубеж положит начало переходу Солнца в фазу красного гиганта.
Спустя 1 миллиард лет из-за увеличения солнечного излучения околозвёздная обитаемая зона Солнечной системы будет смещена за пределы современной земной орбиты.
В настоящее время
Солнечная система и ее происхождение изучаются во многих известных институтах мира.
Проходящие ежегодно международные конгрессы включают в программу обязательное обсуждение этого вопроса, а в дискуссиях уже неоднократно принимали участие ведущие российские специалисты из Геофизического института при Академии наук. Углубленным исследованиям по теме «Солнечная система и ее происхождение» отводится важное место, а средства для их проведения выделяются из государственного бюджета.
Наступит момент, и благодаря неустанным трудам ученых завеса тайны приоткроется, чтобы население Земли смогло узнать еще больше о происхождении нашей удивительной планеты.
Видео
Спросите Итана: откуда нам известен возраст Солнечной системы?
Представление художника о молодой звезде, окружённой протопланетным диском. У протопланетных дисков, принадлежащих солнцеподобным звёздам, есть множество неизвестных свойств, включая и элементарную сегрегацию различных типов атомов
Миллиарды лет назад, в каком-то забытом уголке Млечного Пути, молекулярное облако, не отличающееся от множества остальных, сжалось и сформировало новые звёзды. Одна из них появилась в относительной изоляции, собирая материал из окружающего её протопланетного диска, который, в итоге, превратился в наше Солнце, восемь планет и всю остальную Солнечную систему. Сегодня учёные заявляют, что Солнечной системе 4,6 млрд лет, плюс-минус несколько миллионов. Но откуда мы это знаем? Равен ли возраст, допустим, Земли и Солнца? Именно это хочет узнать наш читатель:
Откуда нам известен возраст Солнечной системы? Я весьма смутно представляю себе процесс измерения возраста камня с тех пор, как он был жидким, но примерно 4,5 млрд лет назад Тейя столкнулась с протоземлёй, сделав жидким практически всё. Откуда мы знаем, что мы определяем возраст Солнечной системы, а не просто находим десятки новых способов определения даты столкновения с Тейей?
Отличный вопрос, полный нюансов – но наука справится с такой задачей. Вот вам история того, как всё было.
Разрывы, комки материи, спиральные формы и другие асимметрии демонстрируют свидетельства происходящего формирования планет в протопланетном диске вокруг Elias 2-27. Однако какой возраст окажется у различных компонентов системы, которые сформируются в итоге, в общем случае сказать нельзя.
Нам довольно многое известно по поводу возраста и происхождения нашей Солнечной системы. Мы очень многое узнали, наблюдая за формированием других звёзд, изучая удалённые регионы зарождения звёзд, измеряя протопланетные диски, наблюдая за тем, как звёзды проходят различные этапы жизненного цикла, и т.д. Но каждая система развивается по своему, и здесь, в нашей Солнечной системе, через миллиарды лет после появления Солнца и планет остались лишь выжившие объекты.
Изначально все звёзды формируются из предзвёздной туманности, собирающей вместе материю, с объёмным внешним слоем, остающимся холодным, где собираются аморфные силикаты, углеродные компоненты и лёд. Как только в предзвёздной туманности появляется протозвезда, а потом и настоящая звезда, этот внешний материал начинает притягиваться и формировать более крупные комки.
Со временем комки вырастают, перемещаются ближе к центру, взаимодействуют, сливаются, сдвигаются и, возможно, даже выбрасывают друг друга из системы. За промежуток времени от сотен тысяч до миллионов лет после появления звезды появляются и планеты – на космических масштабах это довольно быстро. И хотя, вероятно, в Солнечной системе было множество промежуточных объектов, по прошествии нескольких миллионов лет Солнечная система стала выглядеть очень похоже на то, что мы имеем сегодня.
Но в ней могли быть и очень важные отличия. Тут мог существовать пятый газовый гигант; четыре оставшихся у нас гиганта могли быть гораздо ближе к Солнцу, и затем отодвинуться дальше; и, что самое важное, между Венерой и Марсом, скорее всего, был не один, а два мира: Протоземля и меньший мир размером с Марс, Тейя. Гораздо позже, возможно, через десятки миллионов лет после формирования других планет, Земля и Тейя столкнулись.
Модель ударного формирования постулирует, что тело размером с Марс столкнулось с ранней Землёй, а осколки, не упавшие обратно, сформировали Луну. Земля и Луна, в результате, должны быть моложе остальной Солнечной системы.
Именно в этом столкновении, как мы подозреваем, и появилась Луна: мы называем это явление гипотезой гигантского столкновения. Схожесть лунных камней, привезённых миссией «Аполло», с земным составом, заставило нас подозревать, что Луна сформировалась из Земли. Другие каменистые планеты, которым подозрительно не хватает крупных спутников, скорее всего, не пережили таких крупных столкновений в своей истории.
Газовые гиганты, обладая гораздо большей массой, чем остальные, смогли удержать водород и гелий (самые лёгкие элементы), существовавшие, когда Солнечная система только начала формироваться; с других миров большую часть этих элементов сдуло. Благодаря слишком большой энергии Солнца и недостаточно сильной для их удержания гравитации, Солнечная система начала принимать известную нам сегодня форму.
Иллюстрация молодой звёздной системы Бета Живописца, в чём-то аналогичной нашей Солнечной системе, во время её формирования. Внутренние миры не смогут удержать водород и гелий, если только не будут достаточно массивными.
Но теперь уже прошли миллиарды лет. Откуда нам известен возраст Солнечной системы? Совпадает ли возраст Земли с возрастом других планет; можем ли мы обнаружить эту разницу?
Самый точный ответ, как это ни удивительно, даёт геофизика. И это не обязательно означает «физику Земли», это может быть физика всяческих камней, минералов и твёрдых тел. Все такие объекты содержат множество элементов периодической таблицы, и различные плотности и составы соответствуют тому, в каком месте Солнечной системы, в смысле расстояния от Солнца, они сформировались.
Плотности разных тел Солнечной системы. Заметьте взаимосвязь между плотностью и расстоянием от Солнца
Это говорит о том, что различные планеты, астероиды, луны, объекты пояса Койпера, и т.п. должны состоять из различных материалов. Тяжёлые элементы периодической таблицы, к примеру, должны в основном присутствовать на Меркурии, а не, допустим, Церере, которая, в свою очередь, должна быть богаче Плутона. Но думается, что универсальным должен быть процент различных изотопов одних и тех же элементов.
При формировании Солнечной системы в ней должен сохраняться определённая пропорция, допустим, углерода-12 к углероду-13 и к углероду-14. У углерода-14 по космическим меркам маленький период полураспада (несколько тысяч лет), поэтому весь доисторический углерод-14 уже исчез. Но углерод-12 и углерод-13 стабильны, и значит, что при обнаружении углерода по всей Солнечной системе у него должно быть одно и то же относительное содержание изотопов. Это касается всех стабильных и нестабильных элементов, и изотопов Солнечной системы.
Количество элементов в сегодняшней Вселенной, измеренное по нашей Солнечной системе
Поскольку Солнечной системе уже миллиарды лет, мы можем искать изотопы с периодами полураспада в миллиарды лет. Со временем эти изотопы будут распадаться, и изучая пропорции продуктов распада по отношению к изначальному оставшемуся материалу, мы можем определить, сколько времени прошло с момента формирования этих объектов. Для этой цели наиболее надёжными элементами будут уран и торий. У урана есть два основных, встречающихся в природе изотопа, U-238 и U-235, и они отличаются продуктами и скоростью распада, однако, находящимися в пределах миллиардов лет. У тория наиболее полезным изотопом оказывается Th-232.
Но самое интересное – лучшее свидетельство возраста Земли и Солнечной системы обнаруживается вовсе не на Земле!
Рисунок художника с изображением столкновения, которое 466 млн лет назад породило множество падающих сегодня метеоритов
На Землю падало достаточно много метеоритов, и мы измерили и проанализировали их состав по элементам и изотопам. Главным образом мы наблюдаем за свинцом: отношение Pb-207 к Pb-206 меняется со временем из-за распада U-235 (что приводит к появлению Pb-207) и U-238 (откуда появляется Pb-206). Расценивая Землю и метеориты как части одной развивавшейся системы – то есть, что отношения количества изотопов в них должны быть одинаковыми – мы можем посмотреть на самые старые из найденных на Земле свинцовых руд, чтобы подсчитать возраст Земли, метеоритов и Солнечной системы.
Это довольно неплохая оценка, дающая нам цифру порядка 4,54 млрд лет. Погрешность оценки не превышает 1%, но это всё же неопределённость размером в десятки миллионов лет.
Метеорный дождь Леониды 1997 года, вид из космоса. Когда метеоры сталкиваются с верхней частью атмосферы Земли, они сгорают и порождают яркие чёрточки и вспышки света, которые мы связываем с метеорными дождями. Иногда падающий камень оказывается достаточно большим, чтобы достичь поверхности, и становится метеоритом.
Но мы можем поступить лучше, чем просто собрать всё вместе! Конечно, это даёт хорошую общую оценку, но мы думаем, что Земля и Луна моложе метеоритов.
Существуют места, где U-235 обогащён на 6% больше типичного значения. Согласно Грегори Бреннеке:
С 1950-х, или даже ещё раньше, никто не мог обнаружить разницы в пропорциях урана. Теперь мы смогли найти небольшие различия. И это была проблемой для нескольких людей в области геохронологии. Чтобы точно сказать, что нам известен возраст Солнечной системы на основании возраста камней, они обязательно должны совпадать друг с другом.
Но два года назад было обнаружено решение проблемы: ещё один элемент играет свою роль. Кюрий, элемент более тяжёлый и с меньшим периодом полураспада, чем даже плутоний, при распаде превращается в U-235, что объясняет эти различия. В результате погрешность [определения возраста] составляет всего несколько миллионов лет.
Протопланетные диски, из которых, как считается, формируются звёздные системы, со временем соберутся в планеты, как на рисунке. Важно понять, что центральная звезда, отдельные планеты и оставшийся изначальный материал (который, к примеру, может превратиться в астероиды), могут отличаться по возрасту на десятки миллионов лет.
Так что, в целом, мы можем сказать, что старейший из известных нам в Солнечной системе твёрдых материалов датируется 4,568 млрд лет, с погрешностью в 1 млн лет. Земля и Луна примерно на 60 млн лет моложе, они приняли свою окончательную форму позже. Кроме того, мы не можем узнать это, изучая только Землю.
Но Солнце, как ни удивительно, может быть немного старше, поскольку его появление должно предшествовать появлению твёрдых объектов, составляющих остальные компоненты Солнечной системы. Солнце может быть на десятки миллионов лет старше самых старых камней Солнечной системы, возможно, приближаясь к отметке в 4,6 млрд лет. Главное – искать все ответы за пределами Земли. По иронии, это единственный способ точно узнать возраст нашей собственной планеты!