Джонатан Генри

На протяжении последних двухсот лет считается, что , планеты и их спутники образовались из обширного облака газа и пыли или так называемой «солнечной небулы» (лат. nebula = облако). Небесные тела, предположительно, сформировались, когда частицы газа и пыли объединялись между собой в ходе процесса, который называется аккрецией, образовывая протопланеты и планетезимали. Теория аккреции является одной из составляющих небулярной гипотезы образования Солнечной системы. Однако в ходе экспериментов не было доказано, что аккреция действительно имеет место. Бог сотворил небесные тела Своим Словом (Псалом 32:6), а не в результате каких-либо процессов, подчиняющихся научным законам, – будь то быстрых или медленных. В данной статье описаны проблемы теории аккреции, выявленные в ходе экспериментов, а затем следует обсуждение фактов отсутствия астрономических наблюдений, свидетельствующих в пользу данной теории.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ СВИДЕТЕЛЬСТВУЮТ О ТОМ, ЧТО АККРЕЦИИ НЕ СУЩЕСТВУЕТ

Случай №1 . Сжатые частицы сплава никеля и железа были выращены до размера субмикрона при давлении 10 -4 атмосфер, которое было взято в качестве давления в досолнечной небуле, в закрытом пространстве без турбулентности. Что эти условия на самом деле имеют общего с аккрецией? Заключение автора данного исследования говорит не слишком много: «непосредственный рост крупных частиц или капелек из газа – достаточно сложное явление при любых известных нам условиях» . Тем не менее, у ученых оставалась надежда на то, что аккреция могла бы произойти при неких гипотетических условиях, которые нам пока что не известны:

«Несомненно, существуют определенные астрономические, а также земные ситуации, где создаются эти особые условия, при которых крупные массы могут расти непосредственно в процессе конденсации из пара. Однако сложно представить, что эти вещества могли широко распространиться по всей Солнечной системе».

Рис. 1. Глобула Бока в отражательной туманности NGC 1999 созвездия Орион; звезда слева от центра - V380 Orionis, ее масса в 3,5 раза превышает массу Солнца. Она излучает свет, отражаемый небулой (NASA-HST). Согласно теории аккреции, сама небула должна быть материалом, который, сжимаясь, образует звезду.

Авторы Донн и Сирз выдвинули ряд предположений, благодаря которым теория аккреции кажется возможной, например, предположение о гипотетическом росте кристаллов в предполагаемых «винтовых дислокациях» в результате предполагаемого радиационного повреждения в режимах пониженного перенасыщения. Однако даже предполагаемое перенасыщение в доисторической небуле было ситуативным, поскольку, согласно теории, это требовало бы изначально высокой концентрации материала.

Случай №2 . Исследователь планет Вильям К. Хартманн отметил, что «согласно очевидным фактам, близлежащие частицы камня, циркулирующие на солнечной орбите, сталкивающиеся на небольших скоростях, просто должны были отталкиваться друг от друга, не соединяясь; если бы они сталкивались на высокой скорости, то, скорее, разрушали бы друг друга, а не соединялись в одно целое... Авторы Керидж и Веддер (1972, сс. 161–162) провели эксперимент, при котором частицы силиката сталкивались друг с другом на скорости от 1.5 до 9.5 км/сек (обычная скорость, при которой на сегодняшний день частицы сталкиваются в поясе астероида), чтобы проверить, будет ли происходить их слипание или спаивание. Они не обнаружили ни одного такого случая; частицы разрушались» .

Чтобы избежать разрушения во время столкновений, исследователи Керридж и Веддер предложили гипотетический подход с более низкими скоростями. Скорость стала изменяемым параметром, который, предположительно, должен был обеспечить условия, необходимые для аккреции. Гринберг и его коллеги провели компьютерное моделирование при более низких скоростях и пришли к выводу о том, что при таких гипотетических условиях аккреция возможна. Однако такое «подтверждение» является примером формулировки зависящего от ситуации предположения «ad hoc», где в качестве ситуативного предположения для оправдания теории аккреции были предложены более низкие скорости. А это пример выдвижения в качестве доказательства предположения, которое само по себе требует доказательства.

Случай №3 . Эксперт по кометам Фред Уиппл описал лабораторные исследования Майо Гринберга (1922–2001), которые тот проводил в обсерватории Ляйден в Нидерландах, пытаясь смоделировать процессы образования и роста частиц межзвездной пыли в молекулярных облаках. Он подверг все типы газов, содержащихся в облаке при температуре около 20K (-253oC), ультрафиолетовому излучению при интенсивности, которая считается характерной для обычного тусклого света звезд. Однако слипания молекул газа не произошло без навязывания двух искусственных условий: (1) использования «холодного пальца» (поверхности, охлажденной до криогенных температур) в качестве центра кристаллизации, призванного инициировать такое слипание; и (2) использования газа в концентрациях, которые намного превышают существующие концентрации и молекулярном облаке. Второе условие было особенно важным, поскольку молекулярные облака содержат слишком низкую концентрацию газа для спонтанной нуклеаризации даже при такой низкой температуре, как 20K. Таким образом, «моделирование» образования крупинок пыли Гринберга на самом деле не было никаким моделированием. В его опытах «человеческим разумом» , проводящим эксперимент, были навязаны два особых условия, не встречающихся в природе. Исследователь Блум также подчеркивал, что существование условий, делающих возможной аккрецию, всего лишь предполагается, а не является доказанным фактом:

«Теоретические рассуждения и предположения об образовании твердых тел на ранней стадии существования Солнечной системы во многом зависят от нескольких предположений, верность которых может быть доказана только экспериментально. Среди процессов, которые были определены эмпирически, а также на основании экспериментов по моделированию на многолетних скоплениях (слипаниях) пыли была названа низкая скорость столкновения единичных частиц пыли и их скоплений…».

Однако, по словам Блума, эти необходимые условия – низкая скорость и скопления – еще ни разу не наблюдались в лабораторных условиях. К подобным выводам пришел и ученый по фамилии Эрмитаж: «Для того чтобы попарные столкновения срабатывали достаточно быстро, объекты метрового размера при столкновении должны слипаться, а не разрушаться. Однако этого во время лабораторных экспериментов не происходило» . Таким образом, с помощью экспериментов не удалось продемонстрировать, что в результате простых столкновений частицы могут слипаться и превращаться в более крупные тела при условиях, которые, как считалось, существовали на ранней стадии развития Солнечной системы. Значит ли это, что теоретики признали ложность теории аккреции? Ответ – «нет»! Вместо этого была предложена концепция гравитационной нестабильности, призванная объяснить, почему сталкивающиеся частицы вынуждены были слипаться, а не разрушаться, следуя естественной тенденции. Авторы Голдрайх и Уорд утверждают: «Планетезимали значительных размеров способны образовываться в процессе аккреции непосредственно из частиц пыли из-за… гравитационной нестабильности. Таким образом, - продолжают они, - судьба планетарной аккреции перестает полностью зависеть от прилипания частиц пыли к поверхностям» .

Рис. 2. Изображение диска аккреции вокруг звезды типа Т Тельца (NASA).

Считается, что диск аккреции представляет собой участок образования планет. Наблюдения свидетельствуют о том, что эта материя является продуктом распадом звезды, а не продуктом процесса аккреции.

Итак, препятствие, заключающееся в том, что сталкивающиеся частицы не слипаются, было преодолено. Или нет? Голдрайх и Уорд выступили с ошеломительным признанием: «Несмотря на то, что мы отбросили слипание частиц пыли, как условие не обязательное для планетарной аккреции, существует и другая, более веская причина, чтобы отказаться от этой теории. Она заключается в том, что даже если частички пыли при столкновении в прошлом действительно слипались, рост твердых тел вследствие таких процессов был бы намного более медленным, чем при гравитационной нестабильности, о которой шла речь» . Иными словами, даже если бы сталкивающиеся частицы могли слипаться, процесс их роста до размеров планетезималей был бы чрезвычайно медленным, и на это ушло бы значительно больше времени, чем миллионы лет, которые им приписываются. По оценкам автора по фамилии Слашер, на формирование одной космической крупицы в процессе столкновений потребовалось бы 30 гигалет (10 9 лет) - в десять раз больше возраста Солнечной небулы. По оценкам Харвита, для формирования частицы размеров в 10 -5 см потребовалось бы 3 гигагода. Таким образом, более современные варианты теории аккреции полагаются не только на столкновения, но и на другие факторы.

Еще одним фактором, предложенным в качестве предпосылки для аккреции частиц, стало явление нестабильности (ЯН), при котором небула могла существовать в определенных химических состояниях, способствующих росту частиц пыли. Однако авторы Шалабейя и Гринберг пришли к такому выводу: «Предположительные условия, необходимые для явления нестабильности, не соответствуют фундаментальным астрономическим наблюдениям, свидетельствующим об изобилии атомов… Крайне маловероятным или даже невозможным кажется предположение о том, что бистабильность играет какую-либо роль в химических процессах в космосе» .

Другие теоретические нововведения также не смогли объяснить, как могла происходить аккреция. Автор по фамилии Дорч сокрушается: «Современные сценарии и теории не дают удовлетворительных объяснений относительно многих аспектов образования планет. Зачастую ситуации характеризуются сравнением двух (или большего количества) теорий, при чем несостоятельность одной из них воспринимается как свидетельство (или даже «доказательство») в пользу другой. При этом возможность того, что ни одна из этих теорий не является правильной, вообще не воспринимается всерьез… Одним из вариантов подобного подхода являются аргументы о том, что «поскольку существуют планеты террестриальные, а также планеты из газа и льда, один из предложенных сценариев обязательно должен был сработать. И если я не могу доказать, что это был сценарий «А», то, значит, это был сценарий «Б»!

При том, что на протяжении вот уже нескольких десятилетий у нас не было экспериментальных подтверждений теории аккреции, как мы можем с такой уверенностью описывать этот процесс, как в цитате, приведенной далее?

«Небольшие частицы с легкостью слипаются при столкновении и образуют скопления открытой, зачастую фрактальной структуры, в зависимости от особенностей процесса роста. Более крупные частицы должны расти при столкновении на скорости около 1 м/с. Эксперименты также свидетельствуют о том, что после перехода к разрушительным скоростям, столкновение пористых материалов при скорости свыше 10 м/с привело к естественному росту небесного тела» . Однако «эксперименты», на которые ссылается автор – это всего лишь компьютерные симуляции, при которых необходимые скорости столкновения были рассчитаны таким образом, чтобы это сделало возможным процесс аккреции – точно так же, как и в предыдущих исследованиях. Несмотря на это, были сделаны уверенные выводы о том, что компьютерные имитационные модели вполне справедливо свидетельствуют о росте частиц: «Исследования взаимодействия пыли и газа свидетельствуют о том, что скорости столкновения частиц не слишком отличаются в соотношении поверхность/масса, однако при этом ограничены в размерах до 1 м; представляется, что в результате роста они с легкостью достигают таких размеров». Снова же, здесь мы видим утверждение о росте частиц, однако только до размеров не более 1 метра.

При размерах частиц свыше одного метра возникают такие проблемы, которые не удается решить даже с помощью теоретического моделирования: «При размерах тела свыше одного метра при присоединении к небулярной турбулентности более вероятны процессы разрушения. Модели глобальной агрегации демонстрируют, что в турбулентной небуле крохотные частицы сметаются слишком быстро, чтобы подтвердить компьютерные теории. Даже компьютерные модели, призванные доказать теорию аккреции, свидетельствуют о том, что тела свыше 1 метра скорее должны разрушаться, нежели расти. Автор Доминик и группа его коллег предположили: «Возможно, в небуле существовала некая продолжительная фаза, во время которой компоненты малых частиц сохранялись при столкновениях, вызванных турбулентностью, мешающей росту тел до размеров планетезималей – до тех пор, пока условия, по каким-то причинам, не стали более благоприятными». Существование этой «продолжительной фазы» не было доказано ни эмпирически, ни в процессе теоретического моделирования. Ни один из этих методов не поддерживает теорию о том, что аккреция была возможна.

Однако пыль и космические осколки наполняют все пространство Солнечной системы, галактики Млечный Путь и Вселенной. В галактике Млечный Путь космические осколки являются межзвездной средой; между галактиками они представляют собой межгалактическую среду. Но если эти частицы из пыли образовались не в результате аккреции, то каково же их происхождение? Теоретики, поддерживающие теорию аккреции, раньше считали, что в результате изначального образования пыли образовались межзвездная и межгалактическая среда. Когда в 1940-х годах была предложена , теоретики предположили, что практически все элементы изначально появились в результате большого взрыва, а не в составе звезд. Эти атомы, должно быть, выросли до размеров частиц космической пыли – межзвездной и межгалактической среды. Таким образом, межзвездная и межгалактическая среда являются первичным продуктом. Автор по фамилии Цернуши писал: «Чтобы объяснить происхождение частиц космической пыли, мы исходим из предположения о том, что они сформировались на ранних этапах расширения Вселенной». Автор Ван де Халст отмечает: «Не сложно представить себе, как частицы пыли росли в космосе» .

Однако теория большого взрыва не объясняла существования большинства изотопов, поэтому ученым пришлось прибегнуть к звездам, как к их источнику. Тот факт, что теория большого взрыва может объяснить только образование самых легких элементов (а на самом деле, и этого она не объясняет) , в сочетании с тем, что теория аккреции не объясняет образование частиц космической пыли, означает, что межзвездная и межгалактическая среда не может рассматриваться в качестве «остатков» от первобытного космоса. На сегодняшний день межзвездная и межгалактическая среды рассматриваются как продукт нестабильности звезд. Мнение о том, что межзвездная и межгалактическая среды образовались не в результате аккреции, а в результате звездной нестабильности, пошатнуло теорию аккреции. Однако, несмотря на то, что межзвезная и межгалактическая среды перестали рассматриваться, как доказательства теории аккреции, сама теория, а также более обширная небулярная гипотеза по-прежнему имеют своих приверженцев.

Рис.3. Звезда типа Т Тельца в созвездии Тельца. Ее предполагаемый возраст составляет 1 миллион лет, и она находится на расстоянии в 462 световых года от Земли. Ее спектральный класс - F8-K1, визуальная величина - 9.3-13.5, яркость свечения в 3,7 раз превышает яркость свечения Солнца (NASA). Материя, окружающая эту звезду типа Т Тельца, предположительно, должна находиться в процессе аккреции.

НЕБУЛЯРНАЯ ГИПОТЕЗА: ОТСУТСВИЕ ПОДТВЕРЖДАЮЩИХ ДАННЫХ

Французский математик Пьер Симон Лаплас (1749–1827) предложил небулярную гипотезу в своем труде «Система мира», в качестве ничем не подтвержденной идеи, которую следует рассматривать «со всем недоверием, которое должна внушать любая идея, не являющаяся результатом наблюдений или расчетов». Несмотря на эту оговорку, небулярная гипотеза получила «всеобщее приятие» в начале 1800-х годов. В средине девятнадцатого века данной теории пришлось пережить трудные времена, поскольку была дискредитирована физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879). Критика Максвелла возымела такое разрушительное действие, что небулярная гипотеза оказалась в забвении практически на целое столетие, до 1940-х годов. За это время эволюционисты предлагали и другие теории происхождения Солнечной системы, однако все они со временем были отброшены. Небулярная гипотеза была заново возрождена из-за провала всех остальных теорий.

Максвелл описал небулярную гипотезу, обрисовав предположительные процессы формирования колец Сатурна. «Он продемонстрировал, что тенденция к конгломерации в один спутник, как предполагается небулярной гипотезой, должна была сталкиваться с серьезным противодействием в виде динамических факторов, задействованных во вращении частиц вокруг центрального массивного тела» . Таким образом, обломки пород в кольцах Сатурна никогда бы не смогли слиться в один спутник, поскольку силы распада превосходили силы притяжения. А то, что характерно для колец Сатурна, должно быть характерно и для всей Солнечной системы в целом. Солнце, планеты и их спутники никогда не смогли бы образоваться из концентрированного газа и пыли, поскольку силы распада слишком сильны. Максвелл хорошо знал, что ему удалось разрушить авторитет небулярной гипотезы. Описывая кольца Сатурна, он писал: «Мы должны принимать во внимание вариации в форме и строении определенных частей кольца, а также его движение в целом, и мы не можем быть уверены в том, что эти вариации не будут накапливаться, пока данное кольцо полностью не утратит свою изначальную форму и не распадется на один или более спутников, вращающихся вокруг Сатурна. Фактически, именно такой результат предполагался одной из ведущих доктрин «небулярной теории» формирования планетарных систем».

Тот факт, что кольца Сатурна не могли объединяться и образовывать новые спутники, был очень важен, поскольку, чтобы проиллюстрировать свою небулярную гипотезу, Лаплас использовал в качестве примера именно кольца Сатурна («Лаплас… включил эти кольца в свою многообещающую теорию происхождения солнечной системы»).

Спустя почти целое столетие бесплодных поисков и стремлений заменить чем-то небулярную гипотезу, немецкий физик фон Вайсзахер (1912–2007) предложил ряд уравнений для небулярной гипотезы, согласно которым, предположительно, Солнечная система сформировалась в соответствии с законом Боде. Однако внесолнечные планетарные системы не руководствуются законом Боде (более того, этому закону не подчиняется планета Нептун, входящая в состав Солнечной системы), а небулярная гипотеза не объясняет их образования, как будет показано ниже. Начиная с 1940-х годов, считалось, что благодаря работам Вайсзахера небулярная гипотеза стала приемлемой с научной точки зрения. Однако на самом ли деле это так? Ответ – «нет», потому что, как мы увидим, здесь отсутствуют экспериментальные доказательства. И, как это было в случае с теорией аккреции, небулярная гипотеза со временем все более усложнялась, поскольку более простые ее варианты не выдерживали критики. В данный момент небулярная гипотеза состоит из следующих стадий: (1) стадия аккреции; (2) стадия образования планетезималей; (3) стадия планетарного ядра (планетарного эмбриона); (4)стадия планетарной миграции. Стадия планетарной миграции необходима, поскольку, в соответствии с теорией, когда формировались ядра планет, они находились не в том месте, чтобы образовывать одну планетарную систему, а значит, нужно было заставить их «мигрировать» к необходимому месторасположению. Мы увидели, что нет никаких данных наблюдений, подтверждающих стадию аккреции, равно как и нет данных, подтверждающих все остальные стадии.

ОТСУТСТВИЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ В ПОЛЬЗУ СУЩЕСТВОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ НЕБУЛЫ

Если Солнечная система возникла из Солнечной небулы, следовало бы ожидать, что «космические обломки, оставшиеся со времен образования Солнечной системы… постоянно падают на Солнце и испаряются» , образовывая во время сгорания легко обнаруживаемое инфракрасное излучение. Замеры, сделанные во время затмения 11 июля 1991 года, не продемонстрировали такого свечения, а обнаруженные ранее признаки околосолнечной пыли были отнесены на счет комет. Таким образом, отсутствие небулярной пыли предполагает, что никакой небулы не было. С другой стороны, наблюдения формирования космических осколков – довольно распространенное явление в астрономии, особенно в случаях звездной нестабильности, о которой пойдет речь ниже. Космос, скорее, подвергается процессу распада, нежели эволюции. Именно по этой причине теоретикам не удается объяснить, каким образом солнечная небула (если таковая существовала) смогла преобразоваться в небесные тела. В конце этого длинного обзора теорий распада небулы (которые также известны, как теории образования облака), любой теоретик будет вынужден признать, что «пока что не существует ни одной полной и достоверной теории образования облака». Автор по фамилии Джефриз однажды с сожалением отметил: «В общем итоге, я думаю, что все предложенные гипотезы возникновения Солнечной системы должны подвергаться серьезным возражениям. При нынешнем положении вещей по данному вопросу следует сделать вывод о том, что такой системы существовать не может» .

Изменилось ли общее мнение в отношении этой теории? Ответ – «нет». В новостийных репортажах, освещающих современные космические экспедиции, по-прежнему выражается надежда на то, что новые данные наконец-то приведут нас к пониманию происхождения Солнечной системы. Например, запуск спутника Европейского космического агентства всемирной астрометрии, назначенный на 2011 год, «должен был помочь астрономам воссоздать условия, при которых бесформенное облако газа и положило начало нашей Солнечной системе». Точно также существует надежда на то, что «детальное изучение астероидов и сгоревших комет даст нам ключ к разгадке прошлого Вселенной». В отчете, посвященном миссии Кассини, целью которой являлось исследование колец Сатурна, сказано: «Ученые надеются, что эта миссия даст им важные подсказки о том, как образовались планеты». Однако если небулярная гипотеза рассматривается в качестве основной теории происхождения Солнечной системы, почему остается надежда на то, что наконец-то будет разгадано ее прошлое?

ОТСУТСТВИЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ В ПОЛЬЗУ СЖАТИЯ НЕБУЛЫ

Если небулярная гипотеза состоятельна, астрономы должны наблюдать облака, состоящие из космических осколков во Вселенной, которая сжимается так же, как и солнечная небула. Каждое из этих гигантских молекулярных облаков, предположительно, должно иметь такое же строение, как и у солнечной небулы миллиарды лет назад, до ее сжатия. Гигантское молекулярное облако – это и есть небула, или считается частью более крупной небулы. Подобно тому, какой должна была быть солнечная небула, размеры гигантских молекулярных облаков должны во много раз превышать размеры Солнечной системы, и составлять сотни световых лет от края до края. Чтобы пройти через обычное гигантское молекулярное облако, световому лучу понадобилось бы несколько столетий, однако он проходит сквозь всю Солнечную систему всего за несколько часов. Из солнечной небулы должна была образоваться только одна Солнечная система, однако теоретики предполагают, что в гигантских молекулярных облаках содержится достаточно газа для того, чтобы образовать множество солнц и планетарных систем. Однако, несмотря на все эти теории «еще ни один ученый не наблюдал за процессом сжатия облака» и «никто еще не заставал молекулярное облако во время сжатия». Что касается скоплений в облаках, которые были замечены во время наблюдений, автор по фамилии Блитц пишет: «Ни одно из этих скоплений в облаках…, которые мы видим, не подвергается воздействию гравитации [сжатия]. ... Поскольку эти скопления совершенно не подвергаются гравитации… должно быть, они расширяются» . По словам Блитца, «этот вывод сложно принять». Итак, гигантские молекулярные облака существуют, однако тот факт, что они не сжимаются, свидетельствуют о том, что Солнечная система не могла образоваться в результате сжатия небулы.

ОТСУТСТВИЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ В ПОЛЬЗУ ОБРАЗОВАНИЯ ЗВЕЗД

Если бы небулярная гипотеза была состоятельной, астрономы должны были бы наблюдать процессы образования звезд из космических обломков, сжимающихся вовнутрь, как, предположительно, это происходило с Солнцем. Но никто еще не может однозначно утверждать, что видел, как материя попадает на зарождающуюся звезду, что должно было бы происходить, если бы звезды действительно образовывались и сейчас. В связи с этим ученые пришли к выводу о том, что «Гигантские молекулярные облака не сжимаются динамически, и, фактически, обладают очень низкой эффективностью с точки зрения образования звезд». Таким образом, не следует ожидать, что гигантские молекулярные облака сжимаются и образовывают звезды, вопреки повсеместно распространенному убеждению о том, что именно так и происходит. Гравитационное сжатие не может происходить в рассеянном и разреженном облаке газа, и при этом образовывать звезду; оно просто не обладает достаточной для этого плотностью. «Единственное условие, при котором … холодное межзвездное облако могло бы сжиматься от размеров небулы до размеров звезды – это если бы оно было достаточно плотным, чтобы гравитационное притяжение его частиц друг к другу было достаточно сильным для того, чтобы оно начало сжиматься». Таким образом, теоретики признают, что гигантское молекулярное облако не может начать сжиматься само по себе. В этом процессе должны участвовать некие внешние силы, придающие молекулярному облаку достаточную плотность для того, чтобы инициировать сжатие.

Небулярная гипотеза предполагает, что воздействие этих сил обеспечивает некое физическое тело, например, другие облака, уже находящиеся в процессе сжатия, или нестабильные звезды, посылающие в окружающий космос ударные волны (волны концентрации). Таким образом, данная теория предполагает наличие уже сжимающегося облака или уже сформировавшейся звезды, однако именно образование этих тел данная теория пыталась объяснить изначально. Как говорят теоретики, «процесс образования звезд может быть спровоцирован или инициирован неким внешним механизмом, не входящим в состав данного скопления… В качестве механизмов, дающих начало для образования, звезд часто приводятся в пример толчки, исходящие от супернов (нестабильных звезд), или столкновения между облаками». Иначе говоря, «для этой общей модели требуется некий внешний механизм, провоцирующий сжатие облака: взрыв суперновы, ударная волна из спирального рукава галактики, столкновение облаков или звездные ветра. Почему облака не начинают сжиматься сами по себе… до сих пор остается «великой загадкой»». Еще один теоретик написал: «С начала 1960-х годов во всех цифровых моделях дозвездного сжатия, температуры инициирования термоядерной реакции не достигаются с помощью одного только слияния материи; предполагается наличие внезапной вспышки, вызванной некой дополнительной ударной волной» . Согласно небулярной гипотезе, получается, что для образования одной звезды необходима другая звезда. Небулярная гипотеза не объясняет, как звезды сформировались изначально.

Поскольку небулярная гипотеза на протяжении более двух столетий то входит, то выходит из моды, не объясняя при этом происхождения звезд и планетарных систем, возникает вопрос: почему ее приверженцы не отказываются от нее? Одна из причин заключается в том, что единственной жизнеспособной альтернативой данной теории является библейское сотворение, или, по крайней мере, существование неких неизвестных механизмов. Еще одна причина заключается в том, что небулярная гипотеза является моделью и способом визуализации космического прошлого. И поскольку эта гипотеза является моделью, одной науки недостаточно, чтобы ее опровергнуть, так как при необходимости делаются всевозможные предположения «ad hoc», речь о которых пойдет в следующем разделе. Гипотеза о предсуществовании сжимающихся облаков и уже функционирующих звезд, провоцирующих сжатие новых облаков, и является таким предположением «ad hoc». В действительности, как однажды саркастически отметил Джефри Р. Бербидж, «если бы звезд не существовало, было бы очень просто доказать, что именно это мы и ожидали увидеть». Очевидно, он понимал, что модель может включать в себя любые наблюдения, и никогда не будет опровергнута ни одним из них. Невозможность опровержения определенной модели является еще одной причиной, по которой приверженцы небулярной гипотезы продолжают заявлять: «Существуют серьезные доказательства того, что образование звезд происходит и сегодня» . Очень просто спутать теоретические или популярные предположения о том, что является истиной небулярной гипотезы, с эмпирическими доказательствами, которых просто не существует.

Для неподвижной относительно тела газовой среды аккреция сферически симметрична . В случае излучающих тел (звёзд) сферически симметричная аккреция газа возможна только при условии, что светимость тела не превышает критическую светимость , то есть гравитационные силы превышают давление излучения тяготеющего тела.

Для движущихся гравитирующих тел аккреция близка к сферически симметричной при скорости движения тела меньшей скорости звука в среде. При сверхзвуковых скоростях движения гравитирующего тела сквозь газовую среду, аккреция на него происходит в конусе, расположенном позади тела (точнее, позади вектора скорости тела) и ограниченном вызванной им ударной волной .

Аккреция в магнитном поле

При аккреции плазмы на небесное тело, обладающее собственным магнитным полем , механизмы аккреции определяются магнитогидродинамическим взаимодействием плазмы с магнитным полем.

Если давление магнитного поля в окрестностях небесного тела превышает газовое давление аккрецируемой плазмы, то аккреция останавливается на расстоянии альвеновского радиуса, то есть на границе магнитосферы , и направляется на магнитные полюса небесного тела. Необходимым условием аккреции плазмы на магнитные полюса является её проникновение внутрь магнитосферы, которое происходит за счёт развития магнитогидродинамических неустойчивостей типа неустойчивости Рэлея - Тейлора . Граница магнитосферы (магнитопауза) определяется условием равенства давлений магнитного поля и набегающей плазмы, то есть радиус магнитосферы (альфвеновский радиус $r\_A$) определяется соотношением:

$\{1\; \backslash over\; \{8\backslash pi\; \}\}B^2\; (r\_A)\; =\; \{1\; \backslash over\; 2\}\backslash rho\; V^2\; (r\_A)$

где $B$ - магнитное поле небесного тела, $\backslash rho$ и $V$ - соответственно плотность и скорость потока набегающей плазмы.

Аккреция в тесных двойных системах

В случае двойных систем аккреция существенно асимметрична и может вносить значительный вклад в эволюцию как самой системы, так и её компонентов. Наиболее интенсивная аккреция в двойных системах происходит, когда в процессе эволюции один из компонентов заполняет свою полость Роша , что приводит к перетеканию вещества на соседнюю звезду через внутреннюю точку Лагранжа $L\_1$. В этом процессе перетекающее вещество образует аккреционный диск , ответственный за многие наблюдательные феномены рентгеновских источников.

Астрономические феномены, вызываемые аккрецией

Наиболее интересные явления вызываются аккрецией на компактную проэволюционировавшую компоненту двойной системы.

• Нестационарная аккреция на белые карлики в случае, если компаньоном является массивный красный гигант , приводит к возникновению карликовых новых (звёзд типа U Gem (UG) и новоподобных переменных звёзд.
• Аккреция на белые карлики, обладающие сильным магнитным полем, направляется в район магнитных полюсов белого карлика, и циклотронный механизм излучения аккрецирующей плазмы в околополярных областях вызывает сильную поляризацию излучения в видимой области (поляры и промежуточные поляры).
• Аккреция на белые карлики богатого водородом вещества приводит к его накоплению на поверхности (состоящей преимущественно из гелия) и разогреву до температур реакции синтеза гелия, что, в случае развития тепловой неустойчивости приводит к взрыву, наблюдаемому как вспышка новой звезды .
• Достаточно длительная и интенсивная аккреция на массивный белый карлик приводит к превышению его массой предела Чандрасекара и гравитационному коллапсу , наблюдаемому как вспышка сверхновой типа Ia.
• Аккреция на поверхность нейтронных звезд с накоплением на её поверхности и образованием вырожденной оболочки (см. вырожденный газ), богатой водородом и гелием, приводит к взрывному термоядерному синтезу. Такие объекты наблюдаются как вспыхивающие рентгеновские источники с периодом от нескольких часов до нескольких дней (барстеры).
• При аккреции на нейтронные звезды, обладающие сильным магнитным полем, давление магнитного поля в магнитосфере нейтронной звезды сравнивается с давлением аккрецирующего потока ионизированного вещества и канализирует поток аккрецирующей плазмы в область магнитных полюсов. Вследствие вращения нейтронной звезды наблюдаемый поток излучения периодичен; такие системы наблюдаются как рентгеновские пульсары .
• При аккреции на чёрные дыры сверхгорячий аккреционный диск наблюдается как рентгеновский источник.

Напишите отзыв о статье "Аккреция"

Примечания

Ссылки

Составляющие Туманности Области звездообразования Околозвёздные образования Излучение

Отрывок, характеризующий Аккреция

– Как же, полковник, – кричал он еще на езде, – я вам говорил мост зажечь, а теперь кто то переврал; там все с ума сходят, ничего не разберешь.
Полковник неторопливо остановил полк и обратился к Несвицкому:
– Вы мне говорили про горючие вещества, – сказал он, – а про то, чтобы зажигать, вы мне ничего не говорили.
– Да как же, батюшка, – заговорил, остановившись, Несвицкий, снимая фуражку и расправляя пухлой рукой мокрые от пота волосы, – как же не говорил, что мост зажечь, когда горючие вещества положили?
– Я вам не «батюшка», господин штаб офицер, а вы мне не говорили, чтоб мост зажигайт! Я служба знаю, и мне в привычка приказание строго исполняйт. Вы сказали, мост зажгут, а кто зажгут, я святым духом не могу знайт…
– Ну, вот всегда так, – махнув рукой, сказал Несвицкий. – Ты как здесь? – обратился он к Жеркову.
– Да за тем же. Однако ты отсырел, дай я тебя выжму.
– Вы сказали, господин штаб офицер, – продолжал полковник обиженным тоном…
– Полковник, – перебил свитский офицер, – надо торопиться, а то неприятель пододвинет орудия на картечный выстрел.
Полковник молча посмотрел на свитского офицера, на толстого штаб офицера, на Жеркова и нахмурился.
– Я буду мост зажигайт, – сказал он торжественным тоном, как будто бы выражал этим, что, несмотря на все делаемые ему неприятности, он всё таки сделает то, что должно.
Ударив своими длинными мускулистыми ногами лошадь, как будто она была во всем виновата, полковник выдвинулся вперед к 2 му эскадрону, тому самому, в котором служил Ростов под командою Денисова, скомандовал вернуться назад к мосту.
«Ну, так и есть, – подумал Ростов, – он хочет испытать меня! – Сердце его сжалось, и кровь бросилась к лицу. – Пускай посмотрит, трус ли я» – подумал он.
Опять на всех веселых лицах людей эскадрона появилась та серьезная черта, которая была на них в то время, как они стояли под ядрами. Ростов, не спуская глаз, смотрел на своего врага, полкового командира, желая найти на его лице подтверждение своих догадок; но полковник ни разу не взглянул на Ростова, а смотрел, как всегда во фронте, строго и торжественно. Послышалась команда.
– Живо! Живо! – проговорило около него несколько голосов.
Цепляясь саблями за поводья, гремя шпорами и торопясь, слезали гусары, сами не зная, что они будут делать. Гусары крестились. Ростов уже не смотрел на полкового командира, – ему некогда было. Он боялся, с замиранием сердца боялся, как бы ему не отстать от гусар. Рука его дрожала, когда он передавал лошадь коноводу, и он чувствовал, как со стуком приливает кровь к его сердцу. Денисов, заваливаясь назад и крича что то, проехал мимо него. Ростов ничего не видел, кроме бежавших вокруг него гусар, цеплявшихся шпорами и бренчавших саблями.
– Носилки! – крикнул чей то голос сзади.
Ростов не подумал о том, что значит требование носилок: он бежал, стараясь только быть впереди всех; но у самого моста он, не смотря под ноги, попал в вязкую, растоптанную грязь и, споткнувшись, упал на руки. Его обежали другие.
– По обоий сторона, ротмистр, – послышался ему голос полкового командира, который, заехав вперед, стал верхом недалеко от моста с торжествующим и веселым лицом.
Ростов, обтирая испачканные руки о рейтузы, оглянулся на своего врага и хотел бежать дальше, полагая, что чем он дальше уйдет вперед, тем будет лучше. Но Богданыч, хотя и не глядел и не узнал Ростова, крикнул на него:
– Кто по средине моста бежит? На права сторона! Юнкер, назад! – сердито закричал он и обратился к Денисову, который, щеголяя храбростью, въехал верхом на доски моста.
– Зачем рисковайт, ротмистр! Вы бы слезали, – сказал полковник.
– Э! виноватого найдет, – отвечал Васька Денисов, поворачиваясь на седле.

Между тем Несвицкий, Жерков и свитский офицер стояли вместе вне выстрелов и смотрели то на эту небольшую кучку людей в желтых киверах, темнозеленых куртках, расшитых снурками, и синих рейтузах, копошившихся у моста, то на ту сторону, на приближавшиеся вдалеке синие капоты и группы с лошадьми, которые легко можно было признать за орудия.
«Зажгут или не зажгут мост? Кто прежде? Они добегут и зажгут мост, или французы подъедут на картечный выстрел и перебьют их?» Эти вопросы с замиранием сердца невольно задавал себе каждый из того большого количества войск, которые стояли над мостом и при ярком вечернем свете смотрели на мост и гусаров и на ту сторону, на подвигавшиеся синие капоты со штыками и орудиями.
– Ох! достанется гусарам! – говорил Несвицкий, – не дальше картечного выстрела теперь.
– Напрасно он так много людей повел, – сказал свитский офицер.
– И в самом деле, – сказал Несвицкий. – Тут бы двух молодцов послать, всё равно бы.
– Ах, ваше сиятельство, – вмешался Жерков, не спуская глаз с гусар, но всё с своею наивною манерой, из за которой нельзя было догадаться, серьезно ли, что он говорит, или нет. – Ах, ваше сиятельство! Как вы судите! Двух человек послать, а нам то кто же Владимира с бантом даст? А так то, хоть и поколотят, да можно эскадрон представить и самому бантик получить. Наш Богданыч порядки знает.
– Ну, – сказал свитский офицер, – это картечь!
Он показывал на французские орудия, которые снимались с передков и поспешно отъезжали.
На французской стороне, в тех группах, где были орудия, показался дымок, другой, третий, почти в одно время, и в ту минуту, как долетел звук первого выстрела, показался четвертый. Два звука, один за другим, и третий.
– О, ох! – охнул Несвицкий, как будто от жгучей боли, хватая за руку свитского офицера. – Посмотрите, упал один, упал, упал!
– Два, кажется?
– Был бы я царь, никогда бы не воевал, – сказал Несвицкий, отворачиваясь.
Французские орудия опять поспешно заряжали. Пехота в синих капотах бегом двинулась к мосту. Опять, но в разных промежутках, показались дымки, и защелкала и затрещала картечь по мосту. Но в этот раз Несвицкий не мог видеть того, что делалось на мосту. С моста поднялся густой дым. Гусары успели зажечь мост, и французские батареи стреляли по ним уже не для того, чтобы помешать, а для того, что орудия были наведены и было по ком стрелять.
– Французы успели сделать три картечные выстрела, прежде чем гусары вернулись к коноводам. Два залпа были сделаны неверно, и картечь всю перенесло, но зато последний выстрел попал в середину кучки гусар и повалил троих.
Ростов, озабоченный своими отношениями к Богданычу, остановился на мосту, не зная, что ему делать. Рубить (как он всегда воображал себе сражение) было некого, помогать в зажжении моста он тоже не мог, потому что не взял с собою, как другие солдаты, жгута соломы. Он стоял и оглядывался, как вдруг затрещало по мосту будто рассыпанные орехи, и один из гусар, ближе всех бывший от него, со стоном упал на перилы. Ростов побежал к нему вместе с другими. Опять закричал кто то: «Носилки!». Гусара подхватили четыре человека и стали поднимать.

АККРЕ́ЦИЯ (от лат. accretio – приращение, увеличение) в астрономии, процесс захвата вещества из окружающего пространства гравитационным полем небесного тела с последующим падением части этого вещества на поверхность тела. С сер. 20 в. термин «аккреция» широко используется при описании захвата и падения межзвёздных и межпланетных газа и пыли на поверхность звёзд и планет. К А. относят также перетекание вещества в тесных двойных звёздных системах с одного компонента на другой. А. вещества на конечные продукты звёздной эволюции – белые карлики , нейтронные звёзды и чёрные дыры – сопровождается значительным выделением гравитационной энергии в виде электромагнитного излучения. В Солнечной системе А. играла важную роль при формировании планет из вещества протопланетного диска. В областях звездообразования наблюдается А. дозвёздного вещества на формирующиеся звёзды. Возможна также А. межгалактического вещества на галактики.

Аккреция газа на покоящийся в обширном газовом облаке компактный тяготеющий центр может происходить либо в слабостолкновительном режиме, когда длина пробега частиц велика и между редкими столкновениями частицы движутся согласно законам классической механики Ньютона по гиперболическим, параболическим или эллиптическим траекториям, либо в режиме частых столкновений частиц, когда процесс А. описывается стандартными уравнениями газовой динамики.

В первом случае скорость увеличения массы тяготеющего центра зависит от его размеров – захватываются частицы, перицентр орбит которых меньше радиуса этого центра. На некотором расстоянии от центра присутствуют как частицы, летящие в сторону центра (в большем количестве), так и частицы, обогнувшие центр и летящие от него (в меньшем количестве). В результате бомбардировки поверхности центра кинетическая энергия частиц переходит в теплоту с последующим высвечиванием. Вблизи аккрецирующих нейтронных звёзд и особенно чёрных дыр, где всемирное тяготение существенно неньютоново, вид траекторий частиц усложняется. В сильных гравитационных полях чёрных дыр появляется новый тип движения частиц – гравитационный захват частиц, траектория которых начинается с конечным прицельным расстоянием на бесконечности и заканчивается в чёрной дыре. Частицы проникают внутрь горизонта чёрной дыры без какого-либо энерговыделения. Из-за релятивистского эффекта замедления течения времени в сильных гравитационных полях удалённый наблюдатель никогда не увидит момент пересечения горизонта чёрной дыры падающими частицами. Последнее имеет место в любом режиме А. вещества на чёрную дыру даже с учётом возрастания её массы.

Во втором случае устанавливается режим стационарной сферически симметричной газодинамической А., при котором скорость увеличения массы тяготеющего центра на много порядков больше, чем в предыдущем режиме, и никак не зависит от размеров центра. Покоящийся на большом расстоянии газ ускоряется по мере приближения к тяготеющему центру его гравитационным полем так, что вблизи него газ падает вдоль радиуса с ускорением, близким к ускорению свободного падения. По мере приближения к центру газ уплотняется, растёт его температура, включаются механизмы относительно слабого теплового излучения горячего газа (плазмы) как в непрерывном спектре, так и в спектральных линиях отдельных химических элементов. При встрече газа с поверхностью компактного объекта вокруг него возникает сильная ударная волна, в которой и происходит высвечивание всей кинетической энергии падающего вещества. Скорость свободного падения вещества вблизи поверхности нейтронных звёзд уже сравнима со скоростью света, поэтому эффективность энерговыделения при встрече вещества с поверхностью нейтронной звезды в десятки раз превышает энерговыделение, имеющее место в ядерных реакциях. Если компактный объект (нейтронная звезда или белый карлик) имеет достаточно сильное дипольное магнитное поле, то падающий поток сначала тормозится на некотором характерном расстоянии от объекта, равном радиусу Альвена, где динамическое давление вещества сравнивается с давлением магнитного поля. Затем в результате развития гидродинамической неустойчивости типа Рэлея – Тейлора происходит проникновение вещества в магнитное поле с последующим падением вдоль магнитных силовых линий в область магнитных полюсов, где и выделяется вся энергия. Если компактный объект вращается и ось вращения не совпадает с осью диполя, то аккрецирующий объект будет наблюдаться как пульсар .

Чёрная дыра не имеет реальной поверхности, и радиально падающее вещество свободно проникает внутрь её горизонта событий . Вблизи вращающейся чёрной дыры под влиянием вихревой компоненты гравитационного поля вещество отклоняется в своём движении в сторону вращения чёрной дыры.

Картина сферически симметричной А. существенно усложняется, если в падающем сильно ионизованном газе присутствует магнитное поле. Радиальная компонента магнитного поля в процессе А. возрастает столь сильно, что эффективная сила со стороны магнитного поля (Лоренца сила ) начинает тормозить падающее вещество. При наличии переменного магнитного поля возможны: а) механизмы ускорения заряженных частиц индукционным электрическим полем с последующим синхротронным высвечиванием энергии в магнитном поле; б) процессы диссипации энергии магнитного поля в токовых слоях с перезамыканием магнитных силовых линий. Аккрецируемый поток становится неоднородным и иррегулярным. Имеет место вспышечное спорадическое энерговыделение с характерными временами порядка времени свободного падения с данного радиуса. Мощность отдельных вспышек возрастает по мере приближения к гравитирующему центру. Эффективность энерговыделения квазисферической А. на чёрную дыру при наличии в падающем потоке магнитного поля может достигать 20–30% от энергии покоя аккрецируемого вещества.

При сверхзвуковом движении тяготеющего центра относительно газового облака возникает лобовая (впереди), переходящая в конусоподобную (позади) аксиально симметричная ударная волна. Положение и расстояние ударной волны от оси симметрии определяется излучательной способностью газа, испытавшего торможение в момент пересечения фронта ударной волны. Бóльшая часть газа после прохождения фронта вдали от тяготеющего центра уходит от него, меньшая часть захватывается гравитационным центром и падает на него. Характерное расстояние (радиус захвата), отделяющее один поток от другого, пропорционально массе центра и обратно пропорционально квадрату относительной скорости движения. По мере приближения к гравитирующему центру происходит сферизация аккрецируемого потока.

Наличие у аккрецируемого вещества большого удельного момента импульса препятствует прямому падению вещества на тяготеющий центр. В этом случае вокруг последнего начинает формироваться дифференциально вращающаяся дискообразная структура – аккреционный дис к. В тесных двойных звёздных системах такие структуры появляются, когда один из компонентов (более массивный) в результате эволюции начинает медленно расширяться. Размеры звёзд в тесных двойных системах ограничены соответствующей критической Роша полостью , после заполнения которой начинается интенсивный процесс перетекания вещества с поверхности этой звезды в сторону второго компонента (рис.) преимущественно через внутреннюю Лагранжа точку . Из-за относительного движения компонентов системы вокруг общего центра масс перетекающее вещество обладает значительным моментом импульса относительно второго компонента, что и приводит к формированию вокруг неё дискообразной структуры, внешний радиус которой сравним с размерами критической полости Роша второй звезды. Направление вращения этой структуры совпадает с направлением вращения системы. Образование диска в тесных двойных системах, вторым компонентом которой является компактный тяготеющий центр (чёрная дыра, нейтронная звезда или белый карлик), также возможно в том случае, когда первый компонент (обычная звезда) не заполняет свою полость Роша и с его поверхности дует звёздный ветер практически одинаково во всех направлениях. Часть звёздного ветра, испытывая тяготение со стороны компактного объекта, проходит через ударную (вращающуюся синхронно с орбитальным движением) волну, теряя часть своей кинетической энергии. Только небольшая часть газа (внутри радиуса захвата), прошедшего сквозь ударную волну, захватывается гравитационным полем компактного объекта и падает на него. Аккрецируемое вещество в этом случае также может обладать моментом импульса, что приводит к формированию диска относительно небольших размеров (мини-диска) вокруг компактного объекта. Если звёздный ветер однороден, то направление вращения такого диска совпадает с направлением вращения двойной системы. Однако при наличии неоднородностей в потоке звёздного ветра вокруг компактного объекта могут формироваться мини диски и с направлением вращения, противоположным орбитальному.

В первом приближении вещество в диске вращается по круговым кеплеровым орбитам. В направлении, перпендикулярном плоскости симметрии диска, имеет место гидростатическое равновесие, при котором градиент давления уравновешен соответствующей этому направлению компонентой силы тяжести. Относительно медленное радиальное движение – дисковая А. – возможна только при наличии в дифференциально вращающемся кеплеровом диске эффективных механизмов вязкости, создаваемых турбулентностью и магнитными полями, которые приводят к обмену моментом импульса между соседними слоями диска. Внутренние части аккреционного диска, отдавая свой момент импульса более удалённым частям, медленно приближаются к гравитирующему центру, естественно ускоряясь в круговом вращении. Процесс дисковой А. носит диффузионный характер с характерным временем «падения», пропорциональным квадрату расстояния до тяготеющего центра и обратно пропорциональным эффективному коэффициенту кинематической вязкости. Этот процесс сопровождается выделением гравитационной энергии, бóльшая часть которой выделяется вблизи внутреннего края аккреционного диска. Часть этой энергии переходит в кинетическую энергию кеплерового вращения, другая часть превращается в тепловую энергию хаотического движения частиц.

В аккреционном диске, непрозрачном для электромагнитного излучения (оптически толстом), имеет место диффузионный перенос тепловой энергии фотонами в направлении, перпендикулярном плоскости симметрии, с последующим излучением этой энергии с поверхности диска. Излучательная способность оптически толстого диска столь велика, что энергия, выделяемая в виде теплоты на данном радиусе, необычайно быстро (по сравнению со временем радиального движения вещества) диффундирует к его поверхности, где и излучается. Обычно такой диск является геометрически тонким. Полная светимость оптически толстого аккреционного диска равна произведению темпа А. вещества на энергию связи частиц на внутреннем крае диска. При дисковой А. на обычную звезду конечных размеров внутренний край диска совпадает с её радиусом. Если звезда вращается достаточно медленно по сравнению с кеплеровым вращением вблизи её поверхности, то между внутренним краем диска и поверхностью звезды возникает относительно узкий пограничный слой, в котором имеет место торможение вещества с дополнительным выделением энергии. Процесс дисковой аккреции медленно ускоряет вращение звезды.

Внутренний край диска при дисковой А. на чёрную дыру совпадает с радиусом последней устойчивой круговой орбиты, после достижения которой вещество падает дальше на чёрную дыру по спирали с сохранением момента импульса и без заметного энерговыделения. Температура поверхности оптически толстого аккреционного диска вокруг чёрной дыры недалеко от его внутреннего края в области максимального энерговыделения достигает десятков миллионов кельвин, что приводит к мощному излучению энергии в рентгеновском диапазоне спектра. В более удалённых областях энерговыделение существенно меньше, температура гораздо меньше, и эти области могут излучать в зависимости от величины внешнего радиуса диска как в оптическом, так и в более длинноволновом диапазоне.

В зависимости от принятого уравнения состояния радиус нейтронной звезды может оказаться как больше радиуса последней устойчивой орбиты («жёсткое» уравнение), так и меньше («мягкое» уравнение). При дисковой А. на нейтронную звезду без сильного магнитного поля в первом случае вблизи её поверхности формируется пограничный слой, а во втором – появляется узкий зазор между внутренним краем аккреционного диска и поверхностью звезды, в котором частицы падают по спирали с последующим энерговыделением при столкновении с поверхностью нейтронной звезды. Во многих случаях аккрецирующие нейтронные звёзды обладают необычайно сильными магнитными полями, которые разрушают аккреционные диски на больших расстояниях от их поверхности (порядка 100 радиусов нейтронной звезды). Проникая в магнитное поле, вещество падает далее вдоль магнитных силовых линий в область магнитных полюсов нейтронной звезды, где и происходит выделение энергии преимущественно в рентгеновском диапазоне. Качественно похожим образом протекает дисковая А. и на замагниченные белые карлики.

Полная светимость аккрецирующих объектов не должна превышать предельного значения, при котором давление излучения уравновешено силой гравитационного притяжения (т. н. эддингтоновская светимость). Соответственно существует критический темп дисковой А., при превышении которого из внутренних областей диска начинается отток вещества под действием давления излучения.

В ряде случаев аккреционный диск (или какая-либо его часть) может оказаться прозрачным (оптически тонким) относительно процессов поглощения излучения. Излучательная способность оптически тонкого диска весьма незначительна, и в результате процессов нагрева температура вещества на данном радиусе увеличивается настолько, что толщина диска становится сравнимой с его радиальным размером. А. в таких дисках имеет место с незначительным выделением энергии в виде электромагнитного излучения. Тепловая энергия переносится к тяготеющему центру усреднённым радиальным движением, в силу чего такие диски называются адвекционно-аккреционными. Сильный нагрев адвекционно-аккреционного диска приводит к интенсивному оттоку вещества с его поверхности в виде звёздного ветра.

Во многих случаях наблюдаются т. н. джеты (от англ. jet – струя) – направленные струйные выбросы из центральных областей аккреционного диска, часто неоднородные. Такие джеты сопровождают А. в различных масштабах – от протопланетных дисков вокруг формирующихся звёзд до гигантских дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр в квазарах. Наличие в аккреционных дисках упорядоченного магнитного поля способствует появлению этих выбросов.

далеком прошлом нашей Солнечной системы кометами из других планетных систем. Это обстоятельство, в частности, подтверждает гипотезу о занесении жизни на Землю из космоса, к настоящему времени сменяющую еще недавно популярную гипотезу о самозарождении жизни на самой Земле.

Некоторые кометы, напротив, за счет гравитационных взаимодействий с планетами-гигантами переводятся на сильно вытянутые эллиптические орбиты, двигаясь по которым они регулярно посещают центральную часть Солнечной системы. При приближении комет к Солнцу за счет испарения газов с поверхности у них образуются так называемые “хвосты”, благодаря которым кометы и становятся заметны.

Завершая рассмотрение современной Солнечной системы, вернемся еще раз к проблеме ее происхождения. Мы видели, что в образовании Солнечной системы просматриваются черты, общие для всех других “солнечных систем”, и те особенности, которые появились случайно и специфичны только для нашей Солнечной системы. Конечно, разделить общие и индивидуальные особенности было бы гораздо проще, если бы можно было сравнить нашу Солнечную систему с другими подобными. Но на сегодняшний день еще не удалось обнаружить в космосе объекты земных размеров, вращающиеся вокруг близких звезд, хотя заявки на открытие таких объектов уже появляются. Таким образом, пока неизвестно, насколько распространены во Вселенной “солнечные системы” и, следовательно, насколько закономерно или случайно их появление. Можно ли считать появление “солнечных систем” закономерным следствием более или менее обычного процесса развития или же для этого требовалось какое-то редкое стечение обстоятельств? Поскольку большинство ученых не любят привлекать “особые обстоятельства” без крайней необходимости (в этом состоит известный принцип “бритвы Оккама”), чаще допускается первое.

1.1.4. Аккреция Земли

Мы подошли к главному вопросу, от решения которого, в сущности, зависит любая эволюционная модель Земли: какой была наша планета 4,6 млрд лет назад – в начале своей геологической истории или в “точке геологического нуля” ? Ясно, что ответить на него путем изучения пород современной Земли нельзя –

во-первых, ее глубокие недра недоступны для наблюдения, и, вовторых, Земля прошла длительную эволюцию, практически стершую следы ее образования и ранней геологической истории. Однозначный ответ на поставленный вопрос не дадут и космические тела, от крупных планет до космической пыли, поскольку у каждого из них был свой, до известной степени индивидуальный путь развития, приведший к различному современному состоянию.

Обычно ученые, приступая к восстановлению структуры и состава первичной Земли, черпают данные из разных источников, а затем сопоставляют их, добиваясь на выходе непротиворечивой модели. Важнейшими источниками сведений при этом являются:

(1) метеориты и планеты земной группы, (2) включения (ксенолиты) глубинных пород Земли, (3) геофизические данные о современном состоянии глубоких недр Земли и (4) результаты моделирования геологической эволюции Земли, при котором в качестве начальных параметров используются сведения из источников (1) – (2), а состоятельность моделей проверяется сведениями из источника (3).

В данном разделе обсуждается наиболее вероятная в настоящее время модель первичной Земли, созданная на базе всех перечисленных выше источников данных.

Как уже говорилось, важнейшую информацию для восстановления картины начального состояния Земли несут метеориты , потому что они, как полагают, являются “окаменевшими остатками” ранней Солнечной системы и тем самым дают нам сведения об аккреции планет, следы которой впоследствии были стерты планетной эволюцией. Родительскими телами подавляющего большинства метеоритов являются астероиды, пояс которых расположен между орбитами Марса и Юпитера (см. рис. 1.1.3.1, вклейка). Астероиды постоянно сталкиваются между собой, и от них разлетаются осколки – метеориты, часть которых затем падает на поверхности крупных планет Солнечной системы, в том числе и Земли.

Среди метеоритов наибольший интерес представляют

углистые (углеродистые) хондриты, отличающиеся от других типов метеоритов значительным содержанием связанной воды, углеродныхсоединенийи серы, но малым содержанием свободных металлов. Углистые хондриты испытали самые слабые по

сравнению с другими метеоритами изменения, поскольку, как показывают лабораторные эксперименты, они потеряли бы свои летучие компоненты, будучи нагретыми всего лишь до 180° С. Значит, углистые хондриты наиболее близки по составу к первоначальной Солнечной туманности, из которой образовалась Солнечная система и произошла аккреция ее планет, в том числе Земли.

Путем многократных сопоставлений данных по составу углистых хондритов, с одной стороны, составу земной коры и мантии – с другой, и спектральных характеристик солнечной атмосферы – с третьей, геохимики пришли к выводу, что валовый состав Земли (и, по-видимому, других планет земной группы, за исключением, может быть, Меркурия) очень близок к составу углистых хондритов (рис. 1.1.4.1) при условии, что бoльшая часть воды, органических соединений и летучих компонентов была ими потеряна. Таким образом, по валовому составу Земля на 92% состоит всего из пяти элементов (в порядке убывания содержания)

– кислорода, железа, кремния, магния и серы. На все остальные элементы приходится около 8% .

Однако хорошо известно (об этом подробнее пойдет речь в разделе 1.2), что в недрах современной Земли перечисленные элементы распределены неравномерно. Состав любой оболочки Земли, будь то кора, мантия или ядро, резко отличается от валового химического состава нашей планеты. С чем это связано?

Литофильный слой (кора + мантия)

Халькофильный слой (внешнее ядро)

Рис. 1.1.4.1. Приблизительный химический состав углистого хондрита, отвечающий валовому составу Земли.

Если всем элементам, показанным на рис. 1.1.4.1, дать возможность образовывать соединения, то поведение каждого из

них будет определяться электронной конфигурацией и сродством по различным типам связей. Прежде всего образуется литофильный слой, в котором будут преобладать магниевые силикаты (литофильными называются элементы, которые встречаются, как правило, в соединении с кислородом в окислах и силикатах). Именно такой минеральный состав (оливины и пироксены) имеет мантия современной Земли (см. раздел 1.2.4). Железо поведет себя какхалькофильный элемент и соединится с имеющейся серой (халькофильные элементы встречаются в основном в сульфидах). Именно такой состав предполагается у внешнего ядра современной Земли (см. раздел 1.2.5). Однако некоторая часть железа соединится с оставшимися кислородом и кремнием и, таким образом, будет вести себя как литофильный элемент. Именно в этом виде железо широко распространено в мантии, а также вместе с другими менее распространенными литофильными элементами (прежде всего Al, Na, Ca и K) – в коре современной Земли (см. разделы 1.2.3 и 1.2.4). Большая распространенность железа обусловливает возможность того, что часть его останется в металлическом виде после использования всего кислорода и серы, т.е. образуетсидерофильный слой (сидерофильными называются элементы, встречающиеся обычно в металлическом виде). Именно железо в сплаве с другим, менее распространенным сидерофильным элементом – никелем присутствует во внутреннем ядре современной Земли (см. раздел 1.2.5). Естественно, что какая-то часть летучих элементов (прежде всего H, O и N) будет удалена из первичной Земли за счет ее дегазации и образует уникальные атмосферу и гидросферу, причем создавшийся при этом дефицит кислорода “поможет” железу проявить свои сидерофильные свойства.

Таким образом, в результате появления указанных соединений у любой планеты, имеющей после аккреции начальный хондритовый валовый состав, должны возникнуть три отдельных слоя, в которых будут преобладать последовательно (1) окислы и силикаты Mg и Fe, (2) FeS и (3) металлическое железо. При условии, что на каком-то этапе эволюции планеты температура ее недр станет достаточно высокой, эти слои расположатся в порядке плотности.

Мы приходим, таким образом, к фундаментальному выводу, что разделение современной Земли на резко различные по

химическому составу оболочки является результатом ее позднейшей дифференциации, происходившей, хотя и с разной интенсивностью, на протяжении всей геологической истории нашей планеты. После аккреции же из Солнечной туманности, т.е.

в начале своей геологической истории 4,6 млрд лет назад, Земля, как и другие планеты земной группы, была гомогенной, т.е. однородной по составу.

С этой точки зрения очевидно, что степень дифференцированности любой планеты во многом зависит от ее внутренней (геодинамической, тектонической) активности в ходе геологической эволюции. У Земли по сравнению с другими планетами Солнечной системы данная активность была чрезвычайно высокой и, как следствие, ее современное разделение на оболочки очень резкое (см. раздел 1.2).

Однако здесь мы сталкиваемся с вопросом, на который пока не найдено однозначного ответа, а именно – была ли аккреция в масштабе планет однородной (гомогенной) с последующим развитием слоев или же расслоение возниклонепосредственно в результате процессовнеоднородной (гетерогенной) аккреции?

Выше (см. раздел 1.1.3) уже отмечалось, что внешние планеты Солнечной системы заметно отличаются по своим параметрам от внутренних и образованию планет должна была предшествовать фундаментальная неоднородность Солнечной туманности. Но теперь нас интересует, была ли сама аккреция планет земной группы, в том числе Земли, однородным или неоднородным процессом?

В настоящее время большинство исследователей склоняются к тому, что аккреция Земли и других планет земной группы была гомогенной (однородной) и холодной, с последующим разогревом и расслоением .

Земля и другие планеты, как уже отмечалось (см. раздел 1.1.3), образовались из холодного газо-пылевого облака, температура которого в районе орбиты будущей Земли не превышала 100° С. Процесс аккреции планет длился относительно короткое по геологическим масштабам время – от 107 до 108 лет. Однако как во время, так и сразу же после аккреции существовали достаточно мощные источники тепловой энергии, которые привели к разогреву Земли.

О глобальной энергетике Земли подробно будет рассказано в главе 6. Здесь же отметим, что начальный разогрев Земли был связан прежде всего с самим процессом аккреции, поскольку постепенное столкновение планетезималей, образующих планету, неизбежно должно было преобразовывать их кинетическую энергию в тепловую. На ранних стадиях аккреции сила притяжения “зародыша” планеты была небольшой и потому скорость и энергия ударов новых добавляющихся планетезималей была низка; однако с ростом планеты интенсивность ее гравитаци-онного поля увеличивалась, а значит, возрастала и скорость падения планетезималей. Как следствие, разогрев Земли стано-вился все более существенным.

По расчетам (см. главу 6) общая энергия аккреции Земли была настолько огромной, что ее одной хватило бы не только на полное испарение земного вещества, но и на разогрев возникшей плазмы до десятков тысяч градусов. Однако этого не произошло, поскольку энергия аккреции выделялась главным образом в приповерхностных частях формирующейся планеты, а генерируемое в ее верхних слоях тепло интенсивно излучалось в космическое пространство. При этом доля теряемого тепла сущест-венно зависела от скорости аккреции Земли. Таким образом, температура в недрах молодой Земли повышалась от центра к периферии (обратно тому, что наблюдается в современной Земле), но затем вблизи поверхности вновь снижалась за счет быстрого остывания приповерхностных частей

(см. рис. 6.1.1).

В процессе аккреционного разогрева Земля и другие планеты земной группы, очевидно, теряли какую-то часть легких и летучих элементов. Следовательно, из модели холодной аккреции планет земной группы вытекает, что наиболее крупные планеты должны иметь наименьшие концентрации легких и летучих элементов и, как следствие, наибольшую среднюю плотность, поскольку аккреция крупных планет шла интенсивнее, чем мелких, из-за более интенсивного гравитационного поля. На рис. 1.1.4.2 видно, что такая закономерность наблюдается в действительности. Из нее выпадает лишь ближняя к Солнцу планета Меркурий, но его высокая плотность, скорее всего, объясняется аккрецией вне “хондритовой зоны” Солнечной туманности, в области повышенных температур, вследствие чего,

как предполагается, Меркурий еще до начала аккреции был обогащен железом и другими тяжелыми и тугоплавкими элементами.

Рис. 1.1.4.2. Зависимость между размерами и плотностями планет земной группы.

Для Земли радиус принят равным 1.

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

Плотность, г/ см3

Вторая причина начального разогрева Земли, после того, как ее аккреция в основном уже завершилась, – это радиоактивный распад. Выше говорилось о том, что уже в первичной Солнечной

туманности присутствовали сравнительно короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как 26 Al,244 Pu и129 I (следы их распада

обнаружены в метеоритах). Несомненно, что распад перечисленных короткоживущих изотопов привел к выделению какого-то дополнительного тепла и сыграл свою роль в начальном разогреве Земли. Однако вклад радиогенного тепла в разогрев молодой Земли оценивается очень неопределенно. Дело в том, что процесс аккреции, как уже отмечалось, растянулся на 107 – 108 лет, и неизвестно, какое именно количество изотопов оказалось в Земле к началу аккреции. Например, если содержание изотопа26 Al в рождающейся Земле было таким, как в некоторых метеоритах, то одного его распада хватило бы для того, чтобы вся наша планета расплавилась. Однако задержка начала аккреции Земли всего на 0,7 млн лет (период полураспада26 Al) уменьшила бы выделение радиогенного тепла вдвое.

В последние годы третий, дополнительный источник начального разогрева Земли объясняется захватом Протолуны – гораздо более массивной предшественницы современной Луны. Предполагается, что Протолуна просуществовала на околоземной орбите сравнительно недолго, около 600 млн лет, а затем разрушилась, но за это время Земля получила дополнительное тепло за счет сильнейших приливных взаимодействий со своим массивным

спутником. (Подробнее об эволюции двойной планеты Земля – Протолуна также пойдет речь в главе 6.)

Таким образом, разогрев только что образовавшейся и изначально холодной Земли шел под действием трех главных процессов: аккреции, распада короткоживущих радиоактивных изотопов и приливных взаимодействий с Протолуной. По мере нагревания Земли началось ее частичное плавление. Вещества, богатые железом, должны были плавиться первыми, когда силикаты оставались еще твердыми. Поскольку температурный градиент в молодой Земле был отрицательным (приповерхностные оболочки горячее внутренних), расплавленное железо должно было собираться на некоторой глубине под поверхностью молодой Земли в форме линз или каплевидных скоплений. По мере того, как масса таких “капель” увеличивалась, создаваемое их весом давление становилось больше прочности силикатов, и “капли” проходили сквозь силикатную массу к центру планеты. Таким образом, началось расслоение первично гомогенной Земли на две различные по плотности и составу области – железистое ядро (сидерофильно-халькофильный слой) и силикатную мантию (литофильный слой).

Все описанные события имели место вскоре после образования Солнечной системы, вблизи “точки геологического нуля”, около 4,6 млрд лет назад. После этого, уже на стадии геологической эволюции Земли, процессы дифференциации ее недр продолжались. Источником энергии оставалось, как и прежде, запасенное Землей тепло аккреции и приливных взаимодействий с Протолуной, к которому добавилось радиогенное тепло, выделяющееся при распаде долгоживущих изотопов 238 U,235 U,232 Th и40 K.

Наиболее важно то, что уже на ранних этапах геологической истории в суммарный энергетический баланс Земли включился новый и чрезвычайно мощный источник энергии, связанный с конвективным перемешиванием ее недр (см. раздел 2.5 и главу 6), впоследствии ставший и до настоящего времени являющийся главным источником внутренней (эндогенной) активности Земли. Прообразом будущей конвекции было описанное выше стекание железных “капель” к центру Земли. Много позже, около 2,7 – 2,5 млрд лет назад, процесс значительно усилился: произошло лавинообразное стекание железистых расплавов из приповерхностных оболочек Земли к ее центру (см. главу 6), в результате

АККРЕЦИЯ (от латинского accretio - приращение, увеличение) в астрономии, процесс захвата вещества из окружающего пространства гравитационным полем небесного тела с последующим падением части этого вещества на поверхность тела.

С середины 20 века термин «аккреция» широко используется при описании захвата и падения межзвёздного и межпланетного газа и пыли на поверхность звёзд и планет. К аккреции относят также перетекание вещества в двойных звёздных системах с одного компонента на другой. Аккреция вещества на конечные продукты звёздной эволюции - белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры - сопровождается значительным выделением гравитационной энергии в виде электромагнитного излучения. В Солнечной системе аккреция играла важную роль при формировании планет из вещества протопланетного диска.

В областях звездообразования наблюдается аккреция дозвёздного вещества на формирующиеся звёзды. Возможна также аккреция межгалактического вещества на галактики.

Аккреция газа на покоящийся в обширном газовом облаке компактный массивный объект может происходить в режимах редких либо частых взаимных столкновений падающих частиц. В режиме редких столкновений скорость роста массы объекта зависит от его размера, поскольку он захватывает те частицы, орбиты которых пересекают его поверхность. В случае частых столкновений устанавливается режим стационарной сферически симметричной газодинамической аккреции, при котором скорость роста массы значительно больше, чем в режиме редких столкновений, и не зависит от размера центральный объекта. По мере приближения к объекту газ ускоряется и уплотняется, его температура растёт и возникает тепловое излучение. При встрече газа с поверхностью компактного объекта формируется сильная ударная волна, в которой падающее вещество нагревается и высвечивает свою кинетическую энергию.

Рисунок двойной звёздной системы, состоящей из нормальной звезды 1 и чёрной дыры 2. Изображены аккреционный диск 3 вокруг чёрной дыры и рентгеновское излучение диска.

Скорость падения вещества вблизи поверхности нейтронных звёзд сравнима со скоростью света, поэтому эффективность энерговыделения при ударе вещества о поверхность в десятки раз выше, чем при ядерных реакциях. Если нейтронная звезда или белый карлик имеют сильное дипольное магнитное поле, то падающий поток тормозится на таком расстоянии от них (радиус Альвена), где динамическое давление вещества сравнивается с давлением магнитного поля. Затем в результате гидродинамической неустойчивости типа Рэлея-Тейлора вещество проникает в магнитное поле и падает вдоль его силовых линий в область магнитных полюсов, где и выделяется энергия. Если при этом объект вращается, то он проявляет себя как пульсар.

В сильных гравитационных полях чёрных дыр, где тяготение имеет существенно неньютонов характер, возможен иной тип движения - гравитационный захват частиц, которые проникают внутрь горизонта событий чёрной дыры без какого-либо энерговыделения (подробнее смотри в статье Чёрные дыры).

Наличие у падающего вещества большого удельного момента импульса препятствует его прямой аккреции на объект. Вокруг объекта формируется вращающийся аккреционный диск. В тесных двойных звёздных системах такие диски возникают, когда один из компонентов в результате эволюции начинает расширяться. Размеры звёзд в таких системах ограничены критической полостью Роша, после заполнения которой начинается перетекание вещества с поверхности звезды в сторону второго компонента системы (рисунок). Из-за движения компонентов вокруг общего центра масс перетекающее вещество обладает моментом импульса относительно второго компонента, что приводит к формированию вокруг него аккреционного диска.

Вещество в диске вращается по почти круговым орбитам; при этом внутренние части вращаются быстрее наружных. Вязкость, обусловленная турбулентностью и магнитным полем, приводит к обмену моментом импульса между соседними участками диска: его внутренние части, отдавая свой момент более удалённым частям, приближаются к центральному объекту. Это медленное радиальное движение вещества называют дисковой аккрецией. Выделяющаяся при этом гравитационная энергия частично переходит в теплоту и уносится излучением. Внутренние области аккреционных дисков вокруг чёрных дыр и нейтронных звёзд нагреваются до температуры в миллионы кельвинов, поэтому их излучение происходит в основном в рентгеновском диапазоне. Нередко за счёт выделяющейся в диске энергии формируются две газовые струи, движущиеся вдоль оси вращения диска в противоположных направлениях. Эти так называемые джеты (английкий jet - струя) сопровождают аккреции в различных масштабах: от протопланетных дисков вокруг формирующихся звёзд до гигантских дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр в квазарах.

Лит.: Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Теория тяготения и эволюция звёзд. М., 1971; Шапиро С., Тьюколски С. Чёрные дыры, белые карлики и нейтронные звёзды: В 2 часть М., 1985.