Науково-популярні статті з різних галузей астрономії

Гіпотези планетогенезу, які не дістали підтвердження

О. Ф. Пугач

кандидат фізико-математичних наук

Головна астрономічна обсерваторія НАН України

На зламі другого й третього тисячоліть ми стали свідками двох видатних наукових досягнень: виявлення темної енергії та відкриття планет за межами Сонячної системи (екзопланет). Ці відкриття не лише змінюють обличчя астрофізики. Вони розширюють наше філософське світосприймання і дають підставу вважати астрофізику не тільки за дисципліну природознавства, але і за світоглядну науку. Астрофізика, міняючись сама, буквально на очахзмінює старі, сталі уявлення про світ.

***

Завдяки Торі протягом 33 останніх сторіч люди знали, що «Бог створив небо і землю». Але, напевно, ще задовго до того допитливий людський розум мучився питанням про походження Землі, Сонця та зір. Насправді не відомо, коли виникли такі думки. Відомо тільки, що в найдавніших міфах уже відбилися уявлення наших далеких предків про космогенезис. У цих міфах діяли різні герої, різні сили, у різних обставинах. Найдавніші уявлення про світобудову найповніше відбито у Ведах і Махабхараті. У них мова йде не тільки про Землю, але і про незліченні планети, які поділено на три типи: низькі, середні (до них належить Земля) і вищі, котрі залишаються невидимими. Матеріальна природа, за стародавніми індійськими джерелами, не існує окремо від нематеріальних, горніх світів. Творець цих світів — Парабраман — є вічне, несказанне та непізнаване ТЕ. Але Парабраман не є безпосереднім будівником планетних систем, у тому числі і Сонячної. Між ним і безліччю зоряних та планетних систем стоять численні боги та напівбоги. Відгомоном таких космогонічних уявлень є добре відома нам грецька міфологія. У ній пантеон високих небесних богів уже зведено на грішну Землю, та й сюжети сильно спрощено та наближено до земних реалій, очевидно, спеціально, щоб полегшити сприйняття.

Відколи людина стала пізнавати світ, покладаючись на свої розум і логіку, вона почала зневажливо ставитися до древніх істин і їхніх джерел. Відкритий Ньютоном закон гравітаційного притягання дав у руки дослідників ту сполучну нитку, якою можна було об’єднати весь матеріальний усесвіт. Гравітація була силою, яку можна відчути, пізнати й обчислити. Тому вона легко замінила у свідомості вчених Бога, якого не можна відчувати і пізнавати, і стала основним активним агентом майже у всіх космогонічних побудовах.

Під час становлення позитивістської науки після занепаду схоластики (XVII ст.) були висунуті та з різною мірою вірогідності обґрунтовані кілька сотень (а може, і навіть тисяч!) космогонічних гіпотез, більша частина яких стосувалась планетної космогонії. Умовно їх підрозділяють на три типи, відповідно до того, яка з причин була головною в процесі планетогенезису: зіткнення, захоплення чи еволюційні перетворення. Більша частина гіпотез залишаються дотепер безіменними, а ми знаємо тільки про ті, автори яких мали звучні імена і прославилися в інших науках, наприклад, у філософії, математиці, біології чи астрономії.

Однією з перших «визнаних» стала еволюційна гіпотеза І. Канта (1724—1804). Згідно з нею планети і зорі утворилися внаслідок поступового згущення пилу та газу. У центрі такого згущення за високої температури з’явилося Сонце, а на периферії — планети.

Чотири десятиріччя по тому П. Лаплас (1749—1827) висуває ще одну еволюційну гіпотезу утворення планет і Сонця — із речовини великої туманності, через що ця гіпотеза одержала назву «небулярна». Вона, на відміну від гіпотези Канта, мала своєрідну цікавинку. Лаплас правильно міркував, що сила гравітації згодом приведе до зменшення розмірів і збільшення щільності туманності. Якщо вихідна туманність мала певний початковий кутовий момент обертання, то в міру стискання і збільшення кутової швидкості обертання лінійна швидкість на її периферії могла стати врешті-решт такою, що перевищує першу космічну швидкість для даної системи. Тоді, згідно з міркуваннями Лапласа, від зовнішніх зон туманності могли відокремлюватися згустки речовини, з яких згодом утворилися планети. Ідея настільки ж фізична, як і романтична. Але великий математик чомусь не підкріпив свої міркування математичними розрахунками. На той час уже були відомі відстані до планет, їхні періоди обертання (а виходить, і лінійні швидкості), була відома гравітаційна стала, а також існували наближені дані про маси планет. Простий розрахунок міг підказати Лапласові, що наявного моменту кількості руху всієї Сонячної системи (навіть з урахуванням планет, відкритих пізніше) зовсім не досить, щоб надати згусткам речовини на периферії туманності швидкості, потрібної для відриву від системи.

Зовсім інший підхід до проблеми походження планет Сонячної системи використав англійський астроном і фізик Дж. Джинс (1877—1946). Його одіозна (на той час) гіпотеза базувалася на припущенні, що Сонце і планети утворилися в різний час. Згідно з Джинсом, Сонце довгий час існувало саме по собі, потім зоря, що проходила поруч, вирвала своїм притяганням частину сонячної речовини, із якої поступово сформувалися окремі планети. Згодом учені довели, що, з погляду припливної теорії, така подія неможлива. Більш того, гіпотеза Джинса зовсім не оригінальна. Майже за 170 років до нього французький біолог Ж. Бюффон (1707—1788) у загальних рисах висловив ту ж думку, а Джине лише підтвердив її математичними розрахунками.

На тлі згаданих тут гіпотез вирізняється гіпотеза французького філософа і математика XVII ст. Р. Декарта (1596—1650). Він раніше від усіх названих авторів виклав свої уявлення про утворення планет і першим назвав головну «дійову особу» цього процесу — вихровий рух. У цьому русі беруть участь матеріальні частки,які цілком можна спостерігати. Хоча його гіпотезу спіткало наукове (але не історичне) забуття, ідея вихору (обертання) залишається основоположною в будь-якій фізичній моделі утворення Сонячної системи. Лише через 150 років після Декарта в Європі стануть появлятися переклади Вед і Махабхарати, з яких учені довідаються про міф «Пахтаньє Океану». У ньому сказано, як єдиний космічний Вихор, утілений у міріадах мікровихорів, приводить до утворення атомів, планет і галактик.

Приблизно так виглядала сукупність наших космогонічних уявлень, на тлі яких у середині XX ст. з’явилася ще одна гідна уваги гіпотеза, що належала радянському вченому О. Ю. Шмідтові (1891—1956). Основні її положення були викладені 1944 р. у великій статті «Метеоритна теорія походження Землі і планет». Згодом О. Ю. Шмідт доповнив гіпотезу та дещо змінив у ній, частину цих доповнень опубліковано в його «Чотирьох лекціях про теорію походження Землі» (1949 р.). Хоча гіпотеза Шмідта містила в собі все те, що в тій чи іншій мірі вже було в попередніх гіпотезах (захоплення, обертання, конденсація та злипання), вона мала і цікавинку. Найважливішою й у той же час найдискусійнішою частиною гіпотези був постулат про випадкову зустріч Сонця з ізольованою газопиловою хмарою, речовина якої стала матеріалом для майбутніх планет.

Як бачимо, О. Ю. Шмідту не треба було шукати механізм охолодження чи джерело енергії для закручування руху планет навколо центрального світила. Усе це вже мала захоплена туманність. Основною дійовою силою процесу утворення планет була гравітація. Під її впливом порошинки, що зіштовхувалися, злипалися в більші порошини, ті, у свою чергу, з’єднуючись, утворювали гранули. Далі гранули об’єднувалися в частки метеоритнихрозмірів і процес інтеграції елементів газопилової хмари односпрямовано йшов аж до утворення великих протопланетних і планетних тіл. Своєрідністю гіпотези Шмідта був поділ процесу планетогенезису на дві фази. Розрахунки показували, що утворення дрібних (розміром 10—100 км) елементів майбутньої планетної системи, так званих планетезималей, відбувалося досить швидко і тривало всього близько 10⁵—10⁶ років. А от зближення, злипання планетезималей і формування планет у власному розумінні цього слова тривало приблизно 108 років. Найбільші планети — Юпітер і Сатурн — під час основної стадії акумуляції вбирали в себе не тільки тверді тіла, але і гази.

Гіпотеза Шмідта показала принципову можливість захоплення ізольованої протопланетної хмари. У такий спосіб постулювалося незалежне походження Сонця й планет. Це, по-перше, відповідає сучасним відомостям про те, що Земля молодша за Сонце майже на мільярд років. По-друге, це надзвичайно важливо для пояснення суперечності, якої не могли обминути інші гіпотези, — нерівномірність розподілу моменту кількості руху між планетами та Сонцем, коли на всі планети припадає 98% моменту кількості руху, а на світило — тільки 2%, хоча маса Сонця в 750 разів більша від загальної маси всіх інших членів Сонячної системи. Гіпотеза також задовільно пояснювала малу щільність планет-гігантів і закономірність розподілу планет за масами.

Однак гіпотеза нашого славетного співвітчизника не пояснила всього чи хоча б багато чого з того, що було не під силу іншим гіпотезам. Основні труднощі залишилися. Більш того, у міру нагромадження нових відомостей про планети Сонячної системи кількість питань, що залишаються без відповіді, збільшується.

Головним серед них було і є питання про відмінність у напрямках осьового обертання Венери, Урана та Плутона, з одного боку, й обертанням інших планет (а також Сонця) — з другого. Крім того, гіпотези про утворення планет із сонячної речовини не в змозі пояснити, чому третина супутників планет рухається по своїх орбітах у зворотному, відносно Сонячної системи, напрямку. Серед них — супутник Нептуна Тритон (один з найбільших супутників у Сонячній системі), супутник Сатурна Феба, чотири зовнішні невеликі супутники Юпітера, п’ять супутників Урана (відносно Урана вони обертаються в прямому напрямку). Неясно також, чому половина планет Сонячної системи мають великі кути нахилу площини екватора до площини своєї орбіти, чому існує суттєва відмінність у хімічному складі речовини внутрішніх планет і зовнішніх планет-гігантів, чому так відрізняються за складом газові оболонки планет, а за термічним режимом — їхні внутрішні сфери. Менш очевидних, але від цього не менш заплутаних поодиноких питань ще більше.

Ще ніколи з часу появи перших космогонічних гіпотез (таких, що стосувалися Сонячної системи) не було ясності в питанні про походження нашої планетної системи. З часом ситуація тільки погіршилася, і тепер ми змушені визнати, що розуміємо дедалі менше. Схоже, що ступінь нашого нерозуміння прямо пропорційний кількості нових фактів, що їх поставляють нам спостереження за допомогою великих наземних і космічних телескопів.

Хто ще 10 років тому міг припускати, що вода настільки поширена на тілах Сонячної системи? Вона у формі льоду наявна не тільки на планетах земної групи, але і на супутниках Юпітера Європі та Ганімеді. Припускають, за непрямими даними, наявність замерзлої води на інших тілах Сонячної системи. Яка з гіпотез ураховувала цю можливість або яка з космогонічних гіпотез може пояснити, куди поділася марсіанська вода?

А чому так несхожі один на одного чотири найбільші члени юпітеріанської родини? Кам’яниста Каллісто так само сильно відрізняється від укритого крижаною корою Ганімеда, як вогняна Іо відрізняється від водяної Європи. А скільки нових загадок поставили перед ученими новітні спостереження супутників Сатурна! Звичайно, багато нових фактів дістануть своє пояснення, але, як показує весь досвід науки, питань без відповіді виявиться напевно більше.

Третє тисячоліття принесло приголомшливі відкриття нових крижаних світів на окраїнах Сонячної системи. У поясі Койпера вже виявлено понад тисячу об’єктів, діаметри яких перевершують 50 км. За статистичними оцінками, у дископодібній частині цього поясу радіусом 55 а. о. їх має бути понад сто тисяч. Причому в деяких з них діаметр наближається до 1000 км (і навіть перевищує цю величину)! Ось чотири найбільші об’єкти поясу Койпера: Коаоар (діаметр 1200±200 км), Іксіон (1065±165 км), Варуна (900±140 км) і об’єкт 2002 АW197 (890±120 км). Низьке альбедо цих тіл указує на те, що вони не є чисто крижані, а до їхнього складу входять камені й абсорбований пил.

Багато об’єктів поясу Койпера мають резонансні з Плутоном періоди обертання і колові орбіти. Ця обставина, поряд з фактом виявлення серед них подвійних об’єктів (бінар 1998 WW31), ще більш заплутує і без того незрозумілу картину походження як окремих об’єктів, так і всієї Сонячної системи. Тепер уже очевидно, що левова пайка моменту кількості руху Сонячної системи зосереджується не в планетах, як уважалося раніше, а в поясі Койпера. Цей факт — ще одна непереборна поки що перешкода для будь-якої гіпотези чи теорії, котрі описують походження планет.

Таким чином, наприкінці XX ст. стало очевидним, що ми багато чого не розуміємо в генезисі Сонячної системи. Але те, наскільки глибоке це нерозуміння (і якоюсь мірою навіть помилкове), стало відомо трішки пізніше, тільки після виявлення планет і планетних систем в інших зоряних системах. Тепер список екзопланет містить близько 120 позицій. Найдивніше в цьому списку — великий відсоток (70%) планет з масами, що набагато перевищують масу найбільшої планети Сонячної системи — Юпітера (наприклад, у 20 планет — це п’ятикратне перевищення). Інша дивна подробиця — надзвичайно мала віддаленість цих велетенських планет від центральної зорі. Серед 119 виявлених до 2004 р. екзопланет у 57 відстані — менші за 1 а. о., а 38 з них розташовуються до своїх зір ближче, ніж Меркурій до Сонця. І це при тім, що Меркурій — найменша планета Сонячної системи й одночасно найближча до центрального світила. Рекордсменом серед «тісних» планет поки що є планета поблизу зорі ОGLЕ-ТR-3. Вона робить повний оберт по орбіті протягом 28 год 33 хв, тобто рік на ній триває приблизно одну земну добу.

Те, що сьогодні відомо про екзопланети, з одного боку, зовсім не схоже на нашу планетну систему, де Юпітер і Сатурн віддалені від центрального світила на 5 і 9 а. о. відповідно, а з іншого — зовсім не узгоджується із сучасною теорією походження планет Сонячної системи. Ця теорія так добре пояснювала, чому невеликі планети з високою щільністю речовини мають перебувати поблизу Сонця, а газоподібні гіганти — на великих відстанях від нього. У Галактиці, як виявляється, зовсім не так. Відкриті планети названо «гарячими юпітерами», оскільки через близькість до центральної зорі вони мають гарячі атмосфери.

Чи можна вважати, що всі інші планетні системи — це системи «гарячих юпітерів»? Звичайно, ні. Та особлива ситуація, що склалася з відкриттям безлічі екзопланет, є очевидним наслідком так званої селекції спостережень. Планети виявилися велетенськими через специфіку методу пошуків, їх виявлено за гравітаційним впливом на центральні світила, який пропорційний масі планети та ступеню її близькості до зорі. Саме тому поки що виявляються, в основному, «гарячі юпітери». У міру поступового вдосконалювання методів вимірювань настане черга таких планет, як Земля, і можна сподіватися, що кількість «екзоземель» буде набагато більшою, ніж кількість «гарячих юпітерів».

Екзопланети належать зорям з різними фізичними характеристиками. Серед них є гіганти і карлики, холодні і гарячі, багато зір сонячного типу. Але Природа, очевидно, вирішила поставити вчених у глухий кут і приготувала черговий сюрприз. Вона «дозволила» планетам перебувати навіть біля пульсарів. Як відомо, пульсари — це нейтронні зорі з особливою орієнтацією осі магнітного поля. Вони залишаються на місці вибуху Наднових, в результаті якого зоря, що спалахує, втрачає переважну частину своєї маси. Яким чином нейтронна зоря змогла утримати планети (якщо вони там раніше існували до вибуху), зовсім незрозуміле. У пульсара РSR 1257 + 12 у сузір’ї Діви всі три планети, що обертаються навколо нейтронної зорі, перебувають на відстані, що більша за 1 а. о. Можна уявити, наскільки карикатурно виглядає ця родина: зовсім поруч з маленькою нейтронною зорею кружляють три планети, які більші за неї в 10—100 разів! І що особливо цікаво — ці планети можна віднести до об’єктів земного типу, їхні маси становлять відповідно 0.2, 4.3 і 3.6 маси Землі. Ще в одного пульсара, РSR 1620-26, знайдено планету-гігант у кілька разів масивнішу від Юпітера.

Що можна сказати на закінчення короткого історичного огляду наших уявлень про те, як утворилися планети Сонячної системи? Доводиться повторити раніше висловлену думку, що ступінь нерозуміння сонячного планетогенезису збільшується прямо пропорційно кількості нових фактів. У планетному оточенні найближчих зір астрономи побачили зовсім не те, на що сподівалися а рrіоrі. Якщо раніше вчені будували гіпотези, не знаючи законів, за якими формуються зоряні та планетні системи, але знаючи й уміло використовуючи основну дійову силу цього процесу — гравітацію, то тепер можна казати, що ми навіть не знаємо про ті сили, які беруть участь у складному процесі формування. Усі наявні теорії та гіпотези планетогенезису, де основним дійовим агентом була гравітація, виявилися неспроможними у світлі нових фактів.

Реальність виявилася набагато складнішою, аніж наші уявлення про неї, які ґрунтувалися на очевидності. Основний гносеологічний дефект попередніх теорій полягає в тому, що всі гіпотези, де були захоплення, зіткнення чи вибухи, експлуатували так чи так елемент випадковості, елемент незвичайності, що додавало факту існування Сонячної планетної системи забарвлення винятковості. Наприклад, у гіпотезі Шмідта такою винятковою подією була зустріч Сонця з ізольованою газопиловою хмарою. Тепер ми розуміємо, що всі вже виявлені екзопланети та позасонячні планетні системи не можуть бути результатом випадкових подій, а є наслідком якогось закономірного процесу. Виявлення і вивчення цього процесу має стати основою майбутньої теорії космогенезису.

Сьогодні, з висоти позицій сучасного знання, легко критикувати наукові гіпотези минулого, у тому числі й гіпотезу Шмідта. Але у свій час вона була помітним кроком уперед, і її високо оцінили сучасники. Пам’ять людства швидко забуває недоліки й поразки, а на шальках історії залишає тільки успіхи, досягнення та перемоги. У цьому відношенні внесок нашого великого співвітчизника виявився вагомим. Хоч би як оцінювати гіпотезу сьогодні, проте вона міцно та навічно зв’язала ім'я О. Ю. Шмідта з іменами Декарта й Лапласа, Канта й Джинса і поставила вченого в один ряд зі світовими світочами науки.

Джерело: Астрономічний календар 2006, С. 230—234