Николай Носков
Космология – основана на наблюдении и изучении космоса.
Космогония – наука о возникновении и развитии космических тел и систем.
Небулярная – связанная с газопылевыми туманностями.
В 1877 г. английский астроном Эбни [1] нашел способ определения скорости вращения звезд, предложив применить для этого эффект Доплера. Однако только в 1928 г. (через 51 год!) два астронома (О. Струве [2], США и Г. Шайн [3], Россия) решили эту задачу практически.
После того, как методом Эбни – Струве – Шайна было обследовано вращение множества звезд, оказалось, что скорости их вращения связаны со спектральным классом. Быстрее всего вращаются массивные звезды, а медленнее всего – желтые и красные карлики. При этом все основные характеристики – спектральный класс, масса, температура поверхности и светимость – меняются в главной последовательности звезд непрерывно и плавно, чего нельзя сказать о скорости вращения. У звезд класса Т она резко уменьшается, а вблизи спектрального класса F5 изменяется скачком в сторону уменьшения со 100...150 км/с (скорость поверхности) до 0...50 км/с. Карлики же спектральных классов G, K, M практически вообще не вращаются.
Этот факт привел исследователей к выводу о том, что звезды от массивных развиваются в сторону карликов, и только на этапе достижения ими класса F5 у них появляются планетные системы, которые при уменьшении массы звезды всего на 0,001 забирают у нее неким образом во время образования около 98% момента вращения.
Вывод, основанный на наблюдении, ставит под сомнение все высказанные до того времени гипотезы: небулярные – Канта, Лапласа, Фая, Лигонде, Шмидта, Вайцзекера, Фисенкова и других, поскольку из газопылевого облака образуется вначале лишь сама звезда без планетной системы; катастрофические – Брауна, Аррениуса, Чемберлена, Мультона, Джинса и других, поскольку катастрофа – весьма редкое явление в космосе, хотя вышеприведенный факт изменения скорости вращения звезды -–регулярное и обязательное явление, привязанное к звездной величине; приливные, или ротационной неустойчивости, основанные на выплескивании вещества звездой – Дарвина, Хойла и других, поскольку более крупные и горячие звезды, вращаясь с большими скоростями (500 км/с и выше), проявляют, устойчивость, в то время как звезды класса F5 вдруг без видимой причины резко теряют скорость вращения почти без изменения массы.
Исследователи начали настойчиво искать физические механизмные подходы к решению проблемы образования планетных систем. Сначала шведский астроном Альвен [4] высказал идею о том, что звезда может передавать вращательный момент сгусткам вещества на орбитах через магнитное поле.
Его идею развил Хойл [5], расчеты которого показали, что при образовании звезд после передачи ими части вращательного момента межзвездной среде, скорость их вращения очень высока и соответствует скорости вращения самых горячих и массивных звезд. Далее он же подсчитал, что при массе протозвезды, равной солнечной, и при ее радиусе, превышающем солнечный в 40 раз, центробежная сила на экваторе будет уравновешивать силу притяжения. Наступает состояние неустойчивости, и вещество звезды отделяется от нее, образуя диск. В формирующейся звезде можно ожидать наличие общего магнитного поля. В результате существования магнитной связи между отделившимся веществом и звездой (из-за разницы угловых скоростей) происходит торможение вращения звезды.
В гипотезе Хойла имеется несколько догадок и предположений, не имеющих объяснений: откуда у звезд магнитное поле; каким образом звезды теряют свою массу до достижения ими величины класса F5; как образовавшийся диск разделяется на отдельные кольца, из которых впоследствии образуются планеты, и др. Его гипотеза не объясняет также, как в планетах происходит рассортировка вещества по химическому составу.
В 1962 г французский астрофизик Шацман [6] предположил, что если магнитное поле на звездах существует (он тоже не может сказать, откуда), то оно обусловливает возможность потери вращательного момента и без образования планет. При этом он указывает на следующий наблюдательный факт: Солнце постоянно «выстреливает» потоки горячего ионизированного газа из областей, называемых солнечными пятнами со скоростями сотен и тысяч км/с. Сейчас эти потоки малы, но ранее могло быть иначе. Заряженный (ионизированный) поток вещества за счет сцепления с магнитным полем звезды приобретает, помимо радиальной скорости, и окружную, так как с увеличением расстояния от звезды «лучи» магнитного поля имеют с ней ту же угловую скорость, но окружная растет. Наступает момент, когда поле ослаблено настолько (по закону обратных квадратов), что не может больше удерживать вещество, и оно отрывается и улетает в космос. Таким образом, звезды, отдавая вращательный момент выбрасываемому веществу, сами замедляют вращение.
Мы видим, что в работе Шацмана наметился совершенно новый подход к объяснению торможения вращения звезд и механизма потери ими массы. Он не связывает торможение вращения ни с образованием диска, ни с существованием (заранее) некоего газопылевого облака.
Шацмана поддержали исследователи Су Шу-хуанг [7] и Хаяши [8]. В 1965 г. Су Шу-хуанг произвел расчеты по механизму Шацмана для Солнечной системы и показал, что Солнце потеряло основную часть вращательного момента еще до образования планетной системы. Он делает вывод, что именно в тот момент, когда Солнце было протозвездой (звездой типа Т), у него имелись мощные активные области, вроде нынешних темных пятен, откуда выбрасывалась намагниченная плазма. И только на последнем этапе этого процесса выбрасываемое вещество начинает формировать газопылевые диски, из которых впоследствии образуются планеты.
Хаяши развил теорию эволюции протозвезд, из которой следует очень важный вывод: бурными конвективными движениями охвачены лишь звезды с массой меньше 1,5 массы Солнца, с которыми Хойл и связывал существование «вмороженного» магнитного поля.
Альвен, Хойл, Шацман, Су Шу-хуанг и Хаяши с помощью наблюдательной астрономии и астрофизики создали каркас космогонической гипотезы, из которой уже видны реальные черты процессов образования звезд и возле них – планетных систем. Остается лишь объяснить ряд наблюдаемых фактов, таких как наличие у звезд магнитного поля, механизм выбрасывания вещества из звезды, распределение вещества в планетах по химическому составу и др.
Вещество звезды – плазма, – «газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц в таких пропорциях, при которых общий заряд равен нулю» (Франк – Каменецкий [9]). Уже из этого определения совершенно ясно, что плазма должна легко проводить через себя ток, может быть управляема магнитным полем,
Разгадка этого явления находится в физике атома: при образовании небесного тела (звезды или планеты) внутри него в результате гравитации возникают давления, которые преодолевают электрическое отталкивание электронов на внешних слоях атомов и ионов и придавливают их так близко друг к другу, что они начинают участвовать в компенсации заряда соседних ядер. Происходит перераспределение зарядов: часть электронов, ставших ненужными в составе электронных оболочек, всплывают на поверхность тела и участвуют теперь в компенсации общего положительного заряда внутренней его области. Там они увлекаются в движение вращающимся телом (звездой, планетой) и дифференцируются по скоростям с помощью сил Ампера в отдельные поясовые потоки
На Юпитере и Сатурне мощные слои атмосфер достигают их электронных оболочек, в результате чего они окрашиваются и наблюдается необычное и, на первый взгляд, необъяснимое явление, когда на разных поясах движение верхних слоев атмосфер происходит с разными скоростями, причем существуют четкие границы скоростей.
Существование электронных оболочек возле массивных космических тел (в том числе, и у Земли) приводит к нескольким фундаментальным последствиям, которые подтверждаются наблюдательной астрономией, и играют ключевую роль в развитии звезд и планетных систем. В чем они заключаются?
Во-первых, движущиеся электронные оболочки космических тел создают магнитное поле, но совсем не то «вмороженное» вертикально направленное, о котором писали Альвен, Хойл, Шацман и Су Шу-хуанг. Это поле, направленное от одного полюса звезды или планеты к другому, создает идеальную магнитную ловушку для плазмы, о какой мечтают наши термоядерщики. Оно сдавливает плазму звезды и не дает ей разлетаться под действием температур и конвективных потоков. Существование магнитных полей возле планет можно объяснить лишь присутствием на них электронных оболочек.
Во-вторых, существование поясного разделения электронной оболочки по скоростям предполагает появление на границах поясов ослабления притяжения электронов и как следствие – возникновение неустойчивости потоков и их турбулентности. Максимальная разность скоростей (а значит и турбулентность) – у потоков, которые находятся вблизи экватора. Именно там возникают наибольшие вихри. Вихрь из электронов – электромагнит, силовые линии которого направлены по оси вихря, т.е. перпендикулярно поверхности звезды или планеты. На Солнце – это так называемые темные пятна, а на Юпитере – красное пятно. И это как раз то «вмороженное» вертикально направленное магнитное поле, о котором писали Альвен, Хойл и другие исследователи.
Электронный вихрь своим магнитным полем создает отверстие (дыру) в магнитной ловушке звезды, и в это отверстие устремляются потоки вещества, получившие скорость либо за счет температуры, либо за счет конвективных потоков.
Как мы уже знаем из работы Хаяши, конвективные потоки возникают у звезд, величина которых равна или меньше 1,5 массы Солнца. До этого утечка вещества из звезды происходит только за счет температурных движений и потому – медленно. Однако механизм замедления вращения звезд и потери ими массы здесь четко прослеживается.
Вот как описывает конвективные потоки на Солнце Д. Мензел в книге «Наше Солнце» [10] (1963 г.). «Конвекционные потоки разделяют всю поверхность Солнца на отдельные области – гранулы размером в поперечнике примерно несколько сот километров, в которых чередуются нисходящие и восходящие потоки. В нисходящих потоках происходит опускание холодной плазмы, а в восходящих -–подъем горячей. Скорость подымающейся плазмы достигает 150 км/с и более, и она взлетает высоко над поверхностью, образуя конусообразные фонтаны – пикселы. Буквально через несколько минут восходящие и нисходящие потоки меняются местами. Возле темных пятен пикселы проявляют наибольшую активность, образуя протуберанцы» (выделено мной – Н.Н.).
Когда Солнце было величиной класса F5 (теперь оно следующего класса – G), мощность электронных вихрей в его оболочке и скорость конвективных потоков была максимальной. Энергии движения выбрасываемой плазмы было достаточно для попадания ее на орбиты, где и образовались планеты. При таком способе попадания вещества на орбиты совершенно прозрачным становится механизм разделения его по химическому составу. Во-первых, это максвелловское распределение скоростей для всего спектра масс атомов, ионов и частиц, при котором пик распределения попадает в область Сатурна и Юпитера, а соотношение легких и тяжелых атомов меняется именно так, как это и наблюдается. Во-вторых, магнитное поле электронных вихрей, сцепленное с выбрасываемой плазмой, действует на нее как сепаратор, несколько искажая картину максвелловского распределения.
Нам остается теперь вспомнить, что выброшенное вещество задержится только на устойчивых квантованных орбитах, где образует планеты. Остальное – дело механики.
Список литературы
Эбни. Способ определения скорости вращения звезд путем спектрографических наблюдений с помощью эффекта Доплера. Англия, 1877. В кн. И.С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум». Наука, М., 1976, стр. 123.
О.Л. Струве. Определение скорости вращения звезд с помощью эффекта Доплера. США, 1928. В кн. И.С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум». Наука, М., 1976, стр. 123.
Г.А. Шайн. Определение скорости вращения звезд с помощью эффекта Доплера. Россия, 1928. В кн. И.С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум». Наука, М., 1976, стр. 123.
Х. Альвен. Механизм передачи момента вращения от звезды к планетам с помощью магнитного поля. Швеция, 1950. В кн. И.С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум». Наука, М., 1976, стр. 124.
Ф. Хойл. Космогоническая гипотеза. Англия, 1958. В кн. И.С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум». Наука, М., 1976, стр. 125.
Э. Шацман. Механизм потери вращательного момента звездами. Франция, 1962. В кн. И.С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум». Наука, М., 1976, стр. 128.
Су Шу – хуанг. Механизм Шацмана для объяснения аномального распределения вращательного момента в Солнечной системе. 1965. В кн. И.С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум». Наука, М., 1976, стр. 129.
Хаяши. Теория эволюции протозвезд. Япония. В кн. И.С. Шкловского «Вселенная, жизнь, разум». Наука, М., 1976, стр. 130.
Д.А. Франк – Каменецкий. Плазма –четвертое состояние вещества. Атомиздат, М., 1975.
Д.Г. Мензел. Наше Солнце. Пер. с англ. Физматгиз, М., 1963.