Хімічний склад сонячної системи
Хоча відкриття процесу синтезу гелію з водню в основному дало відповідь на питання про джерело сонячної енергії, проте воно не дозволило всіх проблем. Зокрема, виявилося, що Сонце несподівано бідно воднем і багато гелієм. Якщо воно існує лише близько 5 мільярдів років, воно повинно було б витратити менше водню і утворити менше гелію
Можна припустити, що в минулому Сонце було гаряче і витрачало своє паливо з більшою щедрістю На перший погляд видається навіть цілком правдоподібним, що Сонце поводилося подібно багаття, полум'я якого спадає в міру витрати палива і «згорання» протікає все повільніше. В цьому випадку минула історія Сонця повинна бути коротше, ніж ми припускали, а майбутнє життя - відповідно довше. Але на жаль, наскільки вдалося встановити геологам, в історії Землі немає ніяких вказівок па те, що за останні кілька мільярдів років кількість вироблюваної Сонцем енергії помітно змінювалося
Існує і друга можливість - Сонце могло витрачати водень ще до утворення сонячної системи, коли вона була розрідженій обертається туманністю.
Однак его теж малоймовірно. До освіти сонячної системи в її теперішньому вигляді туманність, безперечно, могла існувати незліченні мільярди років, але, залишаючись туманністю, вона не витрачала б енергії за рахунок ядерних реакцій В розріджених туманностях тяжіння настільки слабо, що воно викликає лише невелике підвищення температури поблизу центру, далеко не достатня для того, щоб дати перший поштовх реакції злиття атомів водню. Така туманність повільно стискалася б і виробляти енергію могла б тільки за рахунок енергії тяжіння, що викликає падіння частинок до центру - відповідно до давнім припущенням Гельмгольца.
У міру стиснення туманності тяжіння ставало б більш інтенсивним: загальна кількість енергії залишалося б незмінним, але вона концентрувалася б в усі меншому і меншому обсязі. У міру збільшення тиску в центрі сжимающейся туманності підвищувалася б температура, поки, нарешті, вона не досягла б критичної точки стискає туманність спалахнула б і перетворилася б в зірку Лише тоді почалися б ядерні реакції, причому тільки в центрі Сонця, а не в зовнішніх шарах туманності , де повинні були формуватися планети.
Проблема, крім того, пов'язана не тільки з надлишками гелію, а й з присутністю на Сонці і на планетах ряду елементів, набагато складніших, ніж гелій. Звідки взялися ці елементи?
Познайомимося коротко з деякими з них. Водень, атомне ядро якого складається з єдиною частки, і гелій з атомним ядром, що складається з чотирьох часток, - це два найпростіших елемента. Решта мають більш складну будову. Найбільш поширені з них (після водню і гелію) -це вуглець, азот, кисень і неон, їх ядра складаються відповідно з 12, 14, 16 і 20 часток.
Можна, звичайно, припустити, що хоча водень перетворюється переважно в гелій, одночасно протікають і побічні реакції, в яких гелій в свою чергу перетворюється в вуглець або кисень. Таке злиття ядер має відбуватися надзвичайно рідко, оскільки за всі 5 мільярдів років життя Сонця виникло лише дуже незначна кількість складніших атомів. Кисень, наприклад, становить лише 0,03% всього обсягу Сонця
Крім того, якщо елементи, більш складні, ніж гелій, виникають в результаті злиття ядер, то вони повинні були б існувати тільки на Сонце. Яким же чином така кількість складніших атомів виявилося на планетах, які утворилися з речовини зовнішніх шарів туманності?
Земля, наприклад, складається майже виключно з елементів, більш складних, ніж водень і гелій. Цей факт не є дивний, як могло б здатися на перший погляд: у нього є пояснення, яке я зараз викладу.
Тверді речовини зв'язуються силами міжатомної зчеплення, і їх цілісність не залежить від сили всесвітнього тяжіння Однак у парів і газів міжатомна зчеплення дуже слабо, і тільки сила тяжіння утримує їх близько планети. Рух атомів або груп атомів (які називаються молекулами) в газах і парах має тенденцію долати силу тяжіння. Якщо атоми і молекули рухаються досить швидко, вони несуться геть від планети, незважаючи на її тяжіння. Чим менше планета, тим слабкіше її тяжіння і тим легше відлітають від неї атоми і молекули. А крім того, чим легше атоми і молекули, тим швидше вони в середньому рухаються і тим частіше відлітають від планети.
Атоми водню - найлегші. Вони проявляють схильність об'єднуватися в пари і утворювати молекули водню Хоча маса молекули водню вдвічі більша за масу окремого атома водню, вона тим не менше легше будь-якого іншого атома.
Гелій існує у вигляді окремих атомів. Маса атома гелію вдвічі більша за масу молекули водню (і вчетверо більша за масу атома водню), але він легше всіх інших атомів і молекул.
Тяжіння Землі занадто слабо для того, щоб утримувати водень або гелій. Правда, щодо водню діють деякі додаткові фактори. Два атома водню можуть з'єднуватися з одним атомом кисню, утворюючи молекулу води (маса якої в 18 разів більша за масу окремого атома водню), або з атомами інших елементів, утворюючи тверді речовини Тому Земля в процесі своєї освіти втримала частина водню в сполуках з іншими елементами, але її полі тяжіння завжди було занадто слабким для того, щоб утримувати водень в газоподібному формі
В результаті велика частина водню, що оточував Землю в період її утворення, взагалі не була захоплена нею - це, зокрема, одна з причин, чому Земля така мала. Гелій ж не вступає ні в які з'єднання, а тому він взагалі не був захоплений Землею в будь-яких заслуговують на увагу кількостях. В даний час па Землі є лише дуже мало гелію.
Однак інших елементів (в основному кисню, кремнію і заліза) вистачило на те, щоб утворилися такі планети, як Земля, Марс, Венера, Меркурій і Місяць.
Але планети типу Юпітера, що знаходилися набагато далі від Сонця, завжди мали значно нижчу температуру. А чим нижче температура, тим повільніше рухаються атоми і тим легше їх утримати. Речовина, згущується в планету Юпітер, могло утримувати водень з більшою легкістю, ніж речовина, з якої формувалася Земля. У міру накопичення водню маса Юпітера росла, а з нею і сила його тяжіння. Це допомагало накопичувати все більше водню, що в свою чергу ще більше посилювало тяжіння. Саме завдяки цьому «ефекту снігової кулі» Юпітер досяг своїх нинішніх розмірів і, як показують спектроскопічні й інші дані, став вельми багатий воднем (так само як і всі інші зовнішні холодні планети).
І все ж Юпітер складається не з одного водню. У його атмосфері є велика домішка гелію, а, крім того, згідно з деякими даними, в ній присутні сполуки, що містять вуглець і азот.
Отже, на всьому протязі туманності, з якої утворилися планети, були розсіяні несподівано велику кількість гелію і більш складних елементів. Щоб пояснити цей факт, можна висунути два припущення:
1. Важкі елементи є тільки у внутрішніх областях Сонця, а тому планети повинні були виникнути з сонячної речовини. Це несумісно з гіпотезами їх походження з туманності, і астрономам довелося б повернутися до якогось варіанту планетезімальной теорії.
2. Важкі елементи можуть бути присутніми в розрідженій туманності, і виникли вони не завдяки ядерним реакціям всередині Сонця, а якимось іншим шляхом.
Більшість астрономів вважало за краще б не брати перше припущення, якби вдалося задовільно обгрунтувати друге. Для того щоб подивитися, звідки, крім Сонця, могли з'явитися важкі елементи, давайте знову кинемо погляд за межі сонячної системи, на зірки.