Планеты формировались из оставшихся газов и пыли на периферии протозвездного диска (рис. 2.3). Агломерация межзвездной пыли под действием гравитационного притяжения приводит к образованию звезды и планет примерно за 10 млн лет (1–4). Звезда входит на главную последовательность (4) и остается в стационарном (устойчивом) состоянии примерно в течение 8000 млн лет, постепенно перерабатывая водород. Затем звезда покидает главную последовательность, расширяется до красного гиганта (5 и 6) и «поглощает» свои планеты в течение последующих 100 млн лет. После нескольких тысяч лет пульсирования в качестве переменной звезды (7) она взрывается как сверхновая (8) и, наконец, сжимается до белого карлика (9). Хотя обычно планеты считают массивными объектами, общая масса всех планет составляет всего лишь 0,135 % массы Солнечной системы.
Рис. 2.3. Образование планетной системы
Наши планеты и, как предполагают, планеты, образующиеся в любом протозвездном диске, располагаются в двух главных зонах. Внутренняя зона, которая в Солнечной системе простирается от Меркурия до пояса астероидов, представляет собой зону мелких планет земного типа. Здесь, в фазе медленного сжатия протозвезды, температуры настолько высоки, что испаряются металлы. Внешняя холодная зона содержит такие газы, как Н2О, Не и Ne, и частицы, покрытые замерзшими летучими веществами типа Н2О, NH3 и СН4. Эта внешняя зона с планетами типа Юпитера содержит гораздо больше вещества, чем внутренняя, поскольку она имеет большие размеры и поскольку большая часть летучих веществ, первоначально находившихся во внутренней зоне, выталкивается наружу в результате деятельности протозвезды.
Один из способов построения картины эволюции звезды и вычисления ее возраста заключается в анализе большой случайной выборки звезд. При этом измеряют расстояния до звезд, их видимый блеск и цвет каждой звезды.
Если известны видимый блеск и расстояние до звезды, то можно вычислить ее абсолютную звездную величину, поскольку видимый блеск звезды обратно пропорционален расстоянию до нее. Абсолютная звездная величина есть функция скорости высвобождения энергии независимо от ее расстояния до наблюдателя.
Цвет звезды определяется ее температурой: голубой цвет соответствует очень горячим звездам, белый – горячим, а красный – относительно холодным.
На рисунке 2.4 представлена диаграмма Герцшпрунга – Рессела, известная вам из курса астрономии, отражающая зависимость между абсолютной звездной величиной и цветом для большого числа звезд. Поскольку эта классическая диаграмма включает звезды всевозможных размеров и возрастов, она соответствует «средней» звезде на различных стадиях ее эволюции.
Рис. 2.4. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела
Большинство звезд располагается на прямолинейной части диаграммы; они испытывают лишь постепенные изменения равновесия по мере выгорания содержащегося в них водорода. На этой части диаграммы, которая называется главной последовательностью, звезды с большей массой имеют более высокую температуру; в них быстрее протекает реакция слияния атомов водорода, и продолжительность их жизни меньше. Звезды с массой меньшей, чем солнечная, имеют более низкую температуру, слияние водородных атомов протекает в них медленнее, и продолжительность их жизни больше. Когда либо звезда главной последовательности израсходует около 10 % своих исходных запасов водорода, ее температура снизится и произойдет расширение. Как предполагают, красные гиганты представляют собой «состарившиеся» звезды всех размеров, принадлежавшие ранее главной последовательности. При точном определении возраста звезды эти факторы следует принимать во внимание. Вычисления с их учетом показывают, что ни одна звезда в нашей галактике не старше 11 000 млн лет. Некоторые маленькие звезды имеют этот возраст; многие более крупные звезды гораздо моложе. Самые массивные звезды могут находиться на главной последовательности не более 1 млн лет. Солнце и звезды подобных размеров находятся на главной последовательности около 10 000 млн лет, прежде чем достигают стадии красных гигантов.
Опорные точки
1. Материя находится в непрерывном движении и развитии.
2. Биологическая эволюция являет собой определенный качественный этап эволюции материи в целом.
3. Преобразования элементов и молекул в космическом пространстве происходят постоянно с очень невысокой скоростью.
Вопросы для повторения и задания
1. Что такое реакции ядерного синтеза? Приведите примеры.
2. Как, в соответствии с гипотезой Канта – Лапласа, из газово-пылевой материи формируются звездные системы?
3. Есть ли различия в химическом составе планет одной и той же звездной системы?
Используя словарный запас рубрик «Терминология» и «Summary», переведите на английский язык пункты «Опорных точек».
2.2.3. Первичная атмосфера Земли и химические предпосылки возникновения жизни
Придерживаясь вышеизложенной точки зрения на происхождение планетных систем, можно сделать достаточно обоснованные оценки элементного состава первичной атмосферы Земли. Частично современные взгляды основываются, конечно, на огромном преобладании в космосе водорода; оно обнаруживается также и в Солнце. В таблице 2.2 приведен элементный состав звездного и солнечного вещества.
Таблица 2.2. Элементный состав звездного и солнечного вещества
Предполагается, что атмосфера первичной Земли, имевшей большую среднюю температуру, была примерно такова: до гравитационной потери водород составлял большую ее часть, а главными молекулярными составляющими были метан, вода и аммиак. Интересно сравнить элементарный состав звездного вещества с составом современной Земли и живого вещества на Земле.
Наиболее распространенными элементами в неживой природе являются водород и гелий; за ними следуют углерод, азот, кремний и магний. Заметим, что живое вещество биосферы на поверхности Земли состоит преимущественно из водорода, кислорода, углерода и азота, чего, конечно, и следовало ожидать, судя по самой природе этих элементов.
Начальная атмосфера Земли могла изменяться в результате самых различных процессов, в первую очередь в результате диффузионного ускользания водорода и гелия, составлявших значительную ее часть. Эти элементы – самые легкие, и они должны были утрачиваться из атмосферы, ибо гравитационное поле нашей планеты мало в сравнении с полем планет гигантов. Большая часть начальной атмосферы Земли должна была быть утеряна за очень короткое время; поэтому предполагается, что многие первичные газы земной атмосферы – это газы, которые были захоронены в недрах Земли и выделились вновь в результате постепенного разогрева земных пород. Первичную атмосферу Земли, вероятно, составляли органические вещества того же рода, которые наблюдаются в кометах: молекулы со связями углерод – водород, углерод – азот, азот – водород и кислород – водород. Помимо них, при гравитационном разогреве земных недр, вероятно, появлялись также водород, метан, окись углерода, аммиак, вода и т. д. Таковы те вещества, с которыми проведено большинство экспериментов по моделированию первичной атмосферы.
Что же могло в действительности происходить в условиях первичной Земли? Для того чтобы определить это, необходимо знать, какие виды энергии вероятнее всего воздействовали на ее атмосферу.
2.2.4. Источники энергии и возраст Земли
Развитие и преобразование материи без притока энергии невозможно. Рассмотрим те источники энергии, которые обусловливают дальнейшую эволюцию веществ уже не в космосе, а на нашей планете – на Земле.
Оценить роль источников энергии нелегко; при этом необходимо учитывать неравновесность условий, охлаждение продуктов реакции и степень их экранирования от источников энергии.
По-видимому, любые источники энергии (табл. 2.3) оказывали значительное влияние на преобразование веществ на нашей планете. Как это происходило? Конечно, свидетельств объективного характера просто не существует. Однако процессы, протекавшие на нашей Земле в глубокой древности, можно смоделировать. Во-первых, необходимо определить временные границы, а во-вторых, воспроизвести с возможной точностью условия в каждой из обсуждаемых эпох существования планеты.
Для обсуждения вопросов о происхождении жизни на Земле помимо знания источников энергии, необходимых для преобразования материи, нужно иметь и достаточно четкое представление о времени этих преобразований.
Таблица 2.3. Возможные источники энергии для первичной химической эволюции
Таблица 2.4. Периоды полураспада и другие данные о некоторых элементах, используемых при определении возраста Земли
