Поки не було світла

Перше, що вимовляє творець у біблійній Книзі Буття, — «Хай буде світло». Цей момент можна віднести до народження Сонця, головного джерела енергії, руху і життя Землі і інших планет, супутників і незліченних малих тіл Сонячної системи. Але і сама поява зірки стало результатом довгої низки подій, періодів довгого неквапливого розвитку та кількох космічних катастроф.

Роман Фішман

На початку був водень — плюс дещо менше гелію. Лише ці два елементи (з домішками літію) наповнювали молоду Всесвіт після Великого вибуху, і зірки першого покоління складалися тільки з них. Однак, почавши світити, вони змінили все: термоядерні і ядерні реакції в надрах зірок створили весь ряд елементів аж до заліза, а катастрофічна загибель найбільших з них у вибухах наднових — і більш важкі ядра, включаючи уран. Досі на водень і гелій припадає не менше 98% всієї звичайної матерії космосу, але зірки, які утворилися пилу попередніх поколінь, містять домішки інших елементів, які астрономи з деякою зневагою сукупно називають металами.

Кожне нове покоління зірок відрізняється все більшої «металічність», і Сонце не виняток. Його склад однозначно показує, що зірка сформувалася речовини, що пройшов «ядерну переробку» в надрах інших зірок. І хоча багато деталей цієї історії ще чекають пояснення, в цілому клубок подій, який призвів до появи Сонячної системи, здається цілком распутанным. Списів навколо нього було зламано чимало, проте сучасна небулярная гіпотеза стала розвитком ідеї, що з’явилася навіть раніше відкриття законів гравітації. Ще 1572 року Тихо Бразі пояснював появу на небі нової зірки «згущенням ефірного речовини».

Зоряна колиска

Зрозуміло, що ніякого «ефірної речовини» не існує, а зірки утворюються з тих же елементів, що і ми самі, точніше, навпаки, це ми складені з атомів, створених ядерним синтезом зірок. На них припадає левова частка маси речовини Галактики залишається не більше декількох відсотків вільного дифузного газу для народження нових світил. Але це міжзоряна речовина розподіляється нерівномірно, місцями утворюючи порівняно щільні хмари.

Незважаючи на досить низьку температуру (лише кілька десятків і навіть одиниць градусів вище абсолютного нуля), тут відбуваються хімічні реакції. І хоча майже всю масу таких хмар, як і раніше, складають водень і гелій, у них з’являються десятки з’єднань, від вуглекислого газу і ціаніду до оцтової кислоти і навіть багатоатомних органічних молекул. У порівнянні з досить примітивним по влаштуванню речовиною зірок такі молекулярні хмари — це наступна сходинка в еволюції складності матерії. Недооцінювати їх не варто: вони займають не більше одного відсотка обсягу диска Галактики, але зате на них припадає близько половини маси міжзоряної речовини.

Окремі молекулярні хмари можуть мати масу від декількох сонць до декількох мільйонів. З часом їх будова ускладнюється, вони фрагментуються, утворюючи досить складні за структурою об’єкти з зовнішньої «шубою» з порівняно теплого (До 100) водню та холодними локальними компактними ущільненнями — ядрами — ближче до центру хмари. Такі хмари живуть недовго, навряд чи більше десятка мільйонів років, зате тут відбуваються таїнства космічних масштабів. Потужні, швидкі потоки речовини перемішуються, закручуються і збираються все щільніше під дією гравітації, стаючи непрозорими для теплового випромінювання і нагріваючись. Нестабільному середовищі такої протозоряній туманності досить поштовху, щоб перейти на наступний рівень.«Якщо гіпотеза про наднової вірна, то вона виробила лише початковий поштовх до утворення Сонячної системи і більш ніякої участі в її народження та еволюції не брала. В цьому відношенні вона не праматір, а швидше праотець». Дмитро Вібе

Праматір

Якщо маса «зоряної колиски» гігантського молекулярного хмари становила сотні тисяч мас майбутнього Сонця, то згустилися в ньому холодна і щільна протосолнечная туманність була лише в кілька разів важчі за нього. Існують різні гіпотези про те, що викликало її колапс. На одну з найавторитетніших версій вказує, наприклад, дослідження сучасних метеоритів, хондритів, речовина яких утворилося ще в ранній Сонячній системі і понад 4 млрд років потому виявилося в руках земних учених. У складі метеоритів виявляються і магній-26 — продукт розпаду алюмінію-26, і нікель-60 — результат перетворень ядер заліза-60. Ці короткоіснуючі радіоактивні ізотопи утворюються тільки у вибухах наднових. Така зірка, загибла недалеко від протосолнечного хмари, могла стати «праматір’ю» нашої системи. Цей механізм можна назвати класичними: ударна хвиля стрясає все молекулярне хмара, стискаючи його, примушуючи розділятися на фрагменти.

Однак роль наднової в появі Сонця часто піддається сумніву, і не всі дані підтверджують цю гіпотезу. За іншими версіями, протосолнечное хмара могло сколлапсировать, наприклад, під тиском потоків речовини від близької зірки Вольфа — Райе, що відрізняється особливо великою яскравістю і температурою, а також високим вмістом кисню, вуглецю, азоту і інших важких елементів, потоки яких наповнюють навколишній простір. Втім, і ці «гіперактивні» зірки існують зовсім недовго і закінчують життя вибухами наднових.

З того знаменної події минуло більше 4,5 млрд років — досить пристойний час, навіть за мірками Всесвіту. Сонячна система зробила десятки обертів навколо центру Галактики. Зірки кружляли, народжувалися і вмирали, з’являлися і розпадалися молекулярні хмари — і так само, як немає ніякої можливості з’ясувати форму, яку ще годину тому мало звичайна хмара в небі, ми не можемо сказати, яким був тоді Чумацький Шлях і де саме на його теренах загубилися останки зірки, стала «праматір’ю» Сонячної системи. Зате ми більш або менш впевнено можемо сказати, що при народженні у Сонця були тисячі родичів.

Цікаве в мережі

Сестри

Взагалі, зірки в Галактиці, особливо молоді, майже завжди входять до складу асоціацій, пов’язаних близьким віком і спільним груповим рухом. Від подвійних систем і до численних яскравих скупчень, «колисках» молекулярних хмар вони народжуються колективами, як при серійному виробництві, і навіть разлетевшись далеко один від одного, зберігають сліди загального походження. Спектральний аналіз зірки дозволяє з’ясувати її точний склад, унікальний відбиток, «свідоцтво про народження». Судячи за цими даними, за кількістю порівняно рідкісних ядер начебто ітрію чи барію, зірка HD 162826 утворилася в тій же «зоряної колиски», що і Сонце, і належала до того ж скупчення сестер.

Сьогодні HD 162826 знаходиться в сузір’ї Геркулеса, приблизно в 110 світлових роках від нас — ну, а інші родичі, мабуть, десь ще далі. Життя давно розкидала колишніх сусідок по всій Галактиці, і про них залишилися лише вкрай слабкі свідоцтва — наприклад, аномальні орбіти деяких тел далеко на периферії сьогоднішньої Сонячної системи, в Поясі Койпера. Схоже, що «сімейство» Сонця колись включало від 1000 до 10 000 молодих зірок, які утворилися з єдиного газового хмари і були об’єднані в розсіяне скупчення загальною масою близько 3 тис. сонячних мас. Їх союз довго не протримався, і група розпалася максимум через 500 мільйонів років після утворення.

Дмитро Вібе, завідувач відділом фізики і еволюції зірок Інституту астрономії РАН

«Наявність в Сонячній системі продуктів розпаду деяких короткоживучих ізотопів вказує, що на ранньому етапі своєї еволюції вона була забруднена продуктами спалаху близькою наднової. Проте стимулюючий вплив спалаху здається необов’язковим. Це не означає, що його не було, просто можна обійтися і без цього припущення. Сучасні оцінки показують, що в нашій Галактиці із-за зовнішнього впливу народжується не більше 30% зірок».

Колапс

Незалежно від того, як саме стався колапс, що послужило йому поштовхом і скільки народжувалося зірок по сусідству, подальші події розвивалися стрімко. За якусь сотню тисяч років хмара стислося, що відповідно до закону збереження моменту імпульсу — прискорило його обертання. Відцентрові сили сплюснули речовина в досить плоский диск діаметром у кілька десятків а.е. — астрономічних одиниць, рівних середній відстані від Землі до Сонця сьогодні. Зовнішні області диска стали швидше охолоджуватися, а центральне ядро — ще сильніше ущільнюватися і нагріватися. Обертання уповільнювало нового падіння речовини до центру, і простір навколо майбутнього Сонця расчистилось, воно стало протозвездой з більш або менш помітними кордонами.

Основним джерелом енергії для нього ще залишалася гравітація, але в центрі вже почалися обережні термоядерні реакції. Перші 50-100 млн років свого існування майбутнє Сонце ще не запустили на повну потужність, і в ньому не відбувалося характерне для зірок головної послідовності злиття ядер водню-1 (протонів) з утворенням гелію. Весь цей час воно, мабуть, було змінної типу Т Тельця: порівняно холодні, такі зірки дуже неспокійні, вкриті великими і численними плямами, які служать сильними джерелами зоряного вітру, що роздуває навколишній газопилової диск.

На цей диск діяла з одного боку гравітація, а з іншого — відцентрові сили і тиск потужного зоряного вітру. Їх баланс викликав диференціацію газопилової речовини. Важкі елементи, такі як залізо або кремній, залишалися на помірному видаленні від майбутнього Сонця, а більш леткі речовини (перш за все водень і гелій, але також азот, вуглекислий газ, вода) виносилися до околиць диска. Їх частинки, які опинилися в повільних і холодних зовнішніх областях, стикалися один з одним і потроху злипалися, утворюючи зародки майбутніх газових гігантів зовнішньої частини Сонячної системи.

Народився і так далі

Тим часом сама молода зірка продовжувала прискорювати обертання, стискалася і нагрівалася все сильніше. Все це посилило перемішування речовини і забезпечило постійний приплив літію до її центру. Тут літій став вступати в реакції злиття з протонами, виділяючи додаткову енергію. Запустилися нові термоядерні перетворення, і до моменту, коли запаси літію практично вичерпалися, вже почалося злиття пар протонів з утворенням гелію: зірка «включилася». Далі дія гравітації стабілізувався розширює тиском променистої і теплової енергії — Сонце стало класичною зіркою.

Швидше за все, до цього часу утворення зовнішніх планет Сонячної системи вже практично завершилося. Деякі з них самі були подібні крихітним копій протопланетного хмари, з якого утворилися і самі газові гіганти, і їх великі супутники. Слідом — з заліза і кремнію внутрішніх областей диска — сформувалися і кам’янисті планети: Меркурій, Венера, Земля і Марс. П’ятої, за орбітою Марса, не дозволив народитися Юпітер: вплив його гравітації порушувало процес поступового накопичення маси, і крихітна Церера залишилася найбільшим тілом головного поясу астероїдів, назавжди карликовою планетою.

Молоде Сонце поступово розгорялося дедалі яскравіше і випромінювало все більше енергії. Його зоряний вітер виніс із системи дрібний «будівельне сміття», а велика частина решти великих тіл впала на саме Сонце або його планети. Простір расчистилось, багато планети мігрували на нові орбіти і стабілізувалися тут, на Землі з’явилося життя. Втім, на цьому передісторія Сонячної системи вже закінчилась — почалась історія.

* Деякі білі карлики, що з’явилися ще молодий Всесвіту, існують в тому ж вигляді досі. Теоретично передбачається, що через трильйон або більше років вони можуть еволюціонувати в чорні карлики, темні і охолоджені до температури трохи вище абсолютного нуля.

Стаття «Поки не було світла» опублікована в журналі «Популярна механіка»
(№8, Серпень 2018).
Источник