2. Плоскости орбит всех планет, а также их спутников, почти совпадают между собой и с плоскостью солнечного экватора.
3. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, а именно в том, в котором Солнце вращается вокруг своей оси.
4. Планеты вращаются вокруг своих осей в том же направлении; так же вращаются и спутники вокруг планет.
5. Орбиты планет и спутников очень мало отличаются от окружностей.
6. У одной из планет — Сатурна — существует помимо спутников плоское, очень тонкое, но широкое, кольцо, расположенное в плоскости экватора планеты.
Чтобы объяснить все эти закономерности в строении нашей планетной системы, — которые, очевидно, не могут быть делом случая, — Лаплас предполагал, что наша система представляла некогда обширную газовую туманность, простиравшуюся за пределы орбиты самой далёкой планеты и находившуюся в состоянии Рис. 1. медленного вращения вокруг оси. По мере охлаждения и уплотнения туманности скорость её вращения должна всё увеличиваться и увеличиваться.
Общее количество вращения должно, как уже было указано выше, оставаться постоянным, а потому, по мере уменьшения расстояний частиц от оси вращения, их скорости должны соответственно увеличиваться. Это и приводит к увеличению угловой скорости вращения туманности. Но при увеличении скорости вращения туманность будет всё больше и больше сплющиваться (рис. 1) и примет, наконец, чечевице- образную форму (рис. 2). При дальнейшем увеличении скорости вращения центробежная сила на экваторе станет больше силы притяжения и от туманности оторвётся газообразное кольцо (рис. 3). Процесс будет продолжаться дальше, и мы получим в конце концов ряд колец, расположенных в плоскости экватора туманности.
Затем эти кольца должны разорваться, и отдельные комки материи должны слиться в один ком, вращающийся вокруг своей оси и продолжающий двигаться вокруг Солнца по тому пути, вдоль которого раньше располагалось кольцо. Так, по мысли Лапласа, образовались планеты; подобный процесс привёл к образованию спутников планет.
Сам Лаплас не дал математического обоснования своей гипотезы. Он не доказал, что частицы вещества, находящиеся на экваторе, действительно смогут образовать, при своём отделении, кольцо, а не попросту рассеяться в пространстве. Им не был рассмотрен и механизм превращения кольца в планету, и многие другие возникающие здесь вопросы. Попытки восполнить все эти пробелы показали, что гипотеза Лапласа едва ли правильно воспроизводит картину образования планет, не только в деталях, но, быть может, и в основных чертах. И несмотря на это, идеи Лапласа не остались бесплодными. Напротив, появление его гипотезы можно рассматривать, как зарождение подлинно научной космогонии, так как путь был указан Лапласом правильно. Этот путь заключается в том, чтобы, исходя из твёрдо установленных наукой фактов, делать лишь такие предположения, справедливость которых может быть исследована при помощи точных расчётов.
Только идя этим, намеченным Лапласом путём, можно всё глубже и глубже проникать в тайны развития мира и расширять знания относительно далёкого прошлого и далёкого будущего.
В течение долгого времени гипотеза Лапласа не только не вызывала сомнений, но даже часто излагалась (особенно в популярных книгах), как прочно установленное достижение науки. Но по мере того, как развивалась наблюдательная астрономия, по мере того, как совершенствовались телескопы, стали обнаруживаться такие особенности в движении планет и их спутников, которые плохо согласовывались с картиной развития солнечной системы, нарисованной Лапласом.
Уже в 1815 году, т. е. ещё при жизни Лапласа, был окончательно установлен факт (сначала казавшийся невероятным), что четыре спутника Урана обращаются вокруг него не в том направлении, в котором движутся все планеты солнечной системы, а в обратном. Более того, оказалось, что эти спутники движутся в плоскости, почти перпендикулярной к той, в которой движется сам Уран. Таким образом, спутники Урана совершенно не подчинялись тем закономерностям, из которых исходил Лаплас, создавая свою гипотезу.
Когда в 1847 году был открыт спутник Нептуна, то оказалось, что и он обращается в обратном направлении, В дальнейшем, применение в астрономии фотографических методов наблюдения позволило обнаружить, что и Юпитер, и Сатурн имеют очень маленьких спутников, движущихся в обратном направлении.
Таким образом, если Лапласу при создании своей космогонической гипотезы приходилось объяснять, почему все планеты и спутники движутся в одном направлении, то теперь уже приходится объяснять гораздо более сложную картину движений. Мы должны указать причины, производящие в одних случаях прямые движения, в других — обратные.
Открытые в 1877 году спутники Марса создали затруднения другого рода. Из гипотезы Лапласа следует, что время обращения каждого спутника вокруг планеты должно быть таким же, как время обращения кольца, породившего этого спутника. Но ведь после того как от планеты отделилось кольцо, она продолжала сжиматься, и, следовательно, время её вращения продолжало уменьшаться (потому что угловая скорость вращения увеличивалась). Таким образом, время обращения спутника должно быть всегда больше, нежели время вращения планеты вокруг оси. Однако, для Фобоса — ближайшего из двух спутников Марса, который обращается вокруг планеты в 7 час. 39 мин., — это не имеет места, так как Марс делает полный оборот вокруг своей оси в 24 час. 37 мин. 23 сек.
Кольцо Сатурна, которое Лаплас считал лучшим подтверждением своей гипотезы, представляет аналогичное явление. Когда спектральный анализ позволил определить скорости движения частиц, составляющих кольцо (это было сделано А. А. Белопольским при помощи 30-дюймового рефрактора Пулковской обсерватории), то оказалось, что период обращения внутреннего края кольца равен всего восьми часам, тогда как Сатурн делает полный оборот вокруг оси в 10 час. 14 мин. 24 сек.
Все эти факты могли быть согласованы с гипотезой Лапласа лишь путём различных дополнительных, более или менее искусственных предположений. Например, для объяснения того, что Фобос в своём быстром движении обгоняет поверхность Марса, можно допустить, что когда- то Марс вращался много быстрее — период его вращения был меньше периода обращения Фобоса, — но потом, под действием приливов (производившихся на ещё незастывшем Марсе притяжением Солнца) вращение Марса замедлилось. Однако, тут возникают новые затруднения. Вычисления показывают, что время, нужное для того, чтобы приливы замедлили вращение Марса на требуемую величину, слишком велико.
Ещё труднее объяснить приливами замедление вращения Сатурна, потому что на Сатурне, который отстоит примерно в шесть раз дальше от Солнца, приливы в 250 раз меньше, чем на Марсе.
Не менее серьёзные возражения вызвала гипотеза Лапласа и с теоретической стороны, когда стали пытаться проверить её при помощи точных расчётов. Уже в середине прошлого столетия исследования Роша показали, что процесс отделения колец, даже рассматриваемый только как чисто механический, гораздо сложнее, чем это думали первоначально. Ещё большие трудности возникают, если этот процесс рассматривать как физический, т. е. учитывать не только движение вещества, образующего туманность, но и его физическое состояние.
Допустим, что кольцо так или иначе отделилось. Может ли это кольцо собраться в одно целое и образовать планету? Джине показал, что такое превращение кольца в планету возможно только при совершенно исключительных условиях, выполнения которых нельзя ожидать. Ещё раньше исследования Роша обнаружили, что кольца Сатурна, служившие всегда как бы наглядным доказательством гипотезы Лапласа, не могут образовать спутника. Напротив, их приходится рассматривать скорее как остатки спутника, слишком близко подошедшего к планете и разорванного на части её притяжением.
Несмотря на многочисленные поправки и дополнения, которые приходилось вносить в гипотезу Лапласа по мере открытия несогласовавшихся с ней фактов, в течение всего XIX века наука не отваживалась заменить эту гипотезу другой. Вопрос о такой замене встал только на рубеже XX века, когда была вполне осознана одна весьма важная особенность строения солнечной системы, которую так и не удалось согласовать с гипотезой Лапласа. Эта особенность заключается в том, что почти всё количество вращения, которым обладает солнечная система, связано с орбитальным движением четырёх наиболее массивных планет — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Легко подсчитать, что на долю этих планет приходится больше чем 98 процентов общего количества вращения. Таким образом, на долю Солнца, масса которого в 700 раз превышает массу всех планет, вместе взятых, приходится менее двух процентов общего количества вращения. Такое распределение количества вращения (получающееся вследствие очень больших размеров планетных орбит и очень медленного вращения Солнца) никак не согласуется с гипотезой Лапласа.
Естественно возник взгляд, что то огромное количество вращения, которым обладают планеты по сравнению с Солнцем, было внесено в солнечную систему извне. Этот взгляд лёг в основу новых космогонических гипотез, сменивших в XX веке гипотезу Лапласа. Все они исходят из предположения, что планеты образовались из той материи, которая была выброшена из Солнца или при столкновении его с другой звездой, или при очень близком прохождении другой звезды.
Из таких гипотез, известных под общим наименованием катастрофических, наибольшее распространение получила гипотеза Джинса.
Джинс рассматривает случай тесного сближения Солнца с другой звездой. Благодаря притяжению этой звезды от поверхности Солнца оторвётся в виде струи огромная масса вещества, которая затем будет вращаться вокруг Солнца. Часть этого вещества рассеется и образует газовую туманность чечевицеобразной формы, окружающую Солнце. Но более плотные, более массивные части этой струи образуют сгустки, которые обратятся потом в планеты.
При движении вокруг Солнца сгустки будут собирать своим притяжением рассеянную материю. Вместе с тем, под влиянием испытываемого ими со стороны этой рассеянной материи сопротивления, их орбиты, первоначально сильно вытянутые, будут становиться всё более и более близкими к окружностям, т. е. такими, какие мы наблюдаем у планет.
Эта гипотеза, подробно развитая Джинсом и Джефрейсом, лучше объясняла многие основные черты строения нашей планетной системы, нежели гипотеза Лапласа. Но и она скоро встретилась с трудностями, которые не удалось преодолеть.
Прежде всего, чем точнее делали подсчёты (они были весьма сложны), тем более убеждались, что количество вращения, которым будут обладать образующиеся планеты, всё же значительно меньше того, какое мы имеем в действительности. Оказалось, что ни при каких предположениях относительно условий встречи Солнца со звездой не получаются такие большие орбиты планет, какие мы наблюдаем. Особенно большие затруднения встретились при рассмотрении физической стороны процесса образования планет. Оторванный от поверхности Солнца сгусток вещества будет иметь такую высокую температуру и будет так медленно охлаждаться, что рискует рассеяться в пространстве раньше, чем он успеет образовать планету.
Таким образом, ни небулярную (такое название происходит от латинского слова небула — туманность) гипотезу Лапласа, рассматривающую Солнце вместе со всей планетной системой, как результат закономерного развития вращающейся туманности, ни катастрофические гипотезы, рассматривающие планеты как продукт столкновения (или почти столкновения) двух уже сформировавшихся звёзд, не удалось согласовать с наблюдаемыми фактами.
Изложенная нами вкратце история попыток раскрыть тайну происхождения Земли показывает, насколько труден этот вопрос. Мы видели, что приступить сколько- нибудь успешно к его решению стало возможным лишь после того, как в течение тысячелетий была проделана огромная предварительная работа. Только в последнее время накопленные наукой знания позволили сделать первые серьёзные попытки выяснить хотя бы общий характер процесса, приведшего к образованию планет, а в их числе и нашей Земли.
Когда мощность наших телескопов возрастёт в несколько сот раз (а что это со временем осуществится — сомневаться не приходится), то наша задача сильно упростится. Тогда мы сможем видеть планетные системы, окружающие ближайшие звёзды. Изучение этих систем, сравнение их между собой, сравнение их с нашей солнечной системой даст, без сомнения, очень много для выяснения процесса образования и развития планетных систем.
Но в настоящее время техника не даёт ещё возможности видеть другие планетные системы. Самое большее, на что сейчас можем рассчитывать, — это доказать, что такие планетные системы действительно существуют, что наше Солнце не является исключением. Кое-что в этом направлении уже сделано. За последние годы удалось установить, что некоторые из числа ближайших к нам звёзд испытывают очень небольшие периодические смещения. Такие смещения можно объяснить только притяжением небольших невидимых спутников, обращающихся около этих звёзд. Нужно только заметить, что во всех хорошо изученных случаях эти невидимые спутники оказывались значительно больше наших планет. Их масса оказывалась не меньше чем в 2–3 процента массы звезды, тогда как масса Юпитера — самой большой из наших планет—не составляет и одной десятой процента массы Солнца. Таким образом, пока удалось установить существование систем, ещё не совсем похожих на нашу, хотя, возможно, и не отличающихся от неё принципиально.
При этих условиях, т. е. при полной невозможности изучать в настоящее время другие планетные системы, приходится основываться только на том, что нам может дать внимательное исследование свойств нашей солнечной системы, и итти путём построения космогонических гипотез.
За полтораста лет, прошедших со времени появления небулярной гипотезы Лапласа, было предложено много космогонических гипотез. Как ни убедительно выглядели некоторые из этих гипотез при своём появлении, ни одна из них не выдержала продолжительной научной критики. Новые открытия наблюдательной астрономии, с одной стороны, детальный теоретический разбор — с другой, ещё и ещё раз показывали, что стоящая перед ними проблема очень сложна и что мы хотя и приближаемся к её решению, но своей цели ещё не достигли.
Конечно, работа, затрачиваемая на создание космогонических гипотез и на критический анализ этих гипотез, не пропадает даром. Даже отвергнутые наукой гипотезы всё же почти всегда правильно освещали какую-нибудь сторону вопроса, и потому от них остаются отдельные части, которыми наука может воспользоваться в своём дальнейшем развитии. С полной уверенностью можно сказать, что наука в вопросе о происхождении Земли находится на правильном пути, что часть этого пути, быть может, труднейшая, уже пройдена и что мы всё время продвигаемся вперёд.
В настоящее время наука пробует идти двумя разными путями. Возможно, что эти пути в будущем сольются, но пока каждый из них имеет своих сторонников.
Один путь ведёт свое начало от небулярной гипотезы Лапласа, или, вернее, от заложенной в ней мысли, что планеты являются продуктом внутренних процессов, сопутствующих нормальному развитию звезды. Другой путь, напротив, связывает происхождение планет с воздействием на развитие звезды внешних обстоятельств.
В основе первого пути лежит убеждение, что процесс образования планет нельзя рассматривать изолированно, — его надо изучать как часть неизмеримо более грандиозного процесса образования звёзд и тех гигантских 24 звёздных систем, известных под названием галактик, изучение которых теперь только начинается. Только поняв процесс развития этих звёздных систем, поняв процесс возникновения и развития отдельных звёзд, образующих эти системы, мы можем, согласно этой точки зрения, узнать, как около звёзд могли возникнуть планетные системы, как могла возникнуть наша солнечная система с присущими ей характерными особенностями и как, наконец, среди других планет могла образоваться наша Земля, имеющая также свои индивидуальные особенности.
Не следует думать, что такое расширение задачи делает её обязательно более трудной. Часто бывает, что общий процесс понять легче, нежели отдельную часть этого процесса, рассматриваемую вне связи с целым.
Во всяком случае, для изучения процесса развития звезды у нас есть богатейший фактический материл, так как мы имеем возможность изучать огромное количество звёзд, находящихся на самых разнообразных ступенях своего развития. Это позволяет как бы видеть весь путь развития звезды. Ведь для того, чтобы изучить развитие дуба, необязательно посадить желудь и ждать несколько столетий, пока выросший из желудя дуб разовьётся, начнёт дряхлеть и, наконец, обратится в гниющий пень. Вместо этого можно отправиться в лес, где имеются дубы всех возрастов — от чуть пробивающихся ростков до завершающих свой жизненный цикл деревьев. Вот этим-то путём и идёт наука, изучая развитие звёзд.
Мы знаем, что все звёзды состоят из одних и тех же химических элементов — тех самых, из которых состоит и наша Земля. Но физическое состояние вещества на различных звёздах совершенно различно. Есть очень горячие звёзды, у которых температура наружных слоёв превышает 30 000°. Есть и сравнительно холодные звёзды, излучающие тепло, как тело, нагретое примерно до 2 000°. Наше Солнце имеет промежуточную температуру: его внешние слои нагреты примерно до 6 000°. По направлению к центру Солнца температура быстро возрастает. Теоретические расчёты показывают, что в центре она должна достигать 20 миллионов градусов. Подобное возрастание температуры к центру имеет место во всех звёздах.
Ещё больше различаются звёзды по своим плотностям. Есть звёзды, средняя плотность которых в 40 000 раз больше плотности воды. Но существуют также звёзды, имеющие среднюю плотность в 100 000 раз меньше плотности воды (приблизительно в сто раз меньше плотности окружающего нас воздуха). Солнце и здесь находится между этими крайностями: его средняя плотность в полтора раза превышает плотность воды.
Чрезвычайное разнообразие физических условий, в которых находится вещество различных звёзд, объясняется, конечно, различием возраста этих звёзд. Но какую же звезду следует считать более молодой и какую более старой? Уверенно ответить на этот вопрос стало возможно только в самые последние годы, когда мы начали понимать те процессы, которые происходят на звёздах и поддерживают их излучение. А это, в свою очередь, стало возможным только после того, как физика открыла нам тайны явлений, происходящих внутри атомов.
Весь процесс развития звезды оказался теснейшим образом связанным с так называемыми ядерными реакциями, т. е. с превращениями атомов одних химических элементов в атомы других. Оказалось, что основным источником того невообразимо огромного количества энергии, которое излучается звёздами (в том числе и нашим Солнцем), является образование атомов гелия из атомов водорода.
Теория ядерных реакций, происходящих в веществе звезды, даёт нам общую картину развития звезды. Академиком В. Г. Фесенковым недавно было указано, что в эту общую картину весьма естественно укладывается и образование у звезды планетной системы. Таким образом, в космогонии открываются совершенно новые возможности объяснить происхождение Земли и планет, если рассматривать их, как продукты нормального развития Солнца, а не как результат катастрофических явлений, вроде столкновения с другой звездой.
Согласно развитой В. Г. Фесенковым теории, жизнь звезды слагается из сравнительно длительных периодов, в течение которых излучение звезды поддерживается ядерной реакцией определённого типа, и промежуточных сравнительно быстрых переходов к ядерной реакции другого типа. В течение такого промежуточного состояния звезда, вследствие быстрого охлаждения, значительно уменьшит свои размеры, а это значит, что её скорость вращения соответственно возрастёт. Но при большом увеличении скорости вращения состояние звезды становится неустойчивым, т. е. таким, которое долго сохраняться не может. Что же будет со звездой?
Сначала, по мере увеличения скорости вращения, звезда будет всё более и более сплющиваться и примет форму, изображённую на рис. 1. Развивая математически гипотезу Лапласа, Рош показал, что при дальнейшем возрастании скорости вращения вдоль экватора звезды образуется острое ребро (рис. 2), из которого начнёт выбрасываться вещество звезды. Для частиц, находящихся на этом ребре, центробежная сила равна силе притяжения.
Таким образом, эти частицы становятся «невесомыми» и потому теряют связь со звездой. Это выброшенное вещество и составит, по мнению Роша, то кольцо (рис. 3), которое обратится потом в планету. Так предполагает гипотеза Лапласа. На самом деле, как уже было сказано, выделяющиеся частицы будут постепенно рассеиваться в пространстве и не смогут образовать кольцо.
Но мы теперь знаем, что дело будет происходить таким образом только в том случае, когда звезда имеет очень сильное уплотнение в центре. Если же центральное сгущение не очень велико, то при соответствующем увеличении скорости вращения звезда, вместо формы, изображённой на рисунке 3, примет грушевидную форму, показанную на рисунке 4.
Исследования А. М. Ляпунова доказали, что грушевидная форма вращающейся массы неустойчива. Звезда может иметь такую форму лишь самое короткое время и вслед за этим от неё отделится часть массы (рис. 5). После этого звезда (как бы сбросив с себя тот избыток количества вращения, который создавал неустойчивость) станет вращаться медленнее. Теперь она будет уже в устойчивом состоянии — по крайней мере до тех пор, пока дальнейшее сжатие (вызванное дальнейшим охлаждением) не увеличит снова скорость её вращения до критического предела.