Однако, как ни привлекательна гипотеза о пыльном космическом облаке, «сплющенном» в диск благодаря вращению, она приводит к серьезным парадоксам. Если бы такое облако действительно вело себя, как фигурист, выполняющий «винт», то Солнечная система сегодня вращалась бы намного быстрее и под воздействием центробежной силы не сжалась бы до нынешнего, весьма небольшого, размера. Даже если бы изначально облако вращалось очень медленно, сжатие должно было охватить огромные расстояния, и потому наше облако уже нельзя сравнить с обычным фигуристом, который в «винте» подтягивает ничем не занятые руки к корпусу, – скорее это фигурист, у которого на руках повисли стопудовые гири, а сами руки при этом раскинуты на многие километры.
Отдаленные туманности, похожие на облако, из которого родилась Солнечная система, вращаются крайне медленно. Энергия вращения, особенно кинетическая, обычно составляет несколько процентов от общей энергии облака и по природе своей является преимущественно гравитационной – полученной в результате сжатия облака, разогревающей газ и запускающей термоядерные реакции водорода и формирование звезд. Если бы гигантское облако сжалось до размеров Солнечной системы, даже такая небольшая энергия вращения заставила бы Солнце вращаться намного быстрее, чем мы наблюдаем сейчас. Сама Солнечная система вращалась бы гораздо быстрее, чем позволяют нынешние орбиты наших планет. Тем не менее центробежная сила не позволила бы Солнечной системе сжаться до ее нынешнего размера, и Юпитер, расположенный в пять раз дальше от Солнца, чем Земля, оказался бы за пределами орбиты Нептуна, который отстоит от Солнца в 30 раз дальше, чем Земля. Каким‑то образом Солнечная система в процессе сжатия потеряла энергию вращательного движения или, что не совсем то же самое, «момент импульса». Это подводит нас к парадоксу момента импульса в физике Солнечной системы, парадокса, который до сих пор не объяснен. Его объясняют разными влияниями – от магнитных полей до турбулентности, «отнимающей» момент импульса Солнца и выталкивающей его из Солнечной системы, но ни одна из догадок не утвердилась в качестве основной. В любом случае Солнечная система смогла (непонятно каким образом) решить проблему с моментом импульса, и протосолнечное облако сжалось в хорошенький диск размером с Солнечную систему, что в итоге позволило Юпитеру двигаться по его текущей орбите. Это первоначальное сжатие было очень быстрым (в геологической шкале времени) – вероятно, около 100 000 лет.
Пора рассказать, что такое момент импульса. Понимание этого явления так или иначе пригодится нам далее. Импульс – это физическая величина, являющаяся мерой механического движения тела и способная передавать это движение другим объектам соответственно его массе и скорости. Импульс равен произведению массы тела на его скорость. Автомобиль, который едет со скоростью 100 км/ч, имеет больший импульс, чем едущий с той же скоростью мотоцикл, и передаст больший импульс силы другому объекту при столкновении с ним. Так же рассчитывается момент импульса вращающегося тела (на месте или вокруг точки по орбите), только масса тела умножается на угловую скорость (обычно в оборотах в минуту) и затем на квадрат действительного размера системы. Под «действительным размером» я подразумеваю расстояние от оси вращения до места, где сосредоточена бóльшая часть массы тела. Колесо велосипеда, бóльшая часть массы которого сосредоточена в ободе, весящее 1 кг и совершающее 100 оборотов в минуту, будет иметь больший момент импульса, чем, например, тонкое веретено весом 1 кг, вращающееся с такой же скоростью. Разницу в движении, которое эти два тела передадут другим объектам, легко визуализировать – просто представьте, как вы останавливаете тот и другой объект рукой.
Поскольку бóльшая часть планетарной массы Солнечной системы досталась Юпитеру, а сам он находится весьма далеко от Солнца, момент импульса Солнечной системы должен быть на орбите Юпитера. Если бы на каком‑то этапе момент импульса протосолнечного облака не был утрачен, Солнце вращалось бы намного быстрее, момент импульса Юпитера был бы значительно больше и сама эта планета располагалась бы намного дальше от Солнца, чем сейчас.
Первоначально протосолнечный диск состоял из газа и примесей: водород, некоторое количество гелия, пыль, лед, элементы, созданные в гигантских звездах за несколько миллиардов лет… Все это вращалось вокруг центральной массы облака, которая вскоре должна была стать Солнцем. Это движение создавало эффект центробежной силы, препятствующей дальнейшему сжатию диска внутрь себя. Однако газ обращается вокруг центральной массы облака не так, как планеты обращаются вокруг Солнца.
Движение планеты по околосолнечной орбите – результат баланса между центростремительной силой притяжения Солнца и центробежным выталкиванием наружу в результате обращения планеты вокруг своей оси. Положение планеты на орбите определяется законами Кеплера. Протосолнечный диск ведет себя иначе: к центру он уплотняется, формирующееся Протосолнце разогревает газ, отчего давление здесь выше, чем в более холодных окраинных частях. Из‑за этой разницы давлений диск слабее притягивается к Протосолнцу, чем летящая в вакууме планета. Поэтому облако движется по орбите чуть медленнее, чем планета и все небесные тела, движущиеся по Кеплеровым орбитам. Что и говорить, звучит это весьма загадочно, но без этого нельзя понять еще одну загадку формирования нашей Солнечной системы.
Планеты Солнечной системы сформировались из мельчайших частиц в газопылевом диске в то же время, когда бóльшая часть массы диска смещалась к центру облака, чтобы сформировать Солнце. Потребовались бы десятки миллионов лет, чтобы Солнце поглотило всю массу диска, только после этого Солнце бы загорелось и в нем начались термоядерные реакции. А прямо перед началом термоядерных реакций Протосолнце сделало бы невозможным дальнейшее формирование планет (мы вкратце обсудим почему). Таким образом, планетам, особенно большим, следовало бы поторопиться сформироваться до того, как Солнце бы зажглось, – и это была не единственная их проблема.
Как только в облаке сформировался диск, твердые частицы пыли и льда стали присоединяться друг к другу посредством электростатических сил (таких, как статическое электричество и некоторые другие явления, например силы Ван‑дер‑Ваальса, которые я оставлю читателю для самостоятельного ознакомления), поскольку они еще были недостаточно массивными, чтобы притягиваться друг к другу силой гравитации. Турбулентные завихрения газа, вероятно, позволили частицам льда и пыли зависнуть поблизости друг от друга и вращаться достаточно долго, чтобы сцепиться. Весьма похоже на то, как образуются комки пыли (по крайней мере, у меня дома).
Но для создания даже маленькой планеты первые частички пыли, минеральные и ледяные, должны были расти, чтобы силой собственной гравитации притягивать больше массы и увеличиваться. Проще сказать это, чем сделать. Когда собирающиеся частички были очень малы (порядка микрона, примерно размером с бактерию), они свободно летали по газовому диску, двигаясь с газом и в то же время присоединяясь друг к другу электростатическими силами. Став достаточно большими, скажем, диаметром 1 см или больше того, частицы стали сильнее испытывать притяжение Протосолнца и слабее – силу выталкивания наружу давлением газа. В результате их вращение вокруг Протосолнца стало походить на то, как обращаются по орбитам планеты, уже точнее соблюдая траектории Кеплеровых орбит. Эти сформированные куски будут лететь по орбите быстрее, чем газ в диске, и поэтому встретят сопротивление газа – оно замедлит их движение и направит по спирали к центру облака.
Если этим кускам удается стать достаточно большими и достичь размера планетезимали (небесного тела размером с маленький астероид, скажем, от 10 м до 1 км), они могут двигаться сквозь газ, почти не испытывая встречного сопротивления и не скручиваясь по спирали к центру облака (или скручиваясь, но очень медленно), и уцелеть в противостоянии с газом (который будет вытеснен, о чем пойдет речь ниже). Достигнув километрового диаметра, эти тела, уже достаточно тяжелые, смогут притягивать еще больше массы и расти еще быстрее.
В то же время объекты среднего размера, от нескольких сантиметров до метра в диаметре, подвергнутся сильному встречному сопротивлению газа, которое заставит их быстро закручиваться по спирали и сгинуть в Протосолнце всего через 200 лет – мгновение по космическим меркам! Вдобавок эти куски будут недостаточно тяжелыми, чтобы притягивать друг друга, наоборот, они будут взаимно отталкиваться.
Образовавшиеся из крошечных пылинок планеты должны нарастить массу и вырасти с нескольких сантиметров до метра (а из‑за своего размера они не очень‑то хорошо схватывались друг с другом), чтобы не улететь по спирали прямо в Протосолнце. И дорасти до метрового размера планеты должны невероятно быстро – за несколько сотен лет, в противном случае они сгинут. Этот парадокс, называемый барьером одного метра, также пока не разрешен. Однако новые исследования показывают, что давление растущих комков пыли на газ заставляет их сбиваться в кластеры – сплотившись в кучи большей массы, они защищают друг друга от встречного сопротивления газа, прямо как велосипедисты на «Тур де Франс».
В то время как накапливались первые комочки пыли, коллапсирующая масса в центре облака нагревалась, становясь звездой. Еще до начала термоядерных реакций эта масса уже была достаточно горячей, чтобы нагреть внутреннюю часть газового диска. Комочки пыли, собравшиеся в более горячем внутреннем диске, представляли собой в основном минеральные соединения, в конечном счете из них образовались камни. Во внешних частях будущей Солнечной системы было достаточно прохладно, там могли скапливаться льды и жидкости, такие как вода, метан и аммоний. Граница между двумя этими областями называется снеговой линией, она проходит недалеко от орбиты Юпитера – между орбитами Марса и Юпитера.
Из‑за давления газа на мелкие частицы, о котором говорилось выше, крупицы и кусочки льда, стремящиеся по спирали к центру облака, испарились бы при пересечении снеговой линии, и высвобождение газа привело бы к появлению зон с относительно высоким давлением. Газ в диске за пределами зон высокого давления испытывал бы воздействие силы, направленной наружу, что способствовало бы дальнейшему ослаблению гравитации, заставляя газ двигаться по орбите Протосолнца еще медленнее. Это вызвало бы еще большее встречное сопротивление и давление на летящие быстрее твердые частички, что ускорило бы их движение по спирали в снеговую линию. Газ в пределах снеговой линии и зон высокого давления вызвал бы дополнительное давление, направленное внутрь, по направлению к Протосолнцу, что усилило бы гравитационное притяжение, заставляя газ вращаться быстрее, чем твердые частицы, уже не оказывая им сопротивления, а создавая «попутный ветер». Частицы могли подняться на более высокую орбиту и выйти по спирали в обратную сторону. По существу, частицы будут втягиваться в обладающую высоким давлением снеговую линию с обеих сторон, и она будет действовать как ловушка для крупиц льда. (Весьма неожиданный эффект, ведь жидкости обычно устремляются к зонам низкого давления, достаточно вспомнить обычный слив. Но взаимодействие газа и частиц во вращающемся диске гораздо сложнее, чем поток воды, стекающей из ванны.)