Космогоническая гипотеза происхождения коронавируса
На протяжении нескольких веков космогония — астрономическая дисциплина, изучающая возникновение и развитие планетных систем, — занималась лишь умозрительными гипотезами. Однако в последние десятилетия ситуация радикально изменилась. Теперь космогонические исследования прочно опираются на фундамент физических законов, точных компьютерных моделей и данных наблюдений планетных систем у других звезд.
За полвека до появления теории всемирного тяготения Рене Декарт рассуждал о мировом эфирном вихре, в котором, как пыль на оси смерча, сгущается Солнце, а вокруг вихри поменьше формируют планеты. Это была первая вполне научная космогоническая гипотеза, которая объясняла, почему планеты обращаются вокруг Солнца в одной плоскости и в одном направлении.
Спустя почти два века Пьер Симон Лаплас писал уже о сжатии первичной туманности под действием гравитации и о том, что ее вращение будет при этом ускоряться в соответствии с законом сохранения момента импульса. Когда вращение, полагал он, становится слишком быстрым, от экватора будущего Солнца отделяются кольца газа, из которых потом формируются планеты.
Мало кто знает, что идеи эволюции связаны с именем Чарлза Дарвина не только в биологии, но и косвенным образом в астрономии. Его сын Джордж Дарвин долгое время исследовал эволюцию системы Земля — Луна под действием приливных сил и возмущений других планет. Признанием его заслуг стала кафедра астрономии в знаменитом Тринити-колледже в Кембридже, где когда-то преподавал Исаак Ньютон, а также избрание председателем Королевского астрономического общества.
На рубеже XIX и XX веков Джордж Дарвин предложил своему студенту Джеймсу Джинсу изучить вопрос о равновесии газового облака в космическом пространстве: при каких условиях давление газа может уравновесить его собственное тяготение. Исследовав задачу, Джинс неожиданно пришел к выводу, что она не имеет решений. Расчеты, опубликованные в 1902 году, показывали, что любое космическое облако обречено либо на рассеяние, либо на неудержимое сжатие под действием собственного тяготения. Такой исход зависит от соотношения трех параметров: размеров, плотности и температуры облака. Маленькое разреженное и горячее облако рассеется, большое плотное и холодное — сожмется. Если достаточно обширное пространство однородно заполнить газом, то он из-за случайных флуктуаций плотности самопроизвольно распадется на облака, размер которых определится температурой и плотностью. В горячем газе фрагменты будут крупнее, в холодном — меньше.
Казалось, открытие Джинса подкрепляло гипотезу Лапласа, однако оно не помогало справиться с главной проблемой космогонии — парадоксальным распределением углового момента между Солнцем и планетами. В результате сам Джеймс Джинс отбросил небулярную гипотезу и предположил, что планеты — следствие редкой катастрофы: сближения (почти столкновения) с Солнцем другой звезды, которая своим тяготением увлекла в космос и закрутила вокруг Солнца часть его вещества. Забавно, что гипотеза Джинса прямо противоречила его же собственной теории неустойчивости космических облаков: горячий газ, вырванный с поверхности Солнца, ни за что не сконденсируется в планету, а бесследно рассеется в пространстве. Тем не менее гипотеза Джинса долгое время была весьма популярна среди публики, всегда падкой на рассказы о катастрофах. Окончательно от нее отказались только к 1940-м годам, когда выяснилось, что в ней все равно не удается получить нужное распределение углового момента. Астрономам ничего не оставалось, как вернуться к небулярной гипотезе.
В самый разгар Великой Отечественной войны, в 1943 году, советский математик Отто Юльевич Шмидт выдвинул гипотезу, согласно которой Солнце, двигаясь по Галактике, увлекло своим притяжением холодную пылевую туманность. На возражения астрономов о невозможности гравитационного захвата при сближении двух тел Шмидт отвечал, что одновременно с Солнцем мимо туманности, вероятно, проходила другая звезда, которая и помогла захватить вещество. Получилась еще одна сомнительная катастрофическая гипотеза, каких в первой половине XX века выдвигалось множество. Но заслуга Шмидта состояла том, что, несмотря на сомнения, он рискнул исследовать детали эволюции околосолнечного протопланетного облака, чем до него почти никто всерьез не занимался. Созданная им научная группа в 1945 году стала отделом эволюции Земли в Институте теоретической геофизики (ныне Институт физики Земли РАН имени О.Ю. Шмидта). Разрабатывая гипотезу своего руководителя, сотрудники отдела глубоко ее переработали: отбросили идею о случайном захвате облака, а его состав сделали смешанным газопылевым.
 Компьютерное моделирование показывает, что космические пылинки имеют рыхлую неоднородную структуру. Рис. Eva Kovacevic В итоге к 1960-м годам сформировался следующий классический сценарий образования планетной системы. При сжатии первичной туманности примерно 5—10% вещества образуют вокруг Солнца газопылевой диск. Из-за аэродинамического трения пыль быстро оседает сквозь газ к плоскости диска и формирует тонкий пылевой субдиск. В нем возникают сгущения, из которых вырастают планетезимали — скрепляемые гравитационными силами плотные объекты примерно километрового размера. Они укрупняются в столкновениях, формируя зародыши планет диаметром тысячи километров, которые своим притяжением собирают остатки газа, пыли и более мелких планетезималей, а затем, сливаясь друг с другом, превращаются в планеты. Хотя от идей Шмидта в этом сценарии осталось не так уж много, в России его принято называть именем основоположника. В мире же он больше известен по работам астронома Виктора Сафронова, который пришел в отдел Шмидта в 1949 году и в течение полувека развивал эту теорию. И все же модель Шмидта так и не разрешила ключевых проблем космогонии: откуда взялось протопланетное облако, почему оно стало сжиматься, как из пыли образовались планетезимали и в чем же все-таки причина перераспределения углового момента? Шведский физик Ханнес Альфвен, как и Шмидт, увлекся космогонией во время войны. Он был специалистом по электромагнитным явлениям и заложил основу целого научного направления — магнитной гидродинамики. Плазменные волны в магнитном поле, открытые им в 1950 году и названные его именем, принесли ему спустя 20 лет Нобелевскую премию. Опираясь на свои исследования в области электромагнетизма, Альфвен периодически выдвигал весьма смелые астрофизические гипотезы. Так, еще в 1937 году он предсказал существование галактических магнитных полей, а занявшись космогонией, опубликовал с 1941 по 1945 год целую серию статей о влиянии электромагнитных явлений на динамику газового протопланетного диска. Впрочем, и пыль тоже необходима для образования звезд и планет. Газ в Галактике весьма разрежен и сам по себе не сжимается. Ударные волны от взрывающихся звезд и предсказанные Альфвеном галактические магнитные поля местами уплотняют его, но этого вряд ли хватило бы для запуска джинсовской неустойчивости, если бы не космическая пыль. Крошечные ядра пылинок размером в сотые доли микрона образуются при конденсации тугоплавких веществ в атмосферах холодных красных звезд. Давление излучения выбрасывает их в космос, где на поверхности пылинок оседают и вступают в химические реакции атомы газов. Так в межзвездной среде образуются относительно сложные молекулы, в том числе органические. Сдерживает рост пылинок ультрафиолетовое излучение звезд, выбивающее с их поверхности атомы и молекулы. В межзвездной среде на пыль приходится всего тысячная доля массы, но именно она служит системой охлаждения газовых облаков. Сталкиваясь с атомами газа, пылинки поглощают энергию удара, а потом испускают ее в виде теплового инфракрасного излучения. Там, где межзвездная среда уже немного уплотнена, пылинки чаще сталкиваются с атомами, быстрее растут и эффективнее охлаждают газ. Достигнув микронных размеров, они заслоняют свет звезд, делая облако непрозрачным для ультрафиолета. Теперь, когда их росту ничто не мешает, пылинки буквально вымораживают облако изнутри, охлаждая его иногда ниже 3 градусов Кельвина — температуры вездесущего микроволнового фона. Вместе с температурой падает давление газа, а значит, и его способность противостоять самогравитации. В полную силу начинает работать джинсовская неустойчивость, и газопылевое облако разваливается на холодные черные фрагменты, которые медленно обрушиваются внутрь самих себя. Сжимаясь в миллионы раз, облако пропорционально ускоряет свое вращение. Изначально оно было едва заметно и вызвано особенностями прохождения ударных волн и гравитационными возмущениями со стороны соседних звезд. Но при сжатии газ может раскрутиться до такой степени, что облако разделится пополам и даст начало двойной звезде. Половинки облака сжимаются дальше и могут вновь разделиться — так появляются иерархические двойные звезды. Когда же закрутки для такого разделения не хватает, основная масса формирует центральное сгущение — протозвезду, а остаток образует вокруг нее газопылевой диск, в котором начинается сложный процесс формирования планет.
Если прижать друг к другу две крошечные пылинки, они могут соединиться силами межмолекулярного притяжения. Радиус действия этих сил сравним с размерами атома, и они могут связать частицы, только если те сближаются очень медленно, как будто происходит стыковка крошечных космических кораблей. Сталкивающиеся даже на небольшой скорости пылинки молекулярным силам не удержать. Необходим какой-то иной механизм, заставляющий пылинки слипаться, а не отскакивать друг от друга, как горошины. Американский астрофизик Аластер Кэмерон, например, предположил в конце 1970-х годов, что во внутренней части диска железные частицы расплавлены излучением центральной звезды и при столкновениях сливаются. Более убедительные идеи стали появляться только в последние 10—20 лет. В 2002 году немецкие ученые показали, что если пылинки в протопланетном диске были слегка намагничены, это может в тысячу раз повысить скорость их объединения. Свои теоретические выкладки авторы вскоре подтвердили серией экспериментов с намагниченными частицами в условиях микрогравитации (при суборбитальных полетах). За считанные минуты из свободно плавающих в вакууме пылинок формировались беспорядочно изогнутые длинные нити и сети, которые тут же начинали сталкиваться и слипаться. Возможно, именно так укрупнялись пылинки в близких к Солнцу горячих областях протопланетного диска. Правда, у поляризованных пылинок есть враг — ионы и свободные электроны, которые притягиваются к заряженным концам и нейтрализуют их. Поэтому эффективность электростатического механизма слипания пылинок зависит от степени ионизации протопланетного диска. А она, в свою очередь, возникает под воздействием жесткого излучения соседних звезд. И тут важную роль играет слоистая структура протопланетного диска. Большая часть жесткого излучения поглощается в его внешнем слое, так что в глубине, где находится тонкий пылевой субдиск, ионов должно быть не слишком много и пылинки успевают заметно подрасти. Группа Коуина также обнаружила, что лед, образующийся при вакуумной конденсации, имеет нанопористую структуру и, несмотря на твердость, оказывается удивительно неупругим: в лабораторных экспериментах при неразрушающем соударении в тепло переходило 80—90% энергии удара. Если пылинки в протопланетном диске покрыты таким льдом, они будут слипаться гораздо охотнее обычных песчинок. Впрочем, есть и не столь экзотичные идеи. Пылинки могут быть просто покрыты тонким слоем органических соединений, образовавшихся на них еще в межзвездной среде. При нагреве в протопланетном диске органика может обволакивать пылинки тонким слоем вязкой липкой грязи, за счет которой они будут легко склеиваться друг с другом. Выдающийся американский космогонист Джордж Уэзерилл в конце 1980-х годов разработал одну из первых программ для моделирования процесса укрупнения планетезималей. Сегодня в подобные численные модели вводят различные предположения о начальных условиях в диске и свойствах планетезималей и смотрят, как распределятся зародыши планет по орбитам и какой у них будет состав. Продолжив моделирование, можно получить строение готовой планетной системы.
|
