Новая астрономическая революция

Попытки объяснить эти и другие новейшие открытия столкнулись с рядом принципиальных трудностей, преодоление которых связано с необходимостью совершенствования теоретико-методологического инструментария современной астрономии. Все это привело к значи­тельному возрастанию количества разрабатываемых астрофизических и космологических моделей, концепций, опирающихся на раз­ные принципы и не связанных пока единой фундаментальной теорией.

На этом фоне интенсивно происходят дифференциация и интег­рация знаний о Вселенной. Не только выделяются новые отрасли теоретической и наблюдательной астрономии, но и возникают прикладные отрасли астрономии в связи с успехами космической техни­ки. В то же время возрастает роль общетеоретических интегративных принципов, понятий, установок, которые формируются под вли­янием математики, физики, других естественных и даже гуманитар­ных наук. Изменяется место астрономии в системе научного знания: она сближается не только с естественными и математическими, но и с гуманитарными науками, философией.

По сути, во второй половине XX в. астрономия вступила в период научной революции, которая изменила способ астрономического по­знания — на смену классическому пришёл «неклассический» способ астрономического познания. Свидетельством этого является ради­кальная смена методологических установок астрономического по­знания и астрономической картины мира.

Рассмотрим сначала основные элементы современной астроно­мической картины мира, а затем методологические установки не­классической астрономии.

Солнечная система

Планеты и их спутники

Земля — спутник Солнца в мировом пространстве, вечно кружащийся вокруг этого источника тепла и света, делающего возможной жизнь на Земле. Самыми яркими из постоянно наблюдаемых нами небес­ных объектов кроме Солнца и Луны являются соседние с нами плане­ты. Они принадлежат к числу тех девяти миров (включая Землю), которые обращаются вокруг Солнца (а его радиус 700 тыс. км, т.е. в 100 раз больше радиуса Земли) на расстояниях, достигающих не­скольких миллиардов километров. Группа планет вместе с Солнцем составляет Солнечную систему. Планеты хотя и кажутся похожими на звезды, в действительности гораздо меньше последних и темнее. Они видны только потому, что отражают солнечный свет, который кажется очень яркими, поскольку планеты гораздо ближе к Земле, чем звезды. Но если бы мы перенесли на ближайшую звезду наши самые мощные телескопы, то и с их помощью не смогли бы увидеть эти спутники Солнца.

Кроме планет, в солнечную «семью» входят спутники планет (в том числе и наш спутник — Луна), астероиды, кометы, метеорные тела, солнечный ветер. Планеты расположены в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля (один спутник — Луна), Марс (два спутни­ка — Фобос и Деймос), Юпитер (15 спутников), Сатурн (16 спутни­ков), Уран (5 спутников), Нептун (2 спутника) и Плутон (один спутник). Земля к Солнцу в сорок раз ближе, чем Плутон, и в два с поло­виной раза дальше, чем Меркурий. Возможно, что за Плутоном есть еще одна или несколько планет, но поиски их среди множества звезд слабее 15-й величины слишком кропотливы и не оправдывают затра­ченного на них времени. Возможно, они будут открыты «на кончике пера», как это уже было с Ураном, Нептуном и Плутоном. Планеты должны быть и около многих других звезд, однако прямые наблюда­тельные данные о них отсутствуют, а есть только некоторые косвен­ные указания.

С 1962 г. планеты и их спутники успешно исследуются космичес­кими аппаратами. Изучены атмосферы и поверхность Венеры и Марса, сфотографированы поверхность Меркурия, облачный покров Венеры, Юпитера, Сатурна, вся поверхность Луны, получены изображения спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера. Спускаемые космические аппараты, исследовали физичес­кие и химические свойства пород, слагающих поверхность Марса, Венеры, Луны (образцы лунных пород были доставлены на Землю и тщательно изучены).

По физическим характеристикам планеты делятся на две группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс); планеты-ги­ганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). О Плутоне известно мало, но, по-видимому, он ближе по своему строению к планетам земной группы.

11.3.2. Строение планет

Строение планет слоистое. Выделяют несколько сферических оболо­чек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам.

Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых (сосредоточена почти вся их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Земля имеет жидкую оболочку из воды — гидросферу, а также биосферу (результат прошлой и современной деятельности живых организмов). Аналогом земной гидросферы на Марсе является криосфера — лед в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок Солнечной системы — дефицит воды на Венере.

Характеристики твердых оболочек планет относительно хорошо известны лишь для Земли. Модели внутреннего строения других планет земной группы строятся главным образом на основании данных о свойствах вещества земных недр. Как и у Земли, в твердых оболоч­ках планет выделяют: кору - самую внешнюю тонкую (10—100 км) твердую оболочку; мантию — твердую и толстую (1000—3000 км) обо­лочку; ядро — наиболее плотная часть планетных недр.

Ядро Земли, состоящее, скорее всего, из железа, подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое); температура в центре Земли оценивается в 4000—5000 К. Жидкое ядро, вероятно, есть также у Меркурия и Венеры; у Марса его, по-видимому, нет.

Наиболее распространены в твердом «теле» Земли железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%) и магний (12,7%).

Таким образом, планеты земной группы резко отличаются по элементному составу от Солнца и совершенно не соответствуют сред­ней космической распространенности элементов — очень мало водо­рода, инертных газов, включая гелий.

Планеты-гиганты обладают иным химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Со­лнце. Вероятно, другие элементы также содержатся в пропорциях, соответствующих солнечному составу. В недрах Урана и Нептуна, по-видимому, больше тяжелых элементов.

Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением небольшого ядра, которое представляет собой результат металлиза­ции жидкого водорода. Температура в центре Юпитера около 30 000 К. Химический и изотопный состав Юпитера отражает, по-ви­димому, состав межзвездной среды, какой она была 5 млрд лет назад. Вместе с тем Юпитер никогда не был настолько горяч, чтобы в нем могли протекать термоядерные реакции. Сатурн по внутреннему строению похож на Юпитер. Строение недр Урана и Нептуна иное: доля каменистых материалов в них существенно больше.

Основными источниками энергии в недрах планет являются ра­диоактивный распад элементов и выделение гравитационной потен­циальной энергии при аккреции и дифференциации вещества, его постепенном перераспределении по глубине в соответствии с плот­ностью — тяжелые фрагменты тонут, легкие всплывают. На Земле подобное перераспределение еще далеко не завершилось. Такие про­цессы вызывают перемещения отдельных участков земной коры, де­формацию, горообразование, тектонические и вулканические про­цессы. Причина вулканических процессов в следующем. В верхней мантии существуют небольшие области, где температура достаточна для плавления ее вещества. Расплавленное вещество (магма), выдав­ливающееся вверх, прорывается через кору, и происходит вулкани­ческое извержение. Судя по характеру поверхности, среди планет земной группы тектонически наиболее активна Земля, за ней следуют Венера и Марс. При этом важно, что выделяемая Землей тепловая энергия никогда не приводила ее в полностью расплавленное состо­яние.

Поверхность планет и их спутников формируют кроме эндоген­ных (тектонических, вулканических) процессов и экзогенные—паде­ние метеорных тел (кратеры), эрозия под действием ветра, осадков, воды, ледников, химическое взаимодействие поверхности с атмосфе­рой и гидросферой и др. Эндогенные и экзогенные процессы опре­деляют рельеф поверхности планет.

11.3.3. Происхождение планет

Предполагается, что планеты возникли одновременно (или почти одновременно) 4,6 млрд лет назад из газово-пылевой туманности, имевшей форму диска, в центре которого располагалось молодое Солнце. Образование звезд и планетных систем — это, по-видимому, все-таки единый процесс, происходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивос­ти. Таким образом, протопланетная туманность образовалась вместе с Солнцем из межзвездного вещества, плотность которого превысила критические пределы. По некоторым данным (присутствие специфи­ческих изотопов в метеоритах), такое уплотнение произошло в ре­зультате относительно близкого взрыва сверхновой звезды. Взрыв сверхновой мог ускорить и стимулировать процесс конденсации, а также обеспечить содержание в составе газовой туманности тяжелых элементов. Допланетное облако было мало массивным. Если бы его масса превышала 0,15 массы Солнца, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Протопланетное облако было неустойчивым, оно становилось все более плоским, конденсировалось в уплотненный диск, в нем возникали неустойчивости, которые приводили к образованию ряда колец, а газовые кольца превращались в газовые сгустки — протопла­неты. Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших и больших разме­ров, и в относительно короткий срок (10ⁿ лет, где, по разным оценкам, n = 5—8) сформировались девять больших планет.

В настоящее время господствует идея холодного, а не горячего, начального состояния Земли и других планет Солнечной системы, которые возникли в результате аккреции (объединения) частиц и твердых тел газово-пылевого протопланетного облака, окружавшего Солнце. Однако пока не решен вопрос, была ли Земля гомогенна или гетерогенна к концу своего формирования, образовались ли ядро, мантия и кора в результате гетерогенной аккреции или же наша планета создавалась из гомогенного материала, который затем под­вергался дифференциации в процессе последующей геологической истории. Большинство исследователей придерживаются модели ге­терогенной аккреции, хотя вопрос о разделе вещества допланетного облака на железные и силикатные частицы пока окончательно не решен.

Астероиды, кометы, метеориты являются, вероятно, остатками материала, из которого сформировались планеты. Астероиды сохра­нились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее боль­шинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Аналогичные каменистые тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно либо присоединились к этим планетам, либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены на пределы этой зоны вследствие гравитаци­онного воздействия планет.

Происхождение систем регулярных спутников (т.е. движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежа­щим в плоскости ее экватора) авторы космогонических гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, который они предлагают для объяснения образования планет Со­лнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана. Происхождение иррегулярных спутников (т.е. таких, которые обла­дают обратным движением) эти теории объясняют захватом.

Что касается Луны, то наиболее вероятным является ее образова­ние на околоземной орбите (возможно, из нескольких крупных спут­ников, которые в конечном счете объединились в одно тело — Луну, что обеспечило ее быстрое нагревание), хотя продолжают обсуж­даться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой Луны и отделения Луны от Земли.