Газы, льды, каменистое и металлическое вещество

“В мире вечного движенья,

В превращеньях вещества,

Возникают на мгновенья

Все живые существа.

Но, явившись на мгновенье,

Знать уж хочет существо, -

В чем же вечное движенье?

Что такое вещество?”

Н. Морозов

После того как в конце пятидесятых - начале шестидесятых годов XX века были решены основные физико-механические проблемы небулярной гипотезы, фокус внимания ученых, занимающихся вопросами образования Солнечной системы, переместился на проблемы космохимии. Действительно, любая гипотеза, претендующая на правдоподобность, должна объяснять не только характер движения входящих в Солнечную систему небесных тел, но и особенности их химического состава.

Время поставило перед наукой новую задачу - выяснить, по крайней мере в основных чертах, пути химической эволюции Солнечной системы. Но можем ли мы хоть что-нибудь сказать о химическом составе первичной газо-пылевой туманности, ведь как таковой ее уже не существует несколько миллиардов лет? Оказывается - да, более того, определение элементного состава первичной газо-пылевой туманности является относительно несложной космохимической задачей. Дело в том, что почти все вещество туманности оказалось сосредоточенным в центральном теле системы - Солнце. В первом приближении можно ожидать, что его элементный состав должен быть близок элементному составу первичной туманности. А состав Солнца, благодаря спектральным исследованиям излучаемого им света, в настоящее время известен ученым очень хорошо.

Выяснилось, что на Солнце присутствуют почти все элементы таблицы Менделеева, правда, количественно они представлены крайне неравномерно. Около 98,4% массы Солнца составляют водород и гелий (в примерном соотношении три к одному). На все остальные элементы приходится лишь около 1,6%. Из них наиболее заметную роль играют кислород (0,8%), углерод (0,4%), азот и железо (по 0,1%). Далее в порядке убывания идут: кремний, неон, магний, сера и никель, содержание которых измеряется сотыми долями процента, а все остальные элементы присутствуют на Солнце в еще меньших количествах. К настоящему времени на Солнце установлено наличие и определено содержание 73 химических элементов. Не вызывает никакого сомнения, что на Солнце присутствуют еще 10 химических элементов, известных на Земле, просто их содержания ниже чувствительности современных методов.

От этих данных можно почти напрямую перейти к элементному составу первичной туманности, правда, надо иметь в виду, что находящийся сейчас на Солнце гелий частично образовался в его же недрах в ходе термоядерного “горения” водорода. Суммарное же содержание водорода и гелия в первичной туманности составляло те же 98,4% от ее массы, что и в настоящее время на Солнце. Содержание остальных химических элементов в первичной туманности должно соответствовать их современному содержанию на Солнце (строго говоря, некоторые незначительные поправки еще надо ввести на учет радиоактивных превращений элементов и на “сгорание” в термоядерных реакциях на Солнце наиболее легких элементов - лития, бериллия и бора).

Итак, элементный химический состав первичной туманности в настоящее время известен достаточно хорошо. Но в каком физическом состоянии находилось это вещество? Ответить на этот вопрос можно, выяснив, во что превратится фрагмент солнечного вещества, если дать ему медленно остыть - иными словами, надо проследить его обратную эволюцию. Разумеется, ученым никогда не удастся взять для такого опыта пробу настоящего солнечного вещества, да это и не требуется, - ведь состав Солнца хорошо известен, а приготовить смесь элементов, имеющую “солнечный” состав, можно искусственно. После этого надо разогреть ее до состояния плазмы, а затем наблюдать, что будет происходить с ней при остывании.

Во второй половине XX века подобные исследования были проведены многими учеными. В результате этих работ было установлено, что почти весь водород и весь гелий, вплоть до самых низких температур и в условиях очень низких давлений, которые могли иметь место в первичной туманности, находятся в газообразном состоянии, а все остальные элементы, оставаясь простыми веществами или образуя различные химические соединения, конденсируются в небольшие твердые частички - “пылинки” (в образовании твердых частичек участвует и небольшая часть водорода - около 0,4%, которая входит в состав таких соединений как метан CH4, аммиак NH3и вода H2O). Образующиеся “пылинки” по массе составляют только 2%, а остальные 98% вещества остаются в газообразном состоянии (водород H2и гелий He), что отражает количественное соотношение газов и пыли в первичной туманности.

Установлено также, что пыль, входившая в досолнечную туманность, должна была представлять смесь довольно многих простых и сложных веществ, которые можно разделить на три главные группы: “льды” (замерзшие вода, аммиак, метан, инертные газы и некоторые другие легкоплавкие вещества), каменное, или как принято говорить в астрономии -каменистое вещество (разнообразные окислы и силикаты), а также металлическое вещество (железо-никелевый сплав). Поясним, что силикатами называется очень многочисленная группа разнообразных по химическому составу веществ, основу кристаллических решеток которых составляют атомы кремния и кислорода. Судя по элементному составу современного Солнца, льды должны были составлять 1,5% массы первичной туманности, а каменистое и металлическое вещество вместе взятые - около 0,5%.

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПЕРВИЧНОЙ ГАЗО- ПЫЛЕВОЙ ТУМАННОСТИ

Основная часть вещества первичной газо-пылевой туманности, как уже отмечалось выше, была мобилизована на формирование Солнца, где газы, льды, каменистое и металлическое вещество сразу же утратили свою изначальную индивидуальность, образовав гигантский хорошо перемешанный шар, состоящий из несвязанных между cобой ионизированных атомов. “Судьба” остатка вещества первичной туманности, не вошедшего в состав центрального тела системы, “сложилась” совершенно иначе - как уже обсуждалось ранее, газы в значительной мере рассеялись в окружающее пространство, а из пылевых частиц сформировался тонкий протопланетный диск, из которого в дальнейшем образовались все небесные тела, вращающиеся в настоящее время вокруг Солнца. Мы были звездами. Истоки наши - в них. Все в мире скроено из их горячей ткани. Материя миров в небесных кладовых хранится штуками, рулонами, кусками... (Л. Вышеславский)