Формирование звёзд и планет с точки зрения школьной физики
Детальный алгоритм рождения звёзд и появления планет, и следствия из него
Александр Михайлович Елсуфьев

© Александр Михайлович Елсуфьев, 2025

ISBN 978-5-0067-3182-0

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Вступление. От автора и об авторе

«Если вы не можете объяснить пятилетнему ребенку свою мысль, значит, вы сами ее не очень-то понимаете.»

– Альберт Эйнштейн.

Крошка сын к отцу пришёл, и спросила кроха:

– Пап, а как образовалось наша Земля и Солнце?

И тут папа, который в детстве и юности прочитал на эту тему десятки разных книг, и читает всё доступное поныне, который в юности, будучи учеником 30 ФМШ был многократным призёром олимпиад по математике и физике – городских, всесоюзных и всероссийских, который в студенчестве защищал честь СПбГУ в олимпиаде по механике, который по окончании университета имеет право преподавать математику и физику в школе вообще без подготовки дольше 10 минут, и только для студентов ВУЗов должен подготовиться чуть дольше и тщательнее, был вынужден ответить – «А не знаю, как-то из газа и пыли сгустились». Ибо во всех прочитанных книгах весь механизм сводился к этому самому «как-то сгустились», и ни в одной из книг о реальном поэтапном механизме образования звёзд и планет не было ни словечка, только общие обтекаемые фразы.

Исходя из этого незнания у папы взыграло, и он решил самолично во всём разобраться, и всё доходчиво объяснить и себе, и ребёнку – на момент вопроса детсадовцу, а ныне третьекласснику. Папа вспомнил все прочитанные в детстве книги по астрономии, потом полез на доступные астрономические и астрофизические форумы, обшарил центральную районную библиотеку… НИЧЕГО! Во всей научной и образовательной литературе автору не удалось найти ни слова по указанной теме, только кое-где разбросанные намёки. И так как «раз есть спрос – значит должно быть и предложение», то папа решил стать автором небольшой научной статьи для своего ребёнка.

Написание статьи было длительным – сперва автор пошёл по проторенному, но ложному пути, который следует из всей научной литературы, и очень быстро упёрся в непреодолимый тупик. И в этот момент пришло озарение – «А что, если в реальности всё было совсем не так?» – после чего работа закипела, и через полгода первая версия статьи, об образовании звёзд, была готова и выложена на странице ВКонтакте, и разумеется, объяснена сыну-первокласснику. Но она оказалась настолько противоречащей всей астрофизической доктрине, что желание её опубликовать зудело, не давало покоя, а отказы рассмотреть работу по сути сыпались один за другим из всех журналов, следствием чего стала сильная переработка материала, и дополнение его ещё одной противоречащей всем аксиомам частью – о формировании уже внутренних планет Солнечной системы. В конце концов, когда в журнале Наука и Жизнь была найдена статья астрофизика Николая Горькавого «Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре», и оказалось, что и его работу автору есть чем дополнить, и была сделана безуспешная попытка связаться с этим астрофизиком, статья наконец получила дополнительную главу об опровержении теории Большого взрыва, и главное – сформулировались текущие названия предлагаемых автором теорий.

Учитывая возраст исходно вопрошавшего ребёнка, который за время написания успел повзрослеть от 6 до 10 лет, а так же тот факт, что все исследования были проведены на уровне законов физики, изучаемых в средней общеобразовательной школе каждым учеником старших классов, пришлось выбрать стиль написания статьи «для детей младшего и школьного возраста», используя только понятия и алгоритмы, преподаваемые на первых уроках физики и интуитивно понятные даже малышам. Сложные формулы малыши могут просто пропустить, а старшеклассники должны их понять, если они претендуют на знание школьной физики на отлично и мечтают получить 100 баллов по ЕГЭ. Никаких университетских объёмов знаний эта работа от читателей не требует.

Попытки предложить мою работу самым разным астрофизикам встречались в штыки – реакция была от «Бумагомарательство безымянных гениев не читаю в принципе» или «Я наукой не занимаюсь, я её только популяризую», до мантр «Вы в курсе диаграммы Герцшпрунга-Рассела, CNO-цикла и доли водорода и гелия в природе?» – хотя по окончании МатМеха я и сам имею прав преподавать по этим темам студентам и школьникам. Но так уж получается, что либо простая формальная логика и школьная физика опровергают незыблемые аксиомы астрофизики, либо надо указать, где именно в логике закралась ошибка. Потому что в своё время Чарльзу Дарвину тоже говорили, что «теория эволюции не может быть верна, потому что, как твёрдо установила наука, вся вселенная существует максимум десять миллионов лет – за столько времени не могло появиться наблюдаемого количества видов живых существ», а потом науке пришлось извиниться, и увеличить время существования вселенной тысячекратно.

Когда эта книга уже была практически дописана, и находилась в стадии вычитки всех ошибок, внезапно в сети попались сразу две новости – об исследовании нейтринного излучения Солнца, и об открытии сверхплотных звёзд, вследствие чего в книгу пришлось добавить ещё две главы. И насколько я понимаю, одни только эти два открытия уже являются неоспоримым подтверждением выдвигаемой мною теории появления звёзд, и возникающего вследствие этого их внутреннего строения. А спустя ещё почти год, когда автор уже находился во Франции, внезапно появилось объяснение странному факту наличия только на Земле тектонических плит, с одновременным наличием только у Земли крупного естественного спутника Луны.

Единственный официальный отзыв на мою работу на данный момент смог дать только центр экспертиз когда-то бывшего мне родным СПбГУ. В нём кратко и лаконично указано, что «СПбГУ не обладает возможностью для подготовки рецензии Вашей работы», что в переводе на нормальный русский язык означает, что «СПбГУ не располагает наличием преподавателей, знающих курс физики в объёме школьной программы, и имеющих возможность уделить работе десяток часов свободного времени». Так что, остаётся надеяться, что среди студентов и школьников, которые реально стремятся к получению знаний, найдутся молодые люди, которые смогут эту работу оценить.

С уважением к читателю, Елсуфьев Александр Михайлович – математик, четверть века проработавший программистом.

Часть 1. «…как-то из газа и пыли сгустились»

Чтобы понять причину того, что автору пришлось рассматривать совершенно «экстравагантные», с точки зрения современной астрофизики, теории возникновения звёзд, надо сперва хотя бы коротко описать стандартную гипотезу их возникновения. А заключается она в следующем:

Исходно в космическом пространстве имеется облако (рис.1 пункт 1), оно начинает сжиматься, и в его центре возникает область большого давления, плотности и температуры, вокруг которой находятся внешние разряжённые холодные слои газа (п.2). После этого облако сжимается во вполне готовую звезду, вокруг которой вращается пылевое облако с незначительными остатками газа (п.3). В дальнейшем звезда почти не претерпевает изменений, а протопланетное облако сперва разбивается на узкие зоны большой плотности (п.4), постепенно некоторые из них сливаются в более массивные кольца (п.5), в них появляются зародыши планет (п.6), которые впоследствии превращаются в собственно планеты (п.7).

В более современном варианте теории звездообразования, первые 3 этапа остаются теми же самыми, меняется только концовка (рис.2), а именно: на 3 этапе протопланетный пылевой диск вращается вокруг полноценной звезды в плотном газовом облаке (п.3), которое постепенно оседает, после чего в планетном диске остаются мириады кометоподобных образований (п.4), они постепенно сталкиваются до образования сперва сотен-тысяч протопланет (п.5), которые окончательно сливаются в небольшое количество полноценных планет (п.6).

И в итоге современного положения дел в астрофизике считается, что весь эволюционный путь звезды, подобной нашему Солнцу, умещается в следующих этапах (рис.3): сперва есть газовое облако; затем оно преобразуется в протозвезду с протопланетным облаком вокруг него; далее звезда малой массы, сжимается в жёлтый карлик, как наше нынешнее Солнце; затем после выгорания водорода и начала реакций гелия раздувается в красный гигант (или, при большей массе, взрывается новой или сверхновой звездой); а когда выгорит и весь гелий звезда превращается в планетарную туманность, которая разлетается в стороны, и на её месте остаётся лишь постепенно угасающий белый карлик.

Темой моей работы исходно является именно рассмотрение первого этапа эволюции Солнца и других звёзд – от туманности, через протозвезду к звезде современного состояния. Но следствием работы является и изменение дальнейшей возможной эволюции Солнца – возможная отмена стадии красного гиганта, и, после его взрыва, стадии планетарной туманности.

Исходное состояние – плывёт в космическом пространстве некое газовое облако (рис.1 п.1), в основном состоящее из водорода с гелием, и незначительным количеством не влияющих на физические процессы примесей. Это облако имеет настолько большую массу, что даже на его периферии, на расстоянии сотен или тысяч астрономических единиц, гравитационное притяжение начинает постепенно преодолевать силы внутреннего давления газа. А давление газа у нас считается по очень простой формуле: P*V=k*T, где P – давление препятствующее сжатию, V – объём облака, k – коэффициент показывающий количество вещества в облаке, с учётом постоянной Больцмана, и T- температура. Реальное облако, разумеется, в разных своих частях имеет разную плотность, температуру и давление, но для первичного рассмотрения возникающих проблем этим вполне можно пренебречь, взяв усреднённые значения.

При сжатии облака его объём уменьшается, что с необходимостью вызывает увеличение давления, даже при постоянстве температуры, которое и препятствует дальнейшему сжатию. Так же, при сжатии облака выделяется гравитационная энергия, которая преобразуется в повышение температуры газа, которая ещё больше поднимает давление газа, которое ещё больше препятствует этому сжатию. А раз так, то, чтобы облако могло и далее самостоятельно сжиматься – ему нужно остыть, то есть сбросить свою энергию в окружающий космос, единственным доступным способом – через излучение тепловых фотонов. А раз так, то начнём с вопроса – сколько именно энергии выделится из облака при его гравитационном сжатии до размера звезды, исходно подразумевая именно наше Солнце с его массой 2*10^30кг и радиусом около 7*10^8м (^ – значок возведения в степень), и в первом приближении подразумевая Солнце шаром однородной плотности.

Берём всем известную формулу гравитационного притяжения двух тел

F=M1*M2*G/R^2 [1]

И вычисляем – сколько энергии выделится, если пробное тело массы M2 приблизится к неподвижной массе M1 из бесконечности до расстояния R. Это получается простейший интеграл

∫dE=∫F*dR=∫ (M1*M2*G/R^2) *dR= -M1*M2*G*∫d (1/R)

Откуда получается

E=-M1*M2*G*/R [2]

Здесь знак минус означает, что энергия выделилась а не поглотилась, и потому о нём далее можно просто забыть.

А теперь с помощью этой формулы решаем другую задачу – сколько энергии выделится в процессе гравитационного сжатия облака газа из бесконечности до состояния идеального шара радиусом R и постоянной плотностью по всему его объёму ρ. Для этого вводим функцию – E (r) = энергия выделившаяся при сжатии только части газа, до достижения шара требуемой плотности ρ и размера r. Тогда, если мы уже сжали часть газа до этого размера, и добавляем малую порцию вещества, до размера r+dr, то по выведенной формуле [2], помня о формулах объёма V и площади поверхности S шара, получаем

dE=E (r+dr) -E (r) =M (r) * (dV*ρ) *G/r

где M (r) =4/3*π*r^3*ρ и dV=S (r) *dr=4*π*r^2*dr

И таким образом на выходе имеем

dE= (4/3*π*r^3*ρ) * (4*π*r^2*dr*ρ) *G/r = 16/3*π^2*ρ^2*G *r^4*dr

Откуда интегрированием получаем

E (r) = 16/3*π^2*ρ^2*G *r^5/5

Теперь для упрощения формулы вспоминаем, что M (r) =4/3*π*r^3*ρ, и после преобразования формулы получаем

E (r) = (3/5) *M (r) ^2*G/r

Теперь нам остаётся только «забыть» о том, что мы считали функции от радиуса только для промежуточных действий, и получить формулу выделившейся окончательно энергии

E= (3/5) * (M^2) *G/R [3]

Эти вычисления мы проводили не просто так, а с целью оценить – сколько гравитационной энергии выделилось при сжатии газа до состояния нынешнего Солнца, подразумевая под ним хотя бы шар равномерной плотности около 1.4, без внутреннего ядра, плотность которого доходит до 20 (по некоторым источникам – до 150) единиц. Подставляем все значения M=2*10^30кг, R=7*10^8м, G=6.67*10^-11, и получаем E=2.5*10^41Дж! Просто огромная прорва энергии, свыше 10^11 Дж/кг, одной тысячной её части хватит на то, чтобы разогреть вещество облака на тысячи градусов, что гарантирует повышение внутреннего давления останавливающее самостоятельное дальнейшее сжатие облака газа до его охлаждения. А если вспомнить, что у Солнца всё же есть внутреннее ядро радиусом порядка 150тыс. км (20—25% радиуса всей звезды), из за того что внутренние слои сжаты огромным давлением до гигантских плотностей (водородно-гелиевая смесь сжата минимум до плотности платины), то эта энергия ещё должна быть минимум удвоена. Вспоминаем, что мощность Солнца составляет 3*10^26Вт, то есть за год высвечивается около 10^34 Дж/год, и в результате получаем такой ответ – при образовании нашего Солнца, вследствие гравитационного сжатия выделилась энергия, эквивалентная нынешней светимости Солнца за отрезок от 25 до 50 миллионов лет!

Итак, путём проведённых вычислений удалось выяснить, что на этапе сжатия исходного разряжённого облака до текущего состояния Солнца выделилась энергия, эквивалентная десяткам миллионов лет светимости современного Солнца. Одно только сжатие в шар, размером в 1000 современных Солнц (диаметр 10АЕ, немного больше Бетельгейзе) выделило столько энергии, сколько Солнце высвечивает за 25тысяч лет, чего достаточно для нагрева до 4000—5000К (горячее Бетельгейзе, при гораздо меньшей массе звезды) – всю её надо было высветить за сотни тысяч лет. И на всём этом этапе его вещество было гораздо холоднее нынешнего состояния, то есть и высвечивать энергию сжатия у него было гораздо меньше возможностей – по закону Стефана-Больцмана светимость поверхности абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени температуры, и если температура поверхности современного Солнца около 5800К, то правдоподобное понижение её минимум в 10 раз приводит к падению светимости в 10000 раз. Правда, увеличение размера облака до 100-крантого размера Солнца, увеличивает площадь его поверхности в те же 10000 раз, и в результате полная светимость ещё не до конца сжавшегося облака может даже несколько превышать нынешнюю светимость Солнца, но всё же – «превышение никак не может быть многократным», с точки зрения моделей современной астрофизики.

Плюс ещё такой момент. Так как с точки зрения современной астрофизики, облако сжималось как облако примерно постоянного химического состава по всему своему объёму, то процесс охлаждения излучением был крайне затруднён. А именно – если в центре облака рождался фотон определённой энергии, соответствующей волне излучения определенной молекулы, то далее он должен был пройти сквозь огромную толщу вещества облака того же химического состава, в котором вполне благополучно поглощался такими же молекулами. После чего он переизлучался – но только в случайную сторону, и очень часто обратно к центру облака. И только после миллионов переизлучений фотон может оказаться на краю облака, после чего покинет его навечно. Но на краю облака температура уже гораздо ниже, нежели в центре, а значит и мощность излучения гораздо меньше, и скорость охлаждения меньше, чем если бы излучение шло прямо из тёплого центра облака.

При этом, если облако, из которого сформировалось наше Солнце, уменьшилось до радиуса R=5АЕ (=700млн. км, =1000 радиусов Солнца) сравнительно быстро, высветив за это время энергию всего в 25тысяч лет свечения Солнца, то согласно формуле [3], после этого до радиуса R/2 оно высветило ещё такое же количество энергии, затем от R/2 до R/3 ещё столько же, затем до R/4 ещё столько же, и так далее… высвечивая равные порции на промежутках сжатия радиуса от R/N до R/ (N+1). То есть, основное время существования сжимающегося облака должно было прийтись на фазу достаточно плотного, и потому легко заметного оптическими наблюдениями состояния, которое должно было давать картину, сильно отличающуюся от картины наблюдения за настоящей звездой.

Таким образом, процесс сжатия должен продолжаться миллионы лет, в течение которых вместо полноценной звезды должно наблюдаться тёплое облако, за которыми астрофизики охотятся уже много лет – и никак не могут поймать. То есть, проблема в следующем – если в ближней окрестности нашей Земли взять 1000 звёзд примерно равных Солнцу, и каждая из них сжималась минимум миллионы лет, то в этой области должно быть зафиксировано минимум десяток областей видимого зарождения новых звёзд. А их то как раз и не находят! Налицо первое противоречие, требующее расследования – почему в нашей области галактики вдруг резко остановился процесс звездообразования? Или возможно иначе – если звёзды продолжают рождаться, то как они выглядят на первом этапе своего существования, что астрономы не могут их выявить на фоне других объектов вселенной?

Правда, тут надо заметить, что астрономы всё же нашли множество мест, о которых можно сказать по косвенным признакам, что там находятся молодые звёзды, которые просто не видны. Одно из таких мест туманность Столпы Творения – в ней на дистанции всего в 4 световых года без труда можно насчитать свыше 60 точек сильного притяжения, невидимых напрямую из за окружающих их пылевых облаков, в которых явно должны скрываться какие-то звёзды, и пара из них на фотографии даже видны уже в виде ярких звёзд – но это опять же уже готовые звёзды, а не протозвёздные туманности, которые хотелось бы наблюдать напрямую, чтобы гипотеза смогла наконец подтвердиться реальным наблюдением.

Следующее противоречие связано с химическим составом вещества звёзд. А именно – исходно предполагается, что все они рождаются как гомогенные (постоянного химического состава по всему объёму), с приблизительно равными для всего газообразного вещества во Вселенной параметрами – 98—99% водорода и гелия, и лишь незначительное количество прочих элементов. А все прочие металлы (так астрономы называют все элементы тяжелее гелия) в основном рождаются уже внутри звезды, в процессе её функционирования. И потому о возрасте звезды судят по наличию и соотношению в её спектре разных металлов. И вследствие этого получаются такие казусы, как «звёзды старше возраста всей вселенной», каковые были обнаружены в ядре шарового скопления Омега Центавра – судя по химическому составу, некоторые звёзды этого скопления старше 14млрд лет, в то время как всей вселенной только 13.6млрд лет. При этом есть казус и даже с самим нашим Солнцем – ему уже свыше 5млрд лет, но при этом в его спектре совершенно нет лития – того металла, которого полно во многих окрестных звёздах возрастом десятки и сотни миллионов лет.

Следующее противоречие носит планетарный масштаб. Пока что слетать к чужим звёздным системам мы не можем, но по крайней мере свою Солнечную систему мы изучили достаточно хорошо, и выяснили про неё ужасные факты. Оказывается, в нашей системе планеты не просто делятся на земную группу (Меркурий, Венера, Земля и Марс), и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, и похожий на него но карликовый Плутон), но даже в земной группе Марс не похож на все прочие планеты – его средняя плотность меньше 4, а у всех прочих больше 5 единиц. И пока что нет ни одной вменяемой теории, которая бы оправдала столь большую разницу среднего химического состава, вылившуюся в 20% разницы по плотности. Ибо если Марс более лёгкий из-за обилия воды или водорода (веществ, которые могли быть вытолкнуты солнечным ветром от внутренних планет на периферию солнечной системы), как и планеты гиганты – то почему мы в реальности наблюдаем Марс почти лишённый воды и атмосферы? А если он сложен из других пород – то на каком этапе формирования планет и по каким физическим законам могла произойти сепарация веществ, приведшая к столь серьёзной разнице в плотности?

И наконец, противоречие метеоритного уровня. На землю часто выпадают метеориты, блуждающие в комосе камни, оставшиеся от периода формирования планет. И вот эти метеориты чётко делятся на 3 основные группы – хондриты, каменные метеориты, и железо-никелевые. Возможно, что есть четвёртая группа, сложенных из воды и прочих испаряющихся льдов, но они просто не долетают до поверхности Земли, испаряются при падении, и потому не обнаружимы. И если про разницу между хондритами и каменными метеоритами можно списать на то, что первые – это остатки первичного вещества протопланетного диска, а вторые – обломки столкнувшихся планет, уже претерпевших метаморфозы плавления пород, то с железными метеоритами такой фокус не проходит. Исходно была высказана гипотеза о том, что железные метеориты – это обломки внутренних слоёв столкнувшихся и разлетевшихся планет, у которых уже произошло разделение пород на железное ядро и каменную мантию. Но так как основная гипотеза появления Луны тоже импактная – Земля столкнулась с другой планетой, и часть внутреннего вещества была выброшена наружу, и из неё уже Луна и образовалась – то она была проверена многочисленными компьютерными моделями столкновений, и все без исключения модели вынесли вердикт – материал железного ядра Земли или второй планеты в космос не выносится, а остаётся внутри самой Земли. То есть – железные метеориты не могли быть вынесены из внутренних слоёв планет, из под каменной мантии с более чем 1000-километровой глубины, но тем не менее они реально существуют. А значит, принцип их образования должен быть каким-то иным, не планетарным.

Таким образом, при первом же внимательном взгляде, общепринятая теория формирования звёзд не может объяснить сразу 4 типа разных наблюдаемых фактов. А значит, настало время провести внимательный разбор процесса звездообразования.

Часть 2. Общее описание процесса образования Солнца – теория гравитирующего снежного облака

Глава 2.1 Исходное состояние вещества

На текущий момент солнце – это звезда, «разумеется» почти гомогенная (одинакового химического состава во всех её частях), массой порядка 2*10^30кг. Когда оно образовалось 5—6 миллиардов лет назад, оно было немного больше. Так как Солнце – звезда очень маленькая, карлик, то на границе его фотосферы гравитация весьма большая, около 27g, гравитационный колодец глубокий, и потому при всей его светимости около 3*10^26Вт, солнечный ветер вылетает со скоростью всего около 1 мегатонны в секунду. Для сравнения, поток лучистой энергии, по формуле E=M*C^2 составляет около 3 мегатонн в секунду, правда уже не массы, а дефекта массы, образовавшейся при сгорании 700 мегатонн водорода в гелий. Значит, за миллиард лет потеря массы составляет около 10^26кг, а в недрах выгорает около 2*10^28кг водорода – то есть выгорает 1% полной массы Солнца, а улетает менее 0.01% массы. Значит, можно считать, что 5—6 миллиардов лет назад Солнце было практически той же самой массы и размера, только чуточку иного химического состава – было чуть меньше гелия и прочих тяжёлых элементов, и больше водорода. И именно эти параметры можно взять для исходного облака, из которого Солнце образовалось, только может быть массу стоит взять несколько большую – часть массы облака могла быть выброшена излучением при загорании звезды. Для расчёта примем круглую цифру, что исходное облако было пятикратно массивнее Солнца – массой 10^31кг, не забывая о возможном минимуме 2*10^30кг.

Химический состав Солнца возьмём из Википедии [1] – оно состоит из водорода (73% от массы), гелия (25%), на 1 млн атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 851 атом кислорода, 398 атомов углерода, 123 атома неона, 100 атомов азота, 47 атомов железа, 38 атомов магния, 35 атомов кремния, 16 атомов серы, 4 атома аргона, 3 атома алюминия, по 2 атома никеля, натрия и кальция, и малое количество прочих элементов.

Начальные данные для размера облака возьмём на глазок, по параметру его прозрачности. Когда мы смотрим в небо и видим там звёзды, мы смотрим вертикально вверх сквозь толщу атмосферы – газа массой в 10тонн на кв. метр, а если посмотреть вбок – толщина слоя уже около 30—100 тонн, и всё равно газ прозрачен. В исходном облаке можно ожидать того же, только с примесью разных тяжёлых атомов. Значит, можно принять, что исходно облако было с концентрацией вещества такой, что при взгляде насквозь на квадратный метр приходилось 1 тонна газа, отчего облако было полупрозрачным. Отсюда получаем, что диаметр облака будет порядка (10^31 / 10^3) ^0.5=10^14метров, или около 1000АЕ. Значит, средняя плотность вещества в нём около 10^-11кг/кубометр, или что то же самое 6*10^15 атомов водорода в кубометре, или 6 миллионов в куб. миллиметре. Длина свободного пробега молекул будет порядка километров.

Итак, плывёт себе в космическом пространстве облако пыли и газа… СТОП, вопрос первый – откуда пыль? Изначально было именно облако газа, получившегося после остывания плазмы, состоящее из отдельных атомов и самых простейших 2-5-атомных молекул, в основном гидридов, и сам водород тоже превратился в молекулярный газ. И в каждом куб. мм есть около 3000 молекул гидрида кислорода, то есть воды. А температура облака единицы кельвинов на границе, и десятки ближе к центру – чтобы противостоять хоть и мизерному, но всё же имеющемуся давлению, возникающему при микрогравитации.

Предполагая, что это облако в первом приближении почти шарообразное, слегка вращается, и с почти равномерной плотностью, то оно вызывает некоторое притяжение к геометрическому центру, которое возрастает от центра к периферии. И на границе облака, на расстоянии 500 АЕ от центра, где притягивает вся масса облака, ускорение свободного падения составляет уже 10^-7 м/сек^2, или – одну стамиллионную от ускорения свободного падения на уровне Земли. Таким образом, мы прописали все начальные условия для моделирования небулярной гипотезы, впервые предложенной ещё Кантом и развитой Лапласом.

Глава 2.2 Описание механизма транспорта массы к центру

Итак, у нас имеется облако указанной плотности, с числом молекул порядка 10^15 штук в кубометре, и длиной свободного пробега частиц между соударениями порядка 1—5 километров. Температура газа в этом облаке от единиц кельвинов на границе до десятков в центре. И соответственно, скорость молекул водорода должна быть порядка 200—1000м/сек (температура от 3 до 75 градусов кельвина). Соответственно, ежесекундно молекулы испытывают порядка 0.01—1 соударений.

И что же в таких условиях происходит в газе, состоящем из смеси самых разных молекул и атомов, охватывающих всю таблицу Менделеева? Как известно из обзорного курса ядерных технологий, обогащение урана нужными изотопами происходит в центрифугах, когда под действием большого ускорения, тяжёлые элементы быстрее падают вниз (к стенке центрифуги), нежели лёгкие. Здесь у нас ситуация вроде бы прямо противоположная – ускорение просто микроскопическое. Но зато, в отличие от центрифуги, у нас и температура газа гораздо ниже (на порядок или два), и давление ниже в миллиарды раз, и что самое главное – отношение весов молекул и атомов гораздо более высокое. Хочется понять, с какой скоростью в таких условиях может падать отдельная частичка?

Тут придётся решить элементарную для 8 класса задачку, и вывести формулу скорости диффузии частиц разных атомов в газовой среде. Формула оказывается проста v= (k-1) *a*t, и расшифровывается как – устоявшаяся скорость оседания в гравитационном поле (v) равна произведению ускорения свободного падения (a) на среднее время между столкновениями (t) и на отношение массы частицы к средней молекулярной массе газа за вычетом единицы (k-1). Причём формула эта работает не только для отдельных молекул, но и для крупных частиц, состоящих даже из миллионов молекул. Только в последнем случае надо помнить, что чем крупнее частица, тем больше её поперечный размер, тем чаще будут происходить соударения. Но если принять, что частица состоит из N молекул, имеющих по отдельности коэффициент k, и частица приблизительно круглая, то получается что K (частицы) =N*k, а вот T=t/N^ (2/3), и тогда для крупной частицы v≈k*a*t*N^ (1/3)

Зачем это всё понадобилось? А вот зачем. Сперва посмотрим, что происходит на границе нашего облака радиусом порядка 500АЕ. Ускорение нам известно – порядка 10^-7, так же знаем характерное время t=1—100сек, и известна средняя молекулярная масса газа – около 2.8 (75% уже молекулярного а не атомарного водорода, и 25% гелия). И в этих условиях посмотрим к примеру на атом урана – вне зависимости от того, в составе какой молекулы он находится, его коэффициент К порядка 100, а значит средняя скорость диффузии в толще газа порядка долей миллиметра в секунду, или около 1—10 километров в год (год ≈ 30 миллионов секунд). До центра облака ему падать с такой скоростью десятки миллиардов лет. Но есть транспорт и побыстрее.

В исходном составе облака помимо самого водорода и гелия присутствуют в основном гидриды всех элементов, которые обычно похожи на простые шарики, или симметричные эллипсоиды, но помимо этого в ощутимых количествах имеются и молекулы с дипольными свойствами, в основном это обычная вода – чуть меньше чем 1 молекула из 1200 (или 1% всей массы), а так же встречаются и иные, например гидрид лития. А свойства воды нам всем хорошо известны с детства – зимой в воздухе она великолепно переходит из состояния пара в состояние снежинок, которые весьма быстро засыпают землю даже метровыми сугробами. А в вакууме, согласно справочникам, молекулы воды начинают слипаться при температуре около 200°К (-70°С).

Значит, чисто теоретически, при низкой температуре молекулы воды в вакууме должны превращаться в лёд, но вопрос – произойдёт ли это практически? Точного ответа на этот вопрос найти не удалось, возможно, что таких исследований пока что и вовсе не производилось, но зато вот что удалось найти. Плотность обычного земного воздуха колеблется от 1150гр/м^3 при температуре +30°С, до 1400 гр/м^3 при -20°С. А 100% влажность воздуха означает наличие в нём воды в количестве от 83 гр/м^3 при +50°С, до 0.6 гр/м^3 при -25°С. Понятие 100% влажности – это то количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе без спонтанного его перехода в капли росы или кристаллы льда. Таким образом, при нормальном давлении в 1 атмосферу, в килограмме воздуха (это меньше кубометра) может содержаться от 72гр воды при температуре +50°С, до всего лишь 0.5гр при -25°С≈250°К. При ещё более низких температурах – ещё меньше. Но наша задача стоит – оценить уровень 100% влажности водорода в космосе, при температуре 10—100°К и почти в вакууме. Про растворение воды в водороде, а не в воздухе – ничего найти не удалось, но точно известно, что при столь низких температурах (100°К=-173°С) оно должно быть крайне низким, а значит значение порядка 0.5гр/кг, или иначе 1/2000 часть, взятое от воздуха при -25°С, должно оказаться либо похожим на реальное, либо даже чрезвычайно завышенным, но никак не заниженным. Теперь сравниваем это значение с нашими исходными данными, 851 атом кислорода, превратившийся в 851 молекулу воды, на миллион атомов водорода, и получаем, что у нас концентрация воды около 1.5% по массе, что более чем в 30 раз превышает уровень 100% влажности, составляющий по примерной оценке 1/2000 часть. А это и означает, что молекулы воды неизбежно должны группироваться в кристаллы льда.

Теперь оценим эффективность этого «транспорта». Допустим в начальный момент времени условия были прописаны максимально жёстко – наше рассматриваемое облако указанного размера и плотности только что пережило близкий взрыв сверхновой, излучением которой были испарены вообще все пылинки любого состава, но само облако не успело разлететься в стороны, и почти сразу остыло в силу своей оптической прозрачности. Исходно есть одиночные молекулы, которые ежесекундно испытывает порядка 0.1 соударений, из которых одно из 1200 – другая молекула воды. Значит соударение молекул воды с водой происходит раз в 10000 секунд, и предположим что их слипание происходит 1 раз из 10 – каждые 100000 секунд. На самом деле в связи с низкой температурой, вероятность слипания должна быть около 100%, но предположим именно худший вариант. Значит за год наша исходная одиночная молекула, сталкиваясь только с одиночными молекулами воды, превратится в частицу из 300 молекул, массой 5000 единиц, с характерной скоростью падения уже в сантиметры в секунду! А за тысячелетие – получится масса порядка миллионов единиц, а скорость падения уже метры в секунду. И это при условии, что она соударялась исключительно с одиночными молекулами, а не с такими же снежинками, и с постоянной частотой соударений, а не растущей в связи с увеличением размеров снежинки.

А если вспомнить, что 300 молекул за год – это содержимое всего 0.1 куб. мм исходного газа, если принять во внимание наличие ионизирующего излучения, которое создаёт разноимённо заряженные частицы, притягивающиеся на очень больших расстояниях, если вспомнить что дипольные молекулы великолепно притягиваются к любой заряжённой частице, даже если сами не имеют заряда, тогда даже за год частица сможет дорасти до порядка миллиона молекул, а за десять лет и до миллиарда молекул (это количество молекул воды всего в 1 литре газа), обретя способность падать со скоростью в сотни метров в секунду (десятки процентов средней скорости молекул водорода). А самые крупные из льдинок смогут падать и до километров в секунду, пока скорость набегающего водорода не нагреет частицу до температуры кипения. И летя с ускорением 10^-7, даже с десятой его частью (90% будет расходоваться на торможение об другие частицы), самые крупные частицы за столетие легко наберут скорость порядка 30 метров в секунду, или миллион километров в год, а за тысячу лет укрупнятся и наберут скорость падения километр в секунду – с такой установившейся скоростью от окраины облака радиусом 500АЕ до будущего центра Солнца можно долететь всего за 2 тысячи лет.

Таким образом, мы нащупали тот краеугольный камень, который отличает мою теорию от всех прочих – исходное гомогенное газо-пылевое облако с первых же лет своего существования начнёт расслаиваться. То есть – газ будет потихоньку стягиваться к центру облака по своим газовым законам, а находящаяся в нём пыль, точнее сказать снежинки, исходно состоящие по большей части из обычного водяного льда и прочих молекул, станет оседать в толще газа по совершенно другим законам, существенно обгоняя в своём падении окружающий газ.

Что ещё будет происходить в это время? Во-первых, эти снежинки набегающим потоком молекул будет разогреваться, возможно превращаясь в капли, если позволит давление окружающего газа. Во-вторых, в них будут врезаться в самые разные молекулы и одиночные атомы, в том числе и тяжёлые элементы, которые будут ими поглощаться, в результате на выходе получится очень грязный снег, с содержанием примесей не менее десятков процентов по массе. В-третьих, будучи достаточно «тёплой», да ещё и сложного состава, снежинки начнут излучать тепло, но не на линиях излучения (поглощения) простых молекул газов – будучи ансамблем частиц, пылинка сможет излучать в широком частотном диапазоне, и её излучение станет быстро выходить из облака, почти без поглощения. То есть, падающая в гравитационном поле частица может стать не столько нагревателем, сколько холодильником – нагреваясь и излучая сама, она уменьшает полную энергию системы. Правда тут верно и обратное – в отличие от водорода, эти частицы будут легко нагреваться светом любых иных звёзд, приходящим в сторону облака. В-четвёртых – в снежинках начнут происходить первые химические реакции, к примеру, если гидридам натрия и хлора чрезвычайно сложно встретиться в космосе, то попав в снежинку, едва она начнёт подтаивать, они неминуемо встретятся и прореагируют до образования соли, которая будет ещё больше растапливать снежинку, а отходы в виде молекулы водорода постепенно покинут её. А ещё в ней будут тяжёлые и редкоземельные элементы, имеющие свойства катализаторов. И в результате в снежинке будут создаваться первые сложные вещества, например типа ароматических углеводородов, которые после этого смогут испаряться из снежинок при нагреве, и следы которых астрономы фиксируют в пылевых облаках. И в-пятых – если снежинка прогреется до полного испарения всех летучих веществ, то останется падать очень маленькая, но тяжёлая крупинка солей тяжёлых или тугоплавких металлов, массой в миллиарды атомных масс – именно это и будет космической пылью.

К чему это в итоге приведёт? А к тому, что, начав своё движение где-то на границе облака, молекулы воды быстро (за первые годы) слипнутся в снежинки, нарастят массу и уже через тысячу лет нарастят скорость, и полетят к центру со скоростью порядка сотен метров в секунду, или миллионов километров в год, накапливая в себе вещество тяжёлых элементов. При приближении к центру облака, концентрация мелких частиц будет повышаться, и они станут слипаться в более крупные снежинки или капли, что позволит им эффективно компенсировать уменьшение ускорения свободного падения почти без падения скорости. При этом, исходный орбитальный момент (скорость вращения частиц облака), взятый с периферии облака, станет по мере приближения к центру гаситься и передаваться окружающему газу. Так как в нашем реальном Солнце скорость вращения на экваторе составляет сейчас около 2км/сек, а все планеты вместе имеют в 60 раз больший момент вращения, то в исходном облаке, диаметром порядка ста тысяч диаметров Солнца, скорость вращения должна была составлять порядка 1—3 м/сек на краю облака. Но даже 100 метров в секунду на краю облака диаметром в 10^14 метров не сулит никаких проблем, ибо это создаст центробежную силу с ускорением V^2/R=10^-10 —гораздо меньше гравитационного притяжения. Таким образом, те частицы, которые будут пролетать внутреннюю область облака первыми, будут отдавать свой момент вращения ещё почти неподвижному газу, сами падая к центру облака почти вертикально. Зато частицы, которые будут падать последними, ближе к центру облака станут пролетать в уже быстро вращающемся облаке газа, получать от него момент вращения, и начиная с какого-то момента не смогут достигнуть центра системы, образовав диск снежинок, из которых сформируются планеты. Плюс к тому, забегая вперёд, сразу скажу, что очень быстро большая часть облака будет вынуждена сжаться в шар радиусом 1—10АЕ, а уменьшение радиуса в 10 раз ускоряет вращение в те же 10 раз и повышает центробежную силу в 1000 раз, при том что притяжение возрастает всего в 100 раз.

В результате можно ожидать, что полное время падения первых самых крупных снежинок, начавших движение из внутренних областей облака к его центру составит порядка всего лишь 1—2 тысяч лет, а последние снежинки, мелкого размера и с края облака, будут прилетать к центру за 10—100 тысяч лет, и станут пополнять будущий планетный диск. В любом случае, рассчитанное время прилёта оказывается на 2—3 порядка меньше того, которое бы понадобилось просто чисто газовому облаку для сжатия в звезду. Потому что одна из главных проблем сжатия облака – это высвечивание выделяющейся гравитационной энергии, чтобы снизить температуру и давление внутренних областей газа.

Таким образом, первая особенность моей теории заключается в том, что исходное облако сжимается не как гомогенное (однородное) образование, а сразу же становится гетерогенным – разного химического состава в разных его частях. А вторая отличительная особенность состоит в том, что низкотемпературный газ внешней оболочки облака высвечивает энергию очень плохо, зато летящие сквозь холодный газ быстрые пылинки делают это гораздо лучше, а их спектр излучения свободно выходит сразу из центральных областей облака. Следствием этой особенности становится более высокая скорость гравитационного стягивания облака, а значит значительно более короткое время всего процесса образования звезды.

Глава 2.3 Расчёт звездообразования по заданной модели

Теперь, в отсутствие возможности провести моделирование на суперкомпьютере, делаем правдоподобное предположение. Допустим исходно за первые 10 тысяч лет центра облака достигли лишь самые крупные снежинки, которые падали начиная с середины радиуса облака (то есть 1/8 часть объёма), и они вобрали в себя всего 1% всей водяной массы этой части облака (остальные молекулы пока так и остались висеть в облаке, в виде пара или мелких снежинок). Много ли это? Масса облака 10^31кг (полтора миллиона масс Земли – МЗ), «урожай» собрали с 1/8 его объёмной части, 1% от принципиально возможной массы именно воды (плюс примеси десятки процентов), которая составляет порядка 1/100 от полной массы газа. Значит в итоге, центра облака достигли снежинки общей массой только воды около 16 МЗ (масс Земли), примерно 10^26 килограмм, почти как планета Нептун!!! Да, это конечно в основном снежинки, лишь частично состоящие из более тяжёлых элементов (от процентов до десятков процентов), но всё же – очень и очень весомо.

Что же происходило в момент прилёта этих снежинок в центр? Характерная интенсивность прилёта массы снежинок за 10 тысяч лет составила в среднем порядка 3*10^14 килограмм в секунду, или – ежесекундно кубик льда с размером ребра в 7 километров! Упрощая расчёты, примем скорость прироста массы постоянной. Сперва в центре стал образовываться снежок – протосолнце, причём вначале чуть теплее окружающего космоса, ибо снежинки падали со скоростью порядка 100—500м/сек (энергия 5—100кДж/кг или повышение температуры на 5—100 градусов), и они от этого тут же начали слипаться, не давая разлететься. Разумеется, получившаяся центральная масса сразу же стала интенсивно притягивать к себе подлетающие хлопья снега – уже через секунду первый же суперснежок диаметром в 7км обладал ускорением свободного падения на своей поверхности около 2мм/сек^2, то есть в тысячи раз больше чем на периферии облака. До размера в 1000км он дорос примерно за три миллиона секунд, или 5 недель, и с этого момента ускорение на поверхности составило уже порядка 1м/сек^2, и соответственно, каждый падающий килограмм снега приобретал только на конечном участке полёта энергию около одного мегаджоуля. А при достижении размера Земли (за 300 лет, диаметр 12тыс. км) уже и 100МДж на килограмм. Значит, уже начиная с размера протосолнца в 1000км, ни о каких снежинках на последнем этапе падения больше не было и речи – энергии падения снежинок хватало не только на их разогрев и плавление, но и на испарение большой части воды и летучих газов в полёте, а оставшаяся после испарения грязь создавала твёрдый слой, не позволявший веществу выходить из центра протосолнца наружу – ибо скорость падения снега (до вычета испаряющейся воды) составляла около полуметра льда в секунду (корку такой толщины дал бы лёд массой 3*10^14кг, выпавший на планетоид радиусом 1000км). Таким образом, уже через месяц после появления, протосолнце стало напоминать планету Океан, только очень горячую. А к концу первого года от воды на поверхности не осталось и следа – осталась одна лишь каменная твёрдь, причём с температурой в сотни градусов, окружённая облаком перегретого пара, в котором все прилетающие снежинки начинали плавиться уже на высоте сотни тысяч километров, массово слипались в комки грязи, на лету высыхали, и при падении выделяли остатки энергии, которая шла на плавление породы. Испарённая вода и прочие летучие газы поднималась на огромную высоту, блокируя возможность выпадения лёгких водорода и гелия, но уже не могла улететь от протосолнца навечно из-за его сильного притяжения.

Таким образом, третья особенность моей теории, отличающая её от всех прочих, состоит в том, что с самого начала протосолнце – это не газовое уплотнение в центре газового облака, возможно с повышенным содержанием твёрдых элементов из за прихода так называемой «галечной волны», а именно достаточно твёрдый планетоид, состоящий из тяжёлых элементов, лишь с небольшой примесью водорода в составе разных молекул, окружённый очень плотным облаком тяжёлых газов (вода, метан, аммиак, углекислота), препятствующих доступу в центр лёгких газов водорода и гелия.

Глава 2.4 Конец образования протосолнца

В таких условиях – при наличии постоянного притока массы и энергии, разделении массы на составляющие (твёрдые и летучие вещества, типа воды, аммиака и метана), и выделения летучих веществ наружу с избытком энергии, не могла не начаться самоорганизация этих процессов. Так как протосолнце хоть и медленно, но всё же вращалось, в его атмосфере не могли не возникнуть вихри, благодаря которым раскалённый пар стал вылетать в нескольких определённых направлениях, создавая устойчивые ветра разного химического состава на разных высотах. То есть, протосолнце стало из себя представлять быстро растущий камушек в центре, с очень плотной атмосферой над ним, почти сплошь из паров воды, аммиака, метана и прочих летучих газов, а водорода и гелия в нижней части атмосферы практически не было. И вот эта плотная атмосфера, разделённая по высоте на зоны с преобладающим содержанием разных газов, в зависимости от их свойств, благодаря устойчивым ветрам стала интенсивно подниматься над одними регионами на тысячи-миллионы километров, смешивалась с окружающим первичным газом, там вымораживалась до состояния снежинок, которые массово впитывали в себя все тяжёлые элементы (становившиеся центрами кристаллизации), и через несколько лет свежая порция снега заносилась ветром в другие регионы протосолнца. В результате, из остатков первичного облака, которое постепенно сжималось вокруг протосолнца благодаря его гравитации, стали интенсивно вымываться все тяжёлые элементы, и через некоторое время они в ближайшей окрестности протосолнца исчезли практически полностью – всё что не смогло упасть на протопланетный диск, удерживаемый возросшей скоростью вращения газа, упало на протосолнце, где быстро переплавилось в каменный комок. Так как исходное облако было массой около полутора миллионов МЗ (или минимум 300тыс МЗ, если облако стало Солнцем целиком, без остатка), и в нём содержался 1% воды (по массе) и 1% прочих веществ, то можно ожидать, что центральный камень протосолнца составил массу порядка 3—15 тысяч МЗ, и ещё порядка 1—10% (сотни-тысячи МЗ) ушла на протопланетное облако.

Так закончилась первая часть образования Солнечной системы – в центре сгустившегося от гравитации облака уже почти чистого водорода и гелия находится горячий каменный шарик массой в 3—15 тысяч МЗ (диаметром сто тысяч км), и он отделён от водородного облака плотной атмосферой из паров воды и прочих легкоиспаряющихся молекул и атомов, примерно той же массы, что и центральный камень. И где-то на краю облака, вращается протопланетный диск, возможно частично выступающий за край основной части водородного облака. При этом пока на протозвезде никаких термоядерных реакций нет – температура и давление недостаточны. Зато в центре протозвезды вовсю идут реакции ядерного распада, такие же, какие сейчас греют изнутри нашу Землю. Эту систему – каменное протосолнце, и сильно сжавшееся газовое облако, разделённое по высоте по составу, назовём квазизвездой – потому что оно уже достаточно активно излучает высвободившуюся гравитационную энергию, и внешне может быть неотличимо от звезды-гиганта. Причём излучение энергии в космос происходит уже с поверхности газообразной фазы когда-то бывших жидкими воды, метана и аммиака, с примесями растворённых в этом газе паров иных металлов, и к этому излучению лишь добавляется излучение вышележащей и частично перемешанной водородно-гелиевой смеси.

Таким образом, четвёртая особенность моей теории – образование не всей звезды сразу в окончательном виде, а сперва стадии квазизвезды – образования с маленьким каменным центром и огромной газовой атмосферой, светящего как звезда, но при этом высвечивающего не термоядерную, а гравитационную энергию. По многим параметрам эта квазизвезда будет плохо отличима от настоящей звезды-гиганта.

Глава 2.5 Вторая стадия образования собственно солнца, версия его строения

И наконец, начинается часть вторая – образование звезды из квазизвезды. Есть квазизвезда, диаметром в несколько АЕ, и в момент своего образования она имеет наивысшую за всю свою историю массу. Её гало, будучи нагретым до сотен или тысяч градусов энергией гравитационного сжатия, активно излучает в красном-инфракрасном диапазоне, и едва отличимо от газовых гигантов. В этом гало идут процессы активного перемешивания газа, и потому его температура почти постоянна по всему объёму газа, имея только резкий скачок близ центра, у протосолнца, и резкое падение на краю, где происходит высвечивание энергии в космос, а так же испарение в космос самых быстрых атомов из очень неглубокого гравитационного колодца. И чем моложе квазизвезда, тем она крупнее и холоднее её наружная оболочка.

Выпадение остатков газа из исходной разрежённой туманности на поверхность гало сопровождается сильной потерей им углового момента вращения. Точнее сказать – происходит сепарация массы вещества, при которой на протосолнце выпадает вещество с малым моментом вращения, а в облаке остаётся с большим. Происходит это следующим образом.

В газовом облаке, вращающимся вокруг протозвезды, и имеющем размер в несколько сотен нынешних размеров солнца, средняя плотность газа и так не велика, а на периферии облака она совсем маленькая. В результате, среднее время между столкновениями частиц (атомов или молекул) в этой разрежённой области может исчисляться минутами, если не часами, а внутри облака – только доли секунд. При этом в среднем масса газа достаточно равномерно вращается, с той же скоростью, как и более плотные нижележащие слои газа. Рассмотрим, что происходит в этом облаке с атомами (или молекулами). В некоторый момент произошло соударение двух частиц, и их разлёт, после чего обе они полетели по отрезку обычной кеплеровской траектории частицы, находящейся в гравитационном поле планеты – то есть по кускам эллипсов. А общая масса газа в среднем имела движение по круговой траектории. При этом разлетевшиеся частицы имеют скорости, отличные от средней скорости газа – у одной добавочная скорость окажется сонаправлена со скоростью газа, а у другой направлена в противоположную сторону (поперечная составляющая скорости нам не интересна). В результате, в момент следующего соударения, положение частицы, имевшей меньшую скорость, окажется внутри круговой траектории, то есть ближе к протозвезде, а положение более быстрой частицы будет вне этого круга, то есть она окажется дальше. И величина отклонения обеих частиц от круговой траектории будет пропорциональна квадрату времени свободного полёта до следующего соударения.

И таким образом сепарация происходит повсеместно, по всему объёму облака, но в плотной её части эффект оказывается мизерным, зато во внешней области, где соударения редки, скорость сепарации возрастает на порядки. В результате сепарации большая часть массы облака может выпасть на квазизвезду, обладая малым моментом вращения, а остатки газа с большим моментом вращения, частично передадут его снежинкам в плоскости пылевого диска, или поднимутся на более высокие траектории.

Этот процесс сепарации момента вращения и выпадения вещества может продолжаться тысячи или миллионы лет. Одной только воды (массой 3000МЗ) выпадает столько, что на поверхности протосолнца получается океан глубиной свыше в 10000 километров, если считать размер протосолнца в 10% размера Солнца! То есть, даже без учёта веса водорода, метана и аммиака, одна лишь вода создаёт на наружной поверхности протосолнца давление в десятки миллионов атмосфер.

При этом, до начала термоядерных реакций, протосолнце всё так же остаётся твёрдо-жидким (не газообразным) монолитом – огромное давление не позволит ему закипеть. Низкая начальная температура ядра определяется не только активным теплоотведением хорошо перемешивающейся газовой атмосферы, но и обратной связью – как только температура у поверхности протозвезды вырастает до испарения пород при текущем давлении на слишком большом от протозвезды расстоянии, так сразу падение вещества прекращается, и тем самым исчезает источник подвода энергии. Всё вместе это определяло низкую начальную температуру поверхности протосолнца не более чем в 10тыс. градусов (внутри впоследствии стало горячее из-за радиоактивного распада). Как и на Земле, пока давление было не слишком высоко, центр протосолнца плавился, и в нём шли магматические процессы с переносом тяжёлых элементов ближе к центру, а лёгких на поверхность. Из-за обилия в центре протосолнца воды и водорода, лавы были очень жидкие, подвижные, с большой скоростью разделения пород на фракции. Уже в первые столетия существования протосолнца, ещё до появления собственно квазизвезды, в нём создаётся жидкое железное ядрышко, в котором возникают электрические токи, приводящие к образованию магнитного поля, которое быстро усиливается до максимально возможных значений. Внешняя граница протосолнца становится каменной, как на Земле, над ней плещется раскалённый океан глубиной в тысячи километров, растворяющий несколько десятков верхних километров каменной мантии. Температура этого океана, учитывая давление и солёность, может быть в тысячи градусов. Океан тоже электропроводен, и потому добавляет магнитного поля протосолнцу.

Затем, после выпадения большей части массы первичного облака, давление в ядре увеличивается настолько, что всё застывает обратно в твёрдой фазе, даже невзирая на рост температуры, затвердевает даже часть океана. Далее после оседания большей части гало квазизвезды на протозвезду, повышения внутри температуры до десятков-сотен тысяч градусов, начинаются термоядерные реакции – быстрее всего в нижней зоне газовой оболочки, но не в ядре, потому что там хоть и много водорода, но его процентное содержание невелико. Но когда они начинаются, Солнце не сразу раскаляется – ему надо нагреть не только разряжённую газовую фотосферу выше зоны термоядерных реакций, но и очень массивное сравнительно холодное ядро. И пока протосолнце медленно нагревается, на него могут выпадать всё новые порции водорода из гало, всё больше повышая давление, и процессу падения ещё не противостоит излучение.

А когда термоядерные реакции наберут силу, и прекратят приток массы водорода, каменное ядро уже претерпит огромное сжатие, и диффузия любых атомов станет исчезающе малой. Вследствие этого, даже за миллиарды лет протосолнце не перемешается с внешними слоями, сохраняя в себе огромный запас тяжёлых элементов. А в фотосферу Солнца перейдёт лишь то, что уже было растворено в жидком водяном океане, да ещё то, что упало сверху в виде зародышей планет на самой последней стадии. В результате получается, что фотосфера нынешнего Солнца должна быть сильно обеднена теми элементами, которые не могут вырваться из ядра, и наоборот – обогащена теми, которые легко из неё вырывались ещё на стадии формирования протосолнца.

Таким образом, пятая особенность моей теории – карликовая звезда типа Солнца с самого момента его появления НЕ является гомогенным образованием, просто по факту построения. Оно исходно имеет внутреннюю область богатую самыми разными тяжёлыми элементами, и наружную область, состоящую из летучих газов, впоследствии превратившихся в плазму. При этом само ядро Солнца на разных глубинах должно иметь разный химический состав.

Отсюда следует, что реальные пропорции элементов внутри как исходного облака, так и итоговой звезды, должны быть совсем иными, нежели ныне наблюдаются в фотосфере Солнца. Ядро Солнца, состоящее почти целиком из тяжёлых элементов, может достигать 10—90% массы и 1—20% радиуса Солнца. А над ним должен плескаться достаточно толстый, но сравнительно разреженный океан водорода с гелием и прочими примесями, удерживаемый на месте и стабилизируемый именно притяжением гигантского ядра. И если ядро Солнца свыше примерно 50% массы, а фотосфера достаточно тонкая, дающая малое давление, то в верхней части ядра может быть пограничный незастывший слой с возможным движением магматических пород.

Глава 2.6 Обоснование негомогенной версии строения Солнца

А теперь обоснуем тот факт, что если Солнце исходно появилось с каменным ядром, то ядро Солнца до сих пор не могло раствориться в окружающей водородной атмосфере до гомогенного состояния. Если внутри звезды должно быть повышенное количество металлов, по сравнению с её поверхностью, то должно быть и постепенное нарастание концентрации металлов с глубиной. Попытаемся рассчитать, с какой скоростью должно происходить изменение концентраций разных элементов в зависимости от глубины. Для этого сперва отвлечёмся от Солнца, и снова посмотрим на Землю.

Как известно, наша земная атмосфера в основном состоит из двух газов – кислорода и азота, до высоты 50км с незначительной примесью прочих газов, и на уровне моря содержание кислорода 20.7%, а на высоте 20км уже 18%. А какие ещё есть цифры? Посмотрим на такую табличку:

В ней первые 3 столбца табличные, взяты из интернета – высота над уровнем моря в километрах, давление (мм рт. ст.) и Pr_1=% кислорода на данной высоте. Но это реальные данные, полученные многочисленными измерениями реальной атмосферы, в которой есть горизонтальные ветра, и даже вертикальные потоки воздуха. А как бы этот процент рассчитать приблизительно, в идеальных условиях и без ветров? То есть задача такова – как посчитать парциальные давления разных идеальных газов в смеси, в узкой вертикальной трубке, в зависимости от высоты и разной температуры на разных высотах?

Это задача повышенной сложности для школьного уровня, и ответ на неё следующий. Если мы возьмём трубку со смесью идеальных газов разной плотности, подержим её до установления равновесия, затем мысленно разделим содержимое по нескольким таким же трубкам – в каждую уйдёт свой газ, и атом передвинется на ровно ту же высоту, на которой он находился в исходной трубке, то в итоге получим несколько трубок с газами, уже находящихся в динамическом равновесии – то есть газы в них не будут двигаться вверх-вниз, а уже будут распределены в точности по экспоненциальным законам. А раз так, то формула расчёта состава смеси по высоте просто элементарна – берём сумму экспонент, со скоростями роста пропорциональными молярным массам составляющих, с краевым условием что на опорной высоте значения концентрации должны быть табличными, после чего ищем значение концентраций на той высоте, где рассчитанное давление равно реальному. И температура газа на какой-либо высоте попросту не участвует в формуле.

Теперь проверяем, насколько эта формула расслоения идеальной атмосферы близка к реальной. Берём из таблицы опорную высоту в 0км, и считаем по указанной формуле содержания кислорода (столбец Pr_2). На высотах 20—40км получилось что-то похожее на табличные значения, только с 1.5—2.5 раза отличающейся скоростью падения концентрации, а на 5 и 11км – совсем плохое совпадение, ибо реально до 11км содержание кислорода оказывается растёт, а не падает! То есть, из за не идеальности газов и происходящих в атмосфере химических процессов, для малых высот формула не предсказала вообще ничего, а на больших высотах отличие от реальности всё же слишком большое. Раз так, то считаем концентрации ещё раз, взяв теперь опорную высоту в 11км, получаем новый столбец значений Pr_3, и опаньки – рассчитанные значения почти идеально ложатся на реальные данные, ошибка прогноза менее 10%! Это значит, что при всех тех ветрах, которые дуют в атмосфере Земли, концентрации газов по высоте ведут себя почти по идеальному закону. Правда, тут следует оговориться, что в верхних слоях атмосферы ветра всё же в основном горизонтальные, а вертикального переноса воздушных масс практически нет.

А раз так, раз формула даёт приближение с очень хорошей точностью, то стоит приглядеться к тому, что именно покажет та же самая формула для Солнца.

Для начала лирическое отступление. То что указано в Википедии о содержании элементов в фотосфере – это значения явно верхних слоёв, но непонятно, насколько верхних. Так как мы на Земле увидели этот свет, без последующего переизлучения, значит он дошёл до нас с глубины прозрачности фотосферы. Земная атмосфера для нас более чем прозрачна при взгляде строго вверх (оптическая плотность 10тонн на кв. метр), и вполне близка к прозрачной при взгляде на горизонт (около 100тонн). Значит, будем считать, что исходно мы зафиксировали концентрации газов по центру солнечного диска, когда смотрим строго вглубь на максимально возможную глубину прозрачности фотосферы (порядка 10—100км), хотя при взгляде на край диска некоторые концентрации могли немного поменяться.

Итак, мы зафиксировали концентрации элементов (по числу атомов) на некотором слое, там, где для удобства давление назовём одной «атмосферой», и далее посчитаем, какие концентрации газов должны быть на глубинах, соответствующих давлениям 10, 100, 1000 и 10000 «атмосфер». Из всего списка химических элементов, присутствующих во внешних слоях Солнца, в таблицу взяты самые массовые, непохожие по динамике на остальные, например углерод и азот пропущены потому, что их динамика почти не отличается от динамики концентрации кислорода. Вот какая получается табличка:

Как видно из таблицы, если бы на Солнце фотосфера была бы хоть сколько-то близка к идеальной, то уже на глубине, где давление равно 100 «атмосферам» концентрация водорода и гелия была бы мала, а основу составляло бы железо. А если бы в верхних слоях был замечен более тяжёлый свинец в количестве 1 атом на триллион (даже не миллиард), то при 100 «атмосферах» железо бы составило 3.8% а свинец 33% атомов! При этом, для данной формулы совершенно без разницы, где именно, то есть на какой глубине, наступает вертикальная стабилизация фотосферы Солнца – на глубине тысячу км, или пять тысяч, или даже сто тысяч км – как только такая стабилизация наступила, если только газ хоть как-то похож на идеальный, то на глубинах с 10- и 100-кратно большим давлением распределение элементов будет близко к указанному в таблице.

Таким образом, есть все основания считать, что даже если внешняя часть атмосферы Солнца сильно перемешивается по вертикали, и плазма далека от смеси идеальных газов, то в зоне лучистого переноса энергии, к глубине начала того образования, которое астрофизики именуют водородным ядром (10млн атмосфер обычных) концентрация элементов вследствие разделения должна приблизиться как минимум к рассчитанной на глубине в 100—1000 «атмосфер». То есть, ни о каком преобладании водорода уже не может быть и речи, и уже одно это доказывает ошибочность текущей картины внутреннего состава Солнца.

Часть 3. Общее описание процесса образования планет – теория каменного дождя

Глава 3.1 Процесс формирования зародышей планет от пыли до снежков килотонной массы

Теперь стоит вернуться к исходному вопросу ребёнка— а как же образовались наши планеты? Итак, откатываемся назад, ко временам появления протозвезды, ещё без образования квазизвезды. У нас уже есть «тёплое» каменное протосолнце, то есть уже нагревающее грязный лёд до липкого состояния, но и не раскалённое до возможности быстрого высушивания снега, и относительно тонкий протопланетный диск, образовавшиеся буквально за тысячелетия или десятки тысяч лет, состоящий из огромного числа снежинок и газа, общей плотностью возможно до нескольких тонн на квадратный метр площади этого диска (но распределённых по высоте эклиптики на сотни тысяч километров), из которых на твёрдое вещество приходится порядка 1% массы, то есть десятки килограмм. Значит, при подобной плотности тёплые и липкие снежинки начинают при столкновениях массово слипаться в комки, вопрос лишь – с какой скоростью?

Допустим, что исходно у нас первичный материал для образования планет находится на достаточно высоких орбитах (и лишь впоследствии упадёт поближе к Солнцу), и распределён совсем тонким слоем – непосредственно твёрдых частиц (льда и тяжёлых элементов) буквально 10кг на 1кв. метр диска – в переводе сплошной на водяной лёд, толщина =1см. Тогда для образования Юпитера с массой 1.8*10^27кг понадобится диск диаметра порядка 10^10км, что на порядок больше диаметра его нынешней орбиты, то есть минимальная оценка плотности диска более чем правдоподобна. Весь этот диск можно условно поделить на отдельные круговые орбиты, как делится на отдельные кольца диск вокруг Сатурна. Допустим мы рассматриваем отдельную орбиту, на которой один оборот длится 400млн секунд (≈13 лет) – взяли красивую круглую цифру. Каждая частица в течение оборота вокруг Солнца четверть оборота поднимается над математическим экватором, потом столько же опускается, потом поднимается и опускается с противоположной стороны, каждый интервал по 100 млн секунд. Представим, что исходно у нас все частицы идеальные, двигаются как газ, с постоянной для всех температурой – мерой средней кинетической энергии. Это значит, что средняя кинетическая энергия любой частицы – постоянна, и одиночной молекулы водорода, и снежинки весом в целый грамм. Один грамм, это по весу примерно 6*10^23 атомов водорода (число Авогадро), округлим его до 10^24, а значит, если средняя скорость отдельного атома водорода километр в секунду, то средняя скорость граммовой снежинки уже всего нанометр в секунду. Фактически перед нами картина тепловой смерти – снежинки не могут слипаться просто потому, что практически не двигаются! Где же ошибка в вычислениях?

Ошибка в том, что мы рассматриваем не просто газ, а находящийся в гравитационном поле. Итак, введём координатные оси во вращающейся системе координат, относительно частицы вращающейся строго по кругу, не покидающей экватора – ось X направлена к солнцу, ось Y по направлению вращения идеального математического экватора, ось Z вверх от плоскости экватора. Тогда при столкновениях частиц. находящихся примерно на одной орбите, скорости сталкивающихся частиц по осям X и Y свободно взаимоуничтожаются, а вот по оси Z всё гораздо сложнее. Дело в том, что мы неявно предполагали, что все частицы столкнутся на самом экваторе, когда потенциальная энергия у них нулевая (наименьшая на данной орбите), а кинетическая энергия максимальна, а ведь это не так. Проведём мысленный эксперимент – возьмём всё пылевое облако, разобьём его на кубики размером 1км, все твёрдые частички из каждого кубика мгновенно слепим в одну снежинку внутри кубика, сохранив за ней среднюю скорость и координаты частиц, из которых эту снежинку слепили. Тогда у этих снежинок окажется практически нулевая скорость относительно экватора по любой из выбранных координат, но совсем не нулевая высота, которая в гравитационном поле сразу же начнёт обратно преобразовываться в скорость, которая достигнет на экваторе уже сотен м/сек! Так что, тепловой смерти нет, надо только правильно посчитать средние скорости движения.

Проведём следующий мысленный или численный (у кого есть компьютер и знания программирования) эксперимент. Итак, допустим, у нас на орбите летят частицы, которые должны слипнуться в снежинки, и для простоты вычислений предположим, что слипаться могут только частицы одинаковой массы. В начале эксперимента, на 0 шаге, это были атомы водорода, со скоростями до 1км/сек. На каждом следующем шаге сталкиваются любые две случайно выбранные частицы, находясь в любом случайно выбранном месте своей орбиты, вне зависимости от места предыдущего столкновения, их скорости гасятся, но потенциальная энергия остаётся. Проводим математическое моделирование (на уровне программирования для 10 класса), и получаем такую табличку:

Здесь у нас N= номер шага (кратно 10), Z=десятичная степень числа атомов в снежинке (10^Z ≈ 2^N, 10^3 ≈ 2^10), V и E= средняя арифметическая и среднеквадратичная скорость частиц в момент пересечения экватора.

Полученное моделирование показывает, что вертикальная скорость падает пропорционально не квадратному, а кубическому корню из количества атомов в снежинке. И для граммовых снежинок (Z=24) составляет порядка 0.02мм/сек, что на 4 порядка выше, чем вычисленное из просто теплового движения. И если полный оборот длится 400млн секунд, то такая снежинка будет летать относительно экватора вверх-вниз на несколько километров, массово сталкиваясь с себе подобными. Какова будет реальная средняя скорость – как при моментальном слипании (до километра в секунду), или как при очень длительном (десятки микрон в секунду) – сразу сказать невозможно, но мы хотя бы теперь знаем ограничение на скорость снизу.

Что из этого следует? Почти все пылинки за несколько оборотов вокруг Солнца гарантированно слипнутся в снежинки, диаметром минимум в толщину снежного покрова, просто выложенного на экватор. Мы предположили, что льда там будет 10кг на метр, толщиной 1см, но снег ведь гораздо более рыхлый – его толщина минимум 10см. Значит, на первом этапе, на каждой орбите, буквально за первые несколько оборотов вокруг ещё протозвезды, мелкие льдинки обязаны слипнуться в кубические снежки размером в 10см, прилегающие вообще без зазоров, или более вероятно – в круглые снежки диаметром по 20см (=0.4 кг) с расстояниями между проекциями центров на экватор около 22см, имеющими характерную вертикальную скорость около 1 микрона в секунду минимум. Вес получившихся снежков, конечно, мал, но и скорости микроскопические, а это значит, что гравитационное притяжение между ними станет существенным (а ведь ещё возможно и гораздо более сильное электростатическое притяжение). Ведь если два килограммовых снежка пролетают мимо друг друга на расстоянии в 1м на скорости 10^-6 м/с, за миллион секунд гравитационного взаимодействия они наберут скорость порядка 10^-4 м/с – в сто раз больше, чем была их вертикальная скорость! А значит, почти гарантированно столкнутся и слипнутся. А раз так, то производим очередной расчёт – как поведут себя пылинки пролетая мимо крупного снежка плотностью 0.1, массой m, на малых скоростях (10, 1, 0.1 и 0.01 мм/сек) на разных расстояниях.

В таблице указаны масса m в килограммах, и r0= радиус снежка в метрах, далее 4 столбца значений – на каком расстоянии от центра снежка исходно должна была пролегать неискривлённая прямая траектория пылинки, пролетающей с указанной скоростью (от 0.01 до 0.00001 м/сек), чтобы траектория искривилась настолько, чтобы пылинка врезалась в снежок. Речь здесь о пылинке потому, что более крупный снежок будет обладать ненулевым радиусом, и врежется на ещё большем расстоянии. Последнее поле rr= среднее расстояние между проекциями снежков на экватор, если бы абсолютно все снежки имели бы одинаковую указанную массу.

Из таблицы видно, что даже снежки от 1кг до 100т при характерной скорости 0.01мм/сек будут иметь дальность гравитационного захвата чуть больше среднего расстояния между снежками, а значит будут очень быстро сталкиваться с увеличением массы до килотонны. Можно возразить, что при мизерных горизонтальных скоростях сталкиваться будет не с кем, ибо снежинка только и будет делать, что двигаться вверх-вниз относительно экватора, без бокового смещения. Но пролёты не закончившиеся столкновениями, из за гравитационных взаимодействий очень быстро изменят вектора скоростей снежков с чисто вертикальных на хаотические по всем трём координатам.

Начиная с некоторого момента потенциальная энергия расстояний между снежинками станет не просто переходить в кинетическую, с дальнейшим переходом в тепловую (при столкновении) или обратно в потенциальную (при пролёте), а при взаимодействии многих тел некоторые снежки неизбежно будут отбрасываться с большими скоростями, вследствие чего средняя скорость снежинок начнёт потихоньку возрастать. И например, снежок массой в килотонну, при скорости набегания в 1мм/сек имеет радиус зоны захвата уже не 273м, как при скорости 10мкм/сек, а всего 36м, при среднем расстоянии между проекциями снежков на экватор порядка 316м. то есть, вроде бы, ему теперь уже не с кем стало столкнуться. Тогда делаем такое вычисление. Допустим на данной орбите год=400млн. сек, средняя скорость снежков уже килотонной массы 1мм/сек, значит средняя высота подъёма снежков над экватором составит около 50км, толщина слоя полёта 100км. А снежки (в исходно раскатанном в блин виде) занимают слой толщиной 10см, что в миллион раз тоньше зоны полётов снежков. Значит, каждый кубометр снега приходится на 1млн кубометров пространства зоны возможного пролёта снежков. Снежок массой в килотонну, летящий вбок со скоростью 1мм/сек, за один «год» проходит расстояние в 400км, и заметает зону притяжения радиусом 36м, площадью сечения 4000кв. м, объёмом за год 1.6млрд кубометров, из которых каждый 1 из миллиона кубометров занят снегом. А это значит, что за год он либо встретится с пылинками общим объёмом 1600кубометров и массой 160 тонн (16% массы самого снежка), либо с вероятностью 16% в эту зону попадёт не то что край, а прямо таки центр такого же снежка массой в килотонну. А если бы средняя скорость была свыше 10мм/сек, то данная вероятность составила бы порядка 1.5—2% в год. К сожалению, на этом вычисления приходится закончить, ибо без серьёзной компьютерной техники делать статистические вычисления для систем многих тел с неизвестными средними начальными скоростями – бесперспективное занятие. Но в любом случае, физика курса средней школы показывает процесс формирования зародышей планет до килотонного класса, в то время как интернет сообщает о пробеле в знаниях алгоритма укрупнения частиц планетезималей от 1 см до 1 км (например тут [2]).

И более того, этот же алгоритм показывает, почему исходно некоторые снежинки могли вырасти до планетных размеров, находясь не строго в плоскости протопланетного диска, а пересекая его под достаточно большим углом – ныне для всех планет Солнечной системы он составляет около 7 градусов. Достаточно было зародышу одной планеты (Юпитера) родиться с большим углом наклона, например в результате очень быстрого слипания частиц в верхней точки траектории над экватором, после чего он набирал массу по своей траектории, почти не меняя угла наклона орбиты, и когда он стал самой большой планетой солнечной системы – постепенно стабилизировал траектории всех остальных планет относительно себя.

Глава 3.2 Появление у планет вращения вокруг своей оси, совпадающего с направлением вращения вокруг Солнца

Подготавливая статью о происхождении Солнца и планет к публикации, внезапно наткнулся в интернете на тот факт, что если верить книгам и СМИ, оказывается многим астрофизикам до сих пор не очень понятно каким именно образом у планет Солнечной системы образовалось вращение, совпадающее с направлением вращения самого Солнца и планет вокруг него. А ведь это, по сути, элементарная задачка по механике, для 10—11 класса. Здесь самое время с нею разобраться.

Итак, исходное пылевое облако сгустилось в отдельные снежки как минимум килотонного класса. Далее из них родятся планеты – но в какую сторону они будут вращаться?

Ещё Лапласа мучал вопрос – почему их направление вращения совпадает с направлением вращения вокруг Солнца, хотя вроде бы должно быть наоборот? Рассуждения были таковы. Исходно все зародыши вращаются по приблизительно круговым орбитам, и чем ближе к Солнцу – тем быстрее. Получается, что если взять группу близко расположенных снежков (например в радиусе 1000км от заданной точки), и посчитать их момент вращения как сумму моментов скоростей относительно центра масс выбранной группы – он будет явно противоположно направленным моменту вращения плоскости. Так в чём же ошибка?

Ошибка опять в том, что пытались посчитать момент вращения, забыв о гравитационном поле, притом неоднородном. Исправляю этот просчёт, показав всю логику на примере простой модели.

Сперва решим упрощённую задачу. Допустим у нас исходно есть всего 2 группы снежков, с одинаковым количеством элементов (например миллион) равной массы в каждой группе (М1 и М2), вращающихся вокруг Солнца по строго круговым орбитам (радиусами R1 <R2), соответственно со скоростями (V1> V2). Между ними начинается длительное и очень сложное гравитационное взаимодействие, которое мы для простоты сведём к одному единственному краткому взаимодействию – в некоторый момент все снежки получили равные по модулю импульсы в сторону орбиты другой группы – то есть снежки нижней орбиты получили импульс от Солнца, а верхней орбиты соответственно к солнцу, после чего снова полетели по законам Кеплера. Тогда дальнейший их полёт пойдёт уже по эллипсам, снежки верхней группы немного опустятся, а нижние наоборот поднимутся. Теперь, зная это, выбираем начальный импульс взаимодействия таким, чтобы перигей орбиты верхних снежков по высоте совпал с апогеем нижних – на орбите радиуса R. И именно на этой орбите снежки должны будут попарно столкнуться. Вопрос, что мы увидим?

Для кругового движения по орбите R надо иметь некую круговую скорость V. Нижние снежки поднялись наверх, против гравитационного поля, погасили свою скорость, и в апогее имеют скорость VV1 <V, потому что после апогея опять начнут падать вниз. А верхние снежки в перигее будут иметь скорость VV2> V> VV1, так как после перигея должны вновь подняться вверх. Получается, что снежки, которые снизу, имеют скорость VV1 <VV2 – меньше верхних. То есть, при их слипании в пары, результат слипания каждой пары будет закручен в ту же сторону, в какую вращаются и сами будущие планеты вокруг Солнца. А уже последующее постепенное слипание одинаково вращающихся снежков, находящихся на одинаковых орбитах (не обязательно что круговых, возможно что и эллиптических) – направления вращения не изменит. Таким образом, упрощённую задачу можно считать решённой.

Теперь возвращаемся к исходной реальной задаче, в которой есть не две группы снежков на двух орбитах, а целый рой на всех возможных орбитах. Исходно, после фазы начальных массовых столкновений, снежки должны вращаться почти стационарно, по близким к круговым орбитам. Далее взаимодействуя случайным образом друг с другом, они начинают медленно изменять свои орбиты на эллиптические, до тех пор, пока орбиты наконец не сблизятся настолько, что летящие по ним снежки наконец не получат возможность войти в сферу ближнего притяжения друг с другом, с последующим столкновением. То есть, перед самым столкновением орбиты двух сталкивающихся снежков будут являться двумя едва касающимися друг друга эллипсами, орбита одного снежка будет в основном внутри орбиты другого. А раз так, то повторяя те же рассуждения, что и для круговых орбит упрощённой задачи, получаем, что в момент столкновения, скорость снежка с внешней, более высокой орбиты оказывается немного больше скорости снежка с внутренней низкой орбиты, и результат их столкновения имеет то же направление собственного вращения, что и направления вращения орбит обоих снежков вокруг Солнца.

Конечно, иногда будут происходить и столкновения снежков на сильно пересекающихся траекториях, и тогда будут не касания орбит, а именно их пересечения, и в результате слипания итоговый комок может получать самые неожиданные направления вращения. Например, мы забыли что движение снежков происходит в трёхмерном пространстве, а значит и результат столкновения будет трёхмерным телом, имеющим две степени свободы для момента вращения. Но в среднем, большинство столкновений будут происходить после длительных медленных взаимодействий, когда орбиты едва только успеют соприкоснуться. И таким образом, среднестатистически по мере столкновений, момент вращения образующейся протопланеты будет всё больше увеличиваться именно в нужную сторону. Ну а то, что оси вращения планет не идеально совпадают с осью вращения их орбит, связано именно с тем, что статистический метод работает только при столкновении огромного числа малых сгустков. А вот на последнем этапе, при столкновении уже реально больших планет типа Марса, для формирования Земли, очень важную роль уже играет случайность, и возможность планет лететь не строго в математической плоскости экватора – пролети одна из сталкивающихся планет тысячей километров выше или ниже экватора, и момент вращения результата столкновения может измениться очень сильно в любую сторону.

Глава 3.3 Когда и как сформировались планеты? И почему Солнце крутится так медленно? Теория каменного дождя

Зададимся таким вопросом – когда именно, то есть на какой стадии из газопылевого диска вокруг звезды успели сформироваться планеты? Кто же старше – Земля или Солнце? И почему планеты имеют столь разную плотность, а значит и разный химический состав, если все они сформированы из одного облака? И наконец – откуда в космосе могли взяться не просто ледяные или каменные метеориты, но так же и железо-никелевые, которые вроде бы должны были быть получены из центров столкнувшихся планет – чего никак не могло произойти, о чём говорят все результаты компьютерных моделирований столкновений.

Разумеется, если только планета не захвачена из иной звёздной системы, она младше протосолнца, ведь до его формирования в качестве центрального массивного элемента диска, не мог сформироваться и сам пылевой диск. Однако мы уже знаем, что как только протозвезда становится квазизвездой, она начинает очень интенсивно светить – нашему Солнцу понадобилось бы минимум 50млн лет, чтобы при нынешней светимости (3*10^26Вт, 10^34 Дж/год) высветить всю энергию гравитационного падения материала (это минимум 5*10^41Дж). А что если наша исходная квазизвезда была не тусклой долгоживущей туманностью, а наоборот достаточно яркой (что-то типа Бетельгейзе, которая светит как сто тысяч солнц, мы же возьмём всего десять тысяч светимостей солнца), и при этом светила достаточно долго, при выбранной светимости срок высвечивания гравитационной энергии 10тысяч лет – вполне исторически значимое время, которое могло бы показаться «вечным» для молодой цивилизации в находящейся неподалёку звёздной системе.

Итак, рассмотрим такой «абсолютно невозможный» гипотетический сценарий – на первом этапе за сравнительно короткое время из первичного облака образовалось протосолнце массой в 50% нынешнего Солнца, средней плотностью в 20 единиц, состоящее из тяжёлых элементов, а вокруг него вращается остаток облака, массой примерно в оставшиеся 50% МС. Фактически мы из условия описанного в главе 2.3 перепрыгиваем от ядра массой 5—10% МС к ядру многократно большего размера, вообще без всяких промежуточных обоснований. Единственно, для обоснования теоретической правомерности такого перехода напомню, что звезда Ross-508, с плотностью в 26 единиц, имеет массу 18% Солнца, и радиус в 21%, то есть сделанное предположение не столь и фантастично, а очень даже близко к возможному. В результате, мы имеем вращающееся облако, которое уже обеднено металлами, по сравнению с исходным своим составом, но их всё ещё предостаточно и для выпадения на протосолнце, до достижения им массы порядка 60—70% МС (имеются в виду только металлы), и для образования будущих планет. Какую картину мы в результате должны увидеть?

Итак, в первой фазе рождения звезды (глава 2.1) вода уже сгустилась в грязные снежинки-капли, которые в основном выпали в область протопланетного диска, и вращаются там в облаке газа почти по круговым орбитам с почти первой космической скоростью для данного расстояния от протозвезды. Эти капли падают сквозь газ на протозвезду массой в половину МС, которая при плотности всего в 20 единиц (в 15 раз плотнее нынешнего Солнца), должна иметь объём порядка 3% от объёма Солнца, то есть линейный размер в 30% солнечного. А значит, выпадение массы в одну Землю (1МЗ) на поверхность этой протозвезды выделит энергию в 1.5 раза выше, чем падение такой же массы на поверхность нынешнего Солнца, которая по формуле E=G*МС*МЗ/Rc (из главы 1.) составляет порядка 10^36Дж, или светимость Солнца за 100 лет. То есть фактически, если у нас ежегодно на протозвезду будет выпадать «всего» 60МЗ вещества любого химического состава (около 2млн. куб. км в секунду, это слой в 120км в год на всю поверхность Солнца при плотности воды, или 6км при плотности 20 единиц), то это вполне обеспечит выделение энергии на уровне 10^4 солнц. А при условии, что выпасть ещё должно около 50%МС что равно 150000 МЗ, то у нас имеется огромный запас времени свечения такой квазизвезды.

Что же мы должны в этом случае увидеть со стороны? Безусловно, при падении вещества на поверхность протозвезды, основная часть энергии выделяется именно на последнем этапе, почти у поверхности протозвезды, так как именно там и наибольшая гравитация, и падающее вещество должно погасить свою первую космическую скорость практически до нуля на очень короткой дистанции, но кое-что будет постепенно выделяться и на большом расстоянии от протозвезды из за трения о газовую атмосферу. И потому, если бы мы могли видеть сквозь толщу газового облака, центральная протозвезда должна бы предстать пред нами как чрезвычайно яркий, синий или даже ультрафиолетовый карлик. Вот только, она скрыта от нас мощным окружающим облаком, хоть и чрезвычайно рыхлым, но, благодаря высоте в миллионы километров, с оптической плотностью в миллионы тонн на квадратный метр. То есть видимым для нас светящимся диаметром квазизвезды будет что-то типа Бетельгейзе, только немного поменьше. Так как мы выбрали для квазизвезды (произвольно) светимость в 10 раз меньше Бетельгейзе, то при такой же как у неё температуре поверхности, она должна иметь в 10 раз меньшую площадь поверхности, или примерно в 3 раза меньше радиус квазизвезды – то есть радиус видимой границы будет проходить где-то на орбите Марса (1.5 АЕ). Если же поверхность квазизвезды будет холоднее, чем у Бетельгейзе (3600°К), например на 20% (=3000°К), то при сохранении светимости размер будет на 45% больше, и орбита Марса полностью окажется внутри квазизвезды, с большим запасом, вплоть до орбиты мифического Фаэтона, и только нынешняя орбита Юпитера будет вне светящейся границы звезды.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.