Вселенная

Хотя открытие процесса синтеза гелия из водорода в основном дало ответ на вопрос об источнике солнечной энергии, тем не менее оно не разрешило всех проблем. В частности, оказалось, что Солнце неожиданно бедно водородом и богато гелием. Если оно существует лишь около 5 миллиардов лет, оно должно было бы истратить меньше водорода и образовать меньше гелия.
Можно предположить, что в прошлом Солнце было горячее и расходовало свое топливо с большей щедростью. На первый взгляд представляется даже вполне правдоподобным, что Солнце вело себя подобно костру, пламя которого спадает по мере расходования топлива и «сгорание» протекает все медленнее. В этом случае прошлая история Солнца должна быть короче, чем мы предполагали, а будущая жизнь — соответственно длиннее. Но увы, насколько удалось установить геологам, в истории Земли нет никаких указаний на то, что за последние несколько миллиардов лет количество вырабатываемой Солнцем энергии заметно менялось.
Существует и вторая возможность — Солнце могло расходовать водород еще до образования солнечной системы, когда она была разреженной вращающейся туманностью.
Однако это тоже маловероятно. До образования солнечной системы в ее настоящем виде туманность, бесспорно, могла существовать бесчисленные миллиарды лет, но, оставаясь туманностью, она не тратила бы энергии за счет ядерных реакций. В разреженных туманностях тяготение настолько слабо, что оно вызывает лишь небольшое повышение температуры вблизи центра, далеко не достаточное для того, чтобы дать первый толчок реакции слияния атомов водорода. Такая туманность медленно сжималась бы и производить энергию могла бы только за счет энергии тяготения, вызывающей падение частиц к центру — в соответствии с давним предположением Гельмгольца.
По мере сжатия туманности тяготение становилось бы более интенсивным общее количество энергии оставалось бы прежним, но она концентрировалась бы во все меньшем и меньшем объеме. По мере увеличения давления в центре сжимающейся туманности повышалась бы температура, пока, наконец, она не достигла бы критической точки. Сжимающаяся туманность вспыхнула бы и превратилась бы в звезду. Лишь тогда начались бы ядерные реакции, причем только в центре Солнца, а не во внешних слоях туманности, где должны были формироваться планеты.
Проблема, кроме того, связана не только с излишками гелия, но и с присутствием на Солнце и на планетах ряда элементов, гораздо более сложных, чем гелий. Откуда взялись эти элементы?
Познакомимся кратко с некоторыми из них. Водород, атомное ядро которого состоит из единственной частицы, и гелий с атомным ядром, состоящим из четырех частиц,— это два простейших элемента. Остальные обладают более сложным строением. Наиболее распространенные из них (после водорода и гелия) — это углерод, азот, кислород и неон, их ядра состоят соответственно из 12, 14, 16 и 20 частиц.
Можно, конечно, предположить, что хотя водород превращается преимущественно в гелий, одновременно протекают и побочные реакции, в которых гелий в свою очередь превращается в углерод или кислород. Такое слияние ядер должно происходить чрезвычайно редко, поскольку за все 5 миллиардов лет жизни Солнца возникло лишь очень незначительное количество более сложных атомов. Кислород, например, составляет только 0,03% всего объема Солнца.
Кроме того, если элементы, более сложные, чем гелий, возникают в результате слияния ядер, то они должны были бы существовать только на Солнце. Каким же образом такое количество более сложных атомов оказалось на планетах, которые образовались из вещества внешних слоев туманности?
Земля, например, состоит почти исключительно из элементов, более сложных, чем водород и гелий. Этот факт не столь удивителен, как могло бы показаться на первый взгляд у него имеется объяснение, которое я сейчас изложу.
Твердые вещества связываются силами межатомного сцепления, и их целостность не зависит от силы всемирного тяготения. Однако у паров и газов межатомное сцепление очень слабо, и только сила тяготения удерживает их около планеты. Движение атомов или групп атомов (которые называются молекулами) в газах и парах имеет тенденцию преодолевать силу тяготения. Если атомы и молекулы движутся достаточно быстро, они уносятся прочь от планеты, несмотря на ее тяготение. Чем меньше планета, тем слабее ее тяготение и тем легче улетают от нее атомы и молекулы. А кроме того, чем легче атомы и молекулы, тем быстрее они в среднем движутся и тем чаще улетают от планеты.
Атомы водорода — самые легкие. Они проявляют склонность объединяться в пары и образовывать молекулы водорода. Хотя масса молекулы водорода вдвое больше массы отдельного атома водорода, она тем не менее легче любого другого атома.
Гелий существует в виде отдельных атомов. Масса атома гелия вдвое больше массы молекулы водорода (и вчетверо больше массы атома водорода), но он легче всех остальных атомов и молекул.
Тяготение Земли слишком слабо для того, чтобы удерживать водород или гелий. Правда, в отношении водорода действуют некоторые дополнительные факторы. Два атома водорода могут соединяться с одним атомом кислорода, образуя молекулу воды (масса которой в 18 раз больше массы отдельного атома водорода), или с атомами других элементов, образуя твердые вещества Поэтому Земля в процессе своего образования удержала часть водорода в соединениях с другими элементами, но ее поле тяготения всегда было слишком слабым для того, чтобы удерживать водород в газообразной форме. В результате большая часть водорода, окружавшего Землю в период ее образования, вообще не была захвачена ею — это, в частности, одна из причин, почему Земля так мала. Гелий же не вступает ни в какие соединения, а потому он вообще не был захвачен Землей в каких-либо заслуживающих внимания количествах. В настоящее время на Земле имеется лишь очень мало гелия.
Однако других элементов (в основном кислорода, кремния и железа) хватило на то, чтобы образовались такие планеты, как Земля, Марс, Венера, Меркурий и Луна.
Но планеты типа Юпитера, находившиеся гораздо дальше от Солнца, всегда имели значительно более низкую температуру. А чем ниже температура, тем медленнее движутся атомы и тем легче их удержать. Вещество, сгущавшееся в планету Юпитер, могло удерживать водород с большей легкостью, чем вещество, из которого образовывалась Земля. По мере накопления водорода масса Юпитера росла, а с ней и сила его тяготения. Это помогало накапливать все больше водорода, что в свою очередь еще более усиливало притяжение. Именно благодаря этому «эффекту снежного кома» Юпитер достиг своих нынешних размеров и, как показывают спектроскопические и другие данные, стал весьма богат водородом (так же как и все остальные внешние холодные планеты).
И все же Юпитер состоит не из одного водорода. В его атмосфере есть большая примесь гелия, а, кроме того, согласно некоторым данным, в ней присутствуют соединения, содержащие углерод и азот.
Следовательно, на всем протяжении туманности, из которой образовались планеты, были рассеяны неожиданно большие количества гелия и более сложных элементов. Чтобы объяснить этот факт, можно выдвинуть два предположения:
1. Тяжелые элемент имеются только во внутренних областях Солнца, а потому планеты должны были возникнуть из солнечного вещества. Это несовместимо с гипотезами их происхождения из туманности, и астрономам пришлось бы вернуться к какому-нибудь варианту планетезимальной теории.

2. Тяжелые элементы могут присутствовать в разреженной туманности, и возникли они не благодаря ядерным реакциям внутри Солнца, а каким-то иным путем.
Большинство астрономов предпочло бы не принимать первое предположение, если бы удалось удовлетворительно обосновать второе. Для того чтобы посмотреть, откуда, помимо Солнца, могли появиться тяжелые элементы, давайте вновь бросим взгляд за пределы солнечной системы, на звезды.