Текст книги "Журнал «Вокруг Света» №06 за 2009 год"
Автор книги: Вокруг Света Журнал
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 10 страниц)
Парадоксы волнового мира
WILLIAM RADCLIFFE/SCIENCE FACTION/CORBIS/RPG
В яркий солнечный день на море взгляду открывается безупречно четкая картина. Каждый листок на дереве, каждый камешек на пляже ясно обрисованы, а резко очерченные солнечные блики на волнах складываются в уходящую к горизонту дорожку. На снимке с короткой выдержкой набегающая на берег волна предстает тысячами мельчайших капелек, в которых играют лучи света. Оттого, наверное, и кажутся лучи, состоящие из частиц, самым естественным представлением о природе света. Даже удивительно, что кто-то стал изобретать более замысловатые модели. Но в физике известен целый ряд явлений, которые не укладываются в рамки такой привлекательной корпускулярной модели света.
Одним из первых о световых волнах заговорил Христиан Гюйгенс. В его теории свет – вовсе не частицы, а волнообразные колебания эфира, которые распространяются в пространстве подобно волнам на поверхности воды. Давайте присмотримся внимательнее к этому процессу.
Если на воде под внешним воздействием образуется горб, он сразу начинает проседать и растекаться в стороны. Опускаясь, вода по инерции проскакивает положение равновесия, и на месте горба появляется впадина, окруженная водяным валом. Затем проседает вал, превращаясь в ров, а по сторонам от него – снаружи и внутри – вода вновь поднимается, хотя и на меньшую высоту, чем прежде. Чередующиеся валы и впадины начинают расходиться, образуя круги на поверхности воды, наблюдать за которыми настоятельно советовал Козьма Прутков.
Волны от разных источников распространяются независимо и, как призраки, свободно проходят сквозь друг друга. При этом их воздействия на среду складываются: когда на поверхности воды сходятся два горба, высота волны в этом месте вырастет вдвое. Напротив, горб и впадина взаимно гасятся. Если на ровную поверхность воды уронить на некотором расстоянии две капли, то круги от них, проходя сквозь друг друга, образуют характерный клетчатый узор. Это явление получило название интерференции.
Интерференцию на воде легко наблюдать, поскольку волны движутся медленно и имеют большую длину. Свет же при длине волны полмикрона за секунду проходит 300 000 километров, совершая при этом около квадриллиона колебаний. Уследить за такими процессами весьма затруднительно. И все же известно множество эффектов, в которых волновая природа света проявляется вполне наглядно.
Бритва удерживается на воде поверхностным натяжением нефтяной пленки. Цветные разводы возникают за счет интерференции – сложения световых волн, отраженных верхней и нижней поверхностями пленки. Фото: SPL/EAST NEWS
Тонкие пленки
Надувать мыльные пузыри любят не только финансисты. Многим нравится следить, как дрожащий шарик переливается всеми цветами радуги. Эта игра красок – результат интерференции пары отраженных световых волн. Одна идет от внешней поверхности мыльной пленки, а другая – от внутренней. Нам кажется, что толщина мыльной пленки ничтожно мала. Но для света это совсем не так. Вторая волна, которой пришлось дважды преодолеть толщину пленки, отстает от первой. Из-за этого гребни отраженных волн смещаются относительно друг друга на двойную толщину пленки.
Если это смещение окажется равным длине волны света, волны взаимно усилятся. В случае же, когда отставание составит половину или полторы длины волны, гребни одной волны придутся на впадины другой и полностью погасят друг друга. При толщине пленки в четверть микрона (250 нм), характерной для еще достаточно прочного пузыря, разность хода составляет полмикрона, что как раз равно длине волны красного света в воде. Волны, отвечающие синему цвету, короче, и для них расхождение составит полтора периода. В итоге красный цвет в отражении усилится, а синий пропадет.
Мыльная пленка – эфемерная конструкция. Вода быстро испаряется или стекает вниз под действием силы тяжести. Толщина пленки меняется, а вместе с ней меняются видимые на поверхности пузыря цвета. При толщине 230 нм она окрашивается оранжевым цветом, при 200 нм – зеленым, при 170 нм – синим. Поскольку толщина пленки уменьшается неоднородно, она обретает пятнистый вид. Истончившись до 0,1 микрона (100 нм), пленка уже не может усиливать отраженный свет, а только избирательно гасит некоторые цвета. Наконец, пропадает и эта способность, поскольку разность хода отраженных лучей становится незначительной, пузырь обесцвечивается и лопается при толщине пленки 20—30 нм.
Радужные переливы нефтяной пленки на воде тоже вызваны интерференцией. Поэтому они возникают в случае относительно небольшого загрязнения, когда пленка имеет толщину около микрона или меньше.
Дифракция лазерного излучения на узкой щели. Слегка «заворачивая за угол», луч попадает в области, куда по законам геометрии он не должен попадать в принципе. Фото: SPL/EAST NEWS
Цвета побежалости
Явление интерференции с давних времен использовали при обработке стали. Чтобы стальной инструмент обладал высокой твердостью, его закаливают: разогревают до температуры 800—900 °C и резко охлаждают. Но вместе с твердостью закаленная сталь приобретает хрупкость, она почти не деформируется, а при высокой нагрузке или ударе трескается. Чтобы придать стали пластичность, ее подвергают отпуску: вновь нагревают, но теперь уже до 200—300 °C, и постепенно охлаждают. При этом часть кристаллических структур, образовавшихся в ходе закалки, преобразуется, и сталь, сохраняя прочность, обретает упругость.
При отпуске важно тщательно выдерживать температуру нагрева. Ошибка всего на 10 градусов делает сталь непригодной для выбранной цели. Сегодня соблюдение условий термообработки уже не составляет проблемы, но в прошлом для этого требовалось особое мастерство. При закалке температуру нагрева определяли по цвету каления стали, но при отпуске нагрев не такой сильный и металл не испускает видимого света. И тут на помощь металлургам приходит интерференция.
Если тщательно зачистить поверхность стали, то во время нагрева на ней начинает нарастать тонкая прозрачная оксидная пленка. Чем выше температура, тем она толще. Как и в случае с нефтью на воде, световые волны, отразившиеся от пленки и от поверхности металла под ней, интерферируют, и по череде сменяющихся оттенков – их называют «цветами побежалости» – можно весьма точно определить достигнутую температуру. При 200 °C на поверхности появляется едва заметная желтизна. К температуре 230 °C, при которой отпускают твердый металлорежущий инструмент, цвет становится довольно выраженным соломенным. При 255 °C поверхность становится буровато-желтой – как раз для более мягких деревообрабатывающих инструментов. Около 270 °C начинает появляться пурпурный оттенок – эта температура годится для грубого столярного инструмента вроде пил и топоров. Синий цвет появляется к 300 °C – как раз для пружинной стали. А до 340 °C, когда поверхность становится водянисто-зеленой, отпуск никогда не доводят, иначе металл потеряет твердость, приобретенную ранее в ходе закалки.
В прошлом чтение цветов побежалости было одним из основных профессиональных навыков мастеров-металлургов. Некоторые из них чувствовали различия в оттенках металла тоньше многих художников. Ведь это был фактически единственный способ контролировать процесс получения качественной стали.
Интерференция волн на воде. Фото: SPL/EAST NEWS
Достичь просветления
Еще одно применение тонких интерференционных пленок – просветление оптики. Современные фотообъективы нередко состоят из десятка стеклянных и пластиковых линз. Каждая из двух десятков их поверхностей отражает около 4% света. Выходит, что более половины всего собранного объективом излучения пропадает зря и, что еще хуже, часть этого рассеянного света, испытывая повторные отражения, доходит до светочувствительной матрицы, создавая на снимке вуаль.
Для уменьшения количества рассеянного света линзы покрывают тонкими прозрачными пленками. Казалось бы, из-за роста числа поверхностей потери на отражение только возрастут, но благодаря интерференции эффект оказывается противоположным. Если взять пленку толщиной в четверть длины волны, световые колебания, отразившиеся от нее и от скрытой за ней поверхности линзы, сдвинутся на половину длины волны, выйдут наружу в противофазе (горбы к впадинам) и полностью погасят друг друга. То есть от поверхности линзы ничего не отразится. Этот прием называют «просветлением оптики», поскольку свет, который не был в итоге отражен, проходит сквозь линзу и участвует в построении изображения. То есть просветление не только подавляет блики, но и снижает потери света в объективе.
Конечно, полное гашение бликов – недостижимый на практике идеал. Свет состоит из волн разной длины, а толщина пленки фиксирована. Обычно ее выбирают так, чтобы наилучшее гашение достигалось в зеленой области спектра, на которую приходится максимальная чувствительность глаза или матрицы фотоаппарата. На краях же спектра подавление бликов работает хуже, и поэтому на просвет оптика с покрытиями выглядит желтовато-оранжевой или сине-фиолетовой. Для полного гашения бликов также нужно, чтобы отражения от поверхности пленки и от стекла под ней имели одинаковую интенсивность, а этого тоже пока добиться не удается. Простое «четвертьволновое» просветляющее покрытие способно снизить потери света на каждой оптической поверхности с 4 до 2%. Для достижения еще большего эффекта применяют многослойные покрытия, которые рассеивают всего полпроцента света.
В воде, где световые волны становятся на четверть короче, цвет таких бабочек меняется. Фото: SPL/EAST NEWS
В обход препятствий
Все приведенные примеры интерференции являются очень простыми. В них исходная волна разделяется на две за счет частичного отражения, а потом полученные волны складываются с небольшим сдвигом. Но есть и более сложные проявления интерференции множества числа волн.
Простейший пример такой сложной интерференции – сам процесс распространения световой волны. Если следовать Гюйгенсу, каждая точка в пространстве, которой достигли световые колебания, сама становится их источником. Но разве в таком случае свет не заполнит все пространство, подобно воде, затопляющей долину?
Объяснение парадокса кроется в тщательном учете влияния всех волн. На каждом гребне находится бесконечное число точек, и каждая из них действительно служит источником маленькой круговой волны. Но если посмотреть, какая картина сложится спустя небольшой промежуток времени, то окажется, что в большинстве точек пространства эти волны, сложившись, погасят друг друга и только немного впереди по ходу первоначальной волны они взаимно усилятся. Это и будет новое положение движущейся волны.
Правда, такой результат получается, только если фронт волны простирается во все стороны и ничем не ограничен. Если же на пути встречается препятствие, волны «затекают» за него, и там, где, казалось бы, должна быть густая тень, появляется немного света. Эта способность обтекать препятствия называется «дифракцией». Нередко ее указывают в числе первичных свойств любых волн. Но, как мы видим, на самом деле дифракция – лишь одно из проявлений интерференции, сложения множества самостоятельно распространяющихся волн.
Дифракция не приводит к полному размыванию света по пространству лишь потому, что по сравнению с предметами повседневного обихода длина световых волн очень мала. Зато в микромире дифракция ставит предел разрешению микроскопов: объекты размером меньше длины волны обтекаются светом, как будто их просто нет. А еще именно благодаря дифракции мы можем пользоваться в домах сотовой связью – радиоволны добираются до сотовых трубок, «затекая» в комнаты наших домов в обход экранирующих железобетонных конструкций.
Александр Сергеев
Рожденные из пыли
Рис. SPL/EAST NEWS
На протяжении нескольких веков космогония – астрономическая дисциплина, изучающая возникновение и развитие планетных систем, – занималась лишь умозрительными гипотезами. Однако в последние десятилетия ситуация радикально изменилась. Теперь космогонические исследования прочно опираются на фундамент физических законов, точных компьютерных моделей и данных наблюдений планетных систем у других звезд.
За полвека до появления теории всемирного тяготения Рене Декарт рассуждал о мировом эфирном вихре, в котором, как пыль на оси смерча, сгущается Солнце, а вокруг вихри поменьше формируют планеты. Это была первая вполне научная космогоническая гипотеза, которая объясняла, почему планеты обращаются вокруг Солнца в одной плоскости и в одном направлении.
Спустя почти два века Пьер Симон Лаплас писал уже о сжатии первичной туманности под действием гравитации и о том, что ее вращение будет при этом ускоряться в соответствии с законом сохранения момента импульса. Когда вращение, полагал он, становится слишком быстрым, от экватора будущего Солнца отделяются кольца газа, из которых потом формируются планеты.
К сожалению, в небулярную (от латинского nebula – «туманность») гипотезу Лапласа никак не укладывалось медленное вращение Солнца вокруг своей оси. Делая один оборот за 26 суток, оно несет всего 2% от полного углового момента (момента импульса, то есть, грубо говоря, «количества» вращательного движения) всего вещества Солнечной системы. Остальные же 98% приходятся на планеты, которые в 750 раз уступают Солнцу по массе. Представьте себе самосвал с песком, тормозящий перед светофором. Из-за резкой остановки немного песка просыпается и по инерции уносится вперед... со скоростью пули. Невероятно? Но столь же парадоксальной выглядит и концентрация большей части вращения Солнечной системы в нескольких ничтожных по массе планетах. Споткнувшись на этой проблеме, космогония полтора века топталась на месте и в какой-то момент даже пошла по неверному пути.
Неустойчивость Джинса
Мало кто знает, что идеи эволюции связаны с именем Чарлза Дарвина не только в биологии, но и косвенным образом в астрономии. Его сын Джордж Дарвин долгое время исследовал эволюцию системы Земля – Луна под действием приливных сил и возмущений других планет. Признанием его заслуг стала кафедра астрономии в знаменитом Тринити-колледже в Кембридже, где когда-то преподавал Исаак Ньютон, а также избрание председателем Королевского астрономического общества.
На рубеже XIX и XX веков Джордж Дарвин предложил своему студенту Джеймсу Джинсу изучить вопрос о равновесии газового облака в космическом пространстве: при каких условиях давление газа может уравновесить его собственное тяготение. Исследовав задачу, Джинс неожиданно пришел к выводу, что она не имеет решений. Расчеты, опубликованные в 1902 году, показывали, что любое космическое облако обречено либо на рассеяние, либо на неудержимое сжатие под действием собственного тяготения. Такой исход зависит от соотношения трех параметров: размеров, плотности и температуры облака. Маленькое разреженное и горячее облако рассеется, большое плотное и холодное – сожмется. Если достаточно обширное пространство однородно заполнить газом, то он из-за случайных флуктуаций плотности самопроизвольно распадется на облака, размер которых определится температурой и плотностью. В горячем газе фрагменты будут крупнее, в холодном – меньше.
Это явление получило название «джинсовской неустойчивости». Через нее в астрономию вошла эволюция, хотя в полной мере это было осознано только полвека спустя. Именно джинсовская неустойчивость объясняет, почему горячий газ в ранней Вселенной стал распадаться на колоссальные области, в которых позднее, при более низкой температуре, начали появляться многочисленные зародыши галактик. Внутри Галактики газопылевые комплексы, в сотни тысяч раз превосходящие по массе Солнце, в определенный момент начинают фрагментироваться и сжиматься, становясь очагами образования звезд, а с ними и планет.
Казалось, открытие Джинса подкрепляло гипотезу Лапласа, однако оно не помогало справиться с главной проблемой космогонии – парадоксальным распределением углового момента между Солнцем и планетами. В результате сам Джеймс Джинс отбросил небулярную гипотезу и предположил, что планеты – следствие редкой катастрофы: сближения (почти столкновения) с Солнцем другой звезды, которая своим тяготением увлекла в космос и закрутила вокруг Солнца часть его вещества. Забавно, что гипотеза Джинса прямо противоречила его же собственной теории неустойчивости космических облаков: горячий газ, вырванный с поверхности Солнца, ни за что не сконденсируется в планету, а бесследно рассеется в пространстве. Тем не менее гипотеза Джинса долгое время была весьма популярна среди публики, всегда падкой на рассказы о катастрофах. Окончательно от нее отказались только к 1940-м годам, когда выяснилось, что в ней все равно не удается получить нужное распределение углового момента. Астрономам ничего не оставалось, как вернуться к небулярной гипотезе.
Гипотеза Шмидта
В самый разгар Великой Отечественной войны, в 1943 году, советский математик Отто Юльевич Шмидт выдвинул гипотезу, согласно которой Солнце, двигаясь по Галактике, увлекло своим притяжением холодную пылевую туманность. На возражения астрономов о невозможности гравитационного захвата при сближении двух тел Шмидт отвечал, что одновременно с Солнцем мимо туманности, вероятно, проходила другая звезда, которая и помогла захватить вещество. Получилась еще одна сомнительная катастрофическая гипотеза, каких в первой половине XX века выдвигалось множество. Но заслуга Шмидта состояла том, что, несмотря на сомнения, он рискнул исследовать детали эволюции околосолнечного протопланетного облака, чем до него почти никто всерьез не занимался. Созданная им научная группа в 1945 году стала отделом эволюции Земли в Институте теоретической геофизики (ныне Институт физики Земли РАН имени О.Ю. Шмидта). Разрабатывая гипотезу своего руководителя, сотрудники отдела глубоко ее переработали: отбросили идею о случайном захвате облака, а его состав сделали смешанным газопылевым.
Компьютерное моделирование показывает, что космические пылинки имеют рыхлую неоднородную структуру. Рис. Eva Kovacevic
В итоге к 1960-м годам сформировался следующий классический сценарий образования планетной системы. При сжатии первичной туманности примерно 5—10% вещества образуют вокруг Солнца газопылевой диск. Из-за аэродинамического трения пыль быстро оседает сквозь газ к плоскости диска и формирует тонкий пылевой субдиск. В нем возникают сгущения, из которых вырастают планетезимали – скрепляемые гравитационными силами плотные объекты примерно километрового размера. Они укрупняются в столкновениях, формируя зародыши планет диаметром тысячи километров, которые своим притяжением собирают остатки газа, пыли и более мелких планетезималей, а затем, сливаясь друг с другом, превращаются в планеты.
Хотя от идей Шмидта в этом сценарии осталось не так уж много, в России его принято называть именем основоположника. В мире же он больше известен по работам астронома Виктора Сафронова, который пришел в отдел Шмидта в 1949 году и в течение полувека развивал эту теорию.
В 1972 году в Ницце прошла большая конференция, где космогонисты детально обсуждали четыре основных сценария образования планетных систем, разработанных британскими, американскими, шведскими и советскими специалистами. Последняя модель в итоге была признана наиболее обоснованной с точки зрения динамики. В том же году монография Виктора Сафронова «Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет» была издана в США, закрепив приоритет советской космогонической школы.
И все же модель Шмидта так и не разрешила ключевых проблем космогонии: откуда взялось протопланетное облако, почему оно стало сжиматься, как из пыли образовались планетезимали и в чем же все-таки причина перераспределения углового момента?
Решение Альфвена
Шведский физик Ханнес Альфвен, как и Шмидт, увлекся космогонией во время войны. Он был специалистом по электромагнитным явлениям и заложил основу целого научного направления – магнитной гидродинамики. Плазменные волны в магнитном поле, открытые им в 1950 году и названные его именем, принесли ему спустя 20 лет Нобелевскую премию. Опираясь на свои исследования в области электромагнетизма, Альфвен периодически выдвигал весьма смелые астрофизические гипотезы. Так, еще в 1937 году он предсказал существование галактических магнитных полей, а занявшись космогонией, опубликовал с 1941 по 1945 год целую серию статей о влиянии электромагнитных явлений на динамику газового протопланетного диска.
Одна из этих статей начинается несложным расчетом сил, действующих на протон, запущенный вокруг Солнца по земной орбите: «Сила, действующая на него со стороны магнитного поля Солнца, в 60 000 раз больше солнечной гравитации!» – восклицает Альфвен и показывает, что формирующееся Солнце должно было своим магнитным полем вовлекать во вращение окружающий ионизированный газ. В результате всего за 100 000 лет большая часть вращательной энергии Солнца могла быть передана протопланетному диску. Британский астрофизик Фред Хойл в 1960 году развил эту идею, добавив, что за счет турбулентных движений газа вращение может передаваться даже в отдаленные области протопланетного диска за орбитой Плутона, куда уже не достает магнитное поле. Детали этих процессов до сих пор еще не вполне ясны, но очевидно, что принципиальное решение парадокса углового момента найдено и катастрофические гипотезы больше не требуются. Одновременно определилось, что протопланетный диск должен содержать много газа – на пыль магнитное поле действует куда слабее.
Космический морозильник
Впрочем, и пыль тоже необходима для образования звезд и планет. Газ в Галактике весьма разрежен и сам по себе не сжимается. Ударные волны от взрывающихся звезд и предсказанные Альфвеном галактические магнитные поля местами уплотняют его, но этого вряд ли хватило бы для запуска джинсовской неустойчивости, если бы не космическая пыль.
Крошечные ядра пылинок размером в сотые доли микрона образуются при конденсации тугоплавких веществ в атмосферах холодных красных звезд. Давление излучения выбрасывает их в космос, где на поверхности пылинок оседают и вступают в химические реакции атомы газов. Так в межзвездной среде образуются относительно сложные молекулы, в том числе органические. Сдерживает рост пылинок ультрафиолетовое излучение звезд, выбивающее с их поверхности атомы и молекулы. В межзвездной среде на пыль приходится всего тысячная доля массы, но именно она служит системой охлаждения газовых облаков. Сталкиваясь с атомами газа, пылинки поглощают энергию удара, а потом испускают ее в виде теплового инфракрасного излучения.
Там, где межзвездная среда уже немного уплотнена, пылинки чаще сталкиваются с атомами, быстрее растут и эффективнее охлаждают газ. Достигнув микронных размеров, они заслоняют свет звезд, делая облако непрозрачным для ультрафиолета. Теперь, когда их росту ничто не мешает, пылинки буквально вымораживают облако изнутри, охлаждая его иногда ниже 3 градусов Кельвина – температуры вездесущего микроволнового фона. Вместе с температурой падает давление газа, а значит, и его способность противостоять самогравитации. В полную силу начинает работать джинсовская неустойчивость, и газопылевое облако разваливается на холодные черные фрагменты, которые медленно обрушиваются внутрь самих себя.
Сжимаясь в миллионы раз, облако пропорционально ускоряет свое вращение. Изначально оно было едва заметно и вызвано особенностями прохождения ударных волн и гравитационными возмущениями со стороны соседних звезд. Но при сжатии газ может раскрутиться до такой степени, что облако разделится пополам и даст начало двойной звезде. Половинки облака сжимаются дальше и могут вновь разделиться – так появляются иерархические двойные звезды. Когда же закрутки для такого разделения не хватает, основная масса формирует центральное сгущение – протозвезду, а остаток образует вокруг нее газопылевой диск, в котором начинается сложный процесс формирования планет.
В отличие от классического сценария сейчас считается, что газовые планеты-гиганты формируются во внешней части протопланетного диска за так называемой границей льда. Внутри нее излучение разгорающейся звезды испаряет ледяные частицы и выметает прочь газовую составляющую диска. Фото: ESO
Электромагнитная агрегация
Если прижать друг к другу две крошечные пылинки, они могут соединиться силами межмолекулярного притяжения. Радиус действия этих сил сравним с размерами атома, и они могут связать частицы, только если те сближаются очень медленно, как будто происходит стыковка крошечных космических кораблей. Сталкивающиеся даже на небольшой скорости пылинки молекулярным силам не удержать. Необходим какой-то иной механизм, заставляющий пылинки слипаться, а не отскакивать друг от друга, как горошины. Американский астрофизик Аластер Кэмерон, например, предположил в конце 1970-х годов, что во внутренней части диска железные частицы расплавлены излучением центральной звезды и при столкновениях сливаются. Более убедительные идеи стали появляться только в последние 10—20 лет.
В 2002 году немецкие ученые показали, что если пылинки в протопланетном диске были слегка намагничены, это может в тысячу раз повысить скорость их объединения. Свои теоретические выкладки авторы вскоре подтвердили серией экспериментов с намагниченными частицами в условиях микрогравитации (при суборбитальных полетах). За считанные минуты из свободно плавающих в вакууме пылинок формировались беспорядочно изогнутые длинные нити и сети, которые тут же начинали сталкиваться и слипаться. Возможно, именно так укрупнялись пылинки в близких к Солнцу горячих областях протопланетного диска.
Для областей диска за «линией льда», то есть на таком расстоянии от звезды, где могут, не испаряясь под действием солнечного излучения, существовать ледяные частицы, возможен другой механизм, основанный на электрическом, а не магнитном притяжении. Американские исследователи под руководством химика Джеймса Коуина обратили внимание на то, что при конденсации водяного пара в условиях высокого вакуума и низких температур образующиеся кристаллики льда спонтанно поляризуются: один край несет положительный заряд, а другой – отрицательный. Летящие по соседству пылинки могут притягиваться противоположно заряженными краями, а сойдясь вплотную, соединяться силами молекулярного притяжения. Образовавшаяся конструкция вновь оказывается поляризованной, и агрегация пылинок продолжается дальше.
Правда, у поляризованных пылинок есть враг – ионы и свободные электроны, которые притягиваются к заряженным концам и нейтрализуют их. Поэтому эффективность электростатического механизма слипания пылинок зависит от степени ионизации протопланетного диска. А она, в свою очередь, возникает под воздействием жесткого излучения соседних звезд. И тут важную роль играет слоистая структура протопланетного диска. Большая часть жесткого излучения поглощается в его внешнем слое, так что в глубине, где находится тонкий пылевой субдиск, ионов должно быть не слишком много и пылинки успевают заметно подрасти.
Группа Коуина также обнаружила, что лед, образующийся при вакуумной конденсации, имеет нанопористую структуру и, несмотря на твердость, оказывается удивительно неупругим: в лабораторных экспериментах при неразрушающем соударении в тепло переходило 80—90% энергии удара. Если пылинки в протопланетном диске покрыты таким льдом, они будут слипаться гораздо охотнее обычных песчинок.
Впрочем, есть и не столь экзотичные идеи. Пылинки могут быть просто покрыты тонким слоем органических соединений, образовавшихся на них еще в межзвездной среде. При нагреве в протопланетном диске органика может обволакивать пылинки тонким слоем вязкой липкой грязи, за счет которой они будут легко склеиваться друг с другом.
Рост олигархов
Слипание пылинок идет довольно быстро. Уже через 10 000 лет пылевые агрегаты вырастают до метровых размеров, а через 100 000 в диске движется порядка триллиона (1012) километровых планетезималей. Они уже достаточно массивны, чтобы проявлять гравитационные «амбиции» и «фокусировать» на себе широкий поток частиц, которые в противном случае пролетели бы мимо. Работая в режиме такого орбитального пылесоса, планетезимали могут ускорять свой рост в десятки и сотни раз. И чем крупнее планетезималь, тем быстрее она растет. Поэтому однажды отставшие уже вряд ли смогут догнать лидеров. Наступает так называемая эпоха олигархического роста.
Из всего множества планетезималей выделяются «олигархи», которые доминируют над прочими объектами в своей «зоне питания» – узком кольце диска вблизи орбиты, по которой они движутся. С исчерпанием запасов пыли рост большинства планетезималей замедляется, и только «олигархи» продолжают увеличиваться, поглощая мелких «конкурентов». Примерно за миллион лет в системе остается сотня-другая таких объектов с массой как у Луны или Марса. Это зародыши планет – протопланеты. Теперь в течение сотни миллионов лет им предстоит вести между собой борьбу за лидерство.
Двигаясь по близким траекториям, зародыши планет возмущают орбиты друг друга. Они все сильнее отклоняются от своих прежних «зон питания», переходя порой на вытянутые орбиты, которые, пересекаясь, ведут к столкновениям. Эти катастрофы совсем не похожи на взрывы. Хотя скорость столкновения достигает нескольких километров в секунду, тысячекилометровые протопланеты неспешно вминаются друг в друга. Процесс занимает от нескольких минут до часа, и почти вся энергия удара переходит в тепло. Вещество плавится, и в нем начинается медленное гравитационное фракционирование: железо и никель «тонут», образуя ядра будущих планет, а соединения полегче, в основном силикаты и лед, поднимаются ближе к поверхности. Конечно, при особенно сильных ударах, которые чаще случаются во внутренней части диска, где выше скорость орбитального движения, часть вещества может быть выброшена в окружающее пространство. Возможно, именно так, за счет ударной потери внешних силикатных пород, у Меркурия образовалось непропорционально большое железное ядро, а у Земли появился спутник – Луна. Итог этого длительного процесса – одна или несколько планет, которые обращаются на достаточно далеких друг от друга орбитах, чтобы никогда не вторгаться в чужую зону влияния.
Выдающийся американский космогонист Джордж Уэзерилл в конце 1980-х годов разработал одну из первых программ для моделирования процесса укрупнения планетезималей. Сегодня в подобные численные модели вводят различные предположения о начальных условиях в диске и свойствах планетезималей и смотрят, как распределятся зародыши планет по орбитам и какой у них будет состав. Продолжив моделирование, можно получить строение готовой планетной системы.
