Гипотеза генезиса Солнечной системы

Сенсационные находки изотопных аномалий Солнечной системы в середине прошлого столетия потянули цепь новых открытий, так что к концу века сенсации уже приелись. Однако, открытие космических миссий Галилео и Генезиса, всполошило планетное сообщество.

Прежние аномалии проявлялись в мизерных количествах экзотических изотопов, локализованных в редких типах метеоритов. Галилео и Генезис вскрыли гигантскую аномалию планетарных масштабов от Солнца до орбиты Юпитера. Оказалось, обыденный земной кислород, кислород землистых планет (внутри орбиты Юпитера), Луны, астероидов на самом то деле аномален, обеднён лёгким изотопом O-16 в сравнении нормальным составом Солнца и Юпитера, поскольку в них заключено практически всё вещество Солнечной системы.

Предыдущие находки были вполне объяснимы вбросами в новорожденную систему продуктов недавних сверхновых, косметически припудривших гомогенный протопланетный диск. Новая аномалия подрывала основы небулярной теории. Солнце, Юпитер, прочие планеты, астероиды, собранные из вещества однородного диска, были обязаны сохранить изотопную однородность изобильного кислорода – третьего по распространённости элемента (после водорода и гелия).

Кислородная аномалия была необъяснима стандартными физико-химическими процессами. Для её решения была изобретена теория фотохимического самоэкранирования. Согласно оной ультрафиолет жгучего молодого Протосолнца избирательно расщеплял молекулы угарного газа с редкими тяжелыми изотопами O-17 и O-18. Тяжелый кислород переходил в твердые частицы. Легкий же изобильный изотоп O-16 самоэкранировался, оставаясь в угарном газе. Газ выметался солнечным ветром к Юпитеру, а неподатливые твёрдые частицы, обогащенные тяжелым кислородом, а, следовательно, обедненные легким, оставались в земной зоне. Планеты и астероиды, склеенные из пылинок, унаследовали от них обеднённость легким кислородом.

Только-только кислородную проблему утрясли, вскрылась новая напасть – изотопная дихотомия метеоритов. Обнаружились два класса метеоритов, кардинально различных по изотопам сразу нескольких элементов. Изобрести какой-нибудь механизм разделения изотопов теоретики уже не смогли. Безвыходная ситуация вынудила нарушить незыблемую прежде аксиому первичной однородности диска.

На текущий момент доминирует следующий сценарий. На протопланетный диск, сформированный во внутренней области газо-пылевого облака, после образования в нём Юпитера (первой планеты) продолжало выпадать вещество с окраины облака, изотопно отличное от внутреннего вещества. Поступая на периферию диска, это аномальное вещество не могло проникнуть внутрь орбиты Юпитера из-за его мощной гравитации. Таким образом, в диске создались две изотопно различные зоны, разделённые орбитой Юпитера, в которых образовались два класса астероидов.

После формирования этих астероидных типов Юпитер, войдя в резонанс с Сатурном, двинулся к Солнцу, а затем спятился назад. В результате такого возвратно-поступательного маневра астероидные классы перемешались в нынешнем главном поясе (между Марсом и Юпитером). Два типа полярно противоположных метеоритов – это осколки двух типов первичных астероидов. Обычные же метеориты – осколки астероидов смешанного состава, образовавшихся при столкновении астероидов двух разных типов.

Такой сценарий, однако, противоречит астрофизическим теориям, подтверждённым астрономическими наблюдениями. Согласно современным концепциям газо-пылевые космические облака собираются из смеси первичного вещества, синтезированного в эпоху Большого Взрыва (БВ) и продуктов звездного нуклеосинтеза, извергнутого взрывами сверхновых или истекших из пространных оболочек гигантских звезд на поздних стадиях эволюции. Вещество большого взрыва совершенно однородно во всей Вселенной. Состав звездного вещество зависит от звездных масс. Однако, в каждое облако попадает смесь от множества сверхновых, рассеивающих свои выбросы по всей Галактике. Так что вследствие усреднения облака должны быть совершенно однородны.

А что, если вблизи такого облака незадолго до начала формирования протопланетного диска взорвётся сверхновая, вбросив на окраину облака индивидуальное содержимое, изотопно-отличное от усреднённого состава внутренней зоны? Этот вброс, отличный по составу от усреднённого облачного вещества не успеет перемешаться и создаст аномальную периферийную зону в облаке.

Такой вариант не проходит. Чересчур близкий взрыв разорвёт диск в клочки. Если же сверхновая рванёт на безопасном расстоянии, в облако попадет мизер вещества.

И все-таки существует сверхновая особого типа, способная создать крупномасштабную изотопную неоднородность на окраине облака. Это сверхновая типа 1a, взрывающаяся в двойной системе из Белого Карлика (БК) и красного гиганта (КГ). Вещество гигантской оболочки КГ переливается на БК до достижения критической чандрасекаровской массы. Равенством масс объясняется равенство мощностей взрывов всех «стандартных свечей», как называют сверхновые 1a.
 
Если взрыв БК происходит в момент, когда КГ располагается между БК и облаком, экранируя его, то облако, защищенное зонтиком Красного Гиганта остается цельным. Взрыв срывает оболочку КГ и толкает ее на облако. Смесь БК+КГ въезжает в облако на относительно низкой по космическим меркам скорости, поскольку кинетическая энергия разлетающегося вещества БК рассеивается в оболочке КГ. На окраине облака создается трехкомпонентная неоднородная область БК+КГ + облачное вещество. У каждого из трех ингредиентов своя специфика.
Облачное вещество – это почти сплошь продукция Большого Взрыва - водород с примесью нескольких процентов гелия. Солнце формировалось в облаке, собранном почти на середине возраста Вселенной. Продуктов, звёздного нуклеосинтеза в этом облаке было в разы меньше, чем в современных облаках. А вот БК и КГ, напротив, почти всецело состояли из тяжёлых элементов и водорода содержали мало. Хотя количественно они уступали облачному веществу, зато превосходили его качественно, поставляя дефицитные тяжелые элементы.

По составу тяжёлых элементов БК и КГ существенно различались. Белый Карлик прошёл все стадии звёздной эволюции, завершившиеся сверхновым взрывом. В БК в большом количестве содержались элементы тяжелее железа - продукты s и r процессов нуклеосинтеза.

Жизнь Красного Гиганта оборвалась на промежуточной стадии горения гелия. Основную его массу составляли еще недогоревший гелий и другие тяжёлые элементы. Поскольку масса сорванной оболочки КГ многократно превосходила массу БК, эти элементы преобладали в пришлом веществе. В предположении о формировании Солнечной системы из тройной смеси БК+КГ + облако, простым образом решается комплекс сложных проблем.

Дефицит солнечных лития и неона.

Солнце считается заурядным желтым карликом (весьма распространенный тип звезд в Галактике). Однако, одна изюминка у нашего светила все же имеется. Солнце весьма обделено литием и неоном в сравнении со своими «двойниками» - звездами такой же примерно массы и «металличности»  (астрофизики именуют «металлами» все элементы тяжелее гелия).

Дефицит этих элементов необъясним выгоранием их в солнечных недрах. Неон в условиях Солнца не горит в принципе, а гелий хоть и уничтожается в глубинах, но внешняя конвективная оболочка Солнца не простирается до таких глубин. А вот при прохождении Красным Гигантом стадии горения гелия (на этой стадии случился взрыв БК) в нём избирательно выгорали как литий, так и неон при том, что другие элементы исправно синтезировались (литий и неон синтезируются на следующих после горения гелия стадиях).

Солнечные «двойники» получали все элементы, включая литий и неон из более поздних, чем Солнце, облаков, сравнительно богатых выбросами сверхновых. Родительское облако Солнца содержало мало «металлов» (Сверхновое вещество не успело ещё накопиться). Солнце получило тяжелые элементы главным образом от мигрантов БК и КГ. Поскольку КГ многократно преобладало над БК, Солнце оказалось обеднено литием и неоном.

Дефицит гелия в Сатурне.

Пролетая через систему Сатурна, космический странник Вояджер-2 обнаружил в газовом гиганте загадочную пропажу половины гелия. По теории Солнце, Юпитер и Сатурн должны были получить одну и ту же водородно-гелиевую смесь с одинаковыми пропорциями газов, неразделимых в условиях протопланетного диска. Но процентное содержание гелия в Сатурне оказалось вдвое ниже солнечного.

Раз гелия нет в атмосфере, значит он переместился в ядро следовал логичный вывод. Экстраполируя графики в область запредельных давлений, теоретики пришли к выводу, что в глубинах Сатурна гелий конденсируется в жидкие капли, утопающие в ядре.

Но как может гипотетический гелиевый дождь в запредельных глубинах повлиять на верхнюю атмосферу и почему Юпитер, втрое более тяжелый, обеднен гелием лишь на десятую часть – эти вопросы даже не обсуждались.

С точки зрения трехкомпонентной гипотезы гелиевый дефицит объясняется поздним формированием Сатурна в сравнении с Солнцем и Юпитером. Юпитер формировался таким же способом, что и Солнце – быстрым коллапсом газо-пылевой конденсации. Вследствие малости этой конденсации и близости Солнца, опередившего своего сателлита в развитии, Юпитер не успел набрать достаточную массу, чтобы стать хотя бы коричневым карликом. И потому получил лишь статус планеты вместо звёздного статуса. О таком характере формирования говорит ряд отличительных особенностей:

Спутниковая система Юпитера кардинально отличается от Сатурновой по строению и химическому составу вещества. Спутники Сатурна состоят почти целиком из водяного, аммиачного, углеводородного «льда». Спутники Юпитера состоят наполовину из твёрдых пород, а Ио целиком твёрдая и безводная. Объяснение – Юпитер в отличие от Сатурна успел захватить большую долю пришлого тяжёлого вещества.

У Юпитера, в отличие от Сатурна не просчитывается каменистое ядро. Оно либо малюсенькое, либо его нет вовсе. Отсутствие ядра объясняется быстрым сжатием конденсации в режиме, близком к свободному падению, при котором пыль не смогла отделиться от газа и осесть в центре планеты. Вместо этого при огромных давлениях и температурах образовался однородный раствор камня в водороде и гелии.

Юпитер – единственная планета, вращающаяся почти точно в орбитальной плоскости, в которой вокруг него обращаются спутники Галилея. Трёхкомпонентная гипотеза объясняет эту особенность сцеплением газо-пылевых конденсаций, из которых коллапсировали Солнце и Юпитер. Наглядной аналогией является подкручивание бильярдных шаров в плоскости стола после их контакта при скользящем ударе.

Солнце и Юпитер из-за быстроты формирования получили гелий из двух источников: из облака и из вещества БК+КГ (в основном КГ в котором еще не закончились реакции горения гелия). Сатурн же опоздал к раздаче. Он формировался стандартным планетным способом. Сначала неспешно собралось твердое каменно-ледяное ядро, а затем к нему прилепилась водородно-гелиевая атмосфера.

Массивная конденсация из вещества БК+КГ не остановилась на границе облака, а по инерции продолжала внедрение, все более разбавляясь облачным веществом. Солнце и Юпитер забрали себе почти весь пришлый гелий и Сатурну достался только гелий облака. Этим и объясняется дефицит гелия в Сатурне.

Химическая неоднородность метеоритов.
Метеориты разнообразны не только изотопно, но и химически. Химические различия обусловлены окислительно-восстановительными условиями среды, в которой они формировались, а эти условия определяются процентным соотношением углерода и кислорода.

При перевесе углерода над кислородом, практически весь кислород связывается в прочной молекуле CO и другие элементы остаются либо в свободном состоянии (например, металлическое железо), либо образуются сульфиды, карбиды, нитриды. Если же преобладает кислород, он окисляет практически все подряд. В составе Земли (земной поверхности) и метеоритов преобладает кислород. Планетологи делают отсюда скороспелый вывод о преобладании кислорода во всем протопланетном диске.

Окисленные метеориты типа углистых хондритов в таком случае вполне объяснимы, а вот происхождение восстановительных энстатитовых метеоритов – тяжелая проблема. По одним гипотезам солнечный ветер отгоняет углеродистые материалы от Солнца к Юпитеру, так что на его орбите образуется «линия смолы» - получается преобладание углерода над кислородом. По другой версии углеродистые вещества прилетают из-за Нептуна.

С точки зрения трехкомпонентной гипотезы химические различия обусловлены главным образом разными пропорциями смеси трех ингредиентов. В облаках и в сверхновых преобладает кислород. Но в Красных Гигантах интенсивно протекает тройной альфа-процесс – синтез ядер углерода-12 из трех ядер гелия-4 (альфа-частиц), так что углерод преобладает над кислородом. В «холодных» (относительно, скажем Солнца) оболочках Красных Гигантов зафиксированы частицы графита и карбида кремния, невозможные при преобладании кислорода. Следовательно, при преобладании вещества КГ образуется восстановительная среда, а при преобладании веществ БК и облачного синтезируются окисленные метеоритные вещества.

Основным поставщиком тяжелых компонент для системы Юпитера был Красный Гигант. В результате в атмосфере Юпитера мало воды и присутствует, скажем, фосфин. А поверхность ближайшего галилеева спутника Ио покрыта слоем свободной (неокисленной) серы.

Глобальная кислородная неоднородность, открытая Галилео и Генезисом.

История изотопной аномалии кислорода началась с падения метеорита Альенде. В тугоплавких кальций-алюминиевых включениях (CAI) этого метеорита обнаружился аномальный кислород (считавшийся в те времена аномальным), не лежащий на линии земного фракционирования, зависимого от массы. Такую странность объяснили вначале двухкомпонентным смешением.
 
По этому объяснению практически все вещество протопланетного диска первоначально было газообразным вследствие разогрева при резком сжатии исходного газо-пылевого облака. Однако, некоторые особо тугоплавкие пылинки, вброшенные сверхновыми, выдержали этот перегрев.

По мере остывания диска происходила последовательная конденсация веществ, начиная от самых тугоплавких кальций-алюминиевых включений. Они образовались из смеси пылинок, избежавших испарения и самого первого высокотемпературного конденсата. Кислород вброшенных сверхновыми тугоплавких пылинок состоял почти из чистого легкого изотопа O-16, поэтому CAI метеорита Альенде (и других метеоритов, обнаруженных впоследствии) оказались обогащенными O-16, относительно нормального кислорода (считавшегося нормальным) остальных конденсатов, не смешанных с тугоплавкой пылью.

После открытий Галилео и Генезиса произошел переворот. Аномальный прежде кислород кальций-алюминиевых включений оказался как раз «нормальным» кислородом Солнца и Юпитера – крупнейших тел Солнечной системы. А аномальным оказался кислород Земли, Луны, Марса, Венеры, астероидов. Тогда-то и была изобретена вышеупомянутая теория фотохимического самоэкранирования.

Авторская гипотеза объясняет кислородную аномалию, опять же, неравномерным трехкомпонентным смешением. Обогащённый O-16 кислород Солнца и Юпитера в основном «пришлый». Эти тела захватили себе почти все вещество БК и КГ, обогащенное легким изотопом. Кальций-алюминиевые включения также успели синтезироваться рано, когда еще пришлый кислород был обильным.

Прочие окислы образовались позже в условиях преобладания облачного кислорода, обедненного легким изотопом. Кроме того, в этих окислах кислород был связан менее прочно, чем в кальций-алюминиевых включениях. При высоких температурах произошёл обмен пришлого на облачный кислород.

Метеоритные аномалии «вымершей радиоактивности».

Изотопные неоднородности, казалось бы, проще всего было найти в наиболее распространенных химических элементах, вроде кислорода. Однако, первой ласточкой была ксеноновая аномалия, открытая в метеорите Ричардсон. На фоне восьми ксеноновых изотопов с почти земным соотношением было обнаружено аномально высокое содержание ксенона-129. Причиной явился радиоактивный предшественник йод-129, который вошел в состав твердого минерала, затем в результате бета-распада образовался ксенон-129, который оказался замурован в кристаллической решетке.

Вскоре последовало множество подобных открытий, например, изотопа магний-26, потомка радиоактивного алюминия-26. Периоды полураспада радиоактивных предшественников, о которых свидетельствовали дочерние изотопы-потомки, составлял обычно десятки-сотни тысяч лет. Из-за большого разброса периодов и различной природы изотопов – предшественников аномалии были объяснены множественным вбросом в рождающуюся Солнечную систему вещества нескольких сверхновых звезд разного типа, а также вещества, медленно натекающего из звезды или звезд типа Красного Гиганта.

По этому объяснению Солнечной системе невероятно повезло - ни одна сверхновая, с одной стороны, не взорвалась слишком близко, чтобы разрушить облако или диск, а с другой стороны, сверхновые взрывались достаточно близко, чтобы вброшенное вещество можно было впоследствии обнаружить чувствительными масс-спектрометрами. Однако, одна из аномалий - неон-E, никак не вписывается в такое объяснение.

Неон-E проявляется в высочайшей относительной концентрации редкого изотопа неон-22 в некоторых метеоритных материалах. У неона-22 имеется радиоактивный предшественник – натрий-22. Так что, формально эта аномалия такого же рода, как, скажем, аномалия магний-26, предшественником которого является алюминий-26.

Напрашивается стандартное объяснение. Синтезированный в сверхновой натрий-22 впрыснулся в протопланетный диск подобно алюминию-26 и там включился в состав некоего минерала (графита или карбида кремния), затем распался, превратившись в неон-22. Однако, такое объяснение неприемлемо вследствие мизерного (по космическим меркам) периода полураспада натрия-22 - всего около двух с половиной лет. Из-за ничтожно малого периода полураспада натрий -22 распадётся в неон-22, не успев даже долететь до облака.

Синтез минералов – носителей неона-E происходит уже во время движения к облаку в достаточно плотной среде, поскольку вещество БК+КГ не разлетается во всех направлениях, а движется компактным сгустком, уплотнённым ударной волной набегающего БК и гравитационной линзой КГ. Ко времени подлёта к облаку натрий-22, внедрившийся в кристаллическую решётку, полностью превращается в неон-22. Однако, внедрение в облако происходит с умеренной скоростью, так что минеральные зёрна не перегреваются и неон-22 не убегает из решётки (в лаборатории неон-Eизвлекается нагреванием свыше примерно 1000K).

Натрий-22 продукт взрывного (сверхнового) нуклеосинтеза. Но ведь в сверхновых кислород преобладает над углеродом. Но неон-22 обнаруживается в графите и карбиде кремния, веществах, синтез которых происходит при преобладании углерода над кислородом. Это было бы проблемой для взрыва обычной сверхновой. В случае сверхновой 1a образуется смесь БК+КГ, в которой углерод преобладает над кислородом.

Дефицит неона в Юпитере.

Погрузившийся в атмосферу Юпитера космический аппарат  Галилео зафиксировал дефицит неона более острый, чем дефицит неона на Солнце. Для объяснения такового дефицита воспользовались теорией гелиевых дождей. Неон растворяется в каплях гелиевого дождя и утопает в недрах Юпитера. По трехкомпонентной же гипотезе дефицит неона в атмосфере Юпитера, так же, как и дефицит солнечного неона есть следствие обеднённости неоном вещества КГ. Это предположение можно, в принципе, экспериментально проверить непосредственным измерением концентрации неона в атмосфере Сатурна (дистанционно неон не наблюдаем). Если верна теория гелиевых дождей, вымывающих из атмосферы неон, то в атмосфере Сатурна неона практически нет, поскольку гелиевые дожди утопили уже половину гелия (с растворенным в нем неоном).  Если же верна гипотеза трех компонентов, то в Сатурне должно содержаться больше неона по отношению к кислороду, чем неона относительно кислорода в атмосфере Юпитера.

Изотопная дихотомия метеоритов.

С точки зрения трехкомпонентной гипотезы дихотомия метеоритов объясняется различием веществ БК и КГ (возможно, также различием с первичным веществом Большого Взрыва). При преобладании БК образуются окисленные астероиды (представленные метеоритами типа углистых хондритов). Полярно противоположные астероиды (представленные энстатитовыми метеоритами) синтезируются при преобладании вещества КГ. Разделения изотопных резервуаров гравитационным барьером Юпитера не требуется.