Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце?

в 14:57, , рубрики: астрономия, звёздообразование, Научно-популярное, планеты, Солнечная система, солнце, физика

Солнце почти полностью состоит из водорода и гелия, а на Земле этих элементов очень мало. Как это произошло?

Самое большое преимущество юности – это невозможность знать, что является невозможным.
— Адам Браун

Каждую неделю вы присылаете мне свои вопросы, из которых я выбираю наилучшие. Но иногда труднее всего ответить на самые простые вопросы. К примеру, посмотрите на Солнце и звёзды, а затем – на планеты. Можно было бы решить, что отличаются они лишь массой – что если сделать планету очень массивной, она станет звездой – но как вы тогда объясните простое наблюдение, сделанное Грегом Роджерсом:

Если Солнце (и все звёзды) в основном состоят из водорода и гелия, почему распределение вещества у планет отличается от них?

Распределение вещества планет не просто отличается от звёзд – оно совершенно другое.

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 1

Если мы присмотримся к поверхности нашей планеты, мы найдём кучу всяких элементов: около 90 элементов, встречающихся в естественных месторождениях. Водорода у нас достаточно, но он не доминирует, особенно если считать по массе. Воздух в основном состоит из азота и кислорода; океан, покрывающий планету, на 11% состоит из водорода по массе (ведь каждый атом кислорода в 16 раз тяжелее водорода); твёрдое вещество живых существ и неживых вещей, от камней до грязи, от растений до животных, содержит довольно много водорода, но гораздо больше в нём натрия, кислорода, кремния, алюминия и многих других элементов.

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 2

Погрузившись в глубину планеты, мы найдём ещё более сложную ситуацию. Конечно, где-то в подземных пустотах хранится гелий, но он получился в результате радиоактивного распада сверхтяжёлых элементов за миллиарды лет. Небольшое количество водорода там тоже есть, но гораздо больше там будет тяжёлых элементов: металлов типа железа, никеля, кобальта, а также элементов, превосходящих ограничения по стабильности в таблице Менделеева.

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 3

Мы это знаем, поскольку слои Земли становятся плотнее по мере погружения в планету. И это не только из-за гравитационного сжатия; самые тяжёлые элементы просто проваливаются вниз. Это очень важно, поэтому я повторюсь: в юности на Земле присутствовало большое разнообразие элементов, но более тяжёлые элементы провалились вниз, а лёгкие остались «плавать» наверху – так же, как менее плотные жидкости плавают над более плотными.

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 4
Жидкости и предметы по увеличению плотности: шарик для пинг-понга; ламповое масло; медицинский спирт; пластиковая крышка от бутылки; растительное масло; бусинки; вода; помидор-черри; жидкость для мытья посуды; молоко; игральная кость; кленовый сироп; ядрышко воздушной кукурузы; кукурузный сироп; мёд; металлический болт.

Так что, изучая поверхность Земли, мы видим легчайшие элементы, из которых она сделана. Большинство других элементов в её составе тяжелее и плотнее. Поэтому у нас действительно очень мало водорода и гелия.

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 5

Перейдём теперь к Солнцу и звёздам. Посмотрим на солнечный спектр: на нём есть разные линии поглощения, представляющие всю гамму элементов, имеющихся и на Земле, а также несколько тех, что в природе не встречаются.

Что видно сразу, так это два набора линий поглощения, для водорода и гелия, которые очень сильны. Когда мы начали разбираться в том, как работают звёзды, и как температура, ионизация и изобилие элементов связаны между собой, мы открыли, что Солнце состоит на 70% из водорода, на 28% из гелия, и на 1-2% из других элементов.

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 6

А Земля на 99% состоит из «других элементов»! Отчего же? Чтобы это понять, вернёмся назад, на место их рождения: к туманности, из которой формируются звёзды. Это молекулярное облако, в основном состоящее из водорода, и содержащее много гелия и немного других веществ – которое начинает коллапсировать под собственным тяготением.

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 7

На ранних стадиях формирования звёзд важнее всего оказывается гравитация. В газовом облаке появляются комки, плотность их возрастает, а участки с большой плотностью притягивают всё больше материи. Поскольку гравитационный коллапс происходит довольно быстро, а эффективного метода излучать энергию у газовых облаков не существует, коллапс приводит к разогреву внутренних слоёв этих комков. Спустя немного времени водород в ядре достигает нужной температуры и плотности для начала ядерного синтеза.

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 8

Новорожденные звёзды бывают разные: разного цвета, с разными температурами и массами. Но у большинства из них есть общая черта – они не формируются в изоляции, а появляются в компании других комочков материи. Самые крупные из них, получившие наибольшую фору, вырастут в каменистые планеты, газовые гиганты, или, в экстремальных случаях, в другие звёзды.

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 9

В то же самое время, энергия, излучаемая родительской звездой в системе, разбрасывается наружу и взаимодействует с тем, что встречается на её пути. Это и солнечный ветер, ионы, электроны, и, конечно же, фотоны. А с чем же встречаются эти энергетические частицы?

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 10

В случае каждой планеты или планетоида они встречаются с самыми внешними, с самыми лёгкими элементами, поскольку именно они «плавают» на поверхности над более тяжёлыми, потонувшими ближе к центру. Представьте, что вы со всей силы пинаете футбольный мяч, и потом подумайте, какая будет разница с тем, когда вы пнёте шар для боулинга. Про ногу не думайте – представляйте себе мяч. Футбольный мяч приобретёт большую скорость и улетит, а шар для боулинга едва ли сильно сдвинется с места.

Почему? Потому, что один и тот же импульс энергии, приданный разным по массе предметам, заставляет более лёгкие двигаться быстрее.

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 11
Диаграмма убегания газов с поверхности планет. Линия газа, проведённая над планетой, означает, что он сможет убежать от её гравитации. Именно поэтому у каменистых планет нет атмосферы из водорода и гелия, а у газовых гигантов — есть

Такого пинка почти на всех мирах достаточно, чтобы выбить практически весь водород и весь гелий в межзвёздное пространство. Энергии, излучаемой звездой, достаточно, чтобы придать этим атомам скорость, необходимую для преодоления притяжения, и они становятся не связанными гравитацией с этим миром.

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 12

Только у газовых гигантов, миров, с массой превышающей земную, по крайней мере, вдвое, гравитация достаточно сильная для того, чтобы удержать гелий и водород. И чем более массивен мир, тем толще может быть его оболочка. Считается, что у газовых гигантов плотное твёрдое ядро, состоящее из тяжёлых элементов, но достичь его можно, только пройдя через множество слоёв, где преобладает водород.

Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце? - 13

Итак, отвечая на твой вопрос, Грег, все планеты создаются из одинаковых материалов, и если бы не излучение, испускаемое звёздами, на каждой планете преобладали бы водород и гелий, как на Солнце и на других звёздах. Но из-за близости к источнику энергии все элементы планеты получают энергетический пинок, и в случае известных нам каменистых планет, его достаточно, чтобы избавить мир от всего свободного водорода и гелия. Только приобретя очень большую массу, и находясь достаточно далеко от родительской звезды, можно удержать легчайшие из элементов против всего этого излучения. И чем более ты массивен, тем больше можешь удержать. А массу ты можешь наращивать примерно до 8% от массы Солнца, после чего ты в своём ядре начнёшь превращать водород в гелий, и сам станешь звездой!

Именно поэтому элементы расположены там, где они есть. Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.

Автор: SLY_G

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля