Процессы развития в системе малых тел солнечной системы

Прежде всего ознакомимся с действием основных факторов, влияющих на судьбу малых тел Солнечной системы. Это - гравитационные возмущения со стороны больших планет, приливные силы Солнца, эффект лучевого и корпускулярного давления, влияния тепловой радиации Солнца, взаимное столкновение частиц, наконец, реактивные силы извержений. Все эти факторы оказывают специфическое влияние на малые тела Солнечной системы. Их действие проявляется в различных условиях по-разному.

Гравитационные возмущения со стороны больших планет, в особенности, Юпитера и Сатурна, вызывают изменения орбит малых тел (рис. 29). Выше мы уже говорили, что возмущения Юпитера могут превратить долгопериодические замкнутые орбиты в эллиптические короткопериодические или наоборот, в гиперболические орбиты. Именно таким путём образовалось семейство комет и метеорных потоков юпитеровой группы.

Однако этим не ограничивается действие Юпитера на совокупность малых тел, находящихся вблизи его орбиты. Малые тела (астероиды, метеоры), имеющие периоды обращения, кратные периоду Юпитера, или находящиеся с последним в отношении рациональных дробей (например, 1/3, 2/6, 3/7, 1/2 и т. д.), будут подвергаться особенно частым и сильным гравитационным возмущениям со стороны Юпитера и неизбежно будут переводиться этими возмущениями на другие, соседние, более устойчивые орбиты. В результате в совокупности малых тел, обладающих одинаковыми периодами обращения и одинаковой формой орбит, образуются просветы (так называемые "люки"). Такие же люки можно наглядно видеть в кольце Сатурна, которое состоит, как это

Рис. 29. Изменение орбиты кометы под действием Юпитера. 1 -первоначальная, 2- изменённая орбита.

было установлено ещё в конце XIX века русскими учёными С. В. Ковалевской и А. А. Белопольским, из мелких метеорных тел. В кольце Сатурна эти люки вызваны возмущениями со стороны спутников планеты. Люки в комплексе астероидов можно видеть на диаграмме их распределения по расстоянию от Солнца (рис. 30). Это - своеобразный динамический резонанс в облаке малых тел под влиянием периодически действующей гравитационной силы.

Далее, в углах равносторонних треугольников, два других угла которых заняты Солнцем и Юпитером, т. е. в точках так называемой либрации, отстоящих вперёд и назад на 60^o от Юпитера по его орбите, образуются устойчивые группы малых тел, сопровождающих Юпитер в его движении вокруг Солнца. Это - группы так называемых астероидов-троянцев, носящих имена героев Троянской войны. Подобные же точки либрации, вокруг которых происходит концентрация осколочного и пылевого вещества, находятся на продолжении прямой линии, соединяющей Солнце с любой большой планетой. Таким образом, совместное гравитационное действие Солнца и больших

Рис. 30. План кольца астероидов.

планет приводят к образованию неоднородностей в пространственном распределении пылевого и осколочного вещества в Солнечной системе.

При достаточно близком прохождении вблизи Солнца малые тела, например ядра комет или рой метеорных тел, подвергаются действию приливных сил. Известно, что приливные силы возникают как разность гравитационных сил, действующих на тело, размеры которого сравнимы с расстоянием между притягиваемыми телами. Приливные силы (F) прямо пропорциональны массе (М) и обратно пропорциональны кубу расстояния между телами (R), так что . Вследствие того, что приливные силы быстро убывают с расстоянием, они действуют эффективно только на небольших расстояниях от возмущающего тела. Этим, в частности, объясняется, почему величина лунной приливной волны в океанах Земли превосходит более чем в два раза величину приливной волны, возникающей под действием Солнца. Приливные силы Солнца вызывают в метеорном рое, проходящем вблизи него, значительные возмущения и существенно изменяют орбиты отдельных осколков. Небольшие вначале расхождения орбит тел в перигелии влекут за собой гораздо большее взаимное их удаление на более далёких расстояниях от Солнца. Действие солнечного прилива сводится, таким образом, к рассеиванию первоначального компактного пучка орбит. Вместе с тем, вследствие изменений периодов обращения отдельных частиц весь метеорный рой постепенно растягивается вдоль орбиты. Чем старше метеорный поток и чем большее число раз он прошёл мимо Солнца, тем более равномерно распределён материал по его орбите. Таково действие приливных сил Солнца на структуру метеорного роя, впервые описанное Д. Скиапарелли.

На относительно более крупные цельные тела, вроде астероидов или каменных ядер, приливные силы не действуют до тех пор, пока их величина не превосходит силы внутреннего сцепления частиц тела. Предельное расстояние, на котором приливные силы превосходят силы внутреннего сцепления жидкого (или рыхлого) тела, называется пределом Роша. Предел Роша для планет есть то критическое расстояние, ближе которого не могло произойти образование спутников этих планет. Можно думать, что метеорное кольцо Сатурна, состоящее из множества мелких частиц, возникло именно таким образом, как "неудавшийся" спутник.

Приливные силы, действующие на кометы и метеорные тела, возникают не только под влиянием Солнца, но также и больших планет, однако они значительно меньше соответственно разнице в массах планет и Солнца. Действие приливных сил, таким образом, сводится к разрушению комплексов метеорных тел и даже отдельных крупных твёрдых объектов.

О действии лучевой и корпускулярной радиации Солнца, создающей эффект Пойнтинга-Робертсона, мы уже упоминали, рассматривая строение облака зодиакального света. Тормозящее действие лучевого давления не только заставляет медленно оседать на Солнце облако спорадических метеорных частиц, но и воздействует на состав метеорных потоков. Из первоначального состава метеорных потоков лучевое давление удаляет и заставляет падать на Солнце по спиралевидным орбитам наиболее мелкие частицы. Поэтому число слабых метеоров в некоторых периодических потоках заметно уменьшено. Особенно сильно сказывается "выметающий" эффект Пойнтинга-Робертсона при прохождении метеорных потоков через перигелий. Существенному воздействию лучевой радиации подвергаются отдельные молекулы газов в хвостах комет и пылевые частицы размером менее 1 микрона (т. е. имеющие диаметр порядка длины световой волны), которые отбрасываются прочь и уходят навсегда из пределов Солнечной системы по гиперболам. Следовательно, газы и мельчайшая пыль, образующиеся в пределах Солнечной системы, постоянно удаляются лучевой радиацией в межзвёздное пространство. Внутри же Солнечной системы происходит сортировка частиц по размерам в зависимости от того, на какое расстояние и как часто приближается к Солнцу тот или иной метеорный рой.

Солнце, нагревая ядра комет, астероиды и метеорные тела, приводит к возгонке включённых в эти тела замёрзших газов, а вблизи от него - также легкоплавких, а затем и тугоплавких элементов. Происходит постепенное изменение химического состава, а следовательно, природы малых тел Солнечной системы.

При громадном количестве малых тел в пределах Солнечной системы, особенно в её внутренних областях, весьма вероятны многочисленные столкновения малых тел как с большими планетами и их спутниками, так и между собой. Типичным примером взаимодействия малых тел с большой планетой могут служить метеорные явления, наблюдаемые нами с Земли, на которых мы уже подробно останавливались. Для всех планет, защищенных более или менее плотной атмосферой, как, например, Венера или большие планеты юпитеровой группы с их аммиачно-метановыми атмосферами, основное взаимодействие метеорных тел с планетой происходит в атмосфере последней. Повсюду на таких планетах атмосфера является "бронёй", удар о которую испаряет и разрушает подавляющее число метеорных тел.

Иное взаимодействие имеет место между метеорными телами и планетами или их спутниками, совершенно не защищенными или слабо защищенными атмосферой, как, например, Луна, Меркурий, Марс. Удар метеорных тел о поверхность этих планет с энергией, значительно превышающей энергию внутренних связей твёрдого тела, мгновенно обращает как самое метеорное тело, так и ещё больший объём пород на поверхности планеты в сжатый газ и производит взрывные явления. В результате метеорной бомбардировки и взрывного действия метеоритных ударов планеты безвозвратно теряют часть выброшенного взрывом вещества. Эта часть вещества приобретает при взрыве такую скорость, что может покинуть поверхность планеты и удалиться в межпланетное пространство. Поверхность таких планет подвергается активному воздействию метеорной бомбардировки, которая участвует как внешняя (экзогенная) сила в формировании облика коры планеты.

Межпланетное пространство пополняется в результате выброса раздробленного вещества с этих планет новыми массами метеорной пыли. Поверхность бомбардируемой метеорами планеты постепенно покрывается толстым слоем пыли.

Совершенно аналогичное, но относительно гораздо более разрушительное действие оказывают метеорные удары на астероиды и ядра комет. С. В. Орлов недавно обратил внимание на важную роль метеорной бомбардировки при различных процессах в кометах. Так, в комете Холмса (1892 III), имевшей очень слабый хвост, наблюдалось появление нескольких пылевых галосов (кольцевых ореолов) огромных размеров, которые легче всего объяснить столкновением ядра этой кометы с метеорами. Вообще появление галосов вокруг кометных ядер можно считать следствием метеорной бомбардировки. Выброс струй метеорного вещества из кометных ядер с небольшой начальной скоростью (несколько километров в секунду и даже меньше) также может быть вызван воздействием столкновений крупных метеорных тел с кометами.

При взаимных столкновениях малых тел Солнечной системы наряду с такими необратимыми процессами, как разрушение кристаллической решётки твёрдого тела, испарение, нагревание и ионизация, происходит также и упругое взаимодействие. Процессы упругого взаимодействия ведут к осреднению скорости малых тел, к упорядочению движения всего комплекса метеорного вещества Солнечной системы в одном направлении по почти круговым орбитам. Совершенно особую роль играют столкновения малых тел во внешних областях Солнечной системы, где их взаимные относительные скорости очень малы. Там взаимное столкновение вследствие небольшой энергии сталкивающихся частиц ведёт не только к осреднению их скоростей, но и к слипанию частичек в более крупные глыбы. Таким образом, если столкновения твёрдых частиц между собой во внутренних областях Солнечной системы приводят к дроблению, разрушению твёрдых тел Солнечной системы, то вдали от Солнца результат взаимных столкновений частиц может быть противоположным - здесь будет происходить концентрация материала в некоторых областях пространства.

Все рассмотренные нами факторы являются внешними по отношению к малым телам Солнечной системы. Вряд ли в этих телах существует возможность проявления каких-либо внутренних сил, которые могли бы повлиять на их развитие. Быть может, единственное исключение составляет реактивный эффект, возникающий при извержении газов из ядра кометы. При этом происходит либо ускорение, либо, наоборот, замедление движения кометы по её орбите вокруг Солнца. Но и в данном случае энергию, необходимую для расширения газов, кометные ядра черпают извне, поглощая лучистую энергию Солнца.

Таковы разнообразные факторы, определяющие развитие малых тел Солнечной системы. Какова хотя бы приблизительная возможная картина возникновения и развития комплекса малых тел под действием этих факторов?

Несомненно, основными и преобладающими процессами эволюции этого комплекса во внутренних областях солнечной системы в наши дни являются раздробление и уничтожение осколочного материала, из которого сложены малые тела - астероиды, кометы, метеорные потоки. Астероиды дробятся и теряют свою массу под влиянием столкновений друг с другом и с метеорными телами. Результаты столкновений уменьшают общую массу астероидов, одновременно увеличивая массу метеорного облака вокруг Солнца. То же происходит с большими планетами и их спутниками, лишёнными атмосферной защиты.

Кометные ядра извергают газы, теряют мелкие пылинки, образующие при взрывах целые облака ("синхроны"), часто видимые в кометных хвостах. Некоторым кометам, подходящим в перигелии очень близко к Солнцу, угрожают разрыв ядра и уничтожение под действием солнечной приливной силы. Частицы кометного ядра, утратившие связь как с ядром, так и между собой и выбрасываемые из ядра под влиянием газовых взрывов, ударов встречных метеорных тел и приливных сил, образуют метеорные потоки. Часть из них движется почти точно по орбите кометы-родоначальницы, часть же заметно отклоняется от неё вследствие значительных начальных скоростей выброса. Метеорный рой подвергается разрушительному действию планетных возмущений и приливных сил, и постепенно пучок орбит метеорного потока рассеивается в пространстве, а метеорное вещество растягивается вдоль орбит, образуя как бы замкнутую трубку вокруг Солнца. Лучевое давление Солнца сортирует частицы, удаляя газовые молекулы и очень мелкие пылинки в межзвёздное пространство и заставляя постепенно оседать метеорное вещество на Солнце,

Таким образом, происходит закономерное образование метеорного облака во внутренних частях Солнечной системы, его упорядочение в более или менее компактный рассеянный рой вокруг Солнца и его постепенное уничтожение. По подсчётам В. Г. Фесенкова метеорное вещество в окрестностях Солнца должно было полностью обновиться уже много раз за те 4-5 миллиардов лет, которые существует наша планетная система. Что касается комет, то их суммарная масса с течением времени уменьшается и даёт материал для пополнения постоянно уничтожаемого метеорного вещества. Теория "холодильника" комет, большой запас которых сопровождает Солнце, объясняет, почему, несмотря на их повседневное разрушение в областях вблизи Солнца, комет всё ещё очень много.

Процессы, о которых мы только что говорили, характеризуют лишь направление эволюции системы малых тел в данное время в ограниченной области вблизи Солнца. Возникает ряд вопросов, связанных с эволюцией малых тел, помимо отмеченной тенденции развития в данное время. Каково происхождение комет и астероидов? Какова связь между астероидами, метеоритами и менее крупными метеорными телами? Существовало ли метеорное вещество при образовании Солнечной системы или оно появилось лишь в результате дробления комет и астероидов? Каково направление хода эволюции малых тел во внешних областях Солнечной системы?

На все эти вопросы сейчас можно ответить лишь весьма приближённо. Потребуется ещё много упорного и напряжённого труда со стороны учёных, чтобы установить в деталях картину возникновения и развития Солнечной системы, в том числе и входящего в её состав комплекса малых тел. Однако можно высказать некоторые предположения хотя бы в порядке уточнения постановки вопроса.

Происхождение астероидов и комет, несомненно, восходит ко времени образования Солнечной системы, и оно было существенно различным для этих двух классов тел. Кометное облако, простирающееся до сферы притяжения ближайших звёзд, кажется вполне естественным остатком, образовавшимся после концентрации материала газово-пылевой туманности в звезду.

Постепенно, в ходе многочисленных столкновений с небольшой взаимной скоростью, в этих удалённых областях Солнечной системы образовались многочисленные, ничтожные по массе конгломераты. Эти-то конгломераты из твёрдых частиц и замерзших льдов и стали ядрами комет. Не исключена возможность того, что процесс образования комет продолжается и в наши дни. Из "холодильника" кометы одна за другой входили во внутренние области Солнечной системы, переходили на короткопериодические орбиты и разрушались, давая многочисленные метеорные потоки. Таким образом, короткопериодические кометы и связанные с ними метеорные потоки представляют сравнительно недолговечную фазу развития кометно-метеорного вещества. Если возникновение кометного облака началось 4-5 миллиардов лет назад, то возраст наблюдаемых нами метеорных потоков можно оценить величиной, в десятки и сотни тысяч раз меньшей, т. е. в несколько десятков тысяч лет.

Что касается астероидов, то небольшие наклоны к эклиптике и круговой характер их орбит, относительно большие размеры наиболее крупных астероидов, а также положение пояса астероидов между орбитами Марса и Юпитера - всё это говорит об общности происхождения астероидов и больших планет. Скорее всего, это была "неудавшаяся" планета, материал которой или никогда не был собран воедино, или был разбросан на некоторой стадии жизни этой планеты. Последнее предположение соответствует гипотезе Ольберса, который ещё в начале XIX века предполагал, что астероиды являются осколками разорвавшейся большой планеты, существовавшей между орбитами Марса и Юпитера.

Диапазон размеров и масс астероидов чрезвычайно велик. По современным, далеко ещё неполным сведениям наименьшие известные астероиды имеют поперечник порядка 400 м, а наибольшие размеры кратерообразующих метеоритов оцениваются величиной в несколько десятков метров. По размерам и массе между крупными метеоритами и маленькими астероидами нет принципиальной разницы. Поэтому представляется вполне обоснованным предположение В. Г. Фесенкова о том, что Сихотэ-Алинский метеорит был крошечным астероидом, столкнувшимся с Землёй. На расстоянии Луны этот астероид должен был казаться звёздочкой 16-й величины и мог быть обнаружен при помощи мощных телескопов. Вполне естественно предположить, что при образовании пояса астероидов возникли осколки сколь угодно малых размеров. Таким образом, происхождение крупных метеорных тел может быть таким же, как и происхождение астероидов.

В то же время очевидно, что метеорные тела, принадлежащие к потокам и образовавшиеся в результате распада комет, имеют совершенно иное происхождение. Отсутствие крупных метеорных тел в потоках, подтверждаемое отсутствием метеоритов при мощных метеорных дождях, говорит о различном происхождении метеорных тел неодинакового размера. Однако среди метеорных тел кометного происхождения несомненно имеются также относительно крупные тела, на что указывают яркие болиды из потоков Скорпионид и Таурид, родственных кометам Лекселя и Энке. Вопрос о происхождении метеоритов сейчас ещё не может быть решён окончательно ввиду отсутствия достаточно большого материала об орбитах метеоритов. К сожалению, данные об орбитах метеоритов накапливаются чрезвычайно медленно. Что же касается сходства химического состава метеоритов и более мелких метеорных тел, то оно установлено лишь в самой общей форме вследствие недостаточности современных спектральных наблюдений над метеорами. Мы можем утверждать, что химический состав метеорных тел в потоках и метеоритов примерно одинаков, что метеоры такого потока, как Персеиды, близки по составу к каменным метеоритам. Однако по имеющимся данным нельзя ещё уловить, к какому именно классу каменных метеоритов близки метеоры из потоков.

Мы видим, что в проблеме происхождения и развития малых тел Солнечной системы имеется ещё много неясных вопросов. Но если сравнить состояние этой проблемы теперь и хотя бы всего 20 лет назад, нельзя не отметить замечательный прогресс представлений, произошедший в результате успехов метеорной астрономии. Как и во всех областях человеческого знания, здесь налицо расширение наших представлений, постепенно углубляющееся познание истины.