5

Звёзды из пыли не рождаются!

Звёзды и галактики

Сейчас большинство учёных уверены: звёзды и планеты образуются из разреженных газопылевых облаков. Но это не так. Существует ряд принципиальных возражений против современной космогонии. Одно из них мы рассмотрим в этой статье. Мы увидим, что даже сверхцивилизация не сможет помочь образованию звёзд и планет из газопылевого облака.

1. Джеймс Максвелл против современной космогонии

Когда я приступил к исследованию Солнечной системы (не по собственной воли, а меня заставили  🙂 ), то понял, что имею большое преимущество перед другими исследователями. Потому что был дилетантом в этом вопросе – слишком мало знал. И это мягко сказано.
А в чём же преимущество у дилетанта? Если учёные, исследуя какую-то тему, идут в верном направлении, то они имеют солидное преимущество перед новичком. Но если они зашли в тупик, то дилетант имеет то преимущество, что ему НЕ НАДО выходить из этого тупика. А выйти учёным из тупика очень трудно, практически невозможно. И основные причины этой трудности – психологические.

Помню, когда приехал в новосибирский Академгородок учиться в ФМШ, то нас водили на экскурсии по институтам СО АН и показывали различные дорогостоящие сооружения, которые должны были помочь сибирской науке проникнуть в тайны Мироздания. Тогда же в мою голову пришла невесть откуда крамольная мысль: «А что если эти сооружения направят научную мысль в ложном направлении?» В таком случае наука не будет развиваться и будет заложницей собственных капиталовложений. Мне стало не по себе. Сейчас-то я понимаю, что гигантские дорогостоящие установки, даже ведущие науку в тупик, не способны ей сильно навредить. За 20-30 лет железо заржавеет, техника выйдет из строя или устареет и т.д. Самая главная опасность – это конструкции в голове учёных. Они не стареют, не ржавеют и передаются по наследству, как нечто очень ценное.

Но вернемся к Солнечной системе. После первого более-менее глубокого знакомства с теориями ее происхождения, мне стало ясно, что научная мысль в этом вопросе зашла в тупик: слишком много существовало различных теорий, противоречащих друг другу. Но было очень трудно понять, когда именно учёные пошли в неверном направлении. Читая книги по этой теме, изданные в 70-е, 60-е и даже 50-е годы прошлого века, я видел, что учёные уже сделали свой выбор. Но не понимал, почему. Была какая-то недосказанность в их рассуждениях. Создавалось впечатление, что они недоговаривали что-то важное. Но что?
Наконец, мне попалась небольшая книжка (100 стр.) Генри Рессела: «Солнечная система и её происхождение», Москва 1944 г. Автор писал о трудностях и даже серьёзных противоречиях, связанных с происхождением планет. Он рассказал, что в 19-м веке Джеймс Максвелл смог строго доказать, что планеты не могли образоваться из протопланетного облака, потому что их масса слишком мала для этого.

1

Я был под впечатлением от прочитанного. Но если планеты не могли образоваться из газопылевого облака, зачем ученые разрабатывают такие теории? Их же предупредили, что это тупик. А они всё равно туда пошли и продолжают двигаться с упорством достойным лучшего применения.

Максвелл – авторитетный учёный, если он доказал, то значит, так оно и есть. Либо найдите ошибку в его доказательстве. Ошибку никто искать не стал (не по силам). Мне было интересно узнать доводы Максвелла. Но его статья, написанная на английском, скорее всего не переведена на русский. Вместо того, чтобы искать статью на английском, переводить на русский и вникать в сложные математические формулы, я решил, что будет проще, самому попытаться доказать результат, полученный Максвеллом.
Оказалось, это не так трудно. Поясню, я не планировал воспроизводить математические выкладки Максвелла. Мне было достаточно доказать, что планеты не могут образоваться из пыли и газа. Доказательство несложное, и его можно изложить чуть ли не «на пальцах».

2. Предел Роша

Чтобы лучше понять процессы, происходящие в протопланетном облаке, вспомним о пределе Роша. Предел Роша – это расстояние, на котором планета разорвет свой спутник на части, действуя на него приливными силами. А что такое приливные силы?
Вот космонавт вышел из космического корабля в открытый космос.

2-1

Космический корабль движется вокруг Земли по эллиптической орбите. Космонавт тоже движется вокруг Земли по эллиптической орбите. Но параметры его орбиты чуть-чуть отличаются от орбиты корабля. Потому что радиус его орбиты чуть-чуть другой. Двигаясь по разным орбитам, космонавт и корабль начинают медленно удаляться друг от друга. Расстояние между ними постепенно возрастает, возникает относительная скорость и относительное ускорение. Из-за того, что возникает ускорение, космонавт должен приложить небольшую силу, чтобы удержаться вблизи корабля. Для этого он соединяется с кораблём тросом.
Сила, которая действует на трос и стремится отодвинуть космонавта от корабля, называется приливной силой. Это обычная гравитационная сила, вызванная неоднородностью гравитационного поля. Она возникает в том случае, когда тела, движущиеся по разным орбитам, стремятся удержаться рядом друг с другом. Поэтому приливные силы стремятся разрушить любое тело на части.

Предел Роша – это такое расстояние до спутника, на котором приливные силы со стороны планеты в точности равны силам самогравитации, действующим внутри спутника. Поэтому внутри предела Роша планета разрушит крупный спутник на части. Это можно проиллюстрировать на таком примере.
На Луне стоит астронавт, а рядом с ним лежит камень.

2-2

Пусть астронавт находится или в ближайшей к Земле точке лунной поверхности или, наоборот, в самой удалённой – на обратной стороне Луны. Теперь, предположим, что радиус лунной орбиты постепенно уменьшается. Когда Луна достигнет предела Роша, астронавт почувствует состояние невесомости. А когда Луна окажется внутри предела Роша, астронавт воспарит над лунной поверхностью. Вместе с ним воспарит и камень, который находится рядом с ним.
На каком расстоянии от Земли это произойдёт? В такой постановке задача нетрудная. Её сможет решить даже школьник старших классов, хорошо знающий физику. Вы тоже можете попробовать свои силы  🙂 . Если у кого-то не получится, но он захочет увидеть расчеты, пусть пишет в комментариях, и я выложу эти расчёты.

3. Критическая плотность Роша

В середине 19-го века французский астроном Эдуард Альбер Рош рассчитал минимальное расстоянии от планеты, на котором она разорвёт свой достаточно крупный спутник на части.
Он проделал расчёты для двух крайних случаев.
1. Спутник имеет форму шара и абсолютно жёсткий. В этом случае:

3.10

2. Спутник жидкий. В этом случае предел заметно больше:

3.20
R – радиус планеты. В числителе – плотность планеты M, в знаменателе – плотность спутника m.
Жидкий спутник сильно деформируется вблизи планеты:

3-3                           3-4

Поэтому она разрывает его на части на большем расстоянии:

3-5                           3-6
Расчёты Роша применимы к объектам, в которых внутренними силами сцепления можно пренебречь по сравнению с гравитационными силами. Поэтому эти расчёты не применимы к слишком малым телам, размеры которых порядка 100 км и меньше.

Обычно говорят о «пределе Роша» – минимальное расстояние, на которое нужно приблизить спутник к планете, чтобы она разорвала его на части.
Но сейчас мы введём новое понятие:

КРИТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ РОША

Из формулы Роша видно, критическое расстояние зависит от плотности спутника. Чем меньше эта плотность, тем больше критическое расстояние. Для любого расстояния от планеты (звезды) можно найти такую плотность, что планета (звезда) разорвёт на части объект с данной плотностью. Эту плотность мы и назовём критической плотностью Роша.
Зачем нужно такое понятие? Разве существуют спутники с такой малой плотностью?
Это понятие поможет нам решить главную космогоническую проблему: способны ли звёзды и планеты образоваться из газопылевого облака?

Вот как мы будем действовать. Возьмём самую массивную планету Солнечной системы – Юпитер. Предположим, что он образовался в результате гравитационного сжатия из газопылевого облака. Зная параметры орбит планет, ближайших к Юпитеру, оценим размеры этого облака, а, значит, и его плотность. Сравнив эту плотность с критической плотностью Роша для орбиты Юпитера, мы сможем сделать вывод: мог или нет Юпитер образоваться в результате сжатия газопылевого облака.

4. Плотность протопланетного диска

Сейчас астрономы представляют, как выглядят протопланетные диски вокруг других звёзд. Современные средства наблюдения позволяют определить форму и размеры таких структур. Они представляют собой плоские образования, состоящие из пыли и газа и имеющие угол раствора примерно 1-2 градуса:

4-1

Такие диски обнаружены только у молодых звёзд. Считается, что из них впоследствии должны образоваться планеты. Отсюда и название «протопланетные».

Объём протопланетного диска радиуса r можно рассчитать по простой формуле (1):

4-3

Здесь α – угол раствора.
Подсказка: из объёма цилиндра, в который вписан протопланетный диск, вычитаем объём конуса, который граничит с протопланетным диском.

4-2
Для малых углов tgα = α, если угол измерять не в градусах, а в радианах. Поэтому получаем формулу (2):
4-4

Предполагается, что и планеты Солнечной системы образовались из подобного диска. Давайте, рассчитаем плотность такого диска вблизи орбиты Юпитера. Сначала определим его границы. Юпитер удалён от Солнца на 5,2 астрономических единиц (а.е.), а ближайшие к нему планеты Марс и Сатурн удалены от Солнца на 1,5 и 9,5 а.е., соответственно. Если взять средние значения, то получаем, что Юпитер образовался из субдиска с внутренним радиусом r (1) = 3,3 а.е. и внешним радиусом r (2) = 7,4 а.е. Масса Юпитера в три раза больше, чем у Сатурна и намного больше, чем у Марса, поэтому размеры субдиска, из которого он образовался, скорее всего, были еще больше, чем мы предполагаем, а плотность, соответственно, меньше.
Находим объём субдиска по формуле (2):

VJp = 4/3 πα(r23 – r13)

Куб внутреннего радиуса в 10 раз меньше внешнего, поэтому им можно пренебречь (ошибка менее 10 процентов). Получаем:

VJp = 4/3 παr23

Объём современного Юпитера VJp равен 4/3 πR3, где R – его средний радиус, равный 70 тысяч км. Отношение объёмов находим легко (на калькуляторе): делим внешний радиус субдиска на радиус Юпитера, затем возводим в куб и умножаем на угол раствора в радианах. Ответ: 6,6 x 1010.
Плотность современного Юпитера 1,3 грамм на кубический сантиметр. Следовательно, плотность субдиска 2 x 10–11 грамм на кубический сантиметр.
Сейчас мы рассчитаем критическую плотность Роша на орбите Юпитера и тогда узнаем, мог или нет Юпитер образоваться из газопылевого облака.

5. Критическая плотность Роша на орбите Юпитера

Из формулы для предела Роша следует, что критическая плотность на расстоянии 2,44 радиуса от планеты (звезды) точно равна средней плотности планеты (звезды). Радиус Солнца 700 тысяч км, а его средняя плотность 1,4 грамма на кубический сантиметр. 2,44 радиуса Солнца – это 1,7 миллиона км. Поэтому на таком расстоянии от центра Солнца критическая плотность Роша равна 1,4. Найти критическую плотность Роша на орбите Юпитера (или в другом месте) очень просто. Нужно радиус орбиты поделить на 1,7 и возвести в куб. А затем среднюю плотность Солнца поделить на это число. И всё.
Если поделить радиус орбиты Юпитера (780 млн. км) на 1,7 и возвести в куб, то получим 0,97 х 108. Делим 1,4 на это число. Получаем критическую плотность Роша на орбите Юпитера:
1,4 х 10–8 грамм на кубический сантиметр. Это не такая уж маленькая плотность. Она только в 100 тысяч раз меньше плотности обычного воздуха.

Чуть ранее мы нашли, что плотность субдиска из которого, как предполагается, образовался Юпитер, была равна 2 х 10–11: почти в тысячу раз меньше! Что это означает?
Предположим, такой фантастический вариант. На заре Солнечной системы мимо неё пролетала сверхцивилизация. Её представили увидели субдиск, из которого должен был образоваться Юпитер и решили «помочь» его образованию.

5

Для этого они всю пыль и весь газ этого субдиска собрали в один большой шар. Но на этом не успокоились и дополнительно сжали шар в 700 раз.
Образуется ли Юпитер после такой помощи?
Нет! Плотность этого газового шара будет меньше чем критическая плотность Роша. Поэтому приливные силы со стороны Солнца разорвут его и размажут обратно по субдиску.

Мы пришли к выводу, что Юпитер не мог образоваться из газопылевого облака. Если бы мы доказали, что хотя бы самая маленькая планета не могла образоваться из пыли и газа, то это был бы серьёзный удар по современной космогонии. А ведь Юпитер – это самая крупная планета Солнечной системы. Если даже его массы недостаточно чтобы преодолеть приливные силы, разрывающие на части любой объект с плотностью ниже критической, то что сказать о других планетах? Масса Земли в 300 раз меньше чем у Юпитера, а масса Марса – в 3000 раз. Ясно, что планеты не могут образоваться из пыли и газа.
Даже сверхцивилизация не сможет помочь планетам образоваться из газопылевого облака!

6. Основная ошибка современной теории звездообразования

Если взять какой-нибудь газ и поместить его в пустое пространство, то он начнёт расширяться под действием собственного давления. Но если масса газа очень большая, то сможет ли его самогравитация воспрепятствовать расширению и вызвать сжатие?

Представим себе огромное облако разреженного газа, находящееся в пустом пространстве. Если мысленно увеличивать и увеличивать размеры этого облака, то можно ожидать, что при некоторой массе облака силы самогравитации будут превосходит газовое давление, и облако начнёт сжиматься. Все эти расчёты уже давно проделаны. Выяснено, что даже при очень низких плотностях, гигантское облако холодного газа должно начать сжиматься. Полученные формулы, связывающие плотность газа, его температуру и массу, вошли в современные теории звездообразования. И эти теории развиваются уже почти сто лет. А с 70-х годов прошлого века для разработки этих теорий уже были задействованы самые мощные ЭВМ. Дело в том, что многие учёные, занимающиеся эволюцией звёзд, были физики-ядерщики, а ядерные исследования хорошо финансировались на государственном уровне. Учёных хорошо финансировали, так как надеялись, что они решат проблему термоядерного синтеза и обеспечат землю энергией. Учёные говорили: «Да, да. Вот уже скоро мы решим проблему термоядерного синтеза». Они так говорили и полвека назад и продолжают говорить сейчас. Однако проблему термоядерного синтеза они не решили. А вместо этого построили теорию звездообразования.

6-1

То же вроде бы не плохо  🙂 , но есть одно но.
Очень большое НО.
В современной теории образования звёзд из газопылевого облака НЕ учитываются приливные силы со стороны галактики. То есть, теория рассматривает газопылевое облако внутри галактики так, как будто это облако находится не в галактике, а в пустом пространстве.
Если я не прав, пусть кто-нибудь найдёт мне ссылку на то, что это не так: что приливные силы всё-таки учитываются. Но и без всяких ссылок, мы сами можем учесть приливные силы со стороны галактики и посмотреть, способны или нет сжиматься газопылевые облака с учётом этих сил.

7. Критическая плотность Роша внутри галактики

Сейчас мы покажем, что газопылевые (или просто газовые) облака в любой галактике НЕ СМОГУТ сжиматься под действием гравитации. Этому помешают приливные силы со стороны галактики. Существует много других факторов, препятствующих сжиманию газовых облаков. Это температура облака и давление газа в нём; магнитные поля; горячие звёзды, находящиеся поблизости и нагревающие облако; взрывающиеся сверхновые; галактический звёздный ветер и т.д. Все эти факторы препятствуют образованию звёзд и поэтому их учитывают в современных теориях звездообразования. А вот приливные силы НЕ УЧИТЫВАЮТ. А мы будем учитывать только приливные силы. Почему? Потому что одних этих сил достаточно, чтобы воспрепятствовать сжатию облака. А если одной причины достаточно, зачем рассматривать другие?

На первый взгляд, задача кажется трудной. Нужно знать массу галактики, её размеры и форму, плотность и массу газовых облаков, их форму, расстояние до центра галактики и т.д. Следовательно, задачу нужно решать для каждого отдельного случая. Но это не так. Можно «на пальцах» показать, что критическая плотность Роша в любой галактике ВСЕГДА БОЛЬШЕ, чем плотность газовых облаков в ней. И даже каких-нибудь сложных расчетов делать не придётся.

Рассмотрим, обычную эллиптическую галактику:

7-1

К этому типу галактик принадлежит четверть всех галактик. Кроме того, самые гигантские галактики – эллиптические. Даже просто глядя на фотографию видно, что наибольшая яркость в центре галактике, а наименьшая – на окраине. И это действительно так: плотность любой эллиптической галактике плавно спадает от центра к периферии.
Ткнём пальцем в произвольную точку внутри эллиптической галактики:

7-2

Чему равна в этой точке критическая плотность Роша? Я первый раз вижу эту эллиптическую галактику (только что взял её фото из Википедии) и ничего не знаю о ней. И мне не нужно ничего знать о ней, чтобы решить вопрос о критической плотности.
Точка, куда мы ткнули пальцем, находится на каком-то расстоянии от центра галактики. Назовём это расстояние R. Теперь мысленно разделим всю галактику на две части. Первая часть – это шар радиуса R. Вторая часть – это остальная часть галактики. Мы знаем, что внутри массивной сферы полная НЕВЕСОМОСТЬ. Поэтому силы, действующие на нашу точку со стороны второй части галактики равны НУЛЮ. И, следовательно, вторая часть никак НЕ ВЛИЯЕТ на нашу точку. Остаётся влияние только первой части – шара радиуса R.
А чему равна критическая плотность Роша вблизи массивного шара радиуса R? Мы помним, что на расстоянии двух с половиной радиусов от центра шара (точнее 2,44 R) критическая плотность Роша точно равна средней плотности шара. Поэтому вблизи шара критическая плотность Роша будет превышать его среднюю плотность в 14,5 раз (2,44 в кубе)! А средняя галактическая плотность в этом месте МЕНЬШЕ, чем в шаре, так как плотность убывает с расстоянием от центра.

Подведём итоги. Современные галактики в основном состоят из звёзд. Газа в них всего несколько процентов. Но даже если все звёзды галактики превратить в газ, то его плотность в ЛЮБОМ месте галактики будет в 14,5 раз меньше, чем критическая плотность Роша! Поэтому никакое облако газа, находящееся внутри галактики НЕ БУДЕТ сжиматься под действием собственной гравитации.

Даже сверхцивилизация не сможет помочь звёздам образоваться из пыли и газа!

Почему? Потому, что звёзды из пыли не рождаются!

Василий Янчилин

4 комментариев

  • «Мы знаем, что внутри массивной сферы полная НЕВЕСОМОСТЬ» — неправда ведь, равнодействующая сил будет равна нулю только в центре сферы, а не любом ее месте. Так что внейшей сферой никак нельзя пренебречь.

      • Да, вы правы, в полой сфере гравитация будет нулевая.
        Оказалось, эта задача еще Ньютоном была решена.
        Спасибо за ответ.

        • Это можно доказать так. Выбираем произвольную точку О внутри сферы. Берём любую маленькую площадь на сфере. Отображаем её симметрично относительно точки О на противоположную часть сферы. Теперь нужно доказать, что силы, действующие на точку О со стороны этих двух маленьких площадей, в ТОЧНОСТИ равны друг другу. Это легко, так как гравитационная сила пропорциональна массе и обратно пропорциональна квадрату расстояния. А масса маленькой площади пропорциональна её площади, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату расстояния до точки О. Из-за того, что часть сферы более далёкая от точки О будет иметь большую площадь (а, значит, и массу), которая пропорциональна квадрату расстояния, силы от этих площадей КОМПЕНСИРУЮТ друг друга полностью. Поэтому внутри сферы невесомость.

Добавить комментарий