Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце?

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-71-heavy-planets-light-sun-af90d9ebf9e8#.gs5kxgwa7
  • Перевод

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.



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.



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.



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.


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; зёрнышко 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.



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.



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.



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.



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.



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?



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.


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.



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.



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.
Поделиться публикацией
Комментарии 19
    0
    Получается, что Земля образовалась из «осадка» при «дисциляции» легких фракий солнечным ветром?
      +1
      Ага. Вселенная — гигантский самогонный аппарат. А мы там — типа дрожжи.
      0
      Что, если водородную бомбу послать в центр такого газового гиганта? Она запустит термоядерную реакцию, но что потом? Подхватит ли ее внешняя среда? Станет ли звездой планета после такого вмешательства?
        0
        Вряд ли. Чтобы запустить синтез планету надо наоборот сжимать, а не взрывать в ядре бомбы.
          0
          Ну синтез в водородной идет, и с хорошим КПД. Правда, в маленьком пространстве, скажем 10 км шар при очень мощной бомбе.
          Мой вопрос возможно, наивен — когда хотели взрывать первую водородную, были дискуссии, не запустит ли взрыв цепную реакцию по всей планете? Ну вроде нет. Взорвали, нормально.
          Получается, синтез пойдет только лишь в случае весьма сильного давления в месте запуска реакции? Так оно будет, взрывная волна и все такое.
          Или это необходимое давление должно быть на всей планете, на том уровне, где мы создали синтез? Какая его величина? Я встречал оценки, что если Юпитер станет в 3 раза больше, то он станет звездой. В 3 раза — это вроде немного, гравитация и давление не на порядки возрастут.
            +2
            В водородной бомбе и на солнце идут принципиально разные реакции. На солнце все начинается с крайне медленной реакции слияния протонов p+p->D, а уже получившийся дейтерий быстро выгорает до гелия. Бомбу же сразу заряжают дейтерием и более тяжелыми элементами, иначе она не взорвется.

            В общем, весь дейтерий в Юпитере сгорел еще в процессе его формирования и бомба там ничем не поможет.
              0
              Взрыв бомбы замедлит время формирования системы, т.к. уменьшит плотность облака в области взрыва.
              Чтобы Юпитеру стать звездой, ему надо быть в 75 раз массивнее.
            –1
            Алексей Турчин: Взрыв планет-гигантов.
            0
            А сколько тяжелых элементов в солнечном ветре?
            Может в будующем его будет целесообразно фильтровать с помощью гигантских магнитов?
              0
              Там не тяжелые элементы, а простейшие частицы: протоны и электроны. Такие элементы, как например атом уже вряд ли сможет покинуть солнце из-за гравитации.
              А насчет фильтров — так и происходит с землей, она защищена магнитным полем от солнечного ветра.
                +1
                Еще альфа частиц (ядер гелия) поток приличный в составе ветра. Ну и нейтрино от ядерных реакций, хотя их в понятие «ветра» обычно не включают, а рассматривают отдельно из-за принципиально других характеристик.
                Скорости вылетающих частиц в принципе хватило бы на преодоление гравитации, более тяжелых (тяжелее гелия) частиц в солнечном ветре практически нет просто потому, что и самих тяжелых элементов на солнце почти нет. А те что есть в основном в глубоких слоях, а не на поверхности.
              0
              Газовые гиганты на Солнце похожи куда больше, чем планеты земной группы. Следом за гигантами вновь идут «камешки» — Плутон и весь остальной пояс Койпера.
              Нарушается последовательность.
                0
                Не нарушается. Всё логично.
                Тут не линейная зависимость.
                Первоначальное сжатие материи, и после — «вздох новорождённой» Звезды, отбрасывающей всё от себя. С разной силой, в соответствии с расстоянием и массой того, на что воздействует её излучение.
                Возникает встречный процесс торможения разогнанной массы в протопланетарном облаке, образуется «кольцо плотности», что формирует планеты-гиганты. Количества тяжёлых элементов на дальних радиусах недостаточно для образования массивных планет. И образуются «камешки». Которые состоят из тяжёлых и лёгких элементов в криогенной форме. Из камня, водного льда, и газов, в большей части в твёрдой и жидкой фазах. Планетам «на отшибе» попросту не хватает материала для набора массы.
                0
                Вот верьте или нет, но понятнее не стало.

                Лады, излучение звезды «выдувает» с планет лёгкие элементы. Это ясно. Но откуда же взялись металлы (в астрофизическом смысле) в таком немалом количестве?
                Если верна теория Большого Взрыва, изначально (на момент, когда уже стало возможно существование атомов) Вселенная состояла из водорода с небольшой примесью гелия и, возможно, ещё меньшей примесью лития и, уж совсем ничтожных, количеств бериллия. Это и был материал формирования первого поколения звёзд.
                Опять же, веря теории Большого Взрыва, первое поколение представляло собой массивные звёзды, где преобладающим процессом был протон-протонный цикл. Т.е. основным «выходом» был гелий, прочии элементы образовывались в следовых количествах.
                Второе поколение обладало чуть большей металличностью, но этого, как я понимаю, уже было достаточно для запуска углеродного цикла. Но основой, как и сейчас, был и оставался протон-протонный цикл. Таким образом выход металлов __ничтожен__, по сравнениею с выходом, к примеру, гелия. Опять же, не будем забывать, что при взрыве (сверх)новой сбрасываются __верхние__ оболочки звезды, т.е водород, гелий и, в каком-то небольшом количестве, кислород, азот и углерод (ну да, более тяжёлые элементы есть, но их ещё нужно умудриться найти).
                Солнце, если мне не изменяет память, принадлежит к третьему поколению. Значит и вся Солнечная система построена из того же материала, что и Солнце и, следовательно, преобладать должен был водород и гелий (те самые 1—2% прочих элементов из состава Солнца накопились, большей частью, но не все, в процессе его, Солнца, жизненного цикла). Согласно лекции Итана, Солце, набрав необходимую для запуска реакции ядерного синтеза, массу «выдуло» из системы почти все оставшиеся лёгкие элементы; остаток же металлов пошел на формирование планет. Хорошо, но кремний (много), железо (есть и не мало) да и тот же уран (пусть и не в больших, но достаточных количествах), в Земле присутствуют. Учитывая, что даже как побочный продукт углеродного цикла, эти элементы образуются в исчезающе малых количествах, следует предположить, что туманность, давшая жизнь Солнечной системе была просто гиганской.
                И тут возникает вопрос, почему же эта огромная туманность не сколапсировала под действием гравитации во что-то, типа нейтронной/кварковой/преонной звезды, а то и не свернулась в сингулярность? Ведь изначальня масса дожна быть просто гиганской!

                P.S. Я не специалист в астро— и ядерной физике. В основном, мои знания почерпнуты из научно-популярных источников. Если я в чём-то ошибаюсь, буду рад вашим поправкам и объяснениям.
                  0
                  … первое поколение представляло собой массивные звёзды, где преобладающим процессом был протон-протонный цикл.
                  Вот это неверно. Протон-протонный цикл преобладает у мелких звезд, по типу нашего солнца. Первое же поколение звезд, насколько я помню, представляло собой преимущественно огромные звезды в сотни солнечных масс. Сейчас формирование таких звезд, например, уже в принципе невозможно. Так вот, в свехмассивных звездах идут все возможные реакции, вплоть до железа, а взрыв таких звезд — это не сброс внешних оболочек, а скорее, разрывание на куски. Плюс во время взрыва происходит сверхмощное облучение нейтронами всех элементов, что досинтезирует тяжелую половину таблицы Менделеева.
                    +1

                    В нынешнем поколении звезд — да, у небольших звезд протон-протонный, а у крупных — CNO:
                    https://en.wikipedia.org/wiki/Proton%E2%80%93proton_chain_reaction


                    proton–proton chain reaction is one of the two (known) sets of fusion reactions by which stars convert hydrogen to helium. It dominates in stars the size of the Sun or smaller.[1] (The other reaction is the CNO cycle, a catalytic cycle which theoretical models suggest is the dominant source of energy in stars more massive than about 1.3 times the mass of the Sun.)

                    Но в поколении III (первых звездах) — https://en.wikipedia.org/wiki/Stellar_population#Population_III_stars у звезд не было достаточного количества C для катализа, т.е. для них в начале возможен лишь β+ распад "дипротона" (протон-протонный цикл), затем, после получения гелия-4 — Тройная гелиевая реакция.


                    И еще нет понимания размеров звезд поколения III.
                    The Evolution of Population III Stars — Stephen Redman, Astronomy 534 – Spring 2007 http://www2.astro.psu.edu/users/rbc/a534/redman.pdf


                    There is still no agreement as to the range of initial Pop. III masses • Somewhere between 0.7 Mסּ and 1000 Mס…
                    Stars with a mass fraction of 12C < 10^-9 cannot start the CNO cycle • The only source of energy is the p-p chain
                    The p-p chain has a much lower dependency on temperature, so it acts as a poor thermostat, and the core gets very hot & dense. When the temperatures get high enough, 3α starts, 12C is formed, and the CNO cycle can begin
                    Pop. III stars begin burning He before they reach the RGB
                    Pop III Nuclear Reactions a) Onset of Hburning; b) Onset of 3α; c) End of H burning; d) Onset of He burning; e) End of core He-burning; f) Energy balance
                    Some stars become degenerate before He-ignition
                    • Easy to see the weak T-dependence of the p-p chain
                    • More massive stars start the 3α process before TE via the p-p chain

                    Сравните слайды 33 и 34 — судьба звезд разной массы при нынешнем содержании металлов (33) и в поколении III (34).

                  0
                  Как длинно про то, что легкие элементы с планет «сдувает».
                    0
                    А вот этот сдутый водород и гелий, он весь покидает систему или частично переходит на более высокую орбиту вокруг солнца, где например собирается полем притяжения того же юпитера?
                      0
                      Предполагаю, что именно так Юпитер и стал гигантом

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое