18.11. АККРЕЦИЯ ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ
Рассматриваемый нами механизм аккреции основан на свойствах твердых зерен. Эта теория в первую очередь относится к тем небесным телам, которые состоят главным образом из нелетучих элементов. Такими телами являются планеты земной группы, включая Луну и астероиды. Нам очень мало известно о химическом составе спутников, разве лишь то, что он весьма изменчив; имеющиеся данные будут рассмотрены в гл. 20. По крайней мере меньшие из спутников полностью состоят из веществ, способных
конденсироваться на соответствующих расстояниях от Солнца, поскольку их массы недостаточно велики для удержания атмосферы. Средняя плотность некоторых из наиболее известных спутников Юпитера указывает на то, что значительную долю их массы составляет каменистый материал. Другие спутники должны состоять главным образом из льда или жидких компонент [264]. Спутник Сатурна Титан, размер которого почти вдвое превышает размер Луны, способен удерживать тонкий слой атмосферы.
В случае планет-гигантов, которые, вероятно, состоят главным образом из летучих веществ, механизм планетезимальной аккреции нуждается в дополнении. Эта общая сложность всех планетезимальных теорий уже давно привлекает к себе внимание исследователей. Эпик [325] пытался решить проблему, предположив, что аккреция Юпитера (и других планет-гигантов) происходила при такой чрезвычайно низкой температуре, что даже водород находился в твердом состоянии. Следовательно, Юпитер должен был образоваться путем аккреции водородных снежинок. Температура, необходимая для этого процесса, согласно Эпику, составляет около 4 К, что, по-видимому, является неправдоподобно низким значением. В нашем механизме, где плотность газа ниже предполагаемой Эпиком, требуемая температура должна была бы быть еще ниже. Отсюда следует, что нужно рассматривать прямую аккрецию газа из межпланетной среды.
Для удержания атмосферы тело должно обладать определенной минимальной массой. Поскольку Марс имеет атмосферу, а Луна не имеет, можно сделать вывод, что для условий, преобладающих в области внутренних планет, критическая масса должна быть порядка 1026 г. Когда в результате аккреции твердых зерен зародыш достигнет этой массы, он становится способным эффективно притягивать газ из межпланетной среды и удерживать его как атмосферу, которая в конечном счете может обладать большей массой, чем твердое ядро. Планеты-гиганты могли образоваться путем аккреции большого числа планетезималей, которые были достаточно велики, чтобы обладать атмосферой.
Поскольку ни один из астероидов не достиг критической массы, у нас нет надежды исследовать этот процесс, ведя наблюдения в астероидной области. Следовательно, аккреция газа растущим зародышем неизбежно представляет собой более гипотетический процесс, нежели те процессы, для которых мы можем найти аналогию в происходящих сейчас явлениях. Наблюдаемая очень низкая плотность газа в межпланетном пространстве в сочетании с действием солнечного ветра в настоящее время фактически не позволяет планетам аккрецировать газ за счет силы тяготения.
Этот процесс следует рассмотреть в связи с моделью струйного потока, рассмотренной в гл. 6 и 12. Аккреция газа из межпланетной среды также может проходить в два этапа. Кроме того,
струйный поток имеет способность извлекать газ из своего окружения, так что он обладает «атмосферой». Это означает, что плотность газа внутри струйного потока может намного превышать плотность среды между потоками. Когда зародыш внутри струйного потока достигнет критического состояния (см. разд. 11.4), он начнет притягивать газ из области с относительно высоким давлением.
О присутствии газа в качестве диссипативной среды в некоторых струйных потоках наводит на мысль состояние сохранности частиц в углистых хондритах. В этих метеоритах характерные продукты плавления при столкновениях и испарения (хондры) либо содержатся в незначительном количестве, либо полностью отсутствуют. Оказалось, что кристаллы, намагниченные до аккреции, избежали нагрева за счет столкновений выше точки Кюри [84—86]. Весьма хрупкая внешняя оболочка изотропно облученных кристаллов в богатых газом метеоритах была защищена от разрушения в процессе аккреции зародышей родительского тела [432]. Следовательно, необходимо предположить, что снижению относительных скоростей, требуемому для аккреции, в большой мере способствовали потери энергии за счет вязкости, отличные от потерь, связанных с неупругими столкновениями.
Полагают, что по крайней мере Юпитер состоит в основном из водорода и гелия, которые обязательно должны были быть приобретены путем непосредственной аккреции газа из космического пространства или из атмосферы струйного потока. Это означает, что характеристики орбит должны определяться процессом аккреции газа, а не аккрецией твердых зерен. Поэтому в случае планет-гигантов (или по крайней мере Юпитера) рассмотренный нами механизм аккреции должен быть значительно изменен. Детальный анализ этой проблемы очень важен, но его следует оставить для будущих исследований. (Если окажется, что водородно-гелиевая модель Юпитера неверна, такое исследование потеряет многие из своих мотивов.)
