Спросите Итана №71: тяжёлые планеты, лёгкое Солнце

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.

https://geektimes.ru/post/278200/
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; 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.



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.