Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (10) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Недрата на планетите

Когато частиците, формиращи една планета, се сближават — нараствайки отначало до размерите на камъчета, после до заоблени каменни грамади и планини и накрая до цели светове — те се загряват. Гравитацията предизвиква ускорително движение навътре към центъра. Колкото по-големи стават нарастващите фрагменти, толкова по-бързо те се движат и толкова по-голяма кинетична енергия притежават (кинетична произлиза от гръцки език и означава „движение“). По-големите фрагменти, така наречените планетезималии, притежават толкова голяма енергия, че при ударите си в този нарастващ свят могат да издълбаят огромни кратери в него. Тези кратери се унищожават от други катастрофални удари, които издълбават повърхността с още по-големи кратери, и остават само няколко от тях за неопределено дълго време.

Ние виждаме кратерите, които бележат последните сблъсъци, формирали повърхността на Луната, на Меркурий, на Марс и на двата малки негови спътника Фобос и Деймос. Ние със сигурност бихме ги видели и на Венера, ако можехме да надникнем под облаците й, както и на спътниците на Юпитер, ако имахме достатъчно детайлни снимки.

Несъмнено Земята също е получила своя дял от кратери. На нея обаче могат да се видят само слаби следи от тях, понеже течащата вода и действието на живата материя са ги разрушили.

Сумарната кинетична енергия на сблъскващите се взаимно бързо движещи се тела не се губи. Енергията въобще не се губи, тя може само да се трансформира в друга форма. В нашия случай кинетичната енергия се превръща в топлина и се концентрира в центъра на образувания свят. Това е така и за Земята, както несъмнено и за всички други достатъчно големи светове, които са могли да получат съществено количество кинетична енергия при своето образуване. Тази вътрешна топлина в крайна сметка е продукт на енергията на гравитационното поле, което се концентрира все повече и повече в процеса на образуването на една планета.

Що се отнася до Земята, отдавна е установено, че недрата й са горещи. При прокопаването на дълбоки галерии в Земята с навлизането в дълбочина температурата постоянно нараства. Признаци за вътрешната топлина на Земята са горещите извори и вулканите (които вероятно са породили у древните идеята за огнения ад под земята).

Съвременните познания за вътрешността на Земята се основава на анализа на сеизмичните вълни, които се пораждат при земетресенията и се разпространяват в дълбините на планетата. От посоката на движението им, от времето на разпространение и от начина, по който те променят или не променят внезапно направлението си, могат да се направят изводи за свойствата на земните недра. Смята се, че температурата постоянно се увеличава с приближаването към центъра на Земята, където тя достига 5000°C (почти толкова, колкото е температурата на повърхността на Слънцето, а тя е 6000°C).

Фактът, че в земните недра бушуват горещи пламъци, означава, че голямата част от вътрешността на Земята е била (и все още е) в течно състояние след образуването на планетата и след като тя достигнала размери, близки до сегашните. Това означава, че ако тя е образувана от различни вещества, които не са били предварително смесени, те ще се разделят, като по-плътните видове ще се придвижат по-близо до центъра, а другите ще изплуват над тях.

Това наистина е така. Земята е образувана предимно от скални силикати и смес от желязо и никел в съотношение около 9 към 1. Металите се слягат към центъра, където образуват желязно-никелово ядро. Около него се намира силикатната мантия. Мантията е в твърдо състояние, защото нейната температура в най-горещата й част (която, разбира се, е и най-дълбоко) вероятно не надвишава 2700°C и не е достатъчна, за да разтопи скалите. Ядрото има значително по-висока температура и тя е достатъчно висока, за да се разтопи желязото. Ето защо ядрото на Земята е течно.

Топлината във вътрешността на Земята се е натрупала в ранните стадии на нейната история — преди 4 600 000 000 години (един милиард години понякога се нарича еон^[1], затова бихме могли да кажем, че Земята се е образувала преди 4,6 еона). Вероятно преди 4 еона ударите върху повърхността й от големите планетезималии са се прекратили и след този момент не се е добавяло съществено количество кинетична енергия към това, което Земята вече е имала. Гравитацията вече била свършила работата си по формирането на Земята.

Изглежда, че за изминалите оттогава 4 еона вътрешната топлина на Земята изтекла малко по малко в околното пространство и планетата се охладила. Скалният материал в мантията и в земната кора съвсем сигурно е лош проводник на топлина, затова вътрешната топлина на Земята всъщност изтича много, много бавно, но 4 еона е наистина много дълго време.

Фактически Земята съдържа като част от себе си и малки количества от елементите уран и торий, които под действието на ядрените и слабите сили се разпадат бавно с течение на еоните и по този начин освобождават топлина. (След изминалите 4,6 еона половината от първоначалното количество на урана и 4/5 от първоначалното количество на тория все още не са се разпаднали.) Освобождаваната от радиоактивните елементи топлина не е много голяма, но тя се натрупва с течение на еоните — тя е поне толкова, колкото е и изтичащата вътрешна топлина на Земята. Това, което са започнали гравитационните сили, сега се поддържа от ядрените и слабите сили — следователно земните недра няма да се охладят още много еони.

Естествено е една по-голяма от Земята планета да получи и по-голямо количество кинетична енергия в процеса на формирането си. Първо телата, които бомбардират нарастващата планета, имат стотици пъти по-големи маси. Второ, понеже гравитационното поле става все по-силно, тези тела се удрят в планетата с по-големи скорости. И масата, и скоростта имат своя принос в кинетичната енергия. Една планета, по-голяма от Земята, ще бъде по-гореща в недрата си (а една по-малка планета ще бъде по-студена).

Да разгледаме Юпитер. През 1974 и 1975 година две космически сонди — „Пайъниър-10“ и „Пайъниър-11“, минаха много близо до планетата (на 100 000 km от повърхността й) и от получените данни учените можаха да извлекат информация за температурата в недрата на огромната планета.

Разстоянието от външния облачен слой до центъра на Юпитер е 71 400 km. Когато стигнем на 2900 km под повърхността на облачния слой (което е само 4% от разстоянието до центъра на Юпитер), температурата вече ще бъде 10 000°C, двойно повече от тази в центъра на Земята.

На дълбочина 24 000 km под облачния слой, което е 1/3 от разстоянието до центъра на Юпитер, температурата е 20 000°C. В самия център температурата достига изключително високата стойност 54 000°C, което е 9 пъти повече от температурата на слънчевата повърхност.

Но гравитационните взаимодействия пораждат в недрата на планетата не само висока температура. Те пораждат също така и високо налягане.

Под действието на гравитационното поле най-външните слоеве на планетата се привличат към центъра и се слягат върху по-долните слоеве, които също се привличат към центъра и се слягат върху още по-дълбоките слоеве. Тази серия от слягания съпровожда целия път до центъра, всеки по-дълбок слой предава надолу натиска на всичко, което лежи отгоре му, и добавя своя собствен натиск, така че с проникването в дълбините на планетата налягането постоянно се повишава.

Налягането често се измерва чрез тегло, разпределено върху определена площ — например с броя на грамовете, натискащи върху един квадратен сантиметър. Нека разгледаме нашата атмосфера. Тя се привлича от Земята с достатъчна сила, за да упражни върху земната повърхност значително налягане.

Върху всеки квадратен сантиметър от земната повърхност действа натиск (или тегло, както често се нарича този натиск) от 1033,2 g въздух. Можем следователно да кажем, че атмосферното налягане на морското ниво е 1033,2 g/cm², което ние наричаме 1 атмосфера. Същото налягане действува и върху нашите тела, но във всички направления както навътре, така и навън, така че то се компенсира, и ние не го чувствуваме.

Налягането на водата в океанските дълбини е много по-високо от налягането на въздуха, понеже водата е много по-плътна от въздуха и има по-голяма маса. В най-дълбоките части на океаните налягането на водата е малко повече от 1 000 000 g/cm² или около 1000 атмосфери. Живите създания, подложени на това налягане и отвътре, и отвън, се чувствуват много добре при тези условия. (Ако обаче едно дълбоководно животно бъде издигнато на повърхността, вътрешното му налягане ще намалее слабо, докато външното ще спадне изключително много. Неговите клетки ще се пръснат и то ще умре. При обратните условия, например когато налягането върху нас силно се увеличи, ние също ще умрем.)

В недрата на Земята налягането нараства още повече, защото скалният материал и металите са по-плътни от водата и дълбочината е по-голяма (стълбовете от метали и скално вещество, които натискат върху слоевете отдолу, са по-дълги от стълбовете въздух, натискащи земната повърхност и от стълбовете вода, които натискат върху дъното на моретата).

Така на дълбочина 2200 km, което е 1/3 от разстоянието до центъра на Земята, налягането е вече 1 000 000 атмосфери или 100 пъти по-голямо от налягането в най-дълбоките места на океана. На дълбочина 4000 km то е 2 500 000 атмосфери. В центъра на Земята то вероятно е 3 700 000 атмосфери. Това гигантско налягане кара течното ядро постепенно да се втвърдява и то става твърдо в самия център независимо от огромната температура, така че вътре в течното желязно-никелово ядро съществува малко централно твърдо желязно-никелово ядро.

Естествено е условията в Юпитер отново да са по-екстремални. Върху централните му области оказват натиск стълбове вещество, 11 пъти по-големи от стълбовете, които тежат върху земното ядро (въпреки че веществото на Юпитер не е толкова плътно като земното). Ядрото на Юпитер понася налягане 10 000 000 атмосфери.