Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (9) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Плътност и образуване на планетите

Независимо от стойността на повърхностната гравитация и на скоростта на избягване на Юпитер в сравнение със земните, оставаме с изненадващото впечатление за слабостта на Юпитер.

В края на краищата Юпитер е повече от триста пъти по-масивен от Земята и има над триста пъти по-интензивно гравитационно поле от нейното. И все пак повърхностната гравитация на Юпитер не надминава и три пъти тази на Земята, а скоростта му на избягване не надвишава земната и шест пъти. Подобно несъответствие между интензитета на гравитационното поле, от една страна, и повърхностната гравитация и скоростта на избягване от друга, може да се види и при другите планети гиганти.

Причината за това несъответствие е в големия обем на планетите гиганти, поради което повърхностите им (или горните слоеве на облачните им обвивки, това няма значение) се намират между четири и единадесет пъти по-далеч от техните центрове в сравнение със Земята.

Но това не е всичко. Големите планети имат малки плътности, което означава, че веществото в тях не е компактно и заема повече обем от нормалния по стандартите на Земята. Повърхностите на тези планети нямаше да са толкова отдалечени от центровете им, ако плътностите им бяха по-големи.

Да предположим, че планетата Сатурн по някакъв фантастичен начин е сгъстена или компресирана до състояние, в което средната и плътност е равна на средната плътност на Земята. В това състояние нейният обем би бил само 1/8 от този, който тя има в действителност. Радиусът й би бил само половината от сегашния: 30 000 km вместо сегашните 60 000.

Но и при новите условия Сатурн все пак ще притежава пълната си маса. И масата, и интензитетът на гравитационното поле на Сатурн все още са 95,2 пъти по-големи от земните, повърхността на планетата все още ще бъде по-далеч от нейния център, отколкото при Земята, макар и не чак толкова, колкото е сега. Затова повърхностната гравитация на един сгъстен до плътността на Земята Сатурн би била 4,60 пъти по-голяма от земната, а не 1,15 пъти, колкото е сега.

Нека да предположим, че по същия фантастичен начин и Юпитер е сгъстен до средната плътност на Земята. Неговият обем би станал само 1/4 от сегашния, а радиусът му — само 5/8 от този, който е сега: 44 200 km вместо сегашните 71 400. С непокътнатата си маса и с повърхност, много по-доближена до центъра си, Юпитер би имал повърхностна гравитация, която превишава около 7 пъти земната.

Има ли друг начин да стигнем по-близо до центъра на един свят и така да увеличим гравитацията? Например, ако се заровим надолу в земната кора, с приближаването си към центъра на Земята ще се увеличава ли непрекъснато действуващата върху нас гравитационна сила?

Не!

Да си представим, че Земята има еднаква плътност — 5,52 g/cm³ и ние можем да се заровим свободно в нея. Ако се „окопаем“ достатъчна, част от нейната маса ще остане над нас. По-точно целият сферичен слой вещество над нас ще бъде по-далеч от земния център, отколкото сме ние. Теорията на Нютон показва, че този външен слой няма да дава принос в гравитационната сила, която ни привлича към центъра. Само тази част от Земята, която е по-близо до центъра, отколкото сме ние, би давала такъв принос. Тази част ще става все по-малка и по-малка с нашето придвижване надолу.

Това означава, че когато ние се приближаваме към центъра на Земята, действуващото върху нас гравитационно привличане ще намалява все повече и повече и ще изчезне, щом стигнем в самия център. В центъра на Земята или в центъра на който и да е сферичен свят цялата маса на този свят ще ни привлича в посока навън към повърхността, понеже тази маса е разположена изцяло над нас. Но тя ще ни привлича към повърхността еднакво във всички посоки, поради което сумарното привличане ще се компенсира взаимно и в резултат върху нас няма да действува никаква сила.

Ако си представим една огромна дупка в центъра на Земята или в някакъв друг кълбовиден свят, във всяка точка от тази дупка гравитацията ще бъде равна на нула. Създадени са научнофантастични произведения, в които Земята е куха и има повърхност, обитавана от вътрешната й страна, която се осветява от някакъв слънцеобразен обект, намиращ се в нейния център. Разказът на Едгар Райс Бъроуз „Прозрачност“ е пример за такова произведение. Всеки жител на един такъв свят няма да изпитва гравитационно привличане, което да го задържа на вътрешната страна на повърхността, а ще плава свободно из кухото пространство — нещо, което Бъроуз не е могъл да разбере и опише.

Не, единственият начин да увеличите гравитационното привличане е да уплътните целия свят, като „натъпчете“ цялата маса между вас и центъра на този свят — това е изключително важно заключение по пътя ни към разбирането на черните дупки.

Единственото нещо във Вселената, което може така да уплътни даден свят, е самата гравитация и тя вече е правила това в миналото, например когато са се образували планетите в нашата Слънчева система.

В началото веществото, от което са се образували планетите, е представлявало огромен облак от газ и прах. Голямата част от това вещество е била във вид на водород, хелий, въглерод, неон, кислород, азот и 90% от атомите на това вещество се падали на водорода. Всичко това, въртейки се бавно в отделни турбулентни вихри, също така бавно се смесвало под действието на слабото, но винаги упорито привличане на всички атоми и молекули, обусловено от взаимната гравитация.

Колкото по-близо идвали една до друга частиците, толкова повече се уплътнявало веществото, а отделните гравитационни полета на съставните части на облака взаимно се наслагвали и се усилвали. Интензитетът на гравитационното поле се увеличавал и по-нататъшното уплътняване се ускорявало все повече и повече.

Голямата част от веществото си оставало газообразно. Хелият и неонът се запазили във вид на отделни атоми. Атомите на водорода образували двуатомни молекули, които оставали отделно една от друга. При въглеродните атоми всеки един от тях се съединявал с четири водородни атома и образувал молекула на метана, която също оставала отделена от другите метанови молекули. Азотните атоми се съединявали с по три водородни атома и образували молекули на амоняка, останали също разделени една от друга. Кислородните атоми се свързвали с по два водородни атома, за да образуват отделени една от друга молекули на водата.

Има два не много силно разпространени елемента, които не са останали нито във вид на атоми, нито са образували отделни прости молекули — силицият и желязото. Силициевите атоми се съединявали с атомите на кислорода, но в процеса на свързване не образували отделени една от друга молекули. При тях електромагнитните сили продължавали своето действие без всякакви ограничения до натрупването на едно място на все повече и повече силициево-кислородни комбинации. Тези комбинации, наречени силикати, нараствали до размерите на частици от прах, малки камъчета, скални отломъци и заоблени каменни грамади. Към силикатните структури се прибавяли атоми от други елементи — магнезий, натрий, калий, калций, алуминий и т.н. Тази смесица от силикати е образувала скалния материал на земната кора, който ни е така добре познат.

В голямата си част атомите на желязото били залепени здраво един за друг заедно е атоми на други метали, като тези на кобалта и никела, които свободно се смесвали с тях.

И така, когато газът и прахта се завихряли все по-навътре и по-бързо, се образували все по-големи скални отломъци и метални конкреции (или комбинации и от двете). Понеже металите са по-плътни от скалните образувания, те реагират по-добре на гравитационното привличане. След „сътворяването“ на новия свят металите потъват към центъра му, образувайки ядрото, а скалната маса остава в обвивката над металите.

Луната и Марс са образувани предимно от скален материал. Меркурий, Венера и Земята са от скален материал и метали. Малки парчета твърдо вещество все още са разпръснати в космическото пространство и някои от тях прорязват атмосферата на Земята като метеори, а ако успеят да оцелеят и да достигнат до твърдата или течната земна повърхност, те стават метеорити. Някои от метеоритите са каменни, други — железни, а трети са смес от едното и от другото.

Малките светове от рода на малките астероиди не са достатъчно големи, за да породят гравитационно поле, което да е в състояние само̀ да задържа веществото им на едно място. То се задържа от електромагнитните сили в самите атоми и между тях. Тези сили, разбира се, са много по-големи от гравитационните сили на малките тела.

Атомите и молекулите, които са останали отделно едни от други и не са изградили безкрайни комбинации, не могат да формират светове под действието на електромагнитните сили. На тях може да им действува само гравитацията. Отделните атоми и молекули, които образуват една газова атмосфера, са пример за това.

Малките светове не притежават гравитационни полета с интензитет, достатъчен, за да задържа газовете. Луната следователно с нейната повърхностна гравитация, която е само 1/6 от земната, не може да задържа газови молекули и да има атмосфера. Нещо повече, тя не може да задържа и молекули на летливите течности и те се изпаряват много бързо, превръщайки се в газ. Поради тази причина на повърхността си Луната няма вода в свободно състояние. Световете, по-малки от Луната, също не могат да имат атмосфери и не биха могли да задържат летливи течности.

Меркурий, който има повърхностна гравитация 2,3 пъти по-голяма от лунната (обаче все още само 3/8 от земната), няма нито атмосфера, нито океани. А Марс, чиято повърхностна гравитация е почти като тази на Меркурий, е в състояние да задържа тънка атмосфера — с плътност само около 0,006 от плътността на земната атмосфера — с незначителни следи от вода.

Защо?

Отговорът се крие във влиянието на температурата. Колкото по-висока е температурата, толкова по-бързо се движат атомите и молекулите на газовете и толкова по-вероятно е някои от тях да се движат със скорости, по-големи от скоростта на избягване от планетата, към която принадлежат. По-вероятно е също атмосферата (ако такава съществува) да се разсее в пространството и е още по-малко вероятно тя въобще да се образува. Колкото по-ниска е температурата, толкова по-бавно се движат атомите и молекулите на газовете. По-малко вероятно е някои от тях да имат скорости, по-големи от скоростта на избягване, по-малка е вероятността атмосферата да се разсее, но вероятността тя въобще да се е образувала е по-голяма.

Марс има същата повърхностна гравитация като, тази на Меркурий, но той се намира на почти 4 пъти по-голямо разстояние от Слънцето и затова е значително по-студен. И ако температурата на повърхността на Меркурий достига 350°C, то средната температура на повърхността на Марс е само 20°C^[1].

Да разгледаме Титан — най-големия спътник на Сатурн. Повърхностната гравитация на Титан вероятно не надвишава половината от тази на Марс. Но Титан има повърхностна температура около –180°C или само 90 градуса над абсолютната нула. Поради това той притежава атмосфера, която е по-плътна от тази на Марс и вероятно е почти толкова плътна, колкото и земната.

Колкото по-малко масивни са атомите или молекулите, толкова по-бързо се движат те при дадена температура, толкова по-вероятно е те да избягат в пространството, и толкова по-трудно е те да бъдат задържани в състава на атмосферата.

Така например гравитационното поле на Земята е достатъчно интензивно, за да задържа атомите на аргона (с атомно тегло 40). То може също така да задържа въглеродния двуокис, тъй като въглеродният атом има атомно тегло 12, а двата, кислородни атома имат общо атомно тегло 32, което прави молекулно тегло 44.

По същия начин гравитационното поле на Земята е достатъчно интензивно, за да задържа кислорода (молекулно тегло 32) и азота (молекулно тегло 28), но не и хелия (атомно тегло 4) или водорода (молекулно тегло 2).

Ако постепенно веществото, формиращо една планета, нарасне и стане достатъчно за създаването на гравитационна сила, която да може да задържа дори хелия и водорода, то тогава планетата започва да расте бързо, понеже хелият и водородът са най-разпространените градивни елементи. Планетата се уголемява като търкаляща се снежна топка, понеже колкото по-голяма става, толкова по-интензивно ще е нейното гравитационно поле и тя все по-ефективно ще натрупва хелий и водород.

Това става по-лесно на по-големи разстояния от Слънцето, където е по-студено и атомите и молекулите на леките газове се движат по-бавно. В резултат се образуват планетите гиганти Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, които се намират на по-големи разстояния от Слънцето. Техните плътности са малки, защото са изградени главно от леки елементи.

Образуваните по-близо до Слънцето планети, където температурите са по-високи, не могат да задържат леките елементи. Те са изградени главно от по-малко разпространени атоми, които се задържат от електромагнитните сили. Затова във вътрешната част на Слънчевата система се образуват по-малки планети, формирани от скален материал и метали с висока плътност.