Галактоцентрическая парадигма и ее следствия


с. 1 с. 2 ... с. 4 с. 5


ГАЛАКТОЦЕНТРИЧЕСКАЯ ПАРАДИГМА И ЕЕ СЛЕДСТВИЯ

А.А. Баренбаум

Кратко излагаются основные положения галактоцентрической парадигмы [1], связывающей цикличность геологических процессов на Земле с космическими явлениями в Галактике и в Солнечной системе. Обосновано новое видение природы и строения спиральных галактик. На единой методологической основе предложены согласованные решения ряда фундаментальных проблем астрономии и наук о Земле. Создана необходимая база для тесного сближения геологической и космической областей знаний.



1. Введение

В последнее время все большее число исследователей объясняет глобальные геологические события в истории Земли воздействиями Галактики [2-14]. Впервые на эту связь обращено внимание в середине 1950-ых годов [15] после того, как астроном П.П. Паренаго [16] вычислил период орбитального движения Солнца в Галактике. И этот период оказался близким к продолжительности известного геологического цикла 200 -300 млн. лет. Позднее были выдвинуты идеи, объяснявшие галактическим движением Солнца также геологические циклы меньшей продолжительности 2080 млн. лет.

В качестве причин геологической цикличности обычно называют изменение гравитационного потенциала Галактики на разном удалении от ее центра, вариации скорости движения Солнца по орбите, пересечение Солнцем спиральных галактических рукавов, а также его колебания перпендикулярно галактической плоскости. Однако физические механизмы влияния Галактики на конкретные природные процессы нашей планеты в этих гипотезах остаются сугубо гипотетическими и проблематичными.

Автором показано [1], что сложившееся положение вызвано слабой разработанностью ряда принципиальных вопросов астрономического характера. В частности, отсутствием адекватной физической модели Галактики, а также удовлетворительной модели ее спирального строения. В последние годы к этим трудностям добавились нерешенные проблемы темной материи и темной энергии, что еще более осложнило ситуацию.

Более 25 лет автор занимается данным кругом вопросов в связи с изучением влияния физических процессов в Галактике на геологическое развитие Земли. Результаты этих исследований положены в основу новой естественнонаучной концепции – «галактоцентрической парадигмы» [1]. Новая парадигма призвана согласовать астрономическую и геологическую области знаний в рамках более общей системы представлений. Ее отличительной особенностью является учет влияния на Землю и другие планеты Солнечной системы важного астрофизического явления – струйного истечения газопылевого вещества из центра спиральных звездных систем.

Данное явление, долго ускользавшее от внимания исследователей, позволяет однозначно связать основные геологические события в истории Земли с воздействиями Галактики в моменты попадания Солнечной системы в струйные потоки и спиральные галактические рукава. Тем самым появляется возможность изучения вопросов строения и физики Галактики методами геологии, как и решения назревших геологических проблем по данным астрономии и космических исследований в Солнечной системе.

Настоящий обзор знакомит с основными положениями галактоцентрической парадигмы и некоторыми результатами ее применения в «космическом естествознании». В виду большого объема материала, многие вопросы излагаются конспективно и часто без ссылок на публикации, примыкающие к тематике обзора. Ограниченность объема обзора также не позволяет остановиться на решении проблем космогонии [1], являющихся неотъемлемой частью развиваемых представлений.

2. Галактики эллиптические и спиральные

В
основе современного подразделения галактик на эллиптические и спиральные (рис. 1) лежат конфигурации этих систем на оптических фотографиях.

Рис.1. Морфологическая классификация галактик по Э.Хабблу [17]. По внешнему виду Хаббл подразделил все галактики на два основных класса: эллиптических (тип Е) и спиральных (типы S и SB), объединив их в виде «вилки». Дж. Джинс [18] дал эволюционную трактовку этой диаграммы, предположив, что со временем галактики перемещаются от E к S (горизонтальная стрелка). Сдвоенными вертикальными стрелками показаны возможные преобразования спиральных галактик в модели [1].

Последующие исследования, однако, показали, что при фотографировании галактик с различными фильтрами и разной длительностью экспозиции конструкции этих систем могут существенно меняться. У ряда спиральных галактик происходит смещение положений отдельных спиральных рукавов. И даже начинают наблюдаться ранее неизвестные спиральные ветви [19]. Наиболее разительно меняются привычные очертания галактик при переходе от наблюдений в оптике к радиодиапазону [20]. В этом случае 10% галактик с так называемым активным ядром, многие из которых относятся к типу Е, обнаруживаются радиоизлучающие джеты, которые отстоят от галактики на большие расстояния и могут удаляться от нее с субсветовыми скоростями [21].

Природа джетов долгое время оставалась проблематичной [21, 22]. Недавно автором показано [23], что джеты представляют собой систему генерируемых галактикой электромагнитных спиралей. В них космическая плазма ускоряется продольным электрическим полем спиралей до релятивистских энергий. Систем таких спиралей разного размера, вложенных друг в друга, у галактик может наблюдаться несколько [24].

Две разные системы ветвей, одна с логарифмическим, а другая – с архимедовым типом закрученности спиралей имеются и у обычных спиральных галактик (табл. 1).

Таблица 1.

Характеристики галактических ветвей по С.Данверу [25] и Караченцевым [26]



Характерная особенность

Данвер (1942)

Караченцевы (1967)
Исследовавшаяся выборка:
Число галактик
Число ветвей

98

190


121


237
Тип закрученности спиральных ветвей

логарифмический

архимедов
Математическая формула

R() = R(0) exp()

R() = R(0) + 
Различие в параметрах закрученности разных ветвей одной галактики

может быть

значительным



отсутствует
Различие в параметрах закрученности ветвей по всей выборке галактик

большое,

0.06    0.73



в пределах ошибок

методики,  



Разность длин ветвей одной галактики

67.2

27.5

Средняя длина ветвей

300

250

Существование у галактик архимедовых ветвей астрономами, однако, отрицается [19] под предлогом ошибочности работы [26]. Автором доказано, что причина расхождений результатов Данвера и Караченцевых обусловлена не ошибками измерений, а одновременным существованием у спиральных галактик двух систем ветвей разной природы [1, 27]. В силу специфики применявшихся методик С. Данвер выявил и изучал параметры ветвей одной спиральной системы, а Караченцевы – другой.

Тем самым, спиральность галактик является гораздо более сложным и комплексным астрофизическим явлением, чем сегодня упрощенно полагают [22, 28].
3. Астрономические доказательства струйного истечения

Струйное истечение как астрофизическое явление, присущее спиральным звездным системам, было теоретически обосновано Дж. Джинсом в 1929 году [29]. Как астрономический феномен оно было фактически открыто в нашей Галактике Я. Каптейном [30] на четверть века раньше. Однако задолго до того, в 1812 году, на некоторые его катастрофические для Земли геологические следствия обратил внимание Ж. Кювье [31].

Астрономически данное явление проявляется в наличии у спиральных галактик системы архимедовых ветвей. Согласно нашей интерпретации наблюдений В. Бааде [32] в галактике М 31 (рис. 2), эти ветви берут начало из отдельных «точек» ее быстро вращающегося газопылевого ядерного диска. Вещество архимедовых ветвей участвует лишь в радиальном истечении из диска с неизменной скоростью VS = 300 км/с. Тогда как сам диск вращается с постоянной угловой скоростью о = 1.2610-7 лет [27].

Э
то обстоятельство позволяет рассматривать архимедовы ветви, характеризующиеся параметром закрученности  = VS/о = 2.5 кпк/рад, как предсказанные Дж. Джинсом струйные потоки вещества, истекающие из центра спиральных галактик.

Рис. 2. Интерпретация спиральной структуры галактики М 31 на графике в полярных координатах [27]: точки S  правое крыло галактики, а точки N – левое крыло. Штриховой линией показан радиус ядерного диска галактики. I-IV – номера установленных нами архимедовых ветвей. Справа дано описание состава населения ветвей, принадлежащее В. Бааде[32].

В своем основании струйные потоки представлены темной газопылевой материей. Она по мере удаления от центра осветляется, и в ней происходят процессы газоконденсации и звездообразования. Эти процессы достигают максимума на удалении 510 кпк от центра. Здесь потоки газопылевого вещества пересекают два спиральных логарифмических рукава, выявленных в М31 Х.Арпом (рис. 3).

Р
ис. 3. Система логарифмических ветвей М 31 по Х.Арпу [33]. Заштрихованы области свечения газа, которые Арп использовал для выявления спиральной структуры М 31

В
етвление архимедовых спиралей Бааде и логарифмических спиралей Арпа начинается в областях М 31, отвечающих разным максимумам тангенциальной скорости на кривой дифференциального вращения галактики (рис. 4).


Рис. 4. Кривая вращения М 31 [19]. Максимум слева вызван вращением ядерного диска; второй максимум, отвечающий началу ветвления логарифмических спиралей, а также глубокий минимум между максимумами обусловлен функцией распределением гравитационного потенциала галактики [1].

Логарифмические рукава вращаются вокруг центра галактики с более низкой угловой скоростью, чем у ядерного диска. Благодаря существующему в них электромагнитному полю, эти рукава частично захватывают и увлекают за собой ионизированную компоненту струйных потоков, накапливая в себе газопылевое вещество.

Места пересечения струйных потоков и логарифмических рукавов являются в галактиках областями наиболее интенсивного звездообразования. В процессе дифференциального вращения галактики эти области перемещаются по спиральным ветвям, определяя величину и знак градиентов возрастов молодых звезд. Рождающиеся звезды, однако, ведут себя по-разному. Одни образуются из газа и пыли рукавов, остаются в галактике, и, подобно нашему Солнцу, со временем приобретают самостоятельные круговые орбиты. Другие возникают из вещества струйных потоков и наследуют их скорость VS. Эволюционируя и теряя яркость по экспоненциальному закону (рис. 5), эти звезды за время 30 млн. лет навсегда покидают видимые пределы галактики.

Р
ис. 5. Число ассоциаций молодых ОВ звезд в отдельных кольцевых зонах в плоскости М 31 [34]. Далее 12-15 кпк от центра численность ОВ звезд уменьшается с расстоянием по вероятностному закону. Все эти ОВ- ассоциации принадлежат струйным потокам Бааде (см. рис.2). Параметр L соответствует их радиальному движению со скоростью VS = 300 км/с [27].

Изложенные представления, реализующие идеи Дж. Джинса [29] и В. Бааде [32], положены в основу разработанной динамической модели спирального строения галактик [1]. Модель позволяет рассчитать продольный и поперечный градиенты возрастов молодых звезд в архимедовых и логарифмических ветвях, вычислить длину этих ветвей, а также объяснить ряд других наблюдаемых у спиральных галактик особенностей.

Некоторые результаты вычислений для галактики М31 приведены на рис. 6 [27]




Рис. 6. Расчетные значения градиентов молодых звезд (g), а также угловой () и радиальной (V) скоростей перемещения волны звездообразования в спиральных ветвях Арпа и Бааде как функция расстояния до центра М 31: 1, 2  продольные градиенты возрастов звезд, соответственно, в спиралях Арпа и Бааде; 3, 4  угловые скорости перемещения волны звездообразования в спиралях Арпа и Бааде; 5  радиальная скорость движения волны звездообразования в спиралях Бааде и Арпа.

Расстояние от центра галактик R* = /, отвечающее равенству радиусов кривизны архимедовых и логарифмических ветвей, является выделенным. На данном расстоянии скорость перемещения точки звездообразования в ветвях обоих типов стремиться к бесконечности, что приводит к нулевым градиентам возрастов молодых звезд.

В волновой теории строения спиральных галактик [22, 28, 35] величину R* называют «радиусом коротации», а сам эффект объясняют совпадением скоростей вращения вещества галактического диска и бегущей по нему спиральной волны плотности. Такое объяснение, однако, спорно. Во-первых, у одной галактики может быть несколько радиусов R*, количество которых определяется числом ее логарифмических ветвей с индивидуальными параметрами . И, во-вторых, наиболее интенсивное звездообразование идет не по всему краю логарифмических спиральных рукавов, а только на тех их участках, где они пересекается струйными потоками.

На примере М 31 и нашей звездной системы показано [1], что построенная модель объясняет все наблюдаемые эффекты, доступные интерпретации с позиций теории волн плотности [36], причем позволяет сделать это с большей полнотой и количественной точностью, не требуя введения каких-либо дополнительных предположений.

4. Модель изотермической сферы

Из звездной динамики известно, что если дать возможность большой совокупности звезд под действием взаимного гравитационного притяжения принять устойчивую конфигурацию, они образуют сферу, состоящую из внутреннего изотермического ядра и внешнего более протяженного гало [37]. В границах изотермического ядра (кроме его центральной зоны) гравитационный потенциал системы U(R) постоянен и движение звезд по скоростям и направлениям носит максвелловский характер.

Далеко за пределами изотермического ядра системы – во внешнем гало, у звезд начинает преобладать радиальная компонента скорости, и наиболее быстрые из них покидают систему. Во внутренней области системы, где численность звезд достигает максимума, они могут испытывать частые взаимные сближения и разрушаться [38].

В самом центре изотермического ядра – в точке сингулярности, U(R)  const, что может способствовать накоплению здесь газопылевого вещества распавшихся звезд и формированию из него молодых звезд или даже черной дыры.

В переходной области между изотермическим ядром и гало распределение гравитационного потенциала звездной системы может быть представлено разложением в асимптотический ряд

, где сk – постоянные коэффициенты. (1)

Вследствие разрушения звезд в центре системы и утечки звезд из гало, изотермическая сфера галактик физически неустойчива. Со временем общее количество звезд в системе уменьшается, а ее изотермическое ядро сжимается, приводя к коллапсу системы. В ходе эволюции звездных скоплений квазиравновесное состояние их изотермической сферы сохраняется, а темп утечки звезд не меняется [39].

Такая модель, получившая название модели звездной изотермической сферы, широко используется в астрономии при описании строения и свойств шаровых звездных скоплений [37, 39]. Однако для объяснения природы галактик эта модель, до открытия явления струйного истечения, не находила применения. Смущало три обстоятельства.

Во-первых, наблюдаемое распределение ярких звезд в эллиптических и особенно в спиральных галактиках не сферично. Во-вторых, вследствие интенсивного разрушения звезд в ядре, здесь может возникнуть «черная дыра», которая резко сократит время коллапса. И, наконец, третья причина связана с тем, что системы с массой галактик достигают равновесия за время, превышающее общепринятый возраст Вселенной.

Явление струйного истечения позволяет выйти из этого трудного положения.

5. Новый взгляд на природу галактик

Наши исследования показывают [40], что учет выноса вещества разрушенных звезд из центра звездной системы струйными потоками делает физическую модель изотермической сферы вполне применимой и к объяснению спиральных галактик.

Только вот сами спиральные галактики оказываются иными. Это не плоские диски из звезд с большим или меньшим утолщением в центре, по которым бегут спиральные волны плотности [22]. А огромные квазисферические звездные системы, пребывающие в стадии повторного звездообразования. Состоят они главным образом из старых давно проэволюционировавших звезд, очень слабо проявляющих себя в излучении. Размер спиральных галактик не ограничивается их центральной зоной, в которой сосредоточены молодые яркие звезды, а простирается в десятки раз дальше этого расстояния.

Мало чем отличаются от них и галактики эллиптические. Поэтому все галактики (рис. 1) не зависимо от типа являются звездными формированиями одной природы. Это испытывающие эволюцию сферические системы, которые пребывают в состоянии динамического равновесия и различаются морфологией области интенсивного образования звезд. У эллиптических галактик звездообразование происходит в центре, у спиральных галактик в основном – в их ветвях.

По представлениям Дж. Джинса [18], эволюция галактик сопровождается их перемещением вдоль хаббловской последовательности типов в направлении от E к S вплоть до полного расформирования системы – стадия «неправильных» галактик [19]. Согласно нашим выводам [40], эти изменения, обусловлены уменьшением числа и общей массы звезд в изотермической сфере системы.

П
о мере перехода от эллиптических типов к спиральным масса галактик убывает, а угловой момент вращения растет (рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма Х.Арпа [41]

На определенном этапе эволюции галактик (стадия S0) в их центре возникает газопылевой ядерный диск, и система из «эллиптической» трансформируется в «спиральную». Подразделение спиральных галактик на S- и SB-типы в нашей модели обусловлено наличием у них двух разных систем ветвей, образующих самостоятельные плоскости. Одна – архимедова, представлена истекающим из ядерного диска веществом, а вторая – логарифмическая, повторяющая конфигурацию галактического электромагнитного поля. Системы с малым углом между плоскостями относят к «нормальным» S-спиралям, а с большим – классифицируют как «пересеченные» SB-спирали.

На основе данных геологии автором изучалась скорость эволюции Галактики для последних 3.6 млрд. лет ее развития. Измерения показали, что все это время распределение звезд в Галактике оставалось равновесным, а темп их разрушения в галактическом ядре был постоянен и равен 8.8 масс Солнца в год [40]. Последний вывод хорошо согласуется с результатами современных астрономических наблюдений [42].

Эти данные позволяют заключить, что с момента образования Солнца (4.7 млрд. лет назад) в ядре Галактики переработана в пыль и газ масса звезд 41010 МО, что привело к уменьшению центральной массы нашей звездной системы на 15% отн.

Главный наш вывод состоит в том, что строение и эволюцию галактик определяют пять основных физических процессов: 1) «перемешивание» траекторий звезд в совокупном гравитационном поле (релаксация), 2) изотермическое сжатие центральной области (коллапс), 3) разрушение звезд в ядре с накоплением их продуктов распада в центральном диске (поглощение), 4) удаление газопылевого вещества из центра системы струйными потоками и 5) возникновение из газа и пыли при их распространении в галактической плоскости новых поколений звезд (звездообразование).

Соотношение характерных времен этих процессов в Галактике таково, что разрушение звезд и последующий вынос газа и пыли струйными потоками, с одной стороны, предохраняет систему от быстрого коллапса, а с другой – компенсируется другими звездами системы, которые стягиваются к ее ядру. Одновременно молодые звезды, рождающиеся в галактической плоскости, переходят в ядро и окружающий его балдж.

В спиральных галактиках это приводит к возрастной стратификации молодых звезд относительно галактической плоскости и придает распределению более старых звезд форму эллипсоида вращения. У наиболее старых звезд распределение становится полностью сферически симметричным без всякого намека на галактическую плоскость.

Тем самым, мы приходим к принципиальному заключению, что центры галактик являются своеобразным «молохом», перемалывающим звезды в газ и пыль. Причем не только перемалывающим, но и созидающим вместо них новые поколения звезд. Выбрасывая их вместе с газопылевой материей в межгалактическое пространство, галактики тем самым «омолаживают» Вселенную, поддерживая в ней постоянный круговорот вещества.

Данный вывод, а также другие свойства галактик [19, 22, 41, 43], по мнению автора, гораздо лучше укладываются в представления, согласно которым галактики – это спонтанно образующиеся и распадающиеся сгущения звезд и газа, неравномерно заполняющих доступную нашему изучению область Вселенной.

6. Спиральная модель Галактики

Из-за неполноты наблюдательной астрономической информации и низкой ее точности вопрос о спиральном строении нашей звездной системы у астрономов пока еще очень далек от своего разрешения [43, 44, 45].

Построенная нами с привлечением данных геологии спиральная модель Галактики [46], отвечающая изложенным представлениям, приведена на рис. 8. В отличие от М31 наша Галактика имеет четыре логарифмические ветви и лишь два струйных потока.

Потоки выходят из диаметральных точек ядерного газопылевого диска Галактики, который наклонен на угол 22 [43] к плоскости логарифмических рукавов и испытывает прецессию с периодом 40-50 млн. лет, близким вращению диска [1]. Логарифмические рукава, как и в М 31 (см. рис. 3), начинаются из кольцевой зоны на удалении 4-х кпк от центра, определяющей радиус изотермического ядра системы.





Рис. 8. Спиральная конструкция Галактики. Римские цифры – номера логарифмических рукавов (сплошные линии), арабские цифры – номера струйных потоков (пунктирные линии). Г.ц. – галактический центр. Стрелки указывают направление движения.

В
силу современного положения Солнца в Галактике, из двух ее струйных потоков реально наблюдается только один, отождествляемый с ветвью Ориона-Лебедя (рис. 9).

Рис. 9. Местная система звезд Галактики [36] с нанесенными на нее с рис. 8 положениями логарифмических ветвей (сплошные линии) и струйного потока (пунктир). Звездочка в кружке – положение Солнца.

Эту ветвь, на внутренний край которой проецируется Солнце, сегодня ошибочно считают ответвлением рукава Киля-Стрельца [22, 43, 45]. По составу звезд, углу закрученности спирали и наклону к галактической плоскости она заметно отличается [22, 43] от рукавов Киля-Стрельца и Персея.

Солнце не принадлежит струйному потоку Ориона-Лебедя, а движется в Галактике по самостоятельной, медленно эволюционирующей орбите [46].

Одним из центральных вопросов, решавшихся автором при построении данной модели, явился выбор расстояния Солнца от центра Галактики. На протяжении последних 50 лет это расстояние в астрономии неоднократно пересматривалось. Так, если в 1950-ых годах наиболее достоверным считалось значение R0 = 7.2 кпк, то к 1980-ым оно возросло до 10.01.0 кпк [22]. Но затем наступил период снижения этой величины, и сегодня оно вернулось к значению 7.1 кпк [45] пятидесятилетней давности.

Полагая на основании работы [26] (см. табл. 1), что степень закрученности архимедовых ветвей у спиральных галактик одинакова, параметр  струйных потоков Галактики был принят таким же, как в М 31. Это приводит к величине R0 = 10 кпк [46].



7. Орбита Солнца в Галактике

Первое исследование движения Солнца в Галактике принадлежит П.П. Паренаго [16]. В результате своих расчетов Паренаго нашел, что орбита Солнца близка круговой, а его сидерический, аномалистический и драконический периоды движения составляют 212, 176 и 85 млн. лет, соответственно. Более поздние исследования [8, 12, 47] привели к иным значениям параметров солнечной орбиты. Расчеты показали, что решение данной задачи сильно зависит от использованной модели гравитационного потенциала Галактики и принятого значения R0 солнечной орбиты.

В отличие от работ других авторов, наши расчеты выполнены для модели Галактики в виде звездной изотермической сферы. Функция распределения гравитационного потенциала задавалась формулой (1), коэффициенты которой определялись при оптимизации вычисленной орбиты Солнца по астрономическим и геологическим данным.

Астрономическим тестом служило соответствие [48] рассчитанных взаимных движений Солнца, звезд струйного потока Ориона-Лебедя и ветвей Персея и Киля-Стрель-ца (см. рис. 9) координатам 1 и 2 вертексов Я. Каптейна [49]. Геологическим тестом, на первом этапе, являлось согласие времен попадания Солнца в струйные потоки Галактики [50, 51] с границами стратонов геохронологических шкал фанерозоя [52] и венда [53], а на втором этапе – совпадение времен попадания Солнца также в спиральные галактические рукава [54] с эпохами массового вымирания на Земле живых существ [55].

Согласно построенной модели, Солнце возникло в одном из четырех рукавов Галактики на удалении 8 кпк от галактического центра. После конденсации оно обрело почти круговую орбиту, лежащую в галактической плоскости, в которой движется и сегодня. В результате многократных взаимодействий Солнца с другими звездами Галактики его орбита к настоящему времени приобрела и заметный эксцентриситет.

В результате оптимизации найдено [1], что современная солнечная орбита имеет форму эллипса с большой полуосью 10.17 кпк и эксцентриситетом 0.36, медленно поворачивающимся в направлении движения Солнца с угловой скоростью 3.0410-9 лет-1. Сидерический и аномалистический периоды Солнца составляют 223 млн. лет и 250 млн. лет. Одновременно Солнце совершает небольшие колебания поперек галактической плоскости. Эти колебания характеризуются драконическим периодом 40-50 млн. лет, близким к периоду вращения ядерного диска, и имеют амплитуду 50 пк.

В настоящий момент времени Солнце движется со скоростью 253.5 км/с и ускорением +3.2 км/с в млн. лет к перигалактической точке орбиты.

Вследствие эволюции Галактики период движения Солнца и средний радиус его орбиты со временем растут, а его средняя орбитальная скорость падает. Темп этих изменений составлял: = 3.03107 пк/год и = 7.47104 см/с в год [1]. Так что в прошлом радиус орбиты и период движения Солнца в Галактике были меньше, чем сегодня.



8. Связь галактического движения Солнца с геологией

В процессе орбитального движения Солнце квазипериодически в течение 1-4 млн. лет пересекает струйные потоки и спиральные галактические рукава. И всякий раз в такие эпохи Солнечная система подвергается воздействию присутствующих в них объектов, в первую очередь, звезд и комет. Все без исключения такие события отмечены в истории Земли как эпохи глобальных геологических, климатических, биотических и иных катастроф, выступающих естественными границами геохронологической шкалы.

В табл. 2 и на рис.10 расчетные времена попадания Солнечной системы в струйные потоки и спиральные рукава Галактики [54] сопоставлены с эпохами массового вымирания (МВ) на Земле живых существ по данным Дж. Сепкоски [55].

Таблица 2.



Времена эпох вымирания организмов по наблюдениям и данным расчета



Стратиграфическое положение эпохи массового вымирания

Уровень вымирания

Геологический возраст границ веков по шкале [56], млн. лет.

Расчетное время, млн. лет

1

Плиоцен




5.3 – 1.8

3

2

Олигоцен – миоцен




23.8

22

3

Ср.эоцен – приабонский век




37.0

43

4

Маастрихт – даний

ВМВ

65.00.1

67

5

Сеноман – турон




93.50.2

90

6

Баррем – апт




121.01.4

116

7

Киммеридж – титон




150.73.0

147

8

Плинсбах – тоар




189.64.1

183

9

Норий – рэт

ВМВ

209.64.1

213

10

Анизин – ладин




234.34.6

234

11

Татарский – грисбахский века

ВМВ

248.24.8

253

12

Сакмарский-артинский века




269

272

13

Степанская эпоха




303 – 290

293

14

Серпухов – башкир




323

317

15

Турне – визе

(ВМВ)

342

340

16

Фран – фамен

(ВМВ)

364

366

17

Лудловская эпоха




423 – 419

397

18

Ашгилл – лландовер

ВМВ

443

433

19

Лланвирн – лландейло




464

463

20

Тремадок – арениг




485

484

21

Дресбахский век




505 – 495

503

22

Ботомский век




524 – 518

522

23

Томмотский век




534 – 530

543

24

Начало фанерозоя (шкалы до 1993г)




57015

567

Примечание: через черточку приводятся значения начала и конца одного века или эпохи, если событие массового вымирания (МВ) охватило большую часть или весь этот интервал. ВМВ – великие массовые вымирания. В скобках указаны события, признаваемые «великими» лишь отдельными исследователями. Для данных в последней колонке предполагается, что Солнце входит в струйный поток на 2 млн. раньше и выходит из него на 2 млн. лет позже расчетного значения.

Р
ис. 10. Сопоставление кривой смертности семейств морских животных в фанерозое по подсчетам Дж. Сепкоски (а) с положением Солнца на орбите и его удалением от центра Галактики и четырех спиральных рукавов (б): I-IY – номера спиральных ветвей Галактики (рис. 8). Ширина галактических ветвей (заштрихованы) условно принята 1 кпк. На кривой, отражающей положение Солнца на орбите, точки с цифрами – моменты попадания Солнца в струйные потоки (табл. 2), квадраты – моменты его одновременного пребывания в струйных потоках и спиральных рукавах.

Таким образом, между эпохами биотических кризисов и бомбардировками галактическими кометами существуют четкая причинно-следственная связь. Времена кометных падений также тесно коррелируют с эпохами повышенной тектонической активности Земли, так называемыми фазами Штилле [57]. Последние, как правило, отстают от эпох вымирания организмов на несколько млн. лет [58].

Смертность организмов и активность тектонических процессов резко возрастают в моменты пребывания Солнца в областях газоконденсации и звездообразования галактических рукавов. В истории Земли почти все они выделены как эпохи «великих массовых вымираний». Геологи с ними связывают границы периодов геохронологической шкалы фанерозоя. Тогда как обычные моменты попадания Солнца в струйные потоки отражены в этой шкале границами ее более мелких подразделений – отделов.

Вследствие неравномерного движения Солнца по орбите, интервал времени между эпохами земных катастроф подвержен модуляции с периодом, равным длительности аномалистического «галактического года» (рис.11). Этот график хорошо объясняет результаты многочисленных эмпирических работ по цикличности биосферных кризисов и эпох образования месторождений отдельных полезных ископаемых [3-5, 59-61].



Рис. 11. Промежутки времени между последовательными попаданиями Солнца в струйные потоки Галактики для последних 700 млн. лет. Цифры – номера стратонов в табл. 2. Внизу показано общепринятое подразделение этого временного интервала на геохронологические периоды и эры: кайнозойскую kz, мезозойскую mz и протерозойскую pz; I-IV – один из возможных вариантов объединения периодов в мегациклы.

Вычисленная орбита Солнца позволяет найти значения коэффициентов в формуле (1) для сферически симметричного гравитационного потенциала Галактики:

, где R0 = 10 кпк. (2)

Первый, зависящий от R член разложения, определяет движение Солнца по эллиптической орбите, а второй – медленный поворот линии апсид эллипса в направлении перемещения Солнца. Членами разложения более высокого порядка можно пренебречь.

Модель изотермической сферы звезд с распределением гравитационного потенциала (2) устраняет проблему «темной материи». Она естественным образом объясняет выполаживание кривой вращения спиральных галактик за пределами их изотермического ядра (см. рис. 4), а также крайне слабое изменение радиальной скорости движения струйных потоков, требуемое архимедовым типом их закрученности (см. рис. 2).

9. Геохронологическая шкала

Основой современной геохронологической шкалы является шкала стратиграфическая. Первая такая шкала, как отражение естественных этапов геологической истории Земли, была утверждена на VIII сессии Международного геологического конгресса в 1900 г. В 1960-е годы границы стратоны этой шкалы получили датировку изотопными методами измерения возраста пород, что дало толчок к разработке достаточно полной и точной шкалы геохронологической [62]. Тогда же стало окончательно ясно, что многие геологические процессы циклически повторяются на Земле с периодами 106109 лет.

Согласно галактоцентрической парадигме вся совокупность таких циклов отражает не только внутреннее эндогенное развитие Земли. Она служит также индикатором ряда мощных космических событий, которые квазипериодически повторяются в Солнечной системе и оказывают сильное влияние на природные процессы нашей планеты.

На протяжении геологической истории Земли механизм этого влияния оставался неизменным и по существу сводился к бомбардировке нашей планеты крупными космическими телами: астероидами и кометами. Поэтому современная геохронологическая шкала, построенная в виде иерархической системы вложенных друг в друга циклов разной длительности, может рассматриваться как эмпирическая информация о повторяющихся космических воздействий близкой природы. Они ранжированы по трем признакам: 1) по величине сообщаемой Земле энергии, 2) по преобладавшему типу падавших тел и 3) по одиночному или массовому характеру их падений [54, 63].

Соответствие рубежей геохронологической шкалы основным космическим событиям отражено в табл. 3. Там же указаны периоды повторяемости этих событий и их энергетическое влияние на Землю [40, 54].

Таблица 3.

Хронологическая шкала космических событий


Космическое событие (физическая причина)

Подразделение шкалы

Время (t) или период (T) повтора событий

Энергетическое воздействие, Дж.

Пролеты Солнца сквозь массивные звездные облака, массовые выпадения на Землю астероидов.

Эон

t = 3.6, 2.6, 1.65, 1.05 млрд. лет

10311032

10281029



Бомбардировки Солнечной системы галактическими кометами:










«Сильные»

Эра

T = 250 млн. лет

1029

«Средние»

Период

T  4080 млн. лет

10271028

«Слабые»

Эпоха

T = 1937 млн. лет

10261027

Столкновения Земли с крупными одиночными астероидными телами:










диаметром более 3.5 км

Век

T  2.9 млн. лет

10221023

диаметром менее 3.5 км

Зона, раздел,

T 0.011.0 млн. лет

1022

10. Пролеты Солнца сквозь звездные облака

Считается, что сближения Солнца с другими звездами Галактики, способными изменить его орбиту, весьма маловероятны. Поэтому с момента образования Солнечной системы такие события практически исключаются из рассмотрения [22].

Г
еологические данные, однако, свидетельствуют (рис. 12), что с начала архея было как минимум 4 глобальных катастрофических события 3.6, 2.6, 1.65 и 1.05 млрд. лет назад. Их можно трактовать как результат пролета Солнца сквозь массивные звездные облака [40, 50]. В результате взаимодействий со звездами Солнце «скачком» меняло параметры галактической орбиты, в первую очередь, ее эксцентриситет и фазу.
Рис. 12. График мегациклов. По оси ординат отложены номера крупнейших тектономагматических событий в истории Земли, если их отсчитывать от настоящего времени в прошлое. На оси абсцисс показано время событий с указанием возможной ошибки датирования геохронологическими методами. Цифры в кружках – моменты (млрд. лет) взаимодействий Солнца с другими звездами Галактики. Римскими цифрами обозначены эры: I – фанерозой, II – неопротерозой, III – мезопротерозой, IV – палеопротерозой, V – архей.

В истории Земли эти события выделены как эпохи резкой активизации тектономагматических, геохимических и биотических процессов (рис. 13). С ними связывают границы эонов, наиболее крупных подразделений геохронологической шкалы.

Возможны два основных механизма воздействия звезд на планеты. Первый обусловлен резким изменением направления движения Солнца в Галактике. Вследствие этого Земля, как целое, могла получать импульс энергии 10311032 Дж. Величина данного импульса сопоставима с количеством энергии, выделившейся за всю историю планеты в процессах радиоактивного распада (1.2-1.5)1031 Дж, дифференциации вещества (1.5-2.0)1031 Дж и приливного трения от воздействия Луны 2.81031 Дж [64].

Э
та энергия в основном расходуется на изменение орбиты движения Земли вокруг Солнца, но какая-то часть ее рассеивается в теле планеты, превращаясь в тепло. В первую очередь она выделяется в зоне внешнего расплавленного ядра Земли, где преобразуется в конвективное движение жидкого вещества земного ядра. Поэтому даже 10-4 части полученного импульса достаточно, чтобы обеспечить требуемую для генерации магнитного поля Земли энергию (1018 Дж/год [65]) на протяжении миллиардов лет.

Рис. 13. Сопоставление времен важнейших событий в истории Земли по геологическим данным.

а) Международная стратиграфическая шкала докембрия [66], дополненная шкалой фанерозоя;

б) Моменты наиболее мощных галактических воздействий, обусловленных взаимодействиями Солнечной системы со звездами (пятиугольники) и самыми сильными бомбардировками Земли галактическими кометами (кружки) – см. рис. 12.

в) Мегациклы процессов рудообразования (без штриховки) и тектономагматической активности (заштриховано) по данным [67];

г) Изменения изотопного состава углерода карбонатных пород [68];

д) Доля органического вещества в составе углерода осадочных пород [69], рассчитанная на основании данных [68];

е) Важнейшие этапы эволюции живых организмов [70] – правая штриховка, и главные эпохи развития углеродсодержащих формаций в докембрии [71] – левая штриховка.

Второй механизм заключается в бомбардировке Земли крупными астероидными телами. В моменты «скачков» Солнца астероиды в больших количествах поступают из астероидного пояса в межпланетное пространство, откуда за время 107108 лет вычерпываются планетами [72]. Наиболее обильные падения астероидов на Землю отмечались вслед за эпохами 3.6 и 2.6, в меньшем количестве 1.65 и еще меньше 1.05 млрд. лет назад. На указанные периоды времени приходятся основные циклы формирования на Земле месторождений железистых кварцитов [73]. Судя по запасам этих руд, на нашу планету тогда выпадало 1023 г астероидного вещества преимущественно железо-кремниевого состава. На Земле этот космический материал полностью рассеивался и перемешивался с земным веществом, приводя к невиданным по своим масштабам процессам выветривания и рудообразования [74].

Вместе с астероидами на нашу планету должна была поступать энергия 10281029 Дж. Этой энергии, вероятно, было достаточно, чтобы в эпохи активного отложения железистых кварцитов поддерживать температуры поверхности Земли на уровне одной  двух сотен градусов Цельсия [75]. Активизации процессов выветривания также способствовало выделение в атмосферу больших количеств кислорода, продукта термического разложения пород земной коры при их импактном испарении [76].

11. Бомбардировки галактическими кометами

В промежутках между редкими взаимодействиями со звездами наиболее мощным источником воздействий являлись массовые падения на Землю галактических комет.

Галактические кометы – это открытый автором [77] новый класс крупных космических тел, интенсивно бомбардирующих Солнечную систему в периоды ее пребывания в струйных потоках и спиральных рукавах Галактики. В настоящее время эти кометы совершенно не доступны обнаружению с Земли средствами астрономии. Поэтому все, что сегодня о них известно, получено на основе изучения следствий их выпадения на нашу и другие планеты Солнечной системы [1].

Фактические данные свидетельствуют, что падения галактических комет носят характер кометных ливней. В фанерозое они циклически повторялись с интервалом в 1937 млн. лет (см. рис.11). За время одной бомбардировки длительностью 1-5 млн. лет на Землю могло выпадать 104107 таких тел. Наиболее интенсивны падения комет на участке перигалактия солнечной орбиты, что приводило к почти строгому повторению сильных бомбардировок с периодом аномалистического галактического года – границы эр. Бомбардировки средней силы отвечали моментам пересечения Солнцем областей звездообразования галактических рукавов – границы периодов. Остальные бомбардировки были слабее, они нашли отражение как границы эпох фанерозойской шкалы [46].

Последствия падений галактических комет на небесные тела с атмосферой и без атмосферы не одинаковы [1]. На Меркурии, Луне, а также Марсе, имеющем очень разреженную газовую оболочку, в месте удара кометы возникает кратер диаметром 10200 км. Эти кратеры резко отличаются от кратеров, вызванных падениями астероидов и комет Солнечной системы, примерно в 100 раз большей численностью, меньшим отношением глубины к диаметру и экспоненциальным распределением по размерам (
рис.14).

Рис. 14. Интегральное распределение кратеров на Луне, Марсе и Земле. Распределения кратеров на Луне и Марсе построены по данным [78], а на Земле по данным [79].

Д
ругим важным отличием кратеров, созданных галактическими кометами, является их асимметричное расположение относительно экватора планет. Эта особенность наиболее ярко выражено у Марса (рис.15).

Рис. 15. Морфология поверхности Марса по данным [80]. Сплошь покрытое кратерами южное (континентальное) полушарие приподнято на 2-4 км и отделено от слабо кратерированного северного (морского) полушария резкой тектонической границей, получающейся как след сечения сферической поверхности Марса плоскостью, наклоненной к оси вращения планеты под углом 45 [81].

Крупные импактные кратеры Земли имеют исключительно астероидное происхождение. Распределение их по диаметрам носит обратно квадратичный характер, а их общее число в 10-100 раз меньше, чем кратеров такого же размера на Луне, Меркурии и Марсе. В атмосфере Земли галактические кометы полностью разрушаются и достигают поверхности планеты в виде гиперзвуковой ударной волны, которая не создает кратера [82]. Почти вся огромная кинетическая энергия кометы, как мы полагаем [58], передается астеносфере и в последующем выделяется в мощных тектонических процессах.

Тектонические следствия падений комет на континенты и в океаны различаются [58]. При падении комет на «толстую» континентальную плиту происходит разогрев и плавление больших объемов вещества астеносферы под плитой, что вызывает поднятие поверхности в месте удара на 1-4 км. По-видимому, именно такие структуры с возрастом поднятия 15 млн. лет обнаружены на разных континентах земного шара [83].

Особенно широко процессы поднятия происходят тогда, когда максимум кометных падений приходится на полярные области Земли [58]. Эти времена отмечены как периоды появления суперконтинентов и крупнейших материковых оледенений (рис.16).



Рис. 16. Сопоставление плотности падений на Землю галактических комет (а) с эмпирически установленными границами циклов Бертрана [57] и периодами существования [84] суперконтинентов Пангея и Паннотия (б), а также границей широтного распространения ледниковых покровов (в). Цифры у линий изоденс (рис. а) – проценты максимальной интенсивности; узкие горизонтальные полосы – эпохи кометных бомбардировок, вне полос расчеты физического смысла не имеют. Сплошные линии (рис. в) – фактические данные[85], пунктирные линии – расчет [86]. С и Ю – оледенения, вызванные падениями комет на Северный и Южный полюсы планеты.

В случае падения кометы в океан, где толщина литосферы мала, в месте удара в астеносфере на глубине 10-100 км от поверхности образуется длительно существующий геодинамический очаг. Из него происходит интенсивное излияние лав, приводящее к росту подводной горы. В процессе раздвижения океанического дна эти горы – действующие вулканы, могут достигать высоты 5-6 км (рис. 17).

Р
ис. 17. Распределение высот подводных гор на дне Атлантического океана разного возраста по данным [87]: 1 – плейстоцен-олигоцен (0-33 млн. лет), 2 – эоцен (55 млн. лет), 3 – поздний мел (100 млн. лет).

Количество подводных гор на Земле – порядка нескольких сотен тысяч, а занятая ими площадь 610% всей поверхности дна океана [88]. Эти данные хорошо согласуются с большой численностью кратеров на Марсе и Луне, а также малых вулканов на Венере [89] – аналогов подводных гор Земли. Энергетические оценки показывают [90], что создание таких гор вполне по силам даже мелкой галактической комете.

На основании всей совокупности имеющихся данных найдено, что ядра галактических комет, по-видимому, характеризуются размерами 1002500м, массой 10121017 г и энергией 10201025 Дж, а плотность их вещества составляет 1.0 г/см3.



с. 1 с. 2 ... с. 4 с. 5

скачать файл

Смотрите также: