Солнечная система и Земля сформировались около 5 млрд лет назад, когда Вселенной уже исполнилось 9 млрд лет. Вопрос о возрасте Солнечной системы и нашей планеты сопровождался не меньшим количеством открытий и дебатов, чем споры о возрасте Вселенной. Известно, что взгляд ученых на возраст Земли вступает в конфликт с религиозной доктриной, однако одна из самых известных и продолжительных дискуссий произошла не между учеными и богословами, а в научной среде.
В XIX в. уже упоминавшийся в главе 1 британский физик Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, подсчитал, что некогда расплавленная Земля, остывая под воздействием холодной среды (космоса, атмосферы, океана и т. п.), должна была достичь современной температуры примерно за 20 млн лет. Из этого Кельвин сделал вывод, что Земля моложе, чем принято было считать в его время. Заодно он пересчитал возраст Солнца. Кельвин был убежден, что Солнце вырабатывает тепло только благодаря коллапсированию, вызванному гравитационным сжатием (о реакции ядерного горения водорода тогда не знали). Учитывая размер Солнца и его светимость, ученый ограничил возраст нашей звезды теми же 20 млн лет. Это намного больше 6000 лет, что высчитал, основываясь на Библии, Джеймс Ашшер, но геологи и эволюционные биологи не верили Кельвину и продолжали считать, что Земля должна быть еще старше.
Ученые‑геологи, включая и Чарльза Дарвина, вычислили, что для образования осадочных слоев в горах и каньонах потребовались бы как минимум сотни миллионов лет, особенно учитывая низкую скорость отложения осадочных пород реками и наводнениями. Биологи также полагали, что Земле не меньше нескольких сотен миллионов лет: при черепашьей скорости биологических мутаций биологическое разнообразие и богатая палеонтологическая летопись планеты не могли быть созданы за меньшее время. Но лорд Кельвин с высоты своего научного авторитета не счел эти доказательства убедительными. Споры между физиками и геологами, иногда ожесточенные, продолжались десятилетиями. В конце концов выяснилось, что все были не правы.
Точку в спорах о возрасте Земли поставило открытие ядерного распада радиоактивных элементов. Радиоактивность была открыта в конце XIX в. Анри Беккерелем и Мари и Пьером Кюри. Их исследования, удостоенные Нобелевской премии, показали, что атомы некоторых элементов, например урана, нестабильны и могут, испуская частицы из ядра, спонтанно трансформироваться в другие элементы. А поскольку множество радиоактивных элементов обнаруживается в скальных породах, ученые предположили, что внутренний слой Земли должен быть в высокой степени радиоактивен. Тепла, выделяемого излучаемой энергией частиц во время радиоактивного распада, могло быть достаточно, чтобы поддерживать Землю достаточно горячей (до ее сегодняшней температуры), даже если некогда расплавленная планета остыла миллиарды лет назад. Этот аргумент, впервые высказанный британским физиком Эрнестом Резерфордом, однако, не выдерживает критики, потому что Земля, похоже, имеет намного меньшую концентрацию радиоактивных элементов, чем думали раньше. Более того, если принять кельвиновскую модель статичной Земли, радиоактивность можно было вообще не брать в расчет. Британские ученые Джон Перри и Осмонд Фишер предположили, что теплообмен внутри Земли, при котором горячие массы поднимаются вверх, а холодные опускаются (этот процесс называется конвекцией), делает теорию Кельвина несостоятельной. Потеря тепла Землей могла продолжаться миллиарды лет благодаря подъему на поверхность более горячих масс от центра планеты. Открытие в 1920–1930‑х гг. термоядерных реакций привело к осознанию, что Солнце вырабатывает энергию не из‑за постоянного гравитационного сжатия, а из‑за реакции горения водорода (мы затрагивали эту тему в главе 2), и это горение может длиться миллиарды лет.
Окончательная точка в полемике была поставлена лишь к середине XX в., когда возраст Земли был весьма точно подсчитан благодаря методу радиоизотопного (радиометрического) датирования скальных пород и метеоритов. Он основан на том, что, распадаясь, радиоактивные элементы превращаются из элементов с материнскими ядрами (например, уран) в элементы с дочерними ядрами (например, свинец). Относительное количество материнских и дочерних атомов в отдельно взятом образце может быть использовано для определения его геологического возраста: чем больше дочерних атомов по сравнению с материнскими, тем образец старше. Подсчет соотношения материнских и дочерних атомов, а также определение скорости распада, так называемый период полураспада, помогают вычислять возраст достаточно точно. Согласно этому методу возраст Земли и Солнечной системы был единодушно определен на отметке 4,6 млрд лет, и хотя столь старых скальных пород на Земле не существует, они находятся в метеоритах, большинство из которых являются кусками камней, падавших на нашу планету из пояса астероидов.
Наша Солнечная система сформировалась около 5 млрд лет назад в результате коллапса гигантского газопылевого облака. Он был вызван ударной волной от вспышки сверхновой звезды. Доказательством могут служить крошечные алмазы, вкрапленные в метеориты вместе с тяжелыми изотопами железа, которые могли сформироваться только во время вспышки сверхновой. Обычно размер коллапсирующего пылевого облака, из которого формируется звезда размером с наше Солнце, – 1–3 световых года в диаметре, что многократно превышает размер Солнечной системы. Чтобы образовались звезды большей массы, облако должно достигать десятков световых лет в диаметре. Но и эти гигантские размеры ничто по сравнению с протяженностью Галактики – примерно 100 000 световых лет.
Лишь небольшая часть пылевого облака – облачное ядро – в итоге становится планетарной системой. После коллапса, приведшего к образованию Солнечной системы, бóльшая часть массы ядра облака сместилась в центр, где образовалось Солнце (этот процесс описывался в предыдущей главе). Лишь ничтожно малая часть массы, порядка 0,1 % от массы Солнца, досталась планетам Солнечной системы.
Все основные планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца в пределах почти плоского диска, который называется эклиптикой. Считается, что Солнечная система приняла дискообразную форму благодаря медленному вращению и постепенному сжатию космического облака, из которого она образовалась. По мере сжатия скорость вращения облака возрастала – так, фигурист, выполняющий «винт», ускоряется, прижимая к груди распростертые руки. Облако вращалось все быстрее и быстрее, но одновременно росла и центробежная сила, «разносящая» материю к краям экватора, перпендикулярно оси вращения. Однако центробежная сила не действует вдоль оси вращения. Поэтому облако продолжало сокращаться вдоль оси, но сохраняло свою форму перпендикулярно ей, постепенно образуя диск. Из остатков вещества, которые сохранились в плоскости диска и продолжали обращаться вокруг Солнца, сформировались планеты Солнечной системы.
Однако, как ни привлекательна гипотеза о пыльном космическом облаке, «сплющенном» в диск благодаря вращению, она приводит к серьезным парадоксам. Если бы такое облако действительно вело себя, как фигурист, выполняющий «винт», то Солнечная система сегодня вращалась бы намного быстрее и под воздействием центробежной силы не сжалась бы до нынешнего, весьма небольшого, размера. Даже если бы изначально облако вращалось очень медленно, сжатие должно было охватить огромные расстояния, и потому наше облако уже нельзя сравнить с обычным фигуристом, который в «винте» подтягивает ничем не занятые руки к корпусу, – скорее это фигурист, у которого на руках повисли стопудовые гири, а сами руки при этом раскинуты на многие километры.
Отдаленные туманности, похожие на облако, из которого родилась Солнечная система, вращаются крайне медленно. Энергия вращения, особенно кинетическая, обычно составляет несколько процентов от общей энергии облака и по природе своей является преимущественно гравитационной – полученной в результате сжатия облака, разогревающей газ и запускающей термоядерные реакции водорода и формирование звезд. Если бы гигантское облако сжалось до размеров Солнечной системы, даже такая небольшая энергия вращения заставила бы Солнце вращаться намного быстрее, чем мы наблюдаем сейчас. Сама Солнечная система вращалась бы гораздо быстрее, чем позволяют нынешние орбиты наших планет. Тем не менее центробежная сила не позволила бы Солнечной системе сжаться до ее нынешнего размера, и Юпитер, расположенный в пять раз дальше от Солнца, чем Земля, оказался бы за пределами орбиты Нептуна, который отстоит от Солнца в 30 раз дальше, чем Земля. Каким‑то образом Солнечная система в процессе сжатия потеряла энергию вращательного движения или, что не совсем то же самое, «момент импульса». Это подводит нас к парадоксу момента импульса в физике Солнечной системы, парадокса, который до сих пор не объяснен. Его объясняют разными влияниями – от магнитных полей до турбулентности, «отнимающей» момент импульса Солнца и выталкивающей его из Солнечной системы, но ни одна из догадок не утвердилась в качестве основной. В любом случае Солнечная система смогла (непонятно каким образом) решить проблему с моментом импульса, и протосолнечное облако сжалось в хорошенький диск размером с Солнечную систему, что в итоге позволило Юпитеру двигаться по его текущей орбите. Это первоначальное сжатие было очень быстрым (в геологической шкале времени) – вероятно, около 100 000 лет.
Пора рассказать, что такое момент импульса. Понимание этого явления так или иначе пригодится нам далее. Импульс – это физическая величина, являющаяся мерой механического движения тела и способная передавать это движение другим объектам соответственно его массе и скорости. Импульс равен произведению массы тела на его скорость. Автомобиль, который едет со скоростью 100 км/ч, имеет больший импульс, чем едущий с той же скоростью мотоцикл, и передаст больший импульс силы другому объекту при столкновении с ним. Так же рассчитывается момент импульса вращающегося тела (на месте или вокруг точки по орбите), только масса тела умножается на угловую скорость (обычно в оборотах в минуту) и затем на квадрат действительного размера системы. Под «действительным размером» я подразумеваю расстояние от оси вращения до места, где сосредоточена бóльшая часть массы тела. Колесо велосипеда, бóльшая часть массы которого сосредоточена в ободе, весящее 1 кг и совершающее 100 оборотов в минуту, будет иметь больший момент импульса, чем, например, тонкое веретено весом 1 кг, вращающееся с такой же скоростью. Разницу в движении, которое эти два тела передадут другим объектам, легко визуализировать – просто представьте, как вы останавливаете тот и другой объект рукой.
Поскольку бóльшая часть планетарной массы Солнечной системы досталась Юпитеру, а сам он находится весьма далеко от Солнца, момент импульса Солнечной системы должен быть на орбите Юпитера. Если бы на каком‑то этапе момент импульса протосолнечного облака не был утрачен, Солнце вращалось бы намного быстрее, момент импульса Юпитера был бы значительно больше и сама эта планета располагалась бы намного дальше от Солнца, чем сейчас.
Первоначально протосолнечный диск состоял из газа и примесей: водород, некоторое количество гелия, пыль, лед, элементы, созданные в гигантских звездах за несколько миллиардов лет… Все это вращалось вокруг центральной массы облака, которая вскоре должна была стать Солнцем. Это движение создавало эффект центробежной силы, препятствующей дальнейшему сжатию диска внутрь себя. Однако газ обращается вокруг центральной массы облака не так, как планеты обращаются вокруг Солнца.
Движение планеты по околосолнечной орбите – результат баланса между центростремительной силой притяжения Солнца и центробежным выталкиванием наружу в результате обращения планеты вокруг своей оси. Положение планеты на орбите определяется законами Кеплера. Протосолнечный диск ведет себя иначе: к центру он уплотняется, формирующееся Протосолнце разогревает газ, отчего давление здесь выше, чем в более холодных окраинных частях. Из‑за этой разницы давлений диск слабее притягивается к Протосолнцу, чем летящая в вакууме планета. Поэтому облако движется по орбите чуть медленнее, чем планета и все небесные тела, движущиеся по Кеплеровым орбитам. Что и говорить, звучит это весьма загадочно, но без этого нельзя понять еще одну загадку формирования нашей Солнечной системы.
Планеты Солнечной системы сформировались из мельчайших частиц в газопылевом диске в то же время, когда бóльшая часть массы диска смещалась к центру облака, чтобы сформировать Солнце. Потребовались бы десятки миллионов лет, чтобы Солнце поглотило всю массу диска, только после этого Солнце бы загорелось и в нем начались термоядерные реакции. А прямо перед началом термоядерных реакций Протосолнце сделало бы невозможным дальнейшее формирование планет (мы вкратце обсудим почему). Таким образом, планетам, особенно большим, следовало бы поторопиться сформироваться до того, как Солнце бы зажглось, – и это была не единственная их проблема.
Как только в облаке сформировался диск, твердые частицы пыли и льда стали присоединяться друг к другу посредством электростатических сил (таких, как статическое электричество и некоторые другие явления, например силы Ван‑дер‑Ваальса, которые я оставлю читателю для самостоятельного ознакомления), поскольку они еще были недостаточно массивными, чтобы притягиваться друг к другу силой гравитации. Турбулентные завихрения газа, вероятно, позволили частицам льда и пыли зависнуть поблизости друг от друга и вращаться достаточно долго, чтобы сцепиться. Весьма похоже на то, как образуются комки пыли (по крайней мере, у меня дома).
Но для создания даже маленькой планеты первые частички пыли, минеральные и ледяные, должны были расти, чтобы силой собственной гравитации притягивать больше массы и увеличиваться. Проще сказать это, чем сделать. Когда собирающиеся частички были очень малы (порядка микрона, примерно размером с бактерию), они свободно летали по газовому диску, двигаясь с газом и в то же время присоединяясь друг к другу электростатическими силами. Став достаточно большими, скажем, диаметром 1 см или больше того, частицы стали сильнее испытывать притяжение Протосолнца и слабее – силу выталкивания наружу давлением газа. В результате их вращение вокруг Протосолнца стало походить на то, как обращаются по орбитам планеты, уже точнее соблюдая траектории Кеплеровых орбит. Эти сформированные куски будут лететь по орбите быстрее, чем газ в диске, и поэтому встретят сопротивление газа – оно замедлит их движение и направит по спирали к центру облака.
Если этим кускам удается стать достаточно большими и достичь размера планетезимали (небесного тела размером с маленький астероид, скажем, от 10 м до 1 км), они могут двигаться сквозь газ, почти не испытывая встречного сопротивления и не скручиваясь по спирали к центру облака (или скручиваясь, но очень медленно), и уцелеть в противостоянии с газом (который будет вытеснен, о чем пойдет речь ниже). Достигнув километрового диаметра, эти тела, уже достаточно тяжелые, смогут притягивать еще больше массы и расти еще быстрее.
В то же время объекты среднего размера, от нескольких сантиметров до метра в диаметре, подвергнутся сильному встречному сопротивлению газа, которое заставит их быстро закручиваться по спирали и сгинуть в Протосолнце всего через 200 лет – мгновение по космическим меркам! Вдобавок эти куски будут недостаточно тяжелыми, чтобы притягивать друг друга, наоборот, они будут взаимно отталкиваться.
Образовавшиеся из крошечных пылинок планеты должны нарастить массу и вырасти с нескольких сантиметров до метра (а из‑за своего размера они не очень‑то хорошо схватывались друг с другом), чтобы не улететь по спирали прямо в Протосолнце. И дорасти до метрового размера планеты должны невероятно быстро – за несколько сотен лет, в противном случае они сгинут. Этот парадокс, называемый барьером одного метра, также пока не разрешен. Однако новые исследования показывают, что давление растущих комков пыли на газ заставляет их сбиваться в кластеры – сплотившись в кучи большей массы, они защищают друг друга от встречного сопротивления газа, прямо как велосипедисты на «Тур де Франс».
В то время как накапливались первые комочки пыли, коллапсирующая масса в центре облака нагревалась, становясь звездой. Еще до начала термоядерных реакций эта масса уже была достаточно горячей, чтобы нагреть внутреннюю часть газового диска. Комочки пыли, собравшиеся в более горячем внутреннем диске, представляли собой в основном минеральные соединения, в конечном счете из них образовались камни. Во внешних частях будущей Солнечной системы было достаточно прохладно, там могли скапливаться льды и жидкости, такие как вода, метан и аммоний. Граница между двумя этими областями называется снеговой линией, она проходит недалеко от орбиты Юпитера – между орбитами Марса и Юпитера.
Из‑за давления газа на мелкие частицы, о котором говорилось выше, крупицы и кусочки льда, стремящиеся по спирали к центру облака, испарились бы при пересечении снеговой линии, и высвобождение газа привело бы к появлению зон с относительно высоким давлением. Газ в диске за пределами зон высокого давления испытывал бы воздействие силы, направленной наружу, что способствовало бы дальнейшему ослаблению гравитации, заставляя газ двигаться по орбите Протосолнца еще медленнее. Это вызвало бы еще большее встречное сопротивление и давление на летящие быстрее твердые частички, что ускорило бы их движение по спирали в снеговую линию. Газ в пределах снеговой линии и зон высокого давления вызвал бы дополнительное давление, направленное внутрь, по направлению к Протосолнцу, что усилило бы гравитационное притяжение, заставляя газ вращаться быстрее, чем твердые частицы, уже не оказывая им сопротивления, а создавая «попутный ветер». Частицы могли подняться на более высокую орбиту и выйти по спирали в обратную сторону. По существу, частицы будут втягиваться в обладающую высоким давлением снеговую линию с обеих сторон, и она будет действовать как ловушка для крупиц льда. (Весьма неожиданный эффект, ведь жидкости обычно устремляются к зонам низкого давления, достаточно вспомнить обычный слив. Но взаимодействие газа и частиц во вращающемся диске гораздо сложнее, чем поток воды, стекающей из ванны.)
Скопление газа и льда в снеговой линии, возможно, создало благоприятную почву для формирования планеты‑гиганта – Юпитера. По массе – и орбитальной энергии или моменту импульса – это самый крупный планетный объект Солнечной системы. Если не принимать во внимание тот факт, что на Земле живем мы, то основная часть содержимого Солнечной системы, в терминах массы, энергии и момента импульса, приходится на счет Солнца и Юпитера. Но это лишь показывает, что размер не всегда имеет значение (по крайней мере, мы, земляне, так бы и сказали).
Как только Юпитер начал формироваться, это ускорило рост ближайших газовых гигантов, например Сатурна. В частности, гравитационное притяжение Юпитера ускоряло бы медленное вращение масс за пределами его орбиты, заставляя их уходить по спирали во внешнее пространство. Частицы пыли и льда, закручивающиеся по спирали по направлению к Юпитеру с еще более высоких орбит, слились бы с этим уходящим потоком, что привело бы к накоплению массы и образованию фидерной зоны для другой гигантской планеты, например Сатурна.
Первые протопланеты, формировавшиеся из частиц пыли, должны были поторапливаться и расти очень быстро. Словно мало было таких помех на пути их развития, как уменьшение момента импульса и преодоление барьера одного метра, – им еще приходилось постоянно соревноваться в скорости с Солнцем. Пока комочки пыли соединялись в большие куски, растущая протозвезда поглощала массу диска и была готова положить начало термоядерным реакциям и зажечься. Непосредственно перед тем как зажечься, протозвезда нагревала внутренние части Солнечной системы и выбрасывала газ, создавая сильный солнечный ветер. Он выдувал из облака остатки пыли и газа, которые не успели присоединиться к относительно массивным телам. Потеря газа и интенсивный солнечный ветер длились несколько десятков миллионов лет после начала коллапса протосолнечного облака в диск, это очень мало по геологическим и космологическим меркам. Это значит, что протопланетам, особенно гигантским планетам с их массивной газовой оболочкой, следовало очень поспешить и успеть сформироваться до того, как их элементы будут поглощены или унесены прочь. Вырастить из этих комочков пыли планетезималь, а потом и планету – задача чрезвычайно трудная, но у Солнечной системы это получилось, хотя ученые до сих пор не могут понять, как ей это удалось. И это еще одна из многих не дающих покоя загадок формирования Солнечной системы.
Каменные протопланеты, которым удалось уцелеть и сформироваться в более горячей внутренней части Солнечной системы, были сначала, вероятно, размером с крупные астероиды. Некоторые из этих небесных тел были достаточно большими, чтобы нагреваться и плавиться; бóльшая часть этого тепла происходила от столкновений, а остальная – от интенсивного нагрева от короткоживущих радиоактивных элементов, например нестабильных изотопов алюминия и калия. Если камень расплавляется и начинает снова застывать, концентрация железа в остаточной магме (расплавленной породе) становится невероятно высокой, поскольку железо легче растворяется в сплавах. Этот затвердевший сплав столь богат железом, что становится тяжелее окружающих его каменных пород, и проваливается к центру этих небесных тел (если, конечно, они достаточно велики, чтобы иметь значительную гравитацию), образуя железное ядро. Такие крупные астероиды, как Веста и Церера, также имеют железное ядро. (Метеориты, которые достигают Земли и содержат чистое железо – их вполне логично называют железными и железокаменными метеоритами, – предположительно, являются остатками тех ядер, которые были выброшены после разрушения астероида в столкновениях.) Многие из астероидов были слишком малы, чтобы это произошло, потому они остались нерасплавленными и примерно в том же составе, в каком изначально сформировались. Большинство таких метеоритов называются хондритами, и они, возможно, представляют собой строительные блоки Солнечной системы. Многие метеориты, достигающие Земли, также относятся к классу хондритов.
Эти ранние планетезимали быстро перемещались по Солнечной системе по различным эллиптическим и случайным орбитам, и лишь те, чьи орбиты были более‑менее круглыми, смогли выжить. Небесные тела, летящие по одной круговой орбите или близко к ней, двигались более медленно по отношению друг к другу, и потому их столкновения были «мягкими», они смогли соединиться, не разрушив друг друга. Спустя десятки миллионов лет эти небесные тела стали намного больше и уже не разрушались и не теряли свои части при столкновениях (из‑за возросшей собственной гравитации) с объектами астероидных размеров; и, таким образом, они стали еще больше, превращаясь в конце концов в планеты земной группы, которые существуют сейчас в Солнечной системе.
Сегодня в Солнечной системе насчитывают восемь планет и Плутон, который переживает кризис идентификации. Хотя Международный астрономический союз лишил в 2006 г. Плутон ранга планеты, открытия зонда НАСА «Новые горизонты» в 2015 г. позволили утвердить Плутон в звании карликовой планеты. Тем не менее во внутренней области Солнечной системы располагаются сухие каменистые планеты, а гигантские газовые и водные планеты – во внешней. Эти области разделяет линия, наличие которой лучше всего объясняется гипотезой снеговой линии. Однако Солнечная система не совсем обычна, даже планеты в ней не обязательно сформировались там, где они находятся сейчас. Самые впечатляющие примеры – это Уран и Нептун, расположенные далеко на окраине Солнечной системы (соответственно в 20 и 30 раз дальше от Солнца, чем Земля). Они должны были бы иметь доступ к большому количеству материала диска, поглощать его и таким образом становиться больше. По идее, эти планеты должны были быть намного больше, чем они есть сейчас. Принято считать, что они формировались, находясь гораздо ближе к Юпитеру и Сатурну (которые, в свою очередь, были ближе друг к другу), и потому были обделены строительным материалом, доставшимся их большим соседям. Сатурн, Уран и Нептун были выброшены на более дальние орбиты во многом из‑за того, что сильнейшее гравитационное притяжение Юпитера выбрасывает небесные тела с их орбит во внешние части Солнечной системы. Пожертвовав часть своего момента импульса для того, чтобы «выселить» соседние планеты, сам Юпитер мог переместиться ближе к центру. Смещение орбит этих огромных планет, вероятно, заставило большое количество объектов уходить по спирали с орбиты Юпитера во внутреннюю область Солнечной системы, что вызвало около 4 млрд лет назад так называемую позднюю тяжелую бомбардировку – планеты земной группы были подвержены массированным ударам астероидов. Теория, описывающая перемещение планет в Солнечной системе, называется «модель Ниццы», в честь научно‑исследовательской группы Университета Ниццы во Франции.
Во внутренней области Солнечной системы находятся небольшие каменистые планеты, в то время как астрономические наблюдения других планетных систем показывают, что в их внутренних областях небесные тела размером с Юпитер располагаются очень близко, почти «на орбите Меркурия», к звезде. Лучше всего это объясняется тем, что эти «горячие юпитеры» образовались во внешней области системы, а потом мигрировали к центру, как, вероятно, и планеты Солнечной системы.
Но из всех историй о формировании Солнечной системы и ее планет одну из самых больших загадок задает наша собственная планета. Как у Земли появилась эта странная Луна? Даже само существование естественного спутника такого большого размера очень странно, потому что Луна почти такая же большая, как многие из спутников Юпитера и Сатурна. Самый большой спутник Юпитера – Ганимед – лишь в два раза массивнее нашей Луны (ничто в космических масштабах). Для сравнения, масса Юпитера в 300 раз больше, чем масса Земли, а Сатурна – почти в 100 раз. Остается загадкой, как такая маленькая планета, как Земля, заполучила такой большой естественный спутник.
Наша необычно крупная Луна, возможно, оказала важное влияние на эволюцию жизни. Приливы и отливы океана, вызываемые притяжением Луны (лунные приливы), становятся причиной появления приливных заводей, где, как предполагал Дарвин и другие ученые, возникли благоприятные условия для развития жизни. Благодаря приливам также образуются литоральные зоны – участки берега, которые затопляются морской водой во время прилива и осушаются (ну, не совсем осушаются, а остаются влажными) во время отлива. Организмы, развивавшиеся в этой зоне, приспособились жить в двух средах, что в конечном счете стало причиной их переселения (или нашествия, в зависимости от вашей точки зрения) на сушу.
Этим странности Земли и Луны не ограничиваются. Радиус орбиты Луны равняется примерно 60 радиусам Земли, и сейчас Луна совершает оборот вокруг Земли примерно за месяц (на самом деле за 27 дней). Однако раньше орбита Луны была намного ближе к Земле. Из‑за того что Земля и Луна притягивались друг к другу посредством взаимных гравитационных сил, а Луна располагалась близко к Земле, наша планета вращалась вокруг своей оси быстрее, подобно тому как это происходит у вращающегося на льду фигуриста, когда он прижимает к себе руки. Действительно, ископаемые остатки кораллов, по которым можно определить суточные и сезонные циклы роста, а также пласты осадочных горных пород возрастом в сотни миллионов лет подтверждают, что дни раньше были значительно короче, чем сейчас. Если бы мы прилепили Луну к Земле, период обращения вокруг своей оси этой объединенной планеты составлял бы 4 часа. Скорость вращения вокруг своей оси объединенной системы Земля – Луна будет намного больше, чем у самой быстро вращающейся планеты Солнечной системы (легок на помине!) – Юпитера, период обращения которого равен 10 часам. Орбита Луны стала такой, какой мы ее наблюдаем сейчас, потому, что лунные приливы на поверхности быстро вращающейся Земли вызывают приливные выступы на поверхности нашей планеты, которые опережают вращение Луны. Гравитационное притяжение этих сил тянет Луну вперед, медленно «выбрасывая» (если вы, конечно, можете себе представить медленное выбрасывание) ее на более высокую орбиту. Из‑за приливного трения Луна удаляется и замедляет вращение Земли. Хотя Земля отдает свой момент импульса Луне, момент импульса системы Земля – Луна остается постоянным.
Еще об одной загадке Луны мы узнали благодаря искусственным спутникам и посадочным модулям, которые кое‑что рассказали нам о внутреннем строении Луны. Большинство небесных тел – планеты, спутники, крупные астероиды – имеют каменистый наружный слой, мантию, кору и довольно большое металлическое, по большей части железное, ядро (это объясняется теми же причинами, что и наличие ядер у планетезималей: нагрев и плавление отделяют каменистые части от металлических). Но ядро Луны очень маленькое, значит, железо составляет лишь небольшую часть ее массы, а остальное приходится на каменные породы. По сравнению со строением других небесных тел это выглядит весьма странно.
Почему же у Земли оказался такой большой и столь странный естественный спутник? Этот вопрос о формировании нашей планеты не давал покоя людям сотни лет. В 1960‑х, когда я был маленьким, нас учили, не предлагая никаких альтернативных теорий, что Луна откололась от Земли, оставив после себя бассейн Тихого океана. Это объяснение «из учебника», называющееся гипотезой центробежного разделения, позднее было развенчано: нельзя так просто взять и оторвать спутник от тела планеты. Вот и разберись.
Тем не менее огромная скорость вращения системы Земля – Луна и чрезмерная каменистость (и недостаток железа) Луны позволили высказать лучшую на сегодняшний день рабочую гипотезу. В начале формирования Солнечной системы, когда планеты уже были почти того же размера, как сейчас, а по орбитам беспорядочно летало много более мелких объектов, небесное тело размером с Марс – названное по некоторым причинам Тейей (возможно, по тем же причинам, по которым бомбам дают имена, прежде чем сбросить) – предположительно столкнулось с Протоземлей. К счастью, удар пришелся по касательной. В результате этого столкновения было выброшено много каменистых пород мантии Земли и каменистых пород задевшего нашу планету небесного тела. Ядро Тейи, потеряв большую часть своего импульса, погрузилось в расплавленную Протоземлю, которая аккумулировала в себе ядра обоих тел. Мелкие частицы каменистых пород мантий обеих планет были выпарены во время столкновения и затем образовали облако, вращающееся на орбите Земли. За несколько тысяч лет это облако сконденсировалось и его части объединились в Луну, которая тогда почти полностью состояла из каменных пород и практически не имела железного ядра. А так как столкновение произошло вскользь, оно заставило Протоземлю вращаться быстрее, и в конце концов Земля через приливы и отливы передала свое вращение, а точнее, свой момент импульса орбитальному движению Луны. Модель ударного формирования Луны, или сценарий гигантского столкновения, была впервые предложена в середине 1970‑х гг. планетологом Уильямом Хартманном, но лишь компьютерное моделирование, начатое в конце 1980‑х гг. и растянувшееся на два десятилетия, показало, что такое столкновение и все вытекающие из него последствия действительно были возможны.
Как бы то ни было, теория гигантского столкновения и компьютерное моделирование не позволяют разгадать все лунные тайны. К примеру, почему детальный химический состав Луны (в соотношениях концентраций изотопов кислорода) столь похож на земной? Если Тейя быстро переместилась из другой части Солнечной системы, почему химический состав Луны больше напоминает состав Земли? Тайна происхождения Луны еще не разгадана до конца.
Кроме восьми больших планет с их спутниками в Солнечной системе имеется значительное количество материала, который не был вовлечен в создание планет. Далеко за пределами орбит Нептуна и Плутона находится обволакивающее Солнечную систему огромное сферическое облако, заполненное мелкими ледяными телами. Эта область называется облаком Оорта (в честь астронома Яна Оорта) и расположена она примерно в 50 000 раз дальше от Солнца, чем Земля, и почти в 2000 раз дальше, чем Нептун. Расстояние от облака Оорта до Солнца составляет почти световой год. Облако Оорта служит источником долгопериодических комет, которые проходят через внутреннюю область Солнечной системы каждые 200 или более лет. Их огромные и медленные орбиты лежат во всех плоскостях, а не только в плоскости Солнечной системы. Предполагается, что они приходят из очень далеких областей из сферической оболочки, состоящей из ледяной материи. Ближе к Солнцу располагается пояс Койпера, который представляет собой еще одну группу малых тел, состоящих из ледяного кометного материала. Пояс Койпера находится в непосредственной близости от орбиты Нептуна, в 30–50 раз дальше от Солнца, чем Земля. В 2006 г. Плутон, считавшийся планетой, был переквалифицирован в объект пояса Койпера, тем более что было обнаружено еще несколько таких тел (как уже отмечалось, впоследствии Плутону вернули звание карликовой планеты). Пояс Койпера является главным источником короткопериодических комет с орбитальными периодами менее 200 лет, например кометы Галлея, которая возвращается в близкие к нам области каждые 76 лет. И облако Оорта, и пояс Койпера сохранили материал, который мог бы быть использован для появления газовых планет, планет‑океанов и ледяных спутников.
Наиболее заметное место скопления материала, из которого могли образоваться планеты земной группы, – это главный пояс астероидов, располагающийся между Марсом и Юпитером. Его составляет множество астероидов размером от камня и автомобиля до больших объектов неправильной формы, как Веста, диаметром примерно 500 км, и даже более крупных, хорошо сформированных сферических карликовых планет, подобных Церере, диаметром 950 км (оба этих объекта были предметом исследования недавней миссии НАСА Dawn ). В поясе астероидов достаточно материала для образования большой планеты земного типа, но из‑за Юпитера шансов на это образование нет: гравитационное притяжение этого гиганта разрушит любое тело с прирастающей массой, как только оно станет достаточно большим. Гравитационные силы Юпитера до сих пор оказывают влияние на пояс астероидов: проходя по одному и тому же месту своей орбиты, Юпитер может периодически сближаться с орбитами объектов пояса (так называемый орбитальный резонанс), выталкивая с них тела и открывая так называемые щели Кирквуда в поясе астероидов. Как предполагают, материал, выбрасываемый из щелей Кирквуда, образует большинство метеоритов, достигающих Земли.
Пояс астероидов и все метеориты, которые из него прилетают, – отличные примеры «кирпичиков», из которых построены планеты внутренней области Солнечной системы. Некоторые классы астероидов (и метеоритов), называемые хондритами, которые не были расплавлены и вообще избежали серьезных изменений, существенно повторяют изначальный химический состав Солнечной системы, сохранившийся в Солнце. Это нетронутые строительные блоки Земли. Состав хондритов играет важную роль в понимании того, как образовалась Земля и проходила эволюция внутренней структуры нашей планеты, состоящей из горных пород, а также океанов и атмосферы (мы обсудим это в следующей главе).
Наконец, во внутренней области Солнечной системы между Венерой и Марсом, в промежутке, где располагается и Земля, находится три семейства астероидов (пусть и не столь плотные, как Главный пояс астероидов), называемых Амуры, Аполлоны и Атоны. Астероиды последних двух семейств иногда пересекают орбиту Земли и периодически падают на нашу планету. Так, 65 млн лет назад один из таких астероидов – возможно, около 10 км в диаметре, размером с небольшой город, – упал на полуостров Юкатан, что вызвало вымирание динозавров. Столкновение с астероидом считается очень редким, но не невозможным событием. Хотя вероятность такого столкновения мала, потенциальные урон и жертвы могут быть столь велики, что шанс погибнуть при этом примерно таков же, как шанс погибнуть в авиакатастрофе. Поэтому подсчет и отслеживание астероидов, а также усилия по предотвращению их падения на Землю (скорее всего, путем медленного изменения их курса при условии, что объект удастся заблаговременно обнаружить) – серьезные задачи таких правительственных организаций, как НАСА. Хотя падение астероида имело бы катастрофические последствия для нас и многих других форм жизни на Земле, но по большому счету наша планета всего лишь занимается очисткой Солнечной системы от старого «строительного мусора».
