Помоги проекту - поделись книгой:
Солнечная система обладает еще одной особенностью, благоприятной для существования жизни на планете. В отличие от множества других планетных систем, наша образована вокруг одной звезды. С помощью мощных телескопов астрономы обнаружили, что примерно две трети видимых звезд являются двойными, т. е. такими системами, в которых две звезды «танцуют» вокруг друг друга и имеют общий гравитационный центр. Во время формирования таких звезд водород скапливался в двух отдельных точках пространства, образуя два гигантских газовых шара.
Если бы наше газово-пылевое облако закручивалось сильнее, имея больший момент импульса и, как следствие, большую массу в районе Юпитера, Солнечная система тоже сформировалась бы с двойной звездой. Солнце было бы меньше, а Юпитер, вместо того чтобы стать гигантской, насыщенной водородом планетой, вырос бы до размеров небольшой, богатой водородом звезды. Возможно, жизнь процветала бы между двумя звездами. Или вторая звезда послужила бы дополнительным источником энергии, необходимым для поддержания жизни. Однако гравитационная динамика в двухзвездной системе непредсказуема, и могло бы случиться так, что Земля, активно перемещаясь между двумя мощными источниками притяжения, оказалась бы непригодной для жизни планетой с вытянутой орбитой, неустойчивым вращением и бурными колебаниями климата.
Ныне же наши гигантские газовые планеты, с их скромными размерами и почти круговыми орбитами, ведут себя вполне прилично. Масса самой большой из них, Юпитера, в тысячу раз меньше Солнца. Этого достаточно, чтобы оказывать весомое воздействие на соседние планеты; благодаря сильному гравитационному полю Юпитера планетезимали в области пояса астероидов так и не срослись в единую планету. При этом массы Юпитера недостаточно для того, чтобы запустить в собственном ядре процесс ядерного синтеза – факт решающего различия между звездами и планетами. Дальняя, окруженная кольцами, планета Сатурн и еще более удаленные холодные Уран и Нептун обладают гораздо меньшими размерами.
Тем не менее все эти газовые планеты-гиганты оказались достаточно крупными, чтобы притянуть на свои орбиты мелкие осколочные небесные тела, образовав нечто вроде собственных маленьких солнечных систем внутри Солнечной системы. В результате вокруг всех четырех внешних планет образовалась свита чрезвычайно интересных спутников, включая сравнительно небольшие астероиды, удерживаемые на орбите воздействием гравитационного притяжения планет-гигантов.
Другие спутники, в том числе и сопоставимые по размерам с внутренними планетами и подверженные динамичным геологическим процессам, образовались не столько из остатков пыли и газа, сколько из осколков, появившихся в процессе формирования других планет. Наиболее активным небесным телом во всей Солнечной системе является спутник Юпитера Ио, чья орбита настолько близка к газовому гиганту, что полный его оборот вокруг Юпитера занимает всего 41 час. Мощные приливные силы постоянно воздействуют на этот спутник диаметром 3643 км, пробуждая примерно полдюжины вулканов, которые выбрасывают гигантские плюмы высотой в сотни километров – уникальное явление в Солнечной системе. Не меньший интерес представляют Европа и Ганимед, крупные спутники размером примерно с Меркурий, состоящие из воды и горных пород – примерно в равных пропорциях. Оба эти спутника разогреты изнутри под влиянием постоянно действующих приливных сил Юпитера. Почти всю их поверхность составляют покрытые льдом океаны, что зафиксировано исследователями НАСА в процессе поиска возможного существования жизни на других планетах.
Сатурн, следующий в ряду внешних планет, обладает более чем пятью дюжинами спутников, не говоря уже о знаменитых кольцах, большую часть которых составляют сверкающие куски льда. Большинство спутников Сатурна имеет сравнительно небольшие размеры и является либо захваченными астероидами, либо осколками самого Сатурна; однако крупнейший из его спутников – Титан – превышает размерами планету Меркурий и окутан толстым слоем атмосферы оранжевого цвета. Благодаря запущенному ЕКА (Европейское космическое агентство) посадочному модулю «Гюйгенс», который опустился на Титан 14 января 2005 г., мы получили с поверхности спутника снимки крупным планом. Разветвленная сеть рек и потоков питает холодные озера, состоящие из жидких углеводородов; в густой, красочной, турбулентной атмосфере содержится большое количество органических молекул. В общем, на Титане стоит поискать признаки жизни.
Самые удаленные газовые планеты-гиганты Уран и Нептун удерживают большое число не менее интересных спутников. На большинстве из них наблюдаются признаки водяного льда, органических молекул и явные динамические процессы. Атмосфера Тритона, крупного спутника Нептуна, богата азотом. Оба гиганта окружены сложно устроенными системами колец, хотя эти кольца состоят, очевидно, по большей части из комков темного углеродистого вещества, размерами примерно с автомобиль, совсем непохожего на блестящие ледяные кольца Сатурна.
Каменные миры
Ближе к нашей планете гравитационное поле сохраняет свое влияние. Большая часть водорода и гелия после того, как Солнце зажглось, была вытеснена в район внешних планет-гигантов, и на внутренние области Солнечной системы пришлась малая доля массы вещества, в основном состоящего из твердых горных пород, наблюдаемых в составе хондритов и ахондритов. Ближе всего к Солнцу сформировался Меркурий – самая маленькая и безводная из каменных планет. Неприветливый, выжженный мир этой самой внутренней из внутренних планет кажется пустым и безжизненным: миллиарды лет его изрезанная кратерами поверхность под лишенным атмосферы небом сохраняется в одном и том же виде. Если поспорить, на какой из планет Солнечной системы наверняка нет жизни, можно смело ставить на Меркурий.
Венера – следующая по порядку планета, близнец Земли по размеру, но в корне отличная от нее по пригодности для жизни – в основном из-за расположения ее орбиты, примерно на 50 млн километров ближе к Солнцу. В начале ее существования на ней, возможно, имелась вода, даже неглубокий океан, но под воздействием теплового излучения и солнечного ветра вода на Венере почти выкипела, лишив планету влаги. Углекислый газ, преобладающий в атмосфере Венеры, закупорил энергию солнечного излучения и таким образом обеспечил парниковый эффект. Ныне средняя температура на поверхности Венеры достигает почти 500 °C – достаточно, чтобы расплавить свинец.
Марс, ближайший сосед Земли и следующий за ней в ряду внутренних планет, гораздо меньше ее (всего одна десятая от массы Земли), но во многих отношениях похож на нашу планету. Как все твердотельные планеты, Марс имеет металлическое ядро и силикатную мантию. Подобно Земле, у него есть атмосфера и значительный запас воды. Относительно слабая гравитация не позволяет Марсу удерживать молекулы газа в верхних слоях атмосферы, так что за миллиарды лет он потерял большую часть воды и воздуха, но все же сохранил теплые и влажные пространства под поверхностью, где могла в какой-то мере поддерживаться жизнь. Неудивительно, что все планетные изыскания нацелены главным образом на эту красную планету.
Земля, «третий камень от Солнца»[2], находится посредине зоны жизни[3] Солнечной системы. Земля расположена довольно близко к Солнцу и нагрета настолько, что смогла вытолкнуть значительные объемы водорода и гелия во внешние области Солнечной системы, но при этом достаточно удалена от него и настолько охлаждена, что смогла удержать большую часть воды в жидком виде. Как и остальные планеты Солнечной системы, она возникла около 4,5 млрд лет назад, в основном за счет столкновения хондритов и их последующего группирования во все более и более крупные планетезимали – и так на протяжении нескольких миллионов лет.
Глубины времени
Все, что нам известно о том, как возникли Солнце, Земля и вся Солнечная система, укладывается в представление о колоссальном периоде – чуть больше 4,5 млрд лет. Мы, американцы, любим отмечать известные даты в истории человечества. Мы отмечаем даты знаменитых изобретений и открытий, например, испытание моторного летательного аппарата братьями Райт 17 декабря 1903 г. или первый полет человека на Луну 20 июля 1969 г. Мы чтим даты общенародных трагедий и испытаний, например, 7 декабря 1941 г. или 11 сентября 2001 г. Конечно же, не забываем дни рождения: 4 июля 1776 г. и, разумеется, 12 февраля 1809 г. (общий день рождения Чарльза Дарвина и Авраама Линкольна). Мы убеждены в достоверности этих памятных дат, поскольку они зафиксированы как в устной, так и в письменной традиции, связывающей нас с не столь отдаленным собственным прошлым.
У геологов тоже принято вести счет времени: около 12 500 лет назад кончилось последнее великое оледенение и люди начали заселять Северную Америку; 65 млн лет назад вымерли динозавры и многие другие существа; в самом начале кембрийского периода, 530 млн лет назад, внезапно появились разнообразные животные с твердым скелетом; более 4,5 млрд лет назад планета Земля начала обращаться вокруг Солнца. Но откуда мы знаем, что эти датировки достоверны? Не существует ни устных, ни письменных источников старше нескольких тысячелетий, где отмечались бы хронологические данные о развитии Земли.
Четыре с половиной миллиарда лет почти невозможно себе представить. Согласно Гиннессу, мировой рекорд долголетия принадлежит француженке, отметившей 122-й день рождения, так что человек не проживает и 4,5 млрд секунд (примерно 144 года). Вся зафиксированная история человечества насчитывает менее 4,5 млрд минут. И все же геологи утверждают, что Земля кружится вокруг Солнца более 4,5 млрд лет.
Такую седую древность нелегко вообразить, но я все же иногда пытаюсь это сделать в процессе длительных прогулок. Южнее Аннаполиса, штат Мэриленд, на 35 км тянутся внушительные, причудливые каменные утесы, окаймляющие с запада Чесапикский залив. Идя вдоль узкой песчаной полосы между сушей и морем, можно найти большое количество ископаемых остатков двустворчатых моллюсков, спиральных улиток, кораллов и морских ежей. Изредка, если очень-очень повезет, можно наткнуться на 15-сантиметровый зазубренный акулий зуб или вдруг покажется полутораметровый череп кита, имеющий обтекаемую форму. Эти драгоценные реликты повествуют о времени 15 млн лет назад, когда климат здесь был гораздо теплее и ближе к тропическому, как на острове Мауи, и сюда приплывали рожать величественные киты, а чудовищные 20-метровые акулы охотились на их беззащитных детенышей. Их окаменелые остатки встречаются в толще осадочных пород мощностью 300 м, в которой запечатлено более трех миллионов лет истории Земли. Слои песка и мергеля очень плавно погружаются к югу, так что прогулка по взморью подобна путешествию во времени. Каждый шаг в северном направлении постепенно открывает все более древние слои.
Чтобы представить себе масштаб истории Земли, вообразите прогулку в прошлое, с каждым шагом углубляясь на 100 лет назад, т. е. на три поколения в пересчете на человеческий возраст. Полтора километра такой прогулки уведут вас на 175 тыс. лет назад. Конечно, 25 км Чесапикских холмов – серьезный маршрут для дневной прогулки, зато он уведет вас в прошлое более чем на три миллиона лет. Но для более или менее значимой отметки в истории Земли придется совершать этот подвиг в течение многих недель. Двадцать дней по 25 км в день помножьте на количество шагов по сто лет каждый – и вы достигнете отметки 70 млн лет назад – период, предшествовавший гибели динозавров. Пять месяцев таких прогулок уведут вас на 530 млн лет назад, во времена кембрийского «взрыва» – почти одновременного появления несметного числа животных с твердым скелетом. Со скоростью, равной ста годам на каждый шаг, вам понадобится не менее трех лет, чтобы достичь времени зарождения жизни, и почти четыре года, чтобы прийти к истокам истории Земли.
Можем ли мы быть уверенными в этих цифрах? Исследователи собрали большое количество разнообразных данных, которые определенно указывают на невероятную древность Земли – на глубины времени. Самые наглядные свидетельства – геологические процессы, которые приводят к ежегодным отложениям осадков; сосчитав слои, можно сосчитать количество лет. Наиболее впечатляющим примером геологического календаря являются вары – сезонные микрослойки – тонкие перемежающиеся слои светлых и темных отложений, в которых представлены весенние осадки, грубозернистые, и зимние, мелкозернистые. Тщательно документированные пробы из ледниковых озер в Швеции представляют данные о 13 527 годах осадконакопления, когда ежегодно появлялся новый сдвоенный слой. Тонкослоистый сланец Грин-Ривер, который обнажается в крутых склонах великолепных каньонов Вайоминга, представляет собой непрерывный вертикальный разрез, в котором можно насчитать более миллиона годовых слойков. Точно так же скважины, пробуренные на глубину тысяч метров в ледниках Антарктиды и Гренландии, вскрывают отложения, которые образовывались в течение более 800 тыс. лет, год за годом, слой за слоем в результате выпадения снега. Все эти отложения располагаются поверх еще более древних горных пород.
Измерения более медленных геологических процессов позволяют еще глубже проникнуть в историю Земли. Для формирования массивных Гавайских островов потребовались нечастые, но регулярные вулканические извержения, в результате которых лавовые слои накладывались один на другой. Если судить по интенсивности современных извержений, это происходило в течение по меньшей мере десятков миллионов лет. Аппалачи и другие древние, пологие горные массивы приобрели свой современный вид за сотни миллионов лет постепенного выветривания, а едва ощутимые сдвиги тектонических плит, которые перемещают континенты и увеличивают океаны, происходят циклами в сотни миллионов лет каждый.
Не менее убедительные доказательства глубины времен представляют физика и астрономия. Постоянная и уже вычисленная скорость распада радиоактивных изотопов углерода, урана, калия, рубидия и других элементов является исключительно точным инструментом для установления возраста геологических процессов, и часы эти уводят в прошлое на миллиарды лет назад, к моменту формирования Солнечной системы. Если взять миллион атомов радиоактивного изотопа, половина из них распадется за срок, который называется периодом полураспада. Например, из миллиона атомов урана-238 с периодом полураспада 4,468 млрд лет к концу этого периода останется половина. Остальные атомы за это время распадутся, образовав до полумиллиона атомов других элементов, заканчивая устойчивыми атомами свинца-206. Еще через 4,468 млрд лет останется только четверть атомов урана. Так, с помощью радиометрического датирования был установлен возраст древнейших примитивных хондритов – 4,566 млрд лет.
А как насчет бесчисленных миллиардов лет до образования Солнечной системы? Астрофизические измерения перемещения отдаленных галактик указывают на то, что Вселенная гораздо старше 4,5 млрд лет. Все галактики удаляются от нас и друг от друга. Данные доплеровского (красного) смещения подтверждают, что чем дальше от нас расположены галактики, тем выше их скорость удаления. Если прокрутить обратно эту космическую ленту, то все сойдется в одной точке – 13,7 млрд лет назад. Это момент Большого взрыва. Свет от многих удаленных объектов идет к нам через космическое пространство более 13 млрд лет.
Эти данные доказаны со всей неопровержимостью. Любые заявления, что Земля не старше десяти тысяч лет, противоречат однозначным данным всех научных наблюдений. Единственная альтернатива состоит в том, что космос был создан десять тысяч лет назад сразу безмерно старым – именно к такому выводу пришел британский естествоиспытатель Филип Госсе в опубликованном в 1857 г. противоречивом трактате
Некоторым может показаться удобной эта креационистская уловка «сотворенной древности» мира, известная как протохронизм. Астрофизикам, которые выдвигают свидетельства того, что звезды и галактики находятся от нас на расстоянии миллиардов световых лет, протохронисты возражают, что Вселенная была создана с уже идущим к Земле от дальних звезд и галактик светом. Горные породы с древним соотношением радиоактивных и дочерних изотопов, утверждают они, были сразу созданы с исходным смешением урана, свинца, калия и аргона, а потому выглядят старше, чем они есть на самом деле. Если вы придерживаетесь таких взглядов, то можете пропустить главу 11, повествующую о возможных сценариях будущего Земли. Если нет, то попробуйте вообразить прошлое на несколько миллиардов лет назад, когда возникла наша планета.
Рождение Земли 4,5 млрд лет назад – это событие, которое бессчетные триллионы раз повторялось в истории Вселенной. Каждая звезда или планета возникает в разреженном, почти вакуумном пространстве из газа и космической пыли – мельчайших частиц материи, невидимых невооруженным глазом, но заметных на расстоянии в полгалактики как огромные облака, из которых рождаются звезды. Миллиарды лет назад гравитация послужила повитухой при рождении Солнечной системы – Солнце стало единственным гигантом среди карликовых планетных тел. Ядерные реакции воспламенили вещество Солнца, которое окружило теплом и светом свои планеты. И наша Земля сделала первые робкие шаги к тому, чтобы стать обитаемым миром.
Какими бы чуждыми ни казались нам эти эпохальные события, мы ежедневно на протяжении всей жизни ощущаем на себе те же космические явления, которые привели к образованию Земли. Наши тела и среда обитания состоят из тех же самых веществ и атомов, которые сформировали Землю. Нас крепко удерживает на планете та же самая сила гравитации, которая скомпоновала звезды и планеты из газа и пыли и выковала химические элементы внутри звезд. Когда игра идет по универсальным законам физики и химии, ничего нет нового под Солнцем.
Горные породы, звезды и сама жизнь преподносят нам одни и те же уроки. Чтобы понять Землю, вы должны отвлечься от весьма незначительного пространственно-временного масштаба человеческой жизни. Мы живем в единственном крошечном мире среди необозримых просторов космоса, вмещающего 100 млрд галактик, каждая из которых состоит из сотен миллиардов звезд. Точно так же, день за днем мы живем в космосе, возраст которого сотни миллиардов дней. Ни смысл, ни путь космоса вы не найдете даже в самом лучшем мгновении или месте, связанном с человеческим существованием. Масштабы космического пространства и времени непостижимо велики. Поскольку появление Вселенной неизбежно вследствие непреложных универсальных законов космоса, которые дают нам надежду познать Вселенную, используя научный метод, такой космос, несомненно, исполнен смысла.
Глава 2
Мощный удар
Основной принцип, которого я придерживаюсь в этой книге, заключается в том, что планеты развиваются: они меняются с течением времени. Более того, каждая ступень эволюции зависит от предыдущего ряда ступеней. Чаще всего изменения происходят постепенно, в течение миллионов, а то и миллиардов лет, шаг за шагом преобразуя планету, но могут произойти и мгновенные, резкие и необратимые события, которые изменят ее навсегда. Так и произошло с Землей. Наша планета образовалась сравнительно быстро из бесчисленных частиц и звездного мусора, по некоторым оценкам, на это понадобилось не больше миллиона лет. К концу этого процесса довольно близко от Протоземли располагались несколько дюжин планетезималей, сотни километров в диаметре каждая. На протяжении примерно сотен тысяч лет, пока Земля достигала своего нынешнего размера, последние стадии этого процесса сопровождались столкновениями невообразимой силы. Каждые несколько тысяч лет одна мини-планета за другой врезались в Землю и поглощались ею.
В эти беспокойные времена Земля представляла собой горячую, почерневшую сферу, покрытую красными, раскаленными трещинами, фонтанами вулканической магмы и следами беспрерывных падений метеоритов. Каждый из таких гигантских налетчиков врезался в сферу, дробя в пыль камни, выбрасывая их на орбиту и превращая поверхность планеты в расплавленную, огненно-красную жижу. Однако в космосе царит холод, и лишенная атмосферы поверхность Земли после каждого такого метеоритного удара очень быстро охлаждалась и снова чернела.
Странная Луна
История формирования Земли выглядит довольно гладко, за исключением одной поразительной детали: Луны. Ее нельзя было не заметить, и на протяжении последних двух столетий постепенно становилось очевидным, что ее свойства невероятно трудно объяснить. Спутники поменьше понятны. Фобос и Деймос, два неправильной формы каменных массива размером с город на орбите Марса, по-видимому, являются притянутыми гравитацией астероидами. Дюжины спутников вокруг Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, хотя и покрупнее, все же выглядят крохотными по сравнению с планетами-хозяевами – их масса в тысячи раз меньше массы планет, вокруг которых они обращаются. Крупнейшие из них образованы из невостребованных остатков пыли и газа в процессе формирования планет Солнечной системы и обращаются вокруг газовых гигантов, словно планеты в миниатюрных планетных системах. В отличие от них, Луна сопоставима по размерам с Землей, вокруг которой она движется: ее диаметр составляет более четверти земного, а масса всего в 80 раз меньше массы Земли. Как же возникла такая аномалия?
Историческая наука, особенно история Земли и планет, основана на вдохновенном повествовании (возможно, отчасти соответствующем фактам). Если существует сразу несколько историй, основанных на наблюдениях, геологи применяют осторожную формулу, известную как «многовариантная рабочая гипотеза» – эта стратегия знакома всем любителям детективных романов.
Еще до знаменитой посадки «Аполлона» на Луну, начиная с 1969 г., когда был открыт состав древних горных пород Луны[5] и стало возможным геофизическое исследование ее внутренних областей, в деле увесистой Луны фигурировали три главных подозреваемых. Первой, получившей широкую поддержку, гипотезой стала идея разделения, выдвинутая в 1878 г. Джорджем Говардом Дарвином (гораздо менее известным, чем его знаменитый отец Чарльз Дарвин). Согласно модели Джорджа Дарвина, расплавленная Земля первоначально вращалась вокруг своей оси с такой скоростью, что она вытягивалась и удлинялась до тех пор, пока с ее поверхности не сорвался сгусток магмы и стал вращаться по собственной орбите вокруг материнской планеты (при этом гравитационная сила Солнца почти не оказала на него воздействия). По данной теории Луна – это росток, отпочковавшийся от Земли. В одном из вариантов этого драматичного вымысла предполагается, что впадина Тихого океана – это шрам, полученный при родах спутника.
С этой моделью соперничала другая, основанная на теории захвата, согласно которой Луна представляла собой независимую планетезималь, возникшую в окрестностях Земли в процессе формирования Солнечной системы. В какой-то момент два небесных тела проходили так близко друг от друга, что более массивная Земля захватила Луну, сместила ее с независимой орбиты и постепенно привязала к себе. Такое проявление гравитационной энергии успешно притянуло каменистые спутники Марса – почему бы не предположить нечто подобное в отношении Земли?
В третьей гипотезе, основанной на теории совместного формирования, была выдвинута идея о том, что Луна сформировалась примерно в ее нынешнем положении на орбите из большой тучи обломков, оставшихся не востребованными на орбите Земли. Идея выглядит вполне правдоподобно, воспроизводя сценарий образования планет вокруг Солнца или спутников вокруг газовых планет-гигантов. Такие процессы регулярно повторялись в Солнечной системе: небольшие объекты образовывались из туч пыли, газа и камней вокруг более крупных небесных тел.
Целых три гипотезы – которая из них верна? Пытливым умам пришлось дожидаться данных анализа лунного грунта – более четырех центнеров образцов с шести посадочных площадок «Аполлонов».
Посадка на Луну
Полеты на Луну по программе «Аполлон» значительно обогатили науку о планетах. Они, безусловно, стали образцом американской доблести и продемонстрировали технологическую мощь страны. И, конечно же, они оказались колоссальным подспорьем военно-промышленному комплексу. Кроме того, они послужили толчком для множества открытий и изобретений, от мини-компьютеров до полимеров и напитка Tang, обеспечив такой рост экономики, который в разы окупил 20 млрд долларов, потраченных на полеты «Аполлонов». Неудивительно, что эти опасные и дорогостоящие экспедиции стимулировались в основном не интересами научного изучения Луны, а национальной гордостью и борьбой за первенство. Тем не менее трудно переоценить вклад полетов «Аполлонов» с их бесценной добычей лунных пород в развитие геологии и геофизики. На протяжении всей истории человечества Луна находилась совсем близко от Земли – на расстоянии менее 400 тыс. км. Когда при ясном закате в небе начинает краснеть полная Луна, кажется, протяни руку – и ты дотронешься до нее. Но образцов грунта у нас не было, и невозможно было судить, из чего состоит Луна, когда и где она образовалась. Благодаря первой партии образцов лунных пород мы впервые в истории в буквальном смысле слова прикоснулись к Луне (сегодня любой посетитель Смитсоновского музея может сделать то же самое).
Я в буквальном смысле слова впервые вдохнул запах лунных образцов зимой 1969–1970 гг., когда учился на старших курсах в MIT (Массачусетском технологическом институте), примерно через полгода после исторического полета «Аполлона-11». Образцы были получены 24 июля 1969 г., когда люди впервые ступили на поверхность Луны и вернулись обратно на Землю. В ту начальную эпоху освоения Луны из-за опасения занести инопланетные микроорганизмы космонавты и образцы лунных пород были подвергнуты строжайшему карантину. Вскоре после того, как их модуль опустился в Тихом океане вблизи Гавайев, Нил Армстронг, Базз Олдрин и Майк Коллинз с бесценным грузом, состоявшим из 21 кг лунных горных пород и грунта, поднялись на борт американского военного корабля Hornet и вместе со всей коллекцией были размещены в герметичной передвижной карантинной установке НАСА. С Гавайских островов их доставили в Хьюстон в специально созданную Лунную приемную лабораторию, где космонавты и их бесценные образцы содержались почти три недели на тот случай, если они действительно подхватили на Луне какое-нибудь опасное заболевание.
В течение последующих трех лет полеты по программе «Аполлон» совершались один за другим. Лунный модуль «Аполлона-12» под названием Intrepid («Неустрашимый») с космонавтами Чарльзом Конрадом-младшим и Аланом Бином опустился на Луну 19 ноября 1969 г. и неделю спустя вернулся на Землю с 32 кг образцов горных пород и грунта; космонавты вместе с грузом были помещены в Хьюстонскую карантинную установку. По счастливой случайности, мой научный руководитель, умнейший и энергичнейший Дэвид Воунз стал членом научно-исследовательской группы по предварительному изучению лунных образцов с «Аполлона-12». Этот небольшой коллектив ученых получил уникальную возможность тщательно исследовать вторую партию лунных образцов с помощью самых передовых технологий. Специальностью Дейва была петрология магматических пород – изучение происхождения горных пород, образовавшихся из магмы. Все образцы, доставленные «Аполлоном-11» и «Аполлоном-12», оказались вулканического происхождения, так что Дейв пребывал на седьмом геологическом небе.
В некоторых отношениях работа оказалась отнюдь не легкой: они, по существу, находились в заключении, и над ними довлела необходимость получить достоверные данные о едва ли не самых дорогостоящих и значимых образцах, когда-либо собранных. С другой стороны, их невероятно воодушевляло то, что они оказались среди первых представителей человечества, работающих с образцами горных пород и грунтом инопланетного происхождения – космической материей, которая наконец объяснит нам происхождение Луны.
Мое первое знакомство с Луной произошло, когда Дейв вернулся в MIT. Помню, как открылись двери лифта на 12-м этаже Зеленого корпуса. И вот появился Дейв, невысокий очкарик в сопровождении двух здоровенных, вооруженных охранников в форме агентов ФБР. Они, конечно, охраняли не столько Дейва, сколько лунные образцы, которые на тот момент могли стоить миллионы долларов на рынке коллекционеров. Учет велся до миллиграмма. Дейв выглядел усталым и напряженным: он долгое время провел в командировке, находился под постоянным наблюдением, и работа была далека от завершения.
Когда речь заходит о лунных образцах, большинство представляет их себе как нечто увесистое, вроде камней, что можно подержать в руках. Но большая часть материала, доставленного «Аполлонами», состояла из лунного грунта, реголита. Мелкозернистые частицы реголита являются рыхлой породой, раскрошившейся на такие мелкие фрагменты, что их трудно разглядеть даже под микроскопом – следствие космических атак: от ударов увесистых метеоритов до непрерывного воздействия солнечного ветра. Эта сверхмелкая пудра обладает необычными свойствами, например, липнет ко всему, к чему прикоснется, как красящий порошок для ксерокса. Дейву предстояло пересыпать часть этой пудры из флакона размером с небольшой стакан в три-четыре баночки размером примерно с пальчиковую батарейку, чтобы распределить по соседним лабораториям.
Вроде бы задача нетрудная. Высыпьте порошок из флакона на листок гладкой бумаги. Осторожно пересыпьте ложечкой небольшие порции порошка в маленькие баночки. Дейв сотни раз проделывал такие операции, и это не должно было занять больше минуты. Но здесь слишком велика была ответственность. По бокам его стояли два угрюмых охранника, да в придачу кучка любознательных студентов. И вот, когда Дейв наклонил флакон, рука у него слегка дрогнула. Порошок прилип к стенкам и не высыпался. Дейв постучал по флакону указательным пальцем. Ничего. Снова постучал. И вдруг вся эта драгоценная лунная пыль (на самом деле всего лишь небольшая кучка размером с шоколадный трюфель, но в тех обстоятельствах она показалась огромной) высыпалась сразу – пуфф! Пыль разлетелась, налипла Дейву на пальцы и просыпалась через край бумаги на стол. По-моему, все мы вдохнули вместе с воздухом распыленные частички. Никто не произнес ни слова.
Ничего катастрофического не произошло, пыль сохранилась почти полностью, в конце концов, благополучно перекочевала в баночки, и федеральные агенты удалились, чтобы доставить их в соответствующие лаборатории. В общем, это было забавно. Пару дней спустя мы аккуратно заключили в рамку восьмисантиметровый квадратный кусок бумаги с отчетливым отпечатком Дейвова пальца в лунной пыли и повесили «картину» над лабораторным столом, на котором все это приключилось.
Вслед за первой последовали другие посадки «Аполлонов» на Луну. Самым грандиозным оказался в декабре 1972 г. полет «Аполлона-17», доставившего более 110 кг образцов из долины Таурус-Литтров, предполагаемой области вулканической деятельности. Это был последний полет; в последующие четыре десятилетия никто не высаживался на поверхность Луны. Как бы то ни было, образцы лунного грунта, тщательно сохраняемые в стерильных хранилищах Дома лунных образцов в Космическом центре НАСА в Хьюстоне (для надежности на базе ВВС в Сан-Антонио, штат Техас, хранится запасная коллекция), продолжают привлекать пристальное внимание ученых и предоставляют им богатый материал для исследований.
Несколько лет спустя после завершающей миссии «Аполлона» именно эти образцы послужили отправной точкой моего послужного списка, когда я получил свою первую должность в качестве исследователя-стажера в Геофизической лаборатории Института Карнеги. В мои задачи входило исследование различных видов «лунных частиц» с «Аполлона-12», «Аполлона-17» и «Луны-20» (одной из трех советских автоматических межпланетных станций, доставившей 55 г лунного грунта). Лунная пыль состояла главным образом из частиц размером с шарики или песчинки, и я должен был просматривать тысячи этих частиц, одну за другой. Я проводил целые часы за микроскопом, всматриваясь в эти изумительные зеленые и красные кристаллики и крошечные золотистые шарики, похожие на цветное стекло, – осколки разрушенных взрывом горных пород, которые на протяжении миллиардов лет подвергались метеоритному обстрелу.
Отобрав несколько дюжин перспективных крупинок, я подвергал каждую необычную частицу трем видам анализа. Вначале я использовал монокристаллическую рентгеновскую дифракцию, чтобы определить, с каким типом кристаллов я имею дело. Чаще всего мне попадались обычные разновидности оливина, пироксена и шпинели. Если мне встречался интересный кристалл, я тщательно ориентировал его грань и измерял спектр оптического поглощения (способность кристалла поглощать световые волны различной длины). Например, зеленые кристаллы оливина обычно поглощают волны красной области спектра; красные кристаллы шпинели, напротив, больше поглощают волны зеленого цвета. Я также измерял спектр необычных стеклянных частиц, прослеживая выбросы и колебания оптического спектра, которые указывали на присутствие редких элементов – например, хрома или титана. Небольшой скачок в 625 нм, еле заметное поглощение в оранжево-красной части спектра, характерное для лунного хрома, но не для хрома, который встречается на Земле, становилось памятным открытием.
По завершении рентгеновской и оптической обработки я брался за фантастический прибор под названием электронный микрозонд, чтобы определить точное соотношение элементов в моих образцах. Раз за разом я подтверждал то, что уже отмечалось до меня: минералы с поверхности Луны, в целом подобные аналогичным веществам на Земле, в деталях существенно отличаются от них. Например, в них содержится гораздо больше титана; различны они и по содержанию хрома.
Эти и ряд других данных, полученных при исследовании образцов, существенно ограничили круг теорий происхождения Луны. Прежде всего обнаружилось, что Луна значительно отличается от Земли, в частности, гораздо меньшей плотностью; она не обладает твердым, плотным железо-никелевым ядром. Ядро Земли составляет почти треть массы планеты, в то время как ядро Луны едва достигает 3 % от ее массы. Во-вторых, в лунных породах практически не встречается летучих элементов – тех, что испаряются в момент нагревания. В лунной пыли отсутствуют такие распространенные на Земле элементы, как азот, сера и водород. Их отсутствие означает, что в отличие от Земли, покрытой жидкой водой и изобилующей такими насыщенными водой веществами, как глина или слюда, среди минералов, доставленных с Луны «Аполлонами», не обнаружено веществ, содержащих воду. По каким-то причинам поверхность Луны подверглась взрыву или спеканию, что уничтожило летучие элементы, в результате чего Луна отличается крайней сухостью.
Третьим важнейшим фактором, обнаруженным в результате полетов «Аполлонов», стал кислород, точнее, распределение его изотопов. Каждый химический элемент определяется числом положительно заряженных протонов в его ядре. Это число всегда уникально: например, кислород известен как «атом с восемью протонами». Кроме того, атомные ядра содержат другой вид элементарных частиц – не несущие электрического заряда нейтроны. Более 99,7 % всех атомов кислорода во Вселенной имеют в составе ядра восемь нейтронов (вместе с восемью нейтронами они составляют изотоп, известный как кислород-16), а более редкие изотопы с девятью или десятью нейтронами (кислород-17 и кислород-18) исчисляются долями процента.
Кислород-16, кислород-17 и кислород-18 практически одинаковы по химическим свойствам (можно дышать любым, не ощущая никакой разницы), но отличаются по массе. Кислород-18 тяжелее кислорода-16. Соответственно при переходе кислородосодержащих соединений в другое состояние, например из твердого в жидкое или из жидкого в газообразное, менее массивный кислород-16 может удаляться гораздо быстрее. В период бурного рождения Солнечной системы такие переходы из одного состояния в другое совершались сплошь и рядом, что привело к изменению количества изотопов кислорода. Выяснилось, что соотношение кислорода-16 и кислорода-18 отличается на разных планетах и зависит от удаленности планеты от Солнца в момент ее формирования. Образцы лунного грунта показали, что пропорции изотопов кислорода на Луне и на Земле практически одинаковы. Иными словами, Луна и Земля в момент формирования находились почти на одном расстоянии от Солнца.
Как же сказались все эти открытия на трех соперничающих гипотезах о происхождении Луны? С самого начала под большим сомнением находилась теория совместного образования Земли и Луны из одного протопланетного сгустка, или совместной аккреции. Если бы Луна образовалась из остатков земного вещества, тогда их строение было бы примерно одинаково. Конечно, Луна схожа с Землей в том, что касается изотопов кислорода, но теория совместного формирования не в состоянии объяснить фундаментальные различия в содержании железа и летучих веществ. В целом состав лунного вещества значительно отличается от земного.
Различие в составе вещества ставит неразрешимые проблемы и перед гипотезой захвата. Теоретические модели движения планет предполагают, что захваченная планетезималь должна была сформироваться примерно на том же расстоянии от Солнца, что и Земля, а значит, совпадать с ней по составу. Луна не совпадает. Конечно, небесное тело размером с Луну могло образоваться и в другой части газово-пылевого облака и уже потом приблизиться к земной орбите, но компьютерное моделирование орбитальной динамики подсказывает, что в этом случае Луна должна была обладать высокой скоростью относительно Земли, а значит, и сценарий захвата тоже не выдерживает критики.
Остается Джордж Говард Дарвин и его теория разделения. Она успешно объясняет как сходство в соотношении изотопов кислорода (Земля и Луна являются единой системой), так и различие в содержании железа (ядро Земли к тому моменту уже сформировалось; сгусток вещества, образовавший Луну, представлял собой часть уже расслоившейся, бедной железом мантии Земли). Она прекрасно согласуется с тем, что Луна постоянно повернута к Земле одной стороной: вращения Луны вокруг Земли и вокруг собственной оси синхронны и совпадают по направлению движения. Однако при этом остается нерешенной важная проблема: куда же исчезли летучие элементы, отсутствующие на Луне?
Против теории разделения свидетельствуют и общие законы физики. Примерно ко времени программы «Аполлон» компьютерное моделирование формирования планет достигло такого уровня, что позволило теоретикам с уверенностью исследовать динамику быстрого вращения жидких сфероидов, равных по размеру Земле. Коротко говоря, разделение не может произойти. Гравитационная сила Земли слишком велика, чтобы позволить сгустку расплавленной породы оторваться и выйти на собственную орбиту. По существу, расплавленная Земля должна была бы вращаться вокруг собственной оси с невероятной скоростью, совершая полный оборот примерно за час, чтобы от нее оторвался равный Луне сгусток. Система Земля – Луна просто не обладает для этого достаточным моментом импульса.
Подведем итог: ни одна из трех господствующих теорий образования Луны не соответствует данным, полученным в результате полетов «Аполлона». Требуется иное объяснение.
Свидетельские показания лунного грунта
У хорошего планетолога всегда есть в запасе новая теория. Данные наблюдений, полученные по программе «Аполлон», опровергли все три распространенные до 1969 г. теории образования Луны, однако ученым не понадобилось много времени, чтобы выступить с новой гипотезой на основании неопровержимых фактов. Новые данные о строении Луны свидетельствовали по крайней мере об одном: Луна более или менее похожа на Землю. Она совпадает с Землей по соотношению изотопов кислорода и по наличию большинства имеющихся на Земле элементов, но есть резкое расхождение в количестве железа и летучих веществ. Эти данные следовало привести в соответствие с орбитальными характеристиками, тысячи лет известными науке: Луна вращается вокруг Земли в той же плоскости и в том же направлении, что и другие планеты Солнечной системы. Земля имеет небольшой угол наклона оси примерно 23° (что вызывает смену времен года). Луна всегда повернута к нам одной стороной.
Ранние теории образования Луны не уделяли достаточного внимания механике движения планет, не входящих в систему Земля – Луна, в том числе и поразительным исключениям в общем порядке Солнечной системы. Начать с того, что Венера вращается вокруг оси в направлении, противоположном вращению всех остальных планет. Это может показаться не столь существенным, но Венера совпадает по размерам с Землей, а вращается – не так! Еще более странная картина с Ураном, третьей по величине планетой, ось вращения которой повернута таким образом, что планета как бы «лежит на боку» относительно плоскости вращения, так что кажется, будто она катится по орбите вокруг Солнца. Наблюдаются странности и у спутников других планет. Тритон, крупнейший из спутников Нептуна, по размерам сравнимый с Луной, вращается под острым углом по отношению к орбите планеты и в направлении, противоположном всем остальным телам Солнечной системы.
Традиционная наука отличается одной особенностью, которая может обескураживать тех, кто не знаком с правилами игры. С одной стороны, мы выстраиваем строгие теории, обобщая огромное количество разрозненных фактов. Например, все планеты и спутники вращаются вокруг Солнца в одном направлении и в одной плоскости, что указывает на их общее происхождение из одного газово-пылевого облака. Но затем мы обнаруживаем исключения из общего правила – и отбрасываем их как странные аномалии. Венера вращается в противоположном направлении? Тритон вращается в ином направлении? Не беда. Эти отклонения случайны по отношению к общей модели.
Подобным образом обстоит дело во многих научных областях, например в дискуссии о глобальном потеплении. Многие ученые утверждают, что изменения в атмосфере приведут к повышению средней температуры на планете на несколько градусов. Но подобные изменения могут вызвать сильнейшие ураганы в южной части США. Глобальное потепление может изменить океанские течения, например Гольфстрим, что, в свою очередь, сделает северную Европу намного холоднее, превратив ее в «холодильник» вроде Сибири. Такие противоречия вдохновляют противников теории глобального потепления. Ученые заявляют: «Происходит глобальное потепление, а у нас только что разразился сильнейший в истории снегопад». Что на это ответить? По здравом размышлении можно сказать, что природа удивительно разнообразна и отличается богатством, сложностью, многообразием взаимосвязей и длинной, запутанной историей. Любые отклонения, будь то орбиты движения планет или климат Северной Америки, нельзя рассматривать как неудобные мелочи: именно они важны для понимания того, что происходит на самом деле, как устроен мир. Мы выстраиваем грандиозные модели природных процессов, а затем используем странности и противоречия для уточнения несовершенной теории (если же исключения превосходят правило, мы создаем новую теорию). Вот почему настоящие ученые обожают всякие отклонения от правил. Если бы мы понимали все на свете и могли бы предсказать что угодно, не было бы смысла вставать по утрам и спешить в лаборатории.
Вернемся к происхождению Луны: именно отклонения от стандартных закономерностей, т. е. мелкие орбитальные аномалии, в середине 1970-х гг. привели к идее «Большого всплеска», или «Мощного удара». Вначале последовала серия взаимосвязанных, но слабо доказанных гипотез, которые затем объединились в коллективно выработанное представление, оформленное на знаменитой Гавайской конференции 1984 г., где собрались ведущие планетологи и сопоставили свои теоретические соображения. При таком стечении крупнейших умов возобладал принцип «бритвы Оккама»: наиболее правильным может быть простейшее решение проблемы, если оно согласуется с фактами. Теория «Мощного удара» вполне подходила.
Чтобы оценить эту революционную идею, надо вернуться на 4,5 млрд лет вспять, во времена, когда планеты только что образовались из планетезималей. На пути к нынешнему диаметру 12 742 км Земля, сталкиваясь с ближайшими небесными телами, поглотила большинство из них. Предпоследние столкновения с объектами диаметром сотни километров, должно быть, представляли собой эффектное зрелище, но практически не влияли на состояние Земли – гораздо более массивной протопланеты.
Но толчок толчку рознь. Одно достопамятное событие стоит особняком в истории Земли. Около 4,5 млрд лет назад, когда Солнечная система насчитывала около 50 млн лет от роду, почерневшая Протоземля оказалась в тесном соседстве с соперницей, лишь слегка уступавшей ей по размерам. Соперница (ее назвали Тейя, по имени богини, породившей Луну) вполне заслуживала статуса планеты, поскольку была, по-видимому, в два-три раза больше Марса и составляла приблизительно треть массы Земли. Закон астрофизики гласит, что две планеты не могут существовать вместе на одной орбите. В какой-то момент они неминуемо столкнутся, и побеждает всегда планета большего размера. Так и произошло при столкновении Земли с Тейей.
Исследователи использовали наглядное компьютерное моделирование, пытаясь представить, что могло произойти. Столкновение предопределено законами физики, поэтому можно было испробовать тысячи различных моделей с всевозможными исходными условиями, чтобы выяснить, может ли таким образом сформироваться спутник. Ответ тесно связан с исходными параметрами: массой и строением Протоземли, массой и строением Тейи, сравнительными скоростями их движения, углом и местом столкновения. Большинство комбинаций не срабатывает – Луна не образуется. Но несколько моделей оказываются поразительно удачными и порождают систему типа Земля – Луна, подобную той, что имеется в действительности.
Одна такая комбинация демонстрирует ситуацию удара по касательной – крупная Тейя слегка накреняет еще более крупную Землю. Ситуация прокручивается в замедленном режиме, через взгляд из космоса. Момент контакта двух небесных тел вначале выглядит как легкий поцелуй. Затем через четыре-пять минут Тейя шлепается на Землю, как круглый комок мягкого теста на пол, без каких-либо видимых последствий для Земли. Десять минут спустя Тейя постепенно сплющивается, а Земля начинает терять округлую форму. Примерно через полчаса после столкновения Тейя просто исчезает, а Земля приобретает асимметричные очертания. Раскаленная порода испаряется и выбрасывается светящимися потоками из зияющей раны, затмевая картину деформации небесных тел.
Другой часто упоминаемый сценарий, предложенный в 1970-е гг. и усовершенствованный в течение двух последующих десятилетий, был разработан теоретиком Аластером Камероном в Гарвард-Смитсоновском научно-исследовательском центре астрофизики. Согласно его увлекательной теории, масса Тейи составляла примерно 40 % массы Протоземли. Произошло боковое столкновение, но, по версии Камерона, Тейя, ударившись о Землю, отскочила растянутой каплей, а затем вновь была притянута гравитацией, получив coup de grâce – завершающий смертельный удар, после которого исчезла навсегда.
В обоих сценариях катастрофическое столкновение уничтожает Тейю, которая превращается в гигантское раскаленное облако, температура которого составляет десятки тысяч градусов, и это облако вращается вокруг Земли. При этом сама Тейя тоже наносит Земле определенный ущерб. Порядочный кусок земной коры и мантии расплавляется и выбрасывается взрывом, смешиваясь на орбите с раскаленным облаком, оставшимся от Тейи. Некоторое количество вещества исчезает в глубоком космосе, но большая часть остатков вращается вокруг Земли, захваченная силой гравитации. В этом облаке металлы из ядер обеих планет смешиваются, охлаждаются до жидкой консистенции и погружаются в Землю, формируя новое, более крупное ядро. Вещества из мантий тоже смешиваются, образуя шарообразное облако из испарившихся минералов. Несколько дней или недель на Землю обрушивается нескончаемый дождь из раскаленных силикатных капель, падающих в безбрежный океан магмы. В итоге Земля захватила значительную часть того, что было Тейей, и стала более массивной.
Но отнюдь не вся Тейя была поглощена. Земля оказалась в окружении огромного количества расплавленных обломков горных пород, в основном из мантий обеих протопланет. Остывая, эти раскаленные капли вещества спекались, причем более мелкие частицы поглощались более крупными. Подобно когда-то образовавшимся планетам, под воздействием гравитационных сил быстро формировалась Луна, по-видимому, достигшая своего нынешнего размера всего за несколько лет.
Согласно физическим законам формирования планет, в общем, понятно, где должна была образоваться Луна. Всякое массивное тело имеет невидимую, окружающую его сферу, называемую пределом Роша, внутри которой силы тяготения настолько велики, что спутник там образоваться не может. Именно поэтому вокруг Сатурна имеются гигантские кольца, но нет никаких спутников на расстоянии ближе 80 000 км от его поверхности. Силы притяжения Сатурна препятствуют образованию спутников из ледяных частиц, составляющих его кольца.
Если исчислять предел Роша от центра вращающегося объекта, для Земли он составляет примерно 18 000 км, или 11 600 км – от ее поверхности. Соответственно модели образования Луны помещают точку формирования спутника на допустимое расстояние от 24 000 км и далее, где обломки гигантского столкновения могут объединяться друг с другом, не рискуя быть разорванными гравитацией. Таким образом, согласно большинству теорий, Луна образовалась примерно 4,5 млрд лет назад. Земля обрела спутник, сформированный по большей части из ее собственных обломков.
Ученые охотно восприняли теорию гигантского столкновения, поскольку она объясняет большинство загадок лучше других моделей. В ядре Луны практически нет железа, поскольку большая часть железа Тейи была поглощена Землей. На Луне нет летучих веществ, поскольку летучие вещества Тейи были сметены взрывом в момент столкновения. Луна всегда обращена к Земле одной стороной, поскольку моменты импульса Земли и Тейи объединились в одной орбитальной системе.
Теория гигантского столкновения также объясняет аномальный наклон земной оси на 23° – фактор, не объясненный ни одной из предыдущих теорий. От удара Тейи Земля буквально завалилась на один бок. Вообще теория образования Луны в результате гигантского столкновения породила множество идей относительно других аномалий Солнечной системы. Возможно, такие столкновения происходят часто и даже закономерно. Возможно, этим объясняется «неправильное» вращение Венеры вокруг собственной оси, а также потеря ею такого количества воды. Возможно, и боковое вращение Урана тоже вызвано сравнительно недавним гигантским столкновением подобного рода.
Другое небо
Образование Луны сыграло решающую роль в истории Земли, и последствия этого события поистине удивительны, хотя только в последнее время стали привлекать внимание науки. Четыре с половиной миллиарда лет назад Луна сильно отличалась от того романтичного серебристого диска, который мы наблюдаем сегодня. В те времена она являлась огромной, грозной и невообразимо опасной силой для околоземного пространства.
Все это связано с одним удивительным обстоятельством: Луна образовалась в каких-нибудь 24 000 км от поверхности Земли, т. е. на расстоянии полета от Вашингтона до Мельбурна, ныне же Луна располагается примерно в 382 000 км от нашей планеты. На первый взгляд, представляется невероятным, что гигантская Луна просто дрейфует в пространстве, удаляясь от Земли, но измерения не лгут. Астронавты с «Аполлона» установили зеркальные отражатели на поверхности Луны. Лазерные лучи с Земли, отражаясь в зеркалах, возвращаются на Землю, позволяя замерить расстояние с точностью до миллиметров. Год за годом, начиная с 1970-х, Луна неизменно отдаляется: в среднем примерно на 3,82 см в год. Вроде бы мелочь, но если помножить это расстояние на время, то с учетом нынешней скорости получается, что она удаляется от Земли примерно на 1,5 км в 40 000 лет. «Открутив запись назад», мы можем вычислить, на каком расстоянии от Земли она находилась 4,5 млрд лет назад.
Во-первых, Луна тогда выглядела совершенно иначе. На расстоянии 24 тыс. км Луна, диаметром 3,5 тыс. км, смотрелась настоящим гигантом, подобного которому мы не наблюдаем в наше время. Ее величина на небосводе составляла почти 8° – примерно в 16 раз больше видимого размера Солнца, а лунный диск закрывал на небе в 250 раз большую площадь.
Но и это еще не все. В то время Луна отличалась неистовой вулканической активностью и ничем не напоминала мирный серебристо-мерцающий объект, который мы созерцаем сегодня. С Земли можно было бы отчетливо наблюдать, как на ее черной поверхности полыхали кратеры вулканов и трещины, наполненные раскаленной магмой. Новорожденная полная Луна смотрелась бы впечатляюще, ее поверхность отражала в сотни раз больше солнечного света, чем сейчас. При свете той Луны можно было бы спокойно читать книгу, но это же обстоятельство помешало бы астрономическим наблюдениям. Ее ослепительное сияние полностью затмевало бы звезды и планеты.
Усиливала впечатление и та скорость, с которой двигались вновь образованные тела. В космическом пространстве ничто не препятствует движению, поэтому вращение небесных тел может продолжаться миллиарды лет. Взаимосвязанные объекты вроде Луны с Землей обладают моментом импульса, величина которого зависит от двух круговых движений. Во-первых, это вращение Земли вокруг своей оси; чем быстрее это вращение, тем больше момент. А момент импульса Луны зависит прежде всего от расстояния и скорости ее обращения вокруг Земли. Вращение вокруг собственной оси особого значения не имеет.
Совокупный момент импульса системы Земля – Луна претерпел мало изменений за последние несколько миллиардов лет, но соотношение их движений изменилось существенно. В настоящее время момент системы Земля – Луна связан преимущественно с обращением Луны вокруг Земли, с учетом расстояния 382 тыс. км и орбитального периода 27 суток. Массивная Земля, расположенная в центре этой системы, совершая неторопливый 24-часовой поворот вокруг своей оси, составляет незначительную часть момента импульса Луны. (Аналогично в орбитальном движении отдаленных газовых планет-гигантов сосредоточен почти весь момент импульса Солнечной системы, хотя в Солнце сосредоточено 99,9 % всей массы системы.)
Однако 4,5 млрд лет назад дело обстояло иначе. Поскольку Луна находилась всего в 24 000 км от Земли, все вращалось с головокружительной скоростью, подобно фигуристке, которая обхватывает себя руками, чтобы увеличить скорость вращения. Начать с того, что Земля совершала оборот вокруг своей оси всего за пять часов. Оборот вокруг Солнца и тогда составлял целый год (примерно 8766 часов); этот период не изменился за всю историю существования Солнечной системы. Но сам год вмещал более 1750 коротких дней, поскольку Солнце всходило и заходило каждые пять часов!
Такое предположение выглядит по меньшей мере странным и вряд ли доказуемым, но некоторые данные измерений подтверждают теорию короткого дня в древнейшем периоде истории Земли. Самым интригующим доказательством являются коралловые рифы. На некоторых видах кораллов отчетливо видны линии роста, которые отражают небольшой дневной прирост и хорошо выраженный годичный цикл. У современных кораллов наблюдаются 365 ежедневных линий за каждый год прироста. Однако у древних ископаемых кораллов девонского периода, т. е. росших примерно 400 млн лет назад, наблюдается более 400 линий ежедневного прироста за год, что указывает на более короткий суточный цикл планеты. В то время сутки длились примерно 22 часа, а Луна, по-видимому, располагалась на 16000 км ближе к Земле, чем теперь.
Другим дополнительным свидетельством являются «приливные ритмиты» – тонкослоистые осадочные породы, в которых запечатлены ритмы приливных волн, включая дневные, месячные и годичные циклы приливов. Микроскопические исследования приливных ритмитов возрастом 900 млн лет в каньоне Биг-Коттонвуд в штате Юта указывают на то, что в то время земные сутки равнялись 18,9 часа, а год состоял из 464 дней – 464 закатов и восходов. Расчетное расстояние между Землей и Луной в то время составляло 350 000 км, что подразумевает скорость удаления примерно равную сегодняшней – 3,91 см в год.
Безумный мир
Пока нет данных о приливных циклах Земли древнее миллиарда лет назад, но можно с уверенностью утверждать, что 4,5 млрд лет назад все было гораздо более стремительным и «необузданным». Тогда не только сутки на Земле составляли пять часов, но и находящаяся в непосредственной близости Луна обращалась по орбите вокруг Земли гораздо быстрее. Чтобы обернуться вокруг Земли, Луне требовалось всего 84 часа – 3,5 сегодняшних суток. С такими скоростями вращения Земли и Луны привычный лунный цикл, состоящий из новолуния, убывающей Луны, полнолуния и ущербной Луны, совершался с фантастической быстротой: на каждую новую фазу приходилось несколько пятичасовых суток.
Это сопровождалось множеством последствий, как благоприятных, так и не очень. Луна занимала такое большое пространство в небе и так быстро вращалась на околоземной орбите, что это вызывало частые затмения. Полное солнечное затмение происходило каждые 84 часа, практически в каждое новолуние, когда Луна оказывалась между Землей и Солнцем. Солнечный свет полностью исчезал на несколько минут, зато на черном небе отчетливо светились звезды и планеты, а на фоне черного лунного диска ярко выделялись огненные вулканы и океаны магмы. Регулярно происходили и лунные затмения – как по расписанию, каждые 42 часа. Во время полнолуния, когда Земля располагалась прямо между Солнцем и Луной, огромная тень Земли полностью скрывала гигантский сверкающий лик Луны. И вновь на черном небе появлялись звезды и планеты, пока Луна готовила свое огненное шоу.
Гораздо более грозным последствием близости Луны были чудовищные приливы. Если бы Земля и Луна были абсолютно твердыми телами, они и сегодня находились бы точно в том же положении, что и 4,5 млрд лет назад: располагались на расстоянии 24 000 км друг от друга, вращались вокруг оси и на своих орбитах с той же скоростью и испытывали частые солнечные и лунные затмения. Но ни Земля, ни Луна не отличаются абсолютной твердостью. Их породы могут изгибаться и собираться в складки, особенно в расплавленном состоянии, они вздымаются и опадают под воздействием приливов. Молодая Луна, находясь на расстоянии 24 000 км от Земли, обрушивала на нее невероятные приливные силы, почти равные тому гравитационному воздействию, которое оказывала Земля на расплавленную лунную поверхность. Трудно даже вообразить, какими магматическими волнами это сопровождалось. Каждые несколько часов расплавленная магма на поверхности Земли вспухала гигантскими волнами высотой больше километра по направлению к Луне, что сопровождалось невероятным внутренним трением и неизбежно вело к повышению температуры и длительному сохранению коры в жидком состоянии, чего не могло бы быть у планеты без такого соседа. В свою очередь, гравитационные силы Земли заставляли вспучиваться поверхность Луны, обращенную к Земле, вызывая деформацию шарообразной формы нашего спутника.
Именно эти приливные деформации и заставляют Луну удаляться от нашей планеты. Как случилось, что объект диаметром 3500 км отнесло от Земли с расстояния всего 24 000 км до целых 382 400 км? Ответ заключается в сохранении совокупного момента импульса – постоянной суммы моментов Земли и Луны. Согласно законам физики, исходный момент импульса системы Земля – Луна должен практически полностью сохраняться вплоть до нынешнего времени.
Четыре с половиной миллиарда лет назад гигантские приливы сотрясали планету Земля каждые несколько часов. Однако Земля вращалась вокруг своей оси гораздо быстрее (полный оборот совершался за пять часов), чем вокруг нее вращалась Луна (полный оборот совершался за 84 часа), приливное вспучивание за счет большей массы постоянно воздействовало на Луну всей силой тяготения, с каждым оборотом перенося момент импульса от Земли к Луне. Около 400 лет назад немецкий математик Иоганн Кеплер впервые сформулировал непреложные законы движения планет, в соответствии с которыми чем больше орбитальный момент импульса спутника, тем дальше он должен располагаться от основной планеты. И вот с каждым оборотом Луна неумолимо удаляется от Земли.
Одновременно с воздействием приливных сил Земли на Луну деформированная Луна оказывала аналогичное обратное воздействие, заставляя Землю замедлять вращение вокруг собственной оси. Здесь и срабатывает момент импульса. Чем быстрее Луна обращается по орбите, тем больше она удаляется от Земли и, следовательно, тем больше момента импульса она забирает. Чтобы компенсировать потерю, Земля вынуждена все медленнее вращаться вокруг своей оси, сохраняя таким образом суммарный момент системы Земля – Луна: снова представьте себе фигуристку, разводящую на этот раз руки в стороны, чтобы замедлить вращение. За 4,5 млрд лет вращение Земли вокруг оси замедлилось от пяти часов до 24, а Луна тем временем удалялась все больше и забирала значительную долю общего момента.
Отнюдь не все системы планета – спутник ведут себя аналогично. Если основная планета вращается вокруг оси медленнее, чем ее спутник на орбите, возникает неизбежный эффект торможения. Приливные волны планеты отстают от ее вращения; движение спутника по орбите тормозится, и с каждым оборотом он сближается с планетой. В конечном итоге спутник по спирали опустится на планету и либо будет поглощен ею, либо произойдет нечто вроде гигантского столкновения. Возможно, именно по этой причине Венера с ее обратным вращением не имеет спутника. По-видимому, катастрофическое обрушение на нее ее собственного спутника некогда вызвало потерю значительной части воды и превратило ее во враждебный, безводный, обжигающий, безжизненный мир.
В начале существования системы Земля – Луна обмен угловыми моментами от замедляющей вращение Земли к ускоряющейся Луне происходил гораздо в более солидных масштабах. В первые века после формирования Луны оба небесных тела были опоясаны океанами бурлящей магмы, которые подвергались растяжению и деформации. Гигантские приливные волны на Земле и подобные им на Луне, вероятно, заставляли Луну удаляться на тысячи метров в год, в то время как вращение Земли неуклонно замедлялось относительно первоначальной неистовой скорости. Но такие огромные приливы расплавленной земной поверхности не могли продолжаться долго. По мере увеличения расстояния между Землей и Луной приливные силы уменьшались, причем увеличение расстояния вдвое вызывало уменьшение гравитационных приливных сил в 8 раз. С ростом расстояния втрое приливы уменьшалась в 27 раз.
Поделиться книгой: