Читать книгу "Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт"

Предлагалось множество и других сценариев, в том числе достаточно диких. Может быть, природный ядерный реактор (а нам известно, кстати говоря, что по крайней мере один такой реактор действительно существовал[22]) вошел в критический режим, взорвался и выбросил с Земли вещество для создания Луны. Если этот реактор располагался вблизи границы между мантией и ядром и неподалеку от экватора, то значительное количество горных пород Земли оказалось бы на экваториальной орбите. Или, возможно, у Земли когда-то было две луны, которые затем столкнулись. Или мы украли луну у Венеры; заодно эта теория изящно объясняет, почему у Венеры нет спутника. Правда, она не объясняет, почему, если теория верна, его первоначально не было у Земли.

Менее эффектный альтернативный вариант заключается в том, что Земля и Луна сформировались отдельно, но позже Луна приблизилась к Земле настолько, что была захвачена ее гравитацией. В пользу этой теории говорят несколько вещей. Луна имеет правильный размер и находится на разумной орбите. Более того, теория захвата объясняет, почему Луна и Земля синхронизированы (имеет место приливной захват) в своем вращении взаимным гравитационным притяжением, так что Луна обращена к Земле всегда одной и той же стороной. Луна немного вихляется на орбите (в терминологии астрономов это явление называется либрацией), но при приливном захвате это нормально.

Основная проблема здесь в том, что, хотя на первый взгляд гравитационный захват представляется разумным вариантом (в конце концов тела притягиваются друг к другу), на самом деле это довольно необычный сценарий. Движение небесных тел происходит практически без трения, в принципе трение там присутствует, хотя бы за счет солнечного ветра, но его динамические эффекты очень слабы, так что энергия сохраняется. Поэтому (кинетической) энергии, которую «падающее» тело набирает по мере приближения к другому телу за счет их гравитационного взаимодействия, бывает достаточно, чтобы это тело вновь вышло из-под действия тяготения. Как правило, два тела сближаются, стремительно оборачиваются друг вокруг друга и разлетаются вновь.

Или сталкиваются.

Очевидно, Земля и Луна не сделали ни того ни другого.

Эту проблему можно обойти. Можно предположить, что ранняя Земля обладала громадной объемной атмосферой, которая замедлила Луну, когда та приблизилась, и при этом ничего не разрушила. Прецедент имеется: спутник Нептуна Тритон исключителен не только своим размером в сравнении с остальными лунами этой планеты, но и «обратным» направлением движения — он обращается вокруг своей планеты в сторону, противоположную той, в которую движется большинство тел Солнечной системы, в том числе все планеты. Астрономы считают, что Тритон был захвачен Нептуном. Первоначально Тритон был объектом пояса Койпера — так называется рой небольших тел, располагающихся на орбитах за Нептуном. Вероятно, их с Плутоном связывает общее происхождение. Если это так, то захваты все же случаются.

Еще одно наблюдение дополнительно ограничивает спектр возможных вариантов. Хотя общее геологическое строение Земли и Луны сильно различается, детальное строение поверхностных пород Луны замечательно напоминает строение пород земной мантии. (Мантия лежит между континентальной корой и железным ядром.) У элементов есть изотопы, почти идентичные химически, но отличающиеся друг от друга количеством и составом частиц, образующих атомное ядро. Так, у самого распространенного изотопа кислорода — кислорода-16 — в ядре восемь протонов и восемь нейтронов. У кислорода-17 там присутствует один дополнительный нейтрон, у кислорода-18 — два. При образовании горных пород кислород посредством химических реакций включается в минералы. Образцы лунного грунта, привезенные на Землю астронавтами Apollo, имеют то же соотношение разных изотопов кислорода, что и породы земной мантии.

В 2012 году Рэндалл Паниелло с сотрудниками проанализировал содержание изотопов цинка в лунном веществе и обнаружил, что хотя цинка вообще там меньше, чем на Земле, но доля тяжелых изотопов цинка выше. Исследователи пришли к выводу, что Луна потеряла цинк через испарение. В 2013 году группа под руководством Альберто Сааля сообщила, что атомы водорода, включенные в лунное вулканическое стекло и оливин, имеют изотопный состав, очень близкий к составу земной воды. Если бы Земля и Луна первоначально формировались отдельно, то вряд ли изотопный состав в них получился настолько похожий.

Простейшее объяснение состоит в том, что эти два тела имеют общее происхождение, несмотря на различия в строении ядра. Однако есть и альтернативное объяснение: возможно, сформировались они отдельно и состав при формировании имели разный, но позже перемешались.

* * *

Рассмотрим данные, которые нуждаются в объяснении. Система Земля — Луна обладает необычно большим моментом импульса. На Земле намного больше железа, чем на Луне, но при этом лунная поверхность по изотопному составу очень похожа на земную мантию. Луна необычно велика и приливно замкнута на свое центральное тело — Землю. Любая жизнеспособная теория, чтобы быть хоть сколько-то правдоподобной, должна объяснить эти наблюдения или по крайней мере не должна им противоречить. Однако ни одна из простых теорий этого не делает. Вспомним принцип Шерлока Холмса, давно уже превратившийся в клише: «Если отбросить все невозможное, то, что останется, и будет ответом, каким бы невероятным он ни казался». И простейшим объяснением, которое соответствует всем нашим данным, будет то, которое до второй половины XX века астрономы отвергли бы просто потому, что оно выглядит слишком невероятным. А именно: что Земля столкнулась с каким-то другим телом, настолько массивным, что столкновение расплавило оба тела. При этом некоторая часть расплавленных пород выплеснулась в пространство и образовала Луну, а то, что смешалось с Землей, внесло существенный вклад в ее мантию.

Гипотеза гигантского столкновения в ее предпочитаемой нынче инкарнации датируется 1984 годом. Тело, с которым столкнулась Земля, даже имеет конкретное название: Тейя. Единорог, правда, тоже имеет название, но не существует. Если Тейя когда-то существовала, то какие-то следы этого могли сохраниться только на Луне и в глубинах Земли, так что придется обходиться косвенными данными.

Идеи редко бывают по-настоящему оригинальными, вот и эта восходит по крайней мере к Реджинальду Дали. В свое время он возражал Дарвину с его теорией разрушения по той причине, что если посчитать аккуратно, то нынешняя орбита Луны при моделировании назад во времени не приводится точно к Земле. При столкновении, утверждал Дали, получилось бы намного лучше. Главной очевидной проблемой на тот момент был вопрос: столкновение с чем? В те дни астрономы и математики считали, что планеты сформировались практически на своих нынешних орбитах. Но по мере того как компьютеры набирали мощь и ученые получали возможность разбираться в следствиях Ньютоновой математики при более реалистичных условиях, становилось ясно, что Солнечная система на ранних этапах своего существования все время менялась, причем достаточно резко. В 1975 году Уильям Хартманн и Дональд Дэвис провели расчеты, по которым после формирования планет в системе осталось еще несколько свободных тел меньшего размера. Возможно, эти тела были захвачены и стали лунами, а возможно, столкнулись с чем-то — друг с другом или с какой-нибудь планетой. Вот при таком столкновении, утверждали исследователи, и могла образоваться Луна, что согласуется со многими ее свойствами.