Читать книгу "Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба - Эрик Асфог"

Именно такие размышления, не подкрепленные какими-либо данными и полагающиеся только на модели и предположения, и заставляют нас более внимательно взглянуть на Луну, тело, которое, мы знаем, возникло в результате гигантского столкновения и является единственным надежным свидетелем того, что произошло дальше.

* * *

Представляя себе гигантское столкновение, вам следует замедлить его в миллион раз. Это не прямое попадание ракеты, а, скорее, катастрофа дирижабля «Гинденбург». Хотя соударение происходит на гиперзвуковой скорости (обычно десять или более километров в секунду), для двух планет диаметром от 3000 до 10 000 км оно все равно занимает больше часа. Гигантское столкновение больше похоже на попытку планет пройти одна сквозь другую; если им это не удается, их ядра начинают деформироваться в единое целое, а получившийся в результате более крупный объект забирает все что может. Тут возникает такая величина, как «эффективность аккреции»: она равна 1, если тела полностью слились; 0,5, если более крупное тело захватило половину малого; и 0, если произошло «столкновение с оставлением места происшествия», когда никакой массы не прибавляется (хотя может произойти обмен масс). Таким образом, этот параметр описывает исход гигантского столкновения.

Процесс в действительности начинается за несколько часов до того, как планеты стукнутся друг о друга. Они сближаются, за час проходя расстояние, равное нескольким своим диаметрам, пока не начинают выглядеть как двойная планета, как Плутон и Харон. Они попадают под действие взаимного тяготения. За эти последние часы – если вам нужно сравнение, все происходит со скоростью лунного затмения, – меньшая из планет деформируется, так что к моменту гигантского столкновения она напоминает мяч для регби, раскрученный приобретенным моментом импульса. Скорость возрастает до суммы первоначальной относительной скорости и скорости убегания, так что типичный таран землеподобных планет происходит при примерно 1,1–1,2 скорости убегания – как говорится, на полном ходу.

А потом планеты оказываются соединены физически. Этот разрушительный и взрывной процесс напоминает грандиозный оползень, распространившийся на тысячи километров, но включающий вдобавок взаимную деформацию глубоких слоев мантии и горячих ядер двух планет. Он продолжается часы и даже дни. Гигантские столкновения имеют много общего с образованием крупных кратеров, таких как Чикшулуб или Море Дождей, но являются глобальными по своему охвату. Физика горных пород играет в них меньшую роль, а астрофизика большую, но, несмотря на это, такие события закладывают фундамент всей последующей геологии.

«Все изменилось, неузнаваемо изменилось: родилась грозная красота»[240]. Изображение стандартной модели возникновения Луны через десять минут после первого соприкосновения. Тейя приближалась со стороны верхнего левого угла со скоростью около 15 км/с. Ударная волна, вызывающая нагрев и плавление, видна как два круга: один распространяется сквозь Землю, а другой почти достиг задней точки Тейи. Черно-белый вариант исходного полноцветного изображения.

© Don Davis

Существует много вариантов сценария гигантского столкновения, породившего Луну, так что не надо сосредоточиваться только на одном. Тем не менее полезно обратиться к стандартной модели, когда речь идет о теле размером с Марс, которое ударяет в Землю примерно со скоростью убегания (10–12 км/с) под углом 45° к поверхности. Фронт столкновения взрывается бешеной дугой, когда Тейя и Земля начинают соединяться со скоростью в десять раз большей, чем скорость выпущенной из винтовки пули. При контакте огромных площадей становится сложно разобраться, где тут Тейя, а где – Земля, где верх, а где низ. Массы мантии, коры и океана фонтаном разлетаются в космос из области соприкосновения, как поток воды из пожарного брандспойта, создавая странные планетоиды, а также облака пыли и пара.

Разрушение оболочки, мантии, океана и всего, что между ними, продолжается, и смятые поверхности пластами погружаются в общее внутреннее пространство, а затем рвутся, как огромная конфета-тянучка. Ядра, будучи более плотными, тонут в каменной мантии друг друга и попадают в центр столкновения, где оказываются тесно увязанными и поглощают одно другое. Когда через день или два все стихает, глубинные слои мантии лежат поверх ядра, затем идут другие горные породы, гидросиликаты, и далее – океан и атмосфера. Мы видим полностью перестроенную планету с очень неясными свидетельствами того, откуда она взялась.

Две сливающиеся планеты имеют общий момент импульса, и соответственно вылетевшие при столкновении материалы закручиваются вокруг них в спиральные рукава по тому же принципу, который заставляет протопланетную туманность становиться уплощенным диском. Более того, возникшая после гигантского столкновения структура может напоминать миниатюрную галактику с утолщением в центре и спиральными рукавами со сгустками. В зависимости от типа гигантского столкновения вокруг сливающейся планеты в результате может возникнуть протолунный диск, состоящий в основном из расплавленных от удара силикатов – «летающий океан магмы», по выражению специалиста по физике планет Дэвида Стивенсона, который первым начал детально изучать термодинамику гигантских столкновений.

Чтобы понять некоторые странные физические явления, имевшие место после столкновения, вернемся днем ранее. В среднем слое мантии Тейи, планеты размером с Марс, имеется область, содержащая в себе основную часть вещества, которому предстоит стать Луной. Вскоре она будет раздроблена на мелкие фрагменты и превратится в диск вещества вокруг Земли, но пока что находится под чрезвычайно высоким давлением внутри Тейи, подобно любому участку в среднем слое мантии землеподобной планеты. На самом деле, если перед столкновением вы извлечете из Тейи килограмм вещества и телепортируете его к себе домой, оно взорвется с той же энергией, что и килограмм тротила, просто потому, что высвободилось из-под давления, как чертик на пружинке, который выскакивает, когда вы открываете крышку коробочки. Когда мантия Тейи разрывается в диск, эта энтальпия вносит свой вклад в плавление, испарение и расширение материалов, которые станут Луной.

Символическое изображение древнекитайской концепции «инь и ян», которое напоминает мне то, как две сливающиеся планеты заглатывают ядра друг друга

Возвращаясь к идее предполагаемой первоначальной системы планет, к идее гигантских столкновений суперземель и нептунов, одно можно сказать с уверенностью: давления и энергии в этих столкновениях были еще более впечатляющими, в пропорции, превышающей квадрат размеров планет. Если мы рассматриваем гигантские столкновения тел, в десятки раз превосходящих по массе Землю, взрывная энергия будет так велика, что все, не собранное гравитацией в тяжелую глыбу – остаточную планету, – просто разлетится на атомы. При этом водород и другие летучие вещества могут быть фактически потеряны, а в результате перегруппировки «металлов» в оксиды могут начать формироваться Земля и Венера. Скорее всего, от прежних времен ничего не уцелеет; для землеподобных планет это событие станет настоящей нулевой отметкой.