Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

Таких множественных звездных систем, особенно двойных, очень много во Вселенной. Так, ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра располагается совсем недалеко (по астрономическим меркам) от двойной звезды под общим названием α Центавра, отдельные звезды которой называются α Центавра A и B. Представляется вероятным, что Проксима тоже обращается вокруг них обеих, но один оборот по такой орбите, вероятно, занимает полмиллиона лет.

Расстояние между компонентами A и B сравнимо с расстоянием от Юпитера до Солнца и колеблется от 11 до 36 а.е. Напротив, расстояние от Проксимы как до A, так и до B составляет около 15 000 а.е., то есть примерно в тысячу раз больше. Таким образом, по обратно-квадратичному закону тяготения A и B действуют на Проксиму с силой в миллион раз меньшей, чем друг на друга. Достаточно ли этого, чтобы удерживать Проксиму на стабильной орбите вокруг них обеих, чувствительно зависит от того, что еще располагается рядом, то есть достаточно близко, чтобы вырвать ее из слабой хватки A и B. В любом случае мы с вами этого не увидим.

* * *

В ранней истории Солнечной системы, вероятно, случались периоды лихорадочной активности. Свидетельством тому служит громадное число кратеров на большинстве ее тел, особенно на Луне, Меркурии, Марсе и различных спутниках; эти следы наглядно показывают, что крупные тела подвергались бомбардировке бесчисленными малыми телами. Относительный возраст получившихся кратеров можно оценить статистически, поскольку более молодые кратеры частично разрушают старые, когда перекрываются с ними, а большинство наблюдаемых кратеров во всех этих мирах возникли чрезвычайно давно. Иногда, правда, возникают и новые кратеры, но в большинстве своем очень небольшие.

Серьезную проблему представляет собой задача восстановления последовательности событий, сформировавших Солнечную систему. В 1980-е годы изобретение мощных компьютеров, а также эффективных и точных вычислительных методов позволило провести подробное математическое моделирование коллапсирующих газовых облаков. Эта задача требует тщательного подхода и некоторых ухищрений, поскольку грубые численные методы не в состоянии учесть физические ограничения, такие, к примеру, как закон сохранения энергии. Если из-за особенностей математической модели энергия будет медленно убывать, то это будет выглядеть как своеобразное трение; вместо следования по замкнутой орбите планета будет медленно опускаться по спирали все ближе к Солнцу. Сохраняться должны и другие величины, к примеру, момент импульса. Методы, позволяющие избежать такой опасности, появились совсем недавно. Самые точные из них известны как методы симплектического интегрирования и название свое получили по одному из формальных методов преобразования уравнений механики; в этих методах все значимые физические величины сохраняются в точности. Тщательное и точное моделирование раскрывает правдоподобные и весьма драматичные механизмы формирования планет, хорошо соответствующие наблюдениям. Если верить современным теориям, Солнечная система на раннем этапе своего развития была далеко не такой спокойной и уравновешенной, какой мы ее видим сегодня.

Прежде астрономы думали, что Солнечная система, как только образовалась, стала очень стабильной. Планеты грузно перемещались по заданным орбитам, и вокруг практически ничего не менялось; выходило, в общем, что пожилая система, которую мы видим сегодня, очень похожа на саму себя в юности. Этим представлениям конец! Сегодня считается, что такие крупные миры, как газовые гиганты Юпитер и Сатурн и ледяные гиганты Уран и Нептун, первоначально появившиеся за «ледяной линией», где замерзает вода, впоследствии устроили между собой гравитационное перетягивание каната и поменяли позиции. Этот процесс оказал влияние, во многих случаях очень резкое, и на все остальные тела Солнечной системы.

Математические модели, а также другие многочисленные свидетельства из ядерной физики, астрофизики, химии и многих других отраслей науки привели к формированию нынешней картины: планеты сформировались не в виде единичных комков, а в результате хаотического процесса аккреции. Первые 100 000 лет медленно растущие «планетезимали» собирали в пространстве газ и пыль и создавали в туманности кольца, расчищая промежутки между ними. Каждый промежуток был усеян миллионами этих крохотных тел. В этот момент вещество, которое могли бы собирать планетезимали, закончилось, но их самих было так много, что они то и дело сталкивались. Иногда после столкновения тела вновь разлетались, но иногда слипались и образовывали новое, более крупное тело. Такие тела побеждали и становились все крупнее и крупнее; планета строилась, собирая вещество кусочек за кусочком.

На этом раннем этапе гиганты в Солнечной системе располагались ближе друг к другу, чем сегодня, а во внешних областях кишели миллионы крохотных планетезималей. Сегодня планеты-гиганты располагаются в следующем порядке от Солнца: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Но в одном из вероятных сценариев первоначально порядок был иным: Юпитер, Нептун, Уран, Сатурн. Когда Солнечной системе было примерно 600 миллионов лет, уютное гнездышко распалось. Орбитальные периоды медленно менялись, и в какой-то момент Юпитер и Сатурн попали в резонанс 2:1 — «год» Юпитера стал ровно вдвое короче «года» Сатурна. Резонанс возникает, когда два периода обращения или вращения дают в отношении простую дробь, в данном случае это 1/2[20]. Резонансы оказывают сильное влияние на небесную динамику, поскольку тела на резонансных орбитах раз за разом точно выстраиваются в одну и ту же линию, и позже я еще буду говорить об этом. Это не позволяет возмущениям «усредниться и сойти на нет» на большом промежутке времени. Резонанс, о котором идет речь, вытолкнул Нептун и Уран вовне; при этом Нептун обошел Уран.

Такое перераспределение крупных тел Солнечной системы потревожило планетезимали и заставило их смещаться в сторону Солнца. Разразился настоящий ад, когда планеты начали играть планетезималями в небесный пинг-понг. Гигантские планеты отодвинулись от Солнца, а планетезимали, напротив, приблизились к нему. В конечном итоге планетезимали встречались с Юпитером, громадная масса которого оказалась решающей. Некоторые из них в результате такой встречи были вообще выброшены из Солнечной системы, а остальные отправились на вытянутые тонкие орбиты, уходящие от Солнца на громадное расстояние. После этого все в основном успокоилось, но Луна, Меркурий и Марс по сей день несут на себе шрамы, появившиеся в результате того хаоса[21]. При этом тела всех форм, размеров и составов разбросало далеко во все стороны.