Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

В основном успокоилось. Но вовсе не прекратилось. В 2008 году Константин Батыгин и Грегори Лофлин смоделировали будущее Солнечной системы на 20 миллиардов лет, и первоначальные результаты не выявили никаких серьезных нестабильностей. Уточняя численный метод поиска потенциальных нестабильностей и по-крупному меняя орбиту по крайней мере одной планеты, они обнаружили вариант возможного будущего, в котором Меркурий падает на Солнце примерно через 1,26 миллиарда лет, и другой вариант, в котором хаотичные метания Меркурия выбрасывают Марс из Солнечной системы через 822 миллиона лет; после этого еще через 40 миллионов лет происходит столкновение между Меркурием и Венерой. Земля продолжает величаво следовать по своему маршруту, никак не реагируя на эти драматические события.

В первых моделях использовались в основном усредненные уравнения, которые не годятся для просчета столкновений, а релятивистские эффекты попросту отбрасывались. В 2009 году Жак Ласкар и Микаэль Гастино смоделировали ближайшие пять миллиардов лет Солнечной системы с использованием метода, позволявшего обойти эти проблемы, но результаты получились примерно те же. Поскольку крохотная разница в начальных условиях может в долгосрочной динамической перспективе дать огромный эффект, они смоделировали 2500 наборов орбит, каждый из которых начинался в пределах наблюдательной ошибки от современных данных. Примерно в 25 случаях возникли условия, близкие к резонансу; они резко увеличивают эксцентриситет орбиты Меркурия, что приводит либо к падению его на Солнце, либо к столкновению с Венерой, либо к близкой их встрече, что радикально поменяет орбиты как Венеры, так и Меркурия. В одном случае орбита Меркурия со временем вновь стала менее эксцентричной, и в результате где-то за 3,3 миллиарда лет дестабилизировала все четыре внутренние планеты. В этом случае Земля может столкнуться с Меркурием, Венерой или Марсом, и вновь возникает небольшой шанс, что Марс будет навсегда выброшен за пределы Солнечной системы.

У НАС НЕОБЫЧАЙНО БОЛЬШАЯ ЛУНА

Ее диаметр составляет чуть больше четверти диаметра Земли, и это намного больше, чем у большинства других лун. Наша Луна настолько велика, что систему Земля — Луна иногда даже называют двойной планетой. (Немного терминологии: Земля — центральное тело, Луна — спутник. Если подняться на уровень выше, получится, что Солнце — центральное тело Солнечной системы, а планеты — его спутники.) У Меркурия и Венеры спутников нет, а у Марса — планеты, наиболее похожей на Землю, — есть два крохотных спутника. У Юпитера — крупнейшей планеты Солнечной системы — 67 известных спутников, но 51 из них имеет размер менее 10 километров в поперечнике. Даже крупнейший спутник Юпитера Ганимед по размеру составляет менее 1/30 самого Юпитера. Из всех планет Солнечной системы наиболее обилен спутниками Сатурн — у него более 150 лун и мини-лун да еще гигантская сложная система колец в придачу. Но крупнейшая луна Сатурна Титан в 20 раз меньше своего центрального тела. У Урана 27 известных спутников, но крупнейший из них — Титания — составляет менее 1600 километров в поперечнике. Единственная крупная луна Нептуна — Тритон — составляет по размеру примерно 1/20 своей планеты; в дополнение к нему астрономы обнаружили у Нептуна 13 очень маленьких лун. Среди миров Солнечной системы только Плутон обогнал нас в этом плане: у него четыре крохотных спутника, зато пятый — Харон — всего вполовину меньше своего центрального тела.

Система Земля — Луна необычна еще в одном отношении: у нее непомерно велик момент импульса. Динамически у нее больше «вращения», чем могло бы быть. У Луны есть и другие сюрпризы, и в надлежащее время мы поговорим о них. Исключительная природа Луны добавляет весомости естественному вопросу: откуда у Земли такой спутник?

Теория, лучше всего отвечающая нынешним данным, выглядит весьма эффектно: это гипотеза гигантского столкновения. В давние времена, на раннем этапе формирования, наша родная планета была примерно на 10 % меньше, чем сейчас, пока в нее не врезалось тело размером с Марс; при столкновении тело расплескало вокруг громадное количество вещества — в основном расплавленного камня в виде капель и шариков самых разных размеров, многие из которых, когда камень начал остывать, слились воедино. Часть прилетевшего тела соединилась с Землей, которая при этом увеличилась. Часть стала Луной. Остальное рассеялось по всей Солнечной системе.

Математическое моделирование поддерживает сценарий ударного формирования Луны, тогда как в остальные теории нынешние данные вписываются менее удачно. Но в последние годы ударная гипотеза, по крайней мере в оригинальной своей форме, начала сталкиваться с серьезными проблемами. Не исключено, что истинный сценарий происхождения Луны еще только ждет своего исследователя.

* * *

Простейшая теория состоит в том, что Луна, как и все остальное, собралась из газопылевого облака через механизм аккреции в период формирования Солнечной системы. Тогда здесь было полно обломков и комков самого разного размера. Когда все начало потихоньку успокаиваться, крупные куски стали расти; они притягивали к себе более мелкие куски, и те после столкновения прилипали к ним. Так формировались планеты, так формировались астероиды, так формировались кометы, так формировались и луны. Так что и наша Луна, вероятно, сформировалась именно так.

Однако если так, то получается, что она формировалась где угодно, только не на нынешней своей орбите. Все портит момент импульса: его слишком много. Еще одна проблема — состав Луны. Когда происходила конденсация Солнечной туманности, разные элементы концентрировались преимущественно на разных расстояниях от центра. То, что потяжелее, держалось поближе к Солнцу, тогда как более легкие элементы давление излучения относило дальше, на край облачного диска. Именно поэтому внутренние планеты состоят из каменных пород и имеют железо-никелевое ядро, а внешние представляют собой в основном газ и лед, то есть тот же газ, но охлажденный до замерзания. Если Земля и Луна сформировались примерно на одном расстоянии от Солнца и примерно в одно время, то в их составе должны присутствовать сходные породы в сходных пропорциях. Но железное ядро Луны намного меньше земного. Мало того, доля железа в составе Земли в восемь раз превышает его долю на Луне.

В XIX веке сын Чарльза Дарвина Джордж предложил другую теорию: на начальном этапе Земля, еще расплавленная, вращалась так быстро, что часть ее оторвалась под действием центробежной силы. Он просчитал ситуацию с использованием Ньютоновой механики и предсказал, что Луна должна постепенно удаляться от Земли — это оказалось правдой. Такое событие, разумеется, оставило бы на Земле глубокий шрам, и очевидный кандидат на эту роль имелся: Тихий океан. Однако сегодня мы знаем, что лунные породы намного старше пород океанической коры Тихого океана. Это исключает бассейн Тихого океана из числа кандидатов, но не опровергает в принципе дарвиновской теории центробежного отделения.