Текст книги "100 великих загадок астрономии"

«Белые пятна» Нептуна

В 1781 году английский астроном Уильям Гершель открыл планету Уран. Однако через некоторое время была замечена странная вещь. Новая планета не подчинялась закону Ньютона. Сколько ни наблюдали за ней, предсказать ее точное положение не удавалось. Что-то влияло на движение Урана, возмущало его. Лишь в середине XIX века английский астроном Джон Адамс и его французский коллега Урбен Леверье независимо друг от друга вычислили орбиту гипотетической планеты, притягивавшей к себе Уран, открыв ее «на кончике пера». Это был Нептун.

По-настоящему исследование Нептуна началось лишь в последнюю четверть века. 25 августа 1989 года американский зонд «Вояджер-2» пролетел менее чем в пяти тысячах километров от него, а с апреля 1995 года за ним наблюдает телескоп «Хаббл». Поэтому время открытий на Нептуне еще не прошло.

Так, лишь в 2011 году астрономам удалось точно определить скорость вращения внешних слоев этой газовой планеты. Оказалось, что она совершает оборот вокруг своей оси за 15 часов 57 минут и 59 секунд. К такому результату пришел Эрих Каркошка из Аризонского университета, обобщив результаты наблюдений за Нептуном.

Скорость обращения вокруг своей собственной оси – это фундаментальное свойство планеты. Однако в случае с газовой планетой-гигантом определить этот показатель гораздо труднее, чем скорость планеты земного типа. Ведь она вращается не как твердое тело, а, пожалуй, как громадная капля жидкости. Все планеты-гиганты, как полагают астрономы, обладают твердым ядром, которое обволакивает очень мощная и плотная газовая оболочка. В ней возникают многочисленные завихрения, которые накладываются на собственное вращение планеты.

Происхождение такой гигантской планеты, как Нептун, на окраине Солнечной системы вызывает удивление у астрономов

«Если смотреть на Землю из космоса, то можно заметить горы, которые вращаются с определенной скоростью, – поясняет Каркошка. – Если же наблюдать только за облаками, то невозможно определить скорость вращения планеты, поскольку расположение облаков со временем меняется, их разносит ветер. На Нептуне не видно ничего, кроме облаков и различных атмосферных образований. Одни движутся быстрее, другие – медленнее, некоторые ускоряются, так что совершенно нельзя понять, какова может быть истинная скорость вращения твердого ядра планеты, если оно есть».

Поэтому Каркошка попытался определить скорость вращения Нептуна другим путем. Он проанализировал несколько сотен фотографий планеты, выполненных телескопом «Хаббл» на протяжении двух десятилетий, и выявил в ее атмосфере два образования, которые вращаются с поразительной периодичностью. Погрешность составляет всего несколько секунд.

Пока не очень понятно, как возникли эти структуры. Возможно, ответ на этот вопрос позволит нам лучше узнать внутреннее строение Нептуна. «Нам известна общая масса Нептуна, но мы ничего не знаем о том, как она распределена, – отмечает Каркошка. – Если планета вращается быстрее, чем мы полагали, то, возможно, в ее центральной части сосредоточено больше вещества, чем считалось прежде».

Нептун представляет собой огромный газовый шар. Его внешняя оболочка состоит из водорода, метана и гелия. Метан конденсируется в атмосфере планеты и образует облака. Поскольку метан рассеивает голубую составляющую солнечного света, Нептун окрашен в голубые тона.

Под его плотной атмосферой (она одна весит в три раза больше, чем Земля) скрывается слой воды, занимающий объем примерно в 10 раз больший, чем объем нашей планеты. Из-за высокого атмосферного давления эта вода пребывает в особом состоянии – почти твердом (ничего подобного в земных условиях не наблюдается). Очевидно, под этой водяной толщей располагается слой горных пород, окружающих металлическое ядро, которое, как предполагают, похоже по своему строению на ядро Земли. Расчеты показывают, что температура в центре планеты составляет около 7000 °C, а давление – несколько миллионов бар.

Нептун, как Юпитер и Сатурн, обладает внутренним источником тепла. Он излучает в 2,7 раза больше энергии, чем получает ее от Солнца. Этим источником могут быть радиоактивные процессы, разогревающие ядро планеты. Возможно также, что тепло выделяется за счет того, что внутренняя часть планеты продолжает сжиматься.

Подобно всем остальным газовым планетам, Нептун окружен кольцами, которые, впрочем, невозможно заметить в телескоп с поверхности нашей планеты. Вероятно, они состоят изо льда, а их темноватую окраску астрономы объясняют слоем пыли, покрывающим их. Очевидно, эта пыль выбрасывается с поверхности спутников Нептуна после падения на них метеоритов.

Как и в случае с Ураном, происхождение такой гигантской планеты, как Нептун, на окраине Солнечной системы вызывает удивление у астрономов. Компьютерные модели показывают, что плотность вещества там была недостаточна для формирования этих планет по традиционной схеме, предполагающей аккрецию – постепенное накопление вещества вокруг твердого ядра. Возможно, они образовались в другой части протопланетного облака – гораздо ближе к Солнцу, а потом постепенно переместились на свои нынешние орбиты. Во время этой миграции они, вероятно, вытеснили оттуда ближе к центру Солнечной системы часть малых планет, располагавшихся в поясе Койпера. Эти согнанные со своих мест планетки могли вызвать «великую космическую бомбардировку», начавшуюся через полмиллиарда лет после возникновения Солнечной системы. Тогда на поверхность планет земного типа, в том числе на Землю, обрушился целый град метеоритов.

Среди спутников Нептуна особое внимание привлекает Тритон. Почти все, что мы знаем о нем, известно лишь благодаря зонду «Вояджер-2», побывавшему в окрестности этого спутника в 1989 году. Его диаметр – 2700 километров – соизмерим с размерами Плутона. Ведет он себя очень своевольно, разительно отличаясь от других спутников Нептуна, а также от лун Урана и Юпитера.

Есть разные гипотезы, объясняющие появление в окрестности Нептуна этого спутника. Наиболее популярна сейчас теория, гласящая, что первоначально Тритон вместе с еще одной небольшой планетой составлял систему, состоявшую из двух планет. Когда эта система сблизилась с Нептуном, она распалась, и одна из этих планет была притянута Нептуном. Следует отметить, что среди транснептуновых объектов – планет, расположенных на окраине Солнечной системы, по ту сторону орбиты Нептуна, – широко распространены двойные планетные системы. Их там примерно 10 %. Самый известный пример такой системы – Плутон и Харон.

Как предполагают астрономы, после того как Тритон был захвачен Нептуном, он первоначально двигался по очень вытянутой орбите, снова и снова внося возмущения в размеренный ход других спутников планеты. Они сталкивались друг с другом, распадаясь на отдельные части. Лишь когда Тритон занял наконец круговую орбиту, эти обломки опять стали соединяться, образуя новые луны.

Со временем приключения Тритона продолжатся. Он находится всего в 354 тысячах километрах от Нептуна, а это меньше, чем расстояние от Луны до Земли. Двигаясь по спирали, он постепенно сблизится с Нептуном. Пройдет несколько миллионов лет, и приливные силы разорвут его на части. Быть может, обломки этой луны пополнят кольца Нептуна или рухнут на планету.

Мы очень плохо знаем Нептун и его спутники. К сожалению, в ближайшее время их не удастся исследовать с помощью космических аппаратов. Поэтому Нептун еще долго будет хранить свои тайны…

Как зародилась Солнечная система?

На протяжении многих столетий люди были уверены в том, что планеты сотворены Богом. Лишь в XVIII веке появились первые научные теории, объясняющие далекое прошлое Солнечной системы. Современная теория ее происхождения основана на гипотезе немецкого философа «века Просвещения» Иммануила Канта, который первым предположил, что на месте Солнечной системы вращалась обширная туманность из газа и пыли.

По нынешним представлениям, эта туманность состояла в основном из водорода и гелия, которые образовались во время Большого взрыва. Менее 1 % приходилось на примеси в виде пылинок, содержавших более тяжелые элементы и соединения, например, воду, аммиак, оксид углерода, углекислый газ. Отдельные части этой туманности сжимались и уплотнялись. Причиной этого могли быть взрывы сверхновых звезд в непосредственной близости от нее. Порожденные этими взрывами ударные волны пронизывали туманность, вызывая появление в ней сгустков. Те стали зародышами предположительно нескольких сотен, а то и тысяч звезд – звездного скопления, которое по прошествии сотен миллионов лет распалось на множество одиночных и двойных звезд. Одной из этих звезд и было Солнце, окруженное своим газопылевым облаком.

Газопылевое Солнечное облако

Прошли миллионы лет, пока возле Солнца не появились планеты. Протопланетный диск, из которого они возникли, простирался на многие миллиарды километров. Его масса могла составлять от 1 до 10 % массы звезды. Существуют две основные гипотезы, объясняющие появление планет внутри этого диска.

Первую из них можно было бы назвать «Коагуляция и аккреция». Пылинки и небольшие крупицы, содержащиеся в протопланетном диске, сталкивались и слипались, что вело к образованию твердых сгустков – планетезималей. В свою очередь, те тоже сталкивались друг с другом, образуя все более крупные глыбы. Чем больше была планетезималь, тем больше вещества она собирала вокруг себя. Поэтому более крупные тела росли быстрее, чем маленькие. Постепенно планетезимали превращались в протопланеты, которые могли достигать размера Луны. У них имелось жидкое металлическое ядро, окруженное каменной мантией. Они были достаточно массивны, чтобы за счет гидростатического равновесия принять форму шара. Возможно, подобные мини-планеты, обладавшие магнитным полем, были широко распространены в ту пору, когда Солнечная система только формировалась. Газовые планеты возникали в этой модели за счет поглощения газообразных веществ наиболее крупными планетезималями.

Другая гипотеза – «Гравитационная нестабильность». Внутри протопланетного диска возникали уплотнения, которые в конце концов вырастали в планеты. По расчетам Л. Майера, опубликованным в 2002 году на страницах журнала «Science», всего за тысячу лет из спиралевидного сгустка, появившегося в протопланетном диске, может вырасти газовая планета-гигант. Пока непонятно, почему образуются эти нестабильности. Расчеты показывают, что очень массивные диски, остывая, сами по себе становятся нестабильными. В менее крупных дисках локальные нестабильности, возможно, возникают под влиянием внешних воздействий, например, при взрыве сверхновой звезды, находящейся поблизости от диска.

Оба сценария возникновения планет вполне вероятны и не исключают друг друга. Так, газовые планеты-гиганты могут зарождаться за счет гравитационных нестабильностей, в то время как планеты земного типа – за счет слияния планетезималей. Например, такие планеты, как Уран и Нептун, вполне могли возникнуть благодаря гравитационным нестабильностям, в то время как, согласно модели аккреции, их формирование на периферии планетной системы продолжалось бы несколько сотен миллионов лет. Это противоречит результатам наблюдений, ведь протопланетные диски, насколько известно астрономам, существуют не более 10 миллионов лет. С другой стороны, Уран и Нептун содержат большое количество тяжелых элементов, а это говорит в пользу гипотезы аккреции. Ведь химический состав планет, возникших за счет гравитационных нестабильностей, должен мало чем отличаться от химического состава Солнца.

Итак, протопланетные диски существуют недолго и постепенно распадаются. Звездный ветер и давление излучения звезды выметают газообразные вещества и крупицы размером менее микрометра. Средние крупицы размером от одного микрометра до одного сантиметра, перемещаясь по спиральной траектории, сближаются со звездой и поглощаются ею. Лишь крупным частицам удается уцелеть.

По оценкам астрономов, формирование Солнечной системы завершилось около 4,568 миллиарда лет назад (погрешность расчетов – 2 миллиона лет). К такому выводу ученые пришли, исследуя метеориты определенного типа, чей состав близок к составу протопланетного диска.

Решающее влияние на процесс формирования планет оказывало их расстояние до Солнца. В его окрестности конденсировались, прежде всего, тугоплавкие вещества и соединения, в то время как солнечный ветер уносил летучие вещества на периферию Солнечной системы – туда, где зарождались газовые гиганты. В настоящее время близ Солнца располагаются каменные шары – планеты земного типа.

Из оставшегося вещества, которое не было захвачено планетами, образовались небольшие небесные тела – кометы и астероиды. Они почти не изменились со времени формирования Солнечной системы. Поэтому их исследование может прояснить многие все еще не понятные аспекты этой теории.

Одна из нерешенных проблем следующая. Сейчас масса Солнца составляет почти 99,9 % всей массы Солнечной системы, но в то же время на долю Солнца приходится лишь 0,5 % общего момента количества движения, а главная доля заключена в орбитальном вращении планет. Почему?

А почему экваториальная плоскость Солнца наклонена примерно на 7 градусов по отношению к плоскости, в которой расположены орбиты планет? Масса Солнца очень велика по сравнению даже с суммарной массой планет. Поэтому при взаимодействии с ними оно не могло изменить свое положение. Может быть, рядом с Солнцем в далеком прошлом находилась карликовая звезда? Или же наше светило когда-то сблизилось с одной из звезд того громадного звездного скопления, которое образовалось одновременно с ним? Именно гравитационное воздействие другой звезды могло накренить его.

Ученые продолжают спорить и о том, насколько теория происхождения Солнечной системы применима к образованию других планетных систем. Ведь астрономы, например, обнаружили экзопланеты (внесолнечные планеты), которые вращаются в обратном направлении, нежели их звезда. Это не согласуется с современной теорией. Быть может, в период своего формирования эти планеты подвергались гравитационному воздействию не только той звезды, вокруг которой они теперь обращаются. Их притягивали к себе более крупные планеты или даже соседние звезды? Это и нарушило привычный ход небесных тел.

Изучение экзопланет поможет астрономам лучше понять, как образуются планетные системы. Вот лишь некоторые открытия, сделанные в последнее время. В 1994 году с помощью Космического телескопа имени Хаббла астрономам удалось обнаружить первые протопланетные диски в туманности Ориона. Здесь ими окружена почти половина всех молодых звезд. В 1998 году протопланетный диск был впервые замечен возле крупной звезды. В 2008 году с помощью инфракрасного спектроскопа в одном из далеких протопланетных дисков были выявлены органические вещества, а также углекислый газ и вода.

Великая космическая бомбардировка: что было причиной?

В полнолуние хорошо видно, что поверхность Луны покрыта громадными темными пятнами – так называемыми морями. Это – протянувшиеся на сотни километров кратеры, оставшиеся после Великой космической бомбардировки, что бушевала здесь около 3,9 миллиарда лет назад. Почему через полмиллиарда лет после возникновения Солнца и планет в их размеренном мирке воцарился хаос?

Лишь в начале 2000-х годов благодаря работам астрономов из Обсерватории Лазурного берега в Ницце и, прежде всего, Алессандро Морбиделли, удалось прояснить загадочные события, происходившие тогда. Так родилась «модель Ниццы», опровергавшая многое из того, что мы узнали за последние два с лишним века об эволюции планет. Ведь еще недавно было принято считать, что все планеты и теперь кружат по тем самым орбитам, по которым они двигались в то время, когда зародились.

Как явствует из модели Ниццы, молодость Солнечной системы была поистине временем «бури и натиска»

Эта классическая картина уже отжила свое. Как явствует из «модели Ниццы», молодость Солнечной системы была поистине временем «бури и натиска». Планеты тогда, словно бильярдные шары, перекатывались по ее просторам, всюду внося смуту.

Итак, в ранней период своей истории Солнце окружал плотный газопылевой диск. Первые четыре зародыша планет образовались на его периферии и обращались вокруг Солнца по круговым орбитам. Они все активнее поглощали окружавшие их газовые массы, стремительно разрастаясь. Однако под действием силы притяжения диска их орбиты постепенно изменились. Самая большая из планет, Юпитер, первой сошла с предначертанного ей круга. Медленно перемещаясь по своей новой – уже спиральной – орбите, она приближалась к Солнцу, а в протопланетном диске по мере ее движения образовалась круговая полоса, очищенная от газа и пыли.

Возможно, Юпитер достиг тогда орбиты, по которой обращается сегодня Марс. Если бы он продвинулся ближе к Солнцу хотя бы на расстояние одной астрономической единицы, то все пространство между современными орбитами Марса и Земли было бы подчистую выметено, и планетам земного типа не хватило бы строительного материала, чтобы дорасти до своих нынешних размеров.

Астрономы, наблюдающие в наши дни за экзопланетами, отмечают поразительное сходство между Юпитером из «модели Ниццы» и многочисленными «горячими Юпитерами», найденными в глубинах космоса, – гигантскими планетами, которые необычайно близко подбираются к своей центральной звезде. Подобная участь ждала и Юпитер, если бы его не остановил… Сатурн, считают приверженцы «модели Ниццы».

Он тоже перемещался в сторону Солнца, пока не сблизился с Юпитером. Периоды их обращения синхронизировались. Держась все время вдвоем, Юпитер и Сатурн пересилили притяжение газопылевого диска и начали понемногу удаляться от Солнца. Так самая большая планета Солнечной системы избежала участи стать «горячим Юпитером».

Между тем к этому «балету» гигантских планет, круживших по просторам Солнечной системы, присоединились еще два участника – Уран и Нептун. Когда газопылевая туманность, обволакивавшая Солнце, рассеялась, эти четыре планеты образовали «мультирезонансную конфигурацию». В то время расстояние между Юпитером и Нептуном составляло всего 7 астрономических единиц (сегодня их разделяет 25 астрономических единиц). Подобная система очень стабильна и может просуществовать миллиарды лет благодаря тому, что силы притяжения планет уравновешиваются. Их ход теперь размерен, словно слаженная работа отдельных частей машины. Но, подобно камешкам, попавшим внутрь машины и ломающим ее, в этом планетарном механизме оказались свои «посторонние предметы». Это было плотное кольцо из планетезималей – ледяных глыб, оставшихся от той эпохи, когда шло формирование планет. Они располагались на расстоянии 13–14 астрономических единиц от Солнца, а их суммарная масса в 30–50 раз превышала массу Земли. Время от времени то одна, то другая из этих глыб сбивалась с привычного пути и приближалась к Урану или Нептуну, возмущая их движение.

Наконец, по прошествии нескольких сотен миллионов лет накопившиеся деформации орбит стали так велики, что этот дружный ансамбль планет окончательно рассорился. Одна за другой были выброшены со своих орбит Уран и Нептун. Астрономы не исключают даже того, что Юпитер и Сатурн, словно два теннисиста – мячом, «перекидывались» Нептуном (или Ураном), отправляя его то ближе к центру площадки, именуемой Солнечной системой, то чуть ли не в аут – примерно туда, где он обретается и поныне. Какая из двух планет служила «космическим мячом», непонятно. В половине из компьютерных моделей, разработанных астрономами, ей оказывался Уран, в половине – Нептун.

В любом случае, обе дальние планеты нашей системы стали обращаться по очень вытянутым эллиптическим орбитам, так и норовя забраться в это ледяное скопление глыб и взбаламутить его – разворошить, словно осиное гнездо. В течение короткого времени они вымели оттуда все глыбы, и тогда град метеоритов устремился на планеты, расположенные в окрестности Солнца. Лишь после этого орбиты планет-гигантов, теперь уже не испытывавших гравитационных возмущений, постепенно сгладились – стали почти круговыми.

«Модель Ниццы» многое объясняет в архитектуре Солнечной системы. Вот несколько примеров.

В окрестности Юпитера обретаются десятки тысяч астероидов – так называемые «троянцы». Ранее астрономы считали, что они образовались одновременно с Юпитером. Однако Морбиделли и его коллеги предположили, что эти планетки были захвачены Юпитером в эпоху «смуты», которая охватила Солнечную систему около 4 миллиардов лет назад. Сформировались же они в разных областях нашей планетной системы. В самом деле, некоторые из троянцев скорее напоминают кометы; другие же практически не содержат ни воды, ни органических веществ.

Многие спутники планет-гигантов обращаются, вопреки правилам, в обратном направлении. Сейчас их насчитывается уже 93 (по данным на октябрь 2011 года). Если «нормальные» спутники чаще всего возникали вместе со своими планетами, то «ретрограды» пленены ими. В 2007 году американский астроном Дэвид Несворны показал, что подобный захват возможен, когда две планеты вплотную сближаются друг с другом. Но из «модели Ниццы» явствует, что и Юпитер, и Сатурн когда-то оказывались рядом с Ураном или Нептуном.

По ту сторону орбиты Нептуна начинается пояс Койпера. Он включает такую крупную планету, как Плутон диаметром около 2300 километров. Расчеты показывают, что масса пояса Койпера слишком мала, чтобы там могли сформироваться подобные планеты. «Модель Ниццы» помогает разрешить и эту проблему. Согласно ей, пояс Койпера представляет собой жалкий остаток того огромного пояса планетезималей, который был почти уничтожен Ураном и Нептуном. Общая его масса в тысячи раз превышала массу пояса Койпера.

И еще один любопытный аспект «модели Ниццы». Она лишний раз свидетельствует, насколько случайным было возникновение Солнечной системы в том виде, в каком она существует. Исследователям было достаточно лишь немного изменить начальные условия этой «задачи», как они получали очень странные результаты. Планеты то обращались по необычайно вытянутым орбитам, больше напоминавшим траектории комет, то начинали двигаться вокруг Солнца в обратном направлении, то их орбиты неизменно оставались в резонансе друг с другом. И именно такие – экзотические – планетные системы астрономы обнаруживают, наблюдая за отдаленными звездами.