Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Можно ли сдвинуть Землю?

Время немилосердно и к людям, и к планетам. В расчетах астрономов Земля гибла не раз. Ее выжигало Солнце, ее удушала атмосфера, ей грозили метеориты. Пусть беды заставят себя ждать сотни миллионов лет, спасением ее жителей стали заниматься уже сейчас. Одни ученые ведут наблюдение за нашими космическими окрестностями. Другие обдумывают, как переселиться на соседние планеты. Третьи намечают, как… отвезти на безопасное расстояние саму Землю.

Недавно свой проект спасения Земли опубликовали три американских астронома: Дональд Корикански и Грегори Лафлин из Калифорнийского университета (Корикански – автор идеи), а также Фред Адамс из Мичиганского университета.

Идея такова. Надо изменить траекторию какого-нибудь астероида. Он будет время от времени пролетать мимо Земли, всякий раз невольно выталкивая ее на новую – более дальнюю – орбиту. Пусть Солнце пылает все сильнее – Земля, словно мяч под ногой футболиста, будет откатываться все дальше, вовремя уходя от иссушающего огня.

Астероиды в будущем могут стать спасителями человечества

Если спортивное сравнение раздражает, можно сопоставить труд астрономов с подлинно высоким искусством механиков XVIII–XIX веков, мастеривших уникальные машины из колесиков, кривошипов, пружин. Теперь рабочим столом мастеров-астрономов может стать вся Солнечная система. Она сама напоминает механизм, где вокруг центрального колеса – Солнца – равномерно обращаются сотни самых разных «зубчатых колес»: больших планет, астероидов, комет. Пусть планетарный механизм давно отлажен, можно придумать, какое из колес «толкнуть», чтобы наша Земля – заурядная деталь – сдвинулась, не нарушив слаженный ход всей системы.

Тут, прежде всего, важен расчет. Начнем его с постановки задачи. Известно, что через 6,3 миллиарда лет светимость Солнца возрастет в 2,2 раза. В то же время, если увеличить радиус земной орбиты в полтора раза, то планета по-прежнему будет получать столько же световых лучей, сколько и теперь. Как же достичь этой орбиты? Для этого, как посчитали, придется затратить огромное количество энергии – 8,7 × 10³² джоулей. Рядом с этой цифрой даже возведение пирамид кажется забавой жонглера.

Если бы Земля была ракетой, если бы ее оснастить ракетными двигателями… Подобная идея, кстати, приходила в голову новым архимедам, готовым сдвинуть Землю без всякой «точки опоры», но уж очень она опасна. Лучше довериться движителям, испытанным Природой, – законам Ньютона и Кеплера. Эти влиятельные формулы могут воплотиться для нас в образе астероида или кометы. Те и другие пригодны для astronomical engineering, «космической кройки» – искусства нового тысячелетия.

Между Юпитером и Марсом протянулся пояс астероидов. Множество малых планет снует здесь, иногда уклоняясь к Юпитеру, а то и к Земле. Все это дано «инженерам от астрономии» для своих опытов. Лучше всего им подошло бы небесное тело диаметром 100 километров. Его масса составляет 10²² граммов. Такой небольшой объект можно и впрямь оборудовать двигателями и направить в сторону Земли. Либо следует сбить его с курса серией направленных взрывов. Пролетая близ нашей планеты, он отдаст ей часть своей энергии – до 10²⁷ джоулей. При этом радиус Земли увеличится примерно на тридцать километров.

Конечно, это немного, но ведь мы стронули с места «колесико», и, перекатываясь по небосводу, оно вновь и вновь будет возвращаться к Земле. Через каждые 6000 лет, по расчетам ученых, на расстоянии 10 тысяч километров от Земли станет проноситься астероид. Всякий раз нашу планету будет отбрасывать в сторону – словно волной пловца, мимо которого промчался катер. Примерно через шесть миллиардов лет Земля окажется на расчетной орбите – к этому времени раз и навсегда потревоженный астероид промчится мимо нее миллион раз.

В принципе, подобные маневры в чести у космических конструкторов. Еще в конце 1970-х годов, когда стартовал межпланетный зонд «Вояджер-2», его маршрут был рассчитан мастерски. Каждая планета, мимо которой пролетал зонд, словно «перекидывала» его к следующей планете. Гравитационное поле каждой из них придавало ему дополнительное ускорение.

Но одно дело раскачивать в космической пустоте небольшой летательный аппарат и другое дело – целый астероид, чье случайное падение может погубить жизнь на Земле. Да и легко ли сдвинуть его с места?

В распоряжении, прозвучавшем ранее: «Отдать 10²⁷ джоулей энергии», нет и намека на то, что выполнить это очень трудно. Сказано мимоходом – словно просьба переставить в комнате стул! На самом деле мы не можем не понимать, какие громадные стихии вводим в игру. Чтобы наделить астероид таким количеством энергии, надо взорвать близ него почти 250 миллиардов атомных бомб, причем мощность каждой должна быть равна одной мегатонне, – это в 10 миллионов раз больше всего запаса ядерного оружия на нашей планете. Неужели, чтобы свершить этот план, все заводы должны перейти на выпуск атомных бомб? Ей-богу, прежде чем мы накопим такой невероятный арсенал оружия, оно – по всем законам драматургии – начнет взрываться у нас на Земле!

Нет, до взрывов дело не дойдет. Источником энергии станет мощный ядерный реактор. Сырьем послужит дейтерий (тяжелый водород). Сколько же надо сырья? Чтобы получить столько дейтерия, надо растопить ледяную комету диаметром около 100 километров. Еще двадцать астероидов такого же размера будет израсходовано ради добычи лития – он нужен при производстве трития, еще одного изотопа водорода.

И ведь это побочная проблема! Самое главное, как вмешаться в тончайший небесный механизм, не повредив его! Неожиданное движение астероида заставит отклониться и другие соседние планеты. По расчетам Корикански, радиус орбиты Юпитера, например, уменьшится после этого «космического футбола» на 1,5 миллиона километров. Придется постоянно корректировать орбиту астероида и для этого направлять его все ближе к Юпитеру или Сатурну. Как это получится, можно лишь гадать.

А что станется с Луной?! Двинувшись в сторону от привычной орбиты, Земля может потерять Луну. Это приведет к катастрофе. Ведь именно Луна стабилизирует климат на нашей планете. Чтобы не лишиться ее, надо будет все чаще направлять к Земле астероид или же удерживать его дальше от нашей планеты, невольно замедляя бегство из опасной части космоса.

И все-таки это не безнадежное предприятие. Это – дело будущего! «Никто не требует, чтобы задуманное непременно было выполнено, – подчеркивает автор идеи. – Кто угадает, что еще придумают наши потомки! Зато мы точно знаем, что Солнце со временем станет светить все ярче, и тогда придет пора действовать».

Пока возраст у космонавтики младенческий. Мы только учимся подолгу оставаться в стороне от своей колыбели – на околоземной орбите, – а уже мечтаем о том, как будем править целыми небесными телами, словно игрушечными машинками! Впрочем, можно и не замахиваться на эти грандиозные дела – можно выбрать что-то попроще, не сдвигая напропалую планеты, как стулья в комнате, где затеваем уборку. Можно заставить работать на себя те астероиды, что и так пересекают орбиту Земли. Можно отправиться на окраину Солнечной системы и доставить оттуда большое количество льда и руды, переправив их не на Землю, а, например, на Марс. «Быть может, наши потомки воссоздадут там условия, напоминающие земные, и обустроят на этой планете свои обширные колонии», – этой фразой Дональд Корикански лишний раз указал, в каком направлении будет развиваться космонавтика.

Как родилась Луна?

Вплоть до начала 2000-х годов рассматривалось несколько основных сценария происхождения Луны.

Наша «небесная соседка» могла сформироваться из того же газопылевого облака, что и Земля. Эту идею отстаивала, например, советская исследовательница Евгения Рускол. Луна и Земля возникли одновременно, образовав двойную планетную систему. Но почему тогда рядом с Марсом и Венерой не появилось своей Луны? Непонятна и аномалия железа: Земля содержит почти 35 % железа, Луна – всего 5 %. На Луне почти нет легкоплавких металлов. Очень заметно разнятся плотности обеих планет. Для Луны этот показатель составляет 3,3 грамма на кубический сантиметр, а для Земли – 5,5.

По другой гипотезе, Луна могла оказаться крупным астероидом, который случайно сблизился с Землей и был захвачен ею. В 1962 году такое предположение выдвинул американский геофизик Гарольд Юри. Однако сама по себе вероятность такого захвата почти равна нулю. Еще страннее было объяснить, почему изотопный состав лунных пород, – а в середине 1960-х – начале 1970-х годов советские автоматические станции и американские астронавты доставили на Землю большое число образцов лунного грунта, – так схож с составом верхних слоев нашей планеты. Именно эта схожесть убедила ученых в том, что происхождение Луны и Земли одинаковое.

Луноход-1　– первый советский исследовательский робот. Был доставлен на поверхность Луны 17　ноября 1970　г.

Вот и третий сценарий. Луна «отделилась» от Земли после столкновения нашей планеты с другим крупным небесным телом. Теперь большинство астрономов склоняются именно к этой гипотезе. На момент катастрофы Земля (точнее говоря, Протоземля) достигла 90 % своих нынешних размеров. Она уже обладала железным ядром, как и неизвестная планета, столкнувшаяся с ней. Большая часть ядра этого «космического молота» слилась с ядром Земли. А вот мантия и кора были отброшены после этого удара и, оказавшись на околоземной орбите, постепенно соединились друг с другом, образовав новую планету – Луну, которая расположилась на расстоянии в 20–30 тысяч километров от поверхности Земли. Значительная часть земной коры также была снесена этим ударом и пошла на «строительство» Луны. Это случилось 4,527 миллиарда лет назад.

Впервые гипотезу «Большого удара» независимо друг от друга выдвинули в 1975–1976 годах две группы американских астрономов: Уильям Хартман и Дональд Дэвис из Института планетарных исследований в Тусоне (Аризона), а также Альфред Камерон и Уильям Уорд из Гарвардского центра астрофизики (Массачусетс). Они обосновали ее разными способами, но в итоге пришли к очень схожему результату.

В 1980-е годы этот необычный сценарий стал завоевывать популярность, поскольку все больше фактов говорило о том, что Земля вскоре после своего рождения столкнулась с небесным телом величиной с Марс. Например, это объясняло, почему Луна содержит так мало железа. Разбившаяся планета в конце концов получила название Тейя (Фея).

Столкновение двух крупных небесных тел было поистине катастрофой космических масштабов. Поверхность нашей планеты, раскалившись до 4 тысяч градусов, превратилась в кипящее месиво. Сразу после удара Земля в течение часа светилась ярче Солнца. Огромное облако пыли взметнулось над ней; постепенно оно сгущалось, сливаясь с обломками Тейи. Из этой пыли, из этих бесчисленных глыб и камней и образовалось новое небесное тело – Луна.

Появившаяся в начале 2000-х годов компьютерная модель (ее автор – американский астрофизик Робин Кануп) свидетельствовала, что Земля во многом выиграла от той коллизии, не только «приобретя» Луну, но и значительно увеличившись в размерах. Железное ядро Тейи пронзило поверхность нашей планеты и слилось с земным ядром. Что же касается Луны, то расчеты показывали, что она могла возникнуть из обломков Тейи за несколько сотен, в крайнем случае, тысяч лет.

В то время ее поверхность представляла собой океан расплавленной магмы. Постепенно он остыл. Под действием гравитации вещество Луны перемешалось, и она оказалась затянута корой из легких минералов. Более тяжелые породы, содержащие железо и магний, опустились в ее недра, а такие легкоплавкие металлы, как натрий и калий, почти полностью испарились. Теперь Луна примерно на 80 % состоит из обломков той разбившейся планеты с небольшим добавлением материалов, «вырванных» с поверхности нашей планеты.

Очевидно, все это время в окрестности Земли и Луны кружило множество затвердевших глыб. Они еще долго падали на поверхность обеих планет. По оценке Дэвида Кринга из Аризонского университета и Барбары Коэн из Гавайского университета, только на Земле должно было образоваться до 22 тысяч кратеров диаметром более 20 километров. По меньшей мере сорок из них должны были иметь диаметр свыше 1000 километров, а несколько – свыше 5000 километров. Впрочем, вследствие происходивших на нашей планете геологических процессов – движения литосферных плит, а также эрозии – все эти кратеры давно исчезли с поверхности Земли.

Однако и эта гипотеза не могла сразу объяснить некоторые особенности химического состава Луны, например, очень заметное сходство между изотопами кислорода, встречающимися как на нашей планете, так и на Луне. Чем вызвано это совпадение, если Луна состоит в основном из вещества другой, разбившейся когда-то планеты? Эрнст Вайхерт из Политехнического института в Цюрихе предположил, что неизвестная планета по своему химическому составу была схожа с Землей, поскольку сформировалась примерно на том же расстоянии от Солнца, что и Земля.

Но как это могло быть? Откуда взялась Тейя? Как могли в одной и той же части протопланетного облака образоваться две планеты, одна массой почти с Землю, другая – почти с Марс? Почему они не слились друг с другом гораздо раньше, неизбежно сближаемые силой гравитации? Где до поры до времени «пряталась» Тейя, укрываясь от притяжения Земли? Почему она разрослась до таких огромных размеров?

Расчеты, которые проделали недавно астрономы Джон Ричард Готт и Эдвард Бельбруно из Принстонского университета, подтвердили, что эта загадочная планета возникла почти на том же расстоянии от Солнца, что и Земля. Но долгое время «планеты-близнецы» не могли сойтись вместе. Дело в том, что в пространстве между Солнцем и Землей есть пять особых точек, в которых силы притяжения нашей планеты и Солнца взаимно уравновешиваются. Их местоположение рассчитал в 1772 году французский математик Жозеф Луи Лагранж. Небольшое небесное тело, попав сюда, будет долго кружить, не нарушая установившегося равновесия. Эти области пространства, образно говоря, называют «межпланетным Саргассовым морем».

В одной из таких точек и находилась Тейя. Однако по мере того, как планета росла, ее положение становилось все неустойчивее. К этому времени другие, более далекие от Солнца планеты превратились в гигантов. Они, особенно Юпитер, все сильнее притягивали Тейю. В конце концов гравитационные возмущения раскачали ее. Она устремилась к Земле. Столкновение было неотвратимо. Тейя медленно, но неуклонно – со скоростью порядка 14 тысяч километров в час – приближалась к Земле. В каждой четвертой компьютерной модели, созданной Готтом и Бельбруно, в результате столкновения возникало небесное тело величиной с Луну.

Луна уникальна еще и тем, что по своим размерам она вполне сопоставима с планетами земной группы. В принципе, мы живем на двойной планетной системе «Земля – Луна». Только одна из этих планет живая, а другая – мертвая, точно в сказке про живую и мертвую воду.

Обратная сторона Луны

Луна неизменно обращена к нашей планете одной и той же стороной. В этом нет ничего необычного, так ведут себя многие спутники планет. Обратная сторона Луны долгое время оставалась одной из главных загадок, терзавших умы астрономов, пока в 1959 году советская межпланетная станция «Луна-3» не сумела сфотографировать эту не видимую с Земли часть лунной поверхности. Она передала на Землю изображения примерно 70 % обратной стороны Луны.

Снимки немало удивили астрономов. Темная сторона Луны отличалась от ее привычного для нас обличья так же значительно, как разнятся образы людей разных рас. Видимый нами лик усеян иссиня-черными пятнами. Традиционно эти «родимые пятна» Луны – обширные впадины, покрытые застывшей лавой, – называют «морями». С обратной же стороны морей почти не было, они занимали лишь несколько процентов ее территории. Поэтому, вопреки сроднившемуся с ней эпитету «темная», обратная сторона Луны гораздо светлее видимой нами части; у нее выше альбедо, отражательная способность. Две стороны Луны не похожи друг на друга, как ночь и день, как свет и тьма. Поистине, Луна двулика.

За полвека с небольшим в гостях у нее побывали более семидесяти экспедиций, и пилотируемых, и автоматических. Астрономы неизменно убеждаются в том, что между обращенной к нам стороной Луны и ее «изнанкой» гораздо больше отличий, чем допускает статистика – случайный разброс параметров.

Обратная сторона Луны

Обратная поверхность Луны сильнее иссечена кратерами, а значит, старше видимой ее части. Если с помощью наземных телескопов мы можем заметить свыше 40 тысяч кратеров, то на обратной стороне их гораздо больше. Различен и химический состав двух половин Луны. Та ее область, что взирает на нас всенощно, изобилует радиоактивными элементами, например торием. Следы вулканической активности здесь тоже гораздо ощутимее.

Причина подобных расхождений во многом неясна. Возможно, судьбу двух половин Луны разделил один-единственный удар. Известно, что после того, как Луна образовалась при столкновении с Протоземлей некоего небесного тела величиной с Марс, вся поверхность новорожденной планеты была покрыта «океаном» раскаленной магмы, чья глубина превышала пять с лишним сотен километров.

Остывал этот океан неравномерно. «Наша» сторона Луны изобиловала радиоактивными элементами; их распад подогревал бурлившую толщу, не давал ей окаменеть. Обратная же сторона затвердела раньше. Поначалу здесь то в одном месте, то в другом возникали каменные островки – этакое подобие «ледяных гор», айсбергов, в морях, омывающих Антарктиду. Они разрастались, соединялись друг с другом. И вот уже весь океан с обратной стороны Луны оделся камнем, как льдом.

В ту эпоху наш уголок Солнечной системы переживал один из тяжелейших периодов в своей истории. Земля и соседние с ней планеты – Марс, Венера, Меркурий, Луна – подверглись одновременной и чудовищной бомбардировке астероидами и кометами. Следы той «звездной войны», разыгравшейся около 3,9 миллиарда лет назад, и поныне носит Луна, вечно отворачивая от нас свой лик, «изуродованный многочисленными оспинами», как сказали бы в старину.

Самая крупная из этих незаживающих ран – кратер Эйткен, расположенный в районе Южного полюса Луны. Его диаметр – около 2500 километров, а глубина – почти 13 километров. Напоминают о той давней эпохе и лунные горы, взметнувшиеся ввысь на 6000 метров. В отличие от Анд или Альп, они росли не миллионы лет, а считаные секунды! Они образовались после падения на Луну громадных астероидов, несшихся со скоростью в десятки тысяч километров в час.

Пару лет назад, размышляя о древнейшей истории Луны, французские астрономы Марк Вечорек и Матьё Лефевр даже выдвинули гипотезу о том, что в пору «космической бомбежки» соседняя планета пережила удар такой силы, что совершила уникальный кульбит. По их мнению, в то время Луна взирала на Землю именно своей ярко-светлой «обратной стороной». Ход рассуждений, предварявший их гипотезу, таков. Приступая к анализу расположения лунных кратеров, мы вправе были бы ожидать, что в западной части Луны, – если смотреть с Земли, – их будет больше, чем в восточной (расчеты показывают, что их будет больше примерно на треть). Ведь эта часть Луны – можно прибегнуть к такому сравнению – ее «лобовое стекло». Сюда чаще должны врезаться метеориты, поскольку, кружа близ нашей планеты, Луна всегда устремлена вперед именно этой своей половиной. Точно так же, если развивать сравнение, к которому мы прибегли, в лобовое стекло автомобиля во время дождя попадает больше капель, чем в заднее стекло. Здесь же ожидания подтвердились отчасти. В западной части Луны действительно больше кратеров, чем в восточной, – но только молодых, тех, что образовались менее 3,9 миллиарда лет назад. С более древними кратерами получилась обратная картина. Поэтому исследователи и предположили, что около 3,9 миллиарда лет назад Луна пережила такое страшное столкновение с астероидом, что в последующие несколько десятков тысяч лет ее развернуло на 180 градусов. С тех пор «белое» стало «темным», а Луна заняла свое нынешнее положение.

Как бы то ни было, на видимой нами стороне Луны жидкая магма еще долго изливалась сквозь многочисленные трещины в поверхностных породах и растекалась, заполняя обширные впадины. Эти темные базальтовые отложения вулканических пород и доныне остаются особой приметой нашей «ночной спутницы». Изобилие, Спокойствие, Ясность – их на Луне с лихвой хватило на целые «моря», как, впрочем, и Кризисов, Дождей, Холода. Почти треть всей видимой нами поверхности Луны покрыта морями. Почему же подобный геологический механизм не расцветил вкраплениями черных пятен «темную сторону Луны», не сделал ее «темнейшей»? Ученые не знают ответа на этот вопрос вот уже более полувека. Все, что нам остается пока, лишь догадки.

Может быть, все дело в том, что с той стороны Луны, которой она никогда не поворачивается к Земле, лунная кора более мощная? Там она вдвое толще, чем на видимой стороне Луны; там ее толщина достигает примерно 150 километров. По-видимому, магматическим потокам нелегко было пробить эту «броню», пролиться морем на твердь. Ясность должны внести новые лунные экспедиции.

В августе 2011 года планетологи из Бернского и Калифорнийского университетов предложили новое объяснение этому парадоксу. По их гипотезе, поначалу у Земли было два спутника – Луна и еще одна небольшая планета. Ее диаметр составлял 1200 километров, а масса – примерно 4 % лунной массы. Компьютерная модель показывает, что эта система просуществовала в равновесии около 100 миллионов лет, пока оба спутника Земли наконец не столкнулись друг с другом. Крохотный спутник буквально «расплющился» по обратной стороне Луны. Именно поэтому ее кора заметно толще, чем кора передней стороны.

…Исследования Луны любопытны еще и потому, что эрозионные процессы выражены там значительно слабее, чем на Земле. Там сохранилось гораздо больше свидетельств, относящихся к далекому геологическому прошлому Луны – к ее древнейшему периоду истории. У нас на Земле все эти следы прошлого давно исчезли в недрах планеты. Между тем не стоит забывать, что Луна – это часть Земли, она «родилась из ее ребра». Многое из того, что мы хотели бы узнать о «юных летах» Земли, мы могли бы спросить у Луны. Чем больше мы постигаем ее, тем больше понимаем и нашу собственную планету.