Текст книги "Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба"

В гипотезе Дарвина, к которой мы будем возвращаться, поскольку она чрезвычайно важна для всего, что мы знаем о Луне, есть две главные составляющие. Во-первых, он предполагает, что когда-то Земля вращалась вокруг своей оси так быстро, что от нее оторвался значительный кусок, который затем каким-то образом вышел на орбиту. Во-вторых, он доказывает, что этот кусок – Луна – должен был вызывать внутри Земли гигантские приливы и что эти приливные вздутия тянули за собой Луну. Луна, уже находящаяся на расстоянии нескольких земных радиусов от Земли, под действием приливных сил удалялась бы все дальше, закручиваясь от вращения планеты и выходя, как лассо, на все более высокие орбиты. Луна, оказавшаяся на расстоянии меньше чем в несколько радиусов, согласно этой теории, упала бы обратно.

Луна.

NASA/GSFC/ASU

Временно отставив эту проблему, Дарвин рассудил, что радиус лунной орбиты содержит информацию о возрасте Луны, если мы высчитаем влияние приливной силы во времени. Он оценил, что Луне понадобилось бы 56 млн лет, чтобы быть вытянутой на свою сегодняшнюю орбиту высотой в 60 земных радиусов, хотя и оговорил в своей статье, что это скорее догадка, основанная на плохо известных параметрах. Поскольку он переоценил приливную силу, его возраст Луны оказался заниженным в десятки раз и случайно совпал с результатом Кельвина[75]75
  Он оценивал приливную диссипацию внутри Земли, опираясь на современное состояние континентов и океанов. Чтобы затаскивать эти океаны на побережье и возвращать обратно, требуется много энергии, так что диссипация велика, как и скорость расширения орбиты. Но бóльшую часть геологической истории Земли на ней был только один суперконтинент и один суперокеан (или просто океан без каких-либо континентов), так что диссипация была меньше.


[Закрыть]. Это потрясающий пример трех согласующихся между собой научных оценок, которые были сделаны на основе совершенно независимых предположений, и все оказались неверными.

Кельвин провел почти весь остаток своей бесспорно блестящей карьеры, отбиваясь от новомодных идей. К 1920-м гг. анализ содержания свинца, который является продуктом распада радиоактивного урана, позволил оценить возраст некоторых горных пород в несколько миллиардов лет. В 1950-х с помощью виртуозных лабораторных опытов геохимик Клэр Паттерсон из Калифорнийского технологического института доказал, что в смысле механизма накопления свинца земные горные породы аналогичны некоторым примитивным метеоритам. Это подразумевает, что возраст основной массы Земли – если не обращать внимания на разнообразные последствия тектоники плит – примерно такой же, как у них. Он определил возраст Земли в 4,55 млрд лет[76]76
  Для этих измерений проблему представляло загрязнение свинцом, ведущее к большим погрешностям в рассчитанном возрасте, так что Паттерсон разработал протокол организации чистой комнаты для определения свинца. В результате он стал ведущим специалистом по повсеместному распространению в окружающей среде промышленного свинца, о котором до этого никто и не подозревал. Это привело к тому, что из бензина, красок и муниципальных систем водоснабжения были устранены токсичные свинцовые примеси.


[Закрыть], с точностью примерно в 1 %. Это значение выдержало проверку временем.

Самые древние горные породы чисто земного происхождения были обнаружены в холмах Джек-Хиллс в Западной Австралии. Они принадлежат к первому геологическому эону – катархею (гадею) – и содержат кристаллы циркона, возраст которых можно надежно определить[77]77
  Циркон – это силикатный минерал ZrSiO₄, в состав которого входит элемент цирконий Zr. Циркон формируется при высокой температуре и сохранился в некоторых самых древних горных породах не только на Земле, но и в лунных образцах и древних метеоритах. Когда циркон кристаллизуется, уран встраивается в его решетку в измеримых количествах, но со свинцом этого не происходит. Таким образом, получается великолепный хронометр. (Уран совместим с этой кристаллической структурой, замещая Zr и, следовательно, оказываясь в кристаллах. Свинец несовместим и не находит себе в них места; таким образом любой свинец, который вы обнаружите в кристалле циркона, образовался в результате ядерного распада.)


[Закрыть] в 4,4 млрд лет. Для сравнения: самые древние материалы в самых древних метеоритах отстоят от нас на 4,5672 млрд лет, хотя четвертый знак после запятой еще вызывает сомнения. Возраст большинства метеоритов находится в пределах нескольких миллионов лет от этого значения, известного как t0 (нулевой отсчет). Сравнительно небольшие возраста можно определить путем измерения содержания короткоживущих радионуклидов, которые постоянно возникают и распадаются. Например, углерод ¹⁴C образуется в верхних слоях атмосферы из-за космической радиации и участвует во всех процессах, где задействован углерод; период его полураспада составляет примерно 6000 лет. Это изотопные часы с одним из самых коротких циклов[78]78
  Еще один подход называется датированием по следам распада. Когда ядра урана внутри силикатного кристалла разрушаются, они испускают частицы, которые повреждают кристаллическую решетку. Следы распада можно увидеть под микроскопом как свидетельства прошедшего времени, миллиардов лет. Также можно поискать следы космического излучения; они могут рассказать, как долго будущий метеорит находился на поверхности астероида, Луны или другого не имеющего атмосферы тела, подвергаясь воздействию быстрых нейтронов и других высокоэнергетических частиц, которые пробивают слой камня на десятки сантиметров вглубь и вызывают радиационные повреждения. Кстати, именно поэтому любому долговременному убежищу для астронавтов нужна защита от излучения, эквивалентная метровому слою камня.


[Закрыть].

Геологические события от архея до раннего протерозоя остаются такими же неясными, как стертые рисунки на песке. Для них почти нет хронометрических методов, которые могли бы служить надежными часами[79]79
  Тем не менее забавно, что при этом мы способны восстановить последовательность событий, происходивших в маленькой долине в течение двух часов в тот день, когда упал метеорит, вызвавший событие К/Т!


[Закрыть]. Но то, что их история не была записана, не означает, что эти миллиарды лет были скучными. Напротив, происходило очень многое: формировались континенты, началось движение тектонических плит, эволюционировала жизнь, сталкивались кометы и астероиды. Мы просто пока не можем датировать эти события. Все, что происходило тогда, миллиарды лет назад, оказалось поглощено конвейером тектоники плит и субдукции с уцелевшими тут и там фрагментами, собрать которые в мозаику – безнадежная задача. Поскольку во время катархея Земля подвергалась безжалостным бомбардировкам, кое-что из самого древнего земного вещества попало и на Луну, где мы можем его поискать.

* * *

Подобно деталям руин древней столицы, рухнувшие монументальные идеи подбираются следующими поколениями и составляются в более устойчивые теории. Идеи никогда не отбрасываются окончательно, для них находятся новые задачи, они приспосабливаются к чему-то, что может работать лучше. Так происходит движение вперед. Обширную коллекцию логических элементов, соотношений и фактов, таких как тепловые модели Кельвина или приливная модель Дарвина, можно сравнить с колоннами, капителями и замковыми камнями, которые пошли на строительство теории: вы используете их снова и снова. Теория, которая связывает их воедино, может развалиться, но составляющие ее элементы останутся верными.

Некоторые монументальные идеи не являются ни правильными, ни неправильными, потому что мы не понимаем, как их оценить. Одна из таких идей, для оценки которых нам не хватает широты обзора, – это темная материя. Другая, менее глобальная, – это идея о геометрической закономерности расположения планет. Кажется, она имеет под собой реальную основу, но, возможно, дело обстоит не совсем так; не исключено, что у нее есть какая-то физическая подоплека, но кто знает, кто знает…

В «Тайне мироздания» Кеплер писал, что орбиты планет находятся на концентрических сферах, вписанных в правильные многогранники, и причиной этого могла быть только воля Бога. В XVIII в. популярность обрела другая математическая прогрессия, которая имеет более прочное физическое основание; мы называем ее правилом Тициуса – Боде[80]80
  Правило названо в честь опубликовавшего его физика и математика Иоганна Тициуса из Виттенбергского университета, а также человека, который популяризовал эту теорию, – Иоганна Боде, директора Берлинской обсерватории.


[Закрыть]. Если взять ряд чисел 0, 3, 6, 12, 24, 48, 96, где каждое следующее (за исключением первых двух) удваивает предыдущее, прибавить к ним по 4 и поделить на 10, то полученные результаты достаточно точно соответствуют радиусам орбит известных планет. По этому правилу расстояния между Солнцем и планетами от Меркурия до Сатурна должны быть 0,4, 0,7, 1,0, 1,6, 2,8, 5,2 и 10,0 а.е. В действительности они равны 0,4, 0,7, 1,0, 1,5, 5,2 и 9,5.

Если вы очень хотите найти какую-то закономерность, вы ее найдете – в этом люди мастера. Более того, отыскивая эти закономерности, мы склонны не обращать внимания на пробелы. Например, чуть выше вы могли не заметить, что предсказанной правилом Тициуса – Боде планеты, отстоящей от Солнца на 2,8 а.е., не существует. В этом смысле «Тайна мироздания» работает лучше: по сфере на каждую планету. Совершенное в 1781 г. открытие Урана, первой новой планеты со времен античности, стало одновременно впечатляющим событием и поворотным моментом. Уран оказался гораздо больше Земли, а радиус его орбиты, оцененный в 19,2 а.е., был близок к предсказанному значению 19,6 а.е. Правило Тициуса – Боде было подтверждено, но не доказано. Для него по-прежнему не существовало физического объяснения, и с ним имелась еще одна проблема: ряд чисел бесконечен. Наконец, астрономам не хватало планеты на расстоянии в 2,8 а.е. Охота началась.

Члены одного из более формальных объединений астрономов назвали себя «Небесной полицией» (Der Himmels Polizei). Возглавлял его венгерский барон Франц фон Цах. Они разделили небо на 24 квадрата и скрупулезно обыскивали каждый из них; другие не менее амбициозные группы занимались тем же самым. Но честь совершить открытие выпала священнику, отцу Джузеппе Пиацци, который вовсе не собирался искать какую-то отсутствующую планету, но прилежно трудился над новым звездным каталогом для Палермской обсерватории.

1 января 1801 г. Пиацци сделал в своем рабочем журнале запись об открытии «чего-то получше кометы» – блуждающей звезды, возможно планеты. Он намеревался сохранить это открытие в тайне до тех пор, пока не сможет подтвердить его дальнейшими наблюдениями, но коллеги прознали о случившемся, и Пиацци пришлось поспешить, чтобы первым сообщить о собственном достижении. К февралю он уже оценил радиус орбиты новой планеты – примерно 2,8 а.е.! Но после этого Пиацци потерял находку из виду: она переместилась на дневное небо, поскольку Земля обращается вокруг Солнца быстрее. Нескольких проведенных им наблюдений не хватало для надежного предсказания, где и когда следует искать новую планету. В эпоху до изобретения астрофотографии в качестве доказательства открытия у него были только рабочие заметки.

Это вылилось в настоящий астрономический кризис: предсказанная правилом Тициуса – Боде недостающая планета потерялась! Наступило время, когда она должна была вернуться на ночное небо, но никто не мог ее найти, поэтому возникли сомнения в самом ее существовании. Происходящее стало вызовом для Карла Фридриха Гаусса, юного гения 20 с небольшим лет, который решил проблему за несколько недель, разработав метод наименьших квадратов для предсказания будущих данных по результатам уже проведенных наблюдений. (Этот случай стал не первым и не последним, когда нужды астрономии стали причиной значительных математических достижений; более свежий пример – повреждения аппарата «Галилео», которые потребовали изобретения графического формата jpeg.)

Метод наименьших квадратов лежит в основе современного анализа данных и даже искусственного интеллекта. Предположим, что у нас есть математическая модель – в данном случае законы Кеплера, – предсказывающая, где Церера окажется в какой-то момент. Если вы точно знаете, где Церера была в прошлом, тогда законы Кеплера точно сообщат, где она найдется в будущем. Но в действительности у вас есть только несколько измерений того, где она была, и эти измерения содержат погрешности. Каким будет ваше лучшее эмпирическое предположение? Гаусс вычислил орбиту Цереры, сведя к минимуму сумму квадратов отклонений (как следует из названия его метода) между предсказанными данными и результатами наблюдений. Он указал астрономам, где искать, и Цереру, как вскоре был назван этот астероид, снова нашли.

После всех этих перипетий новая планета оказалась гораздо меньше Луны[81]81
  Когда планеты не разрешены, то есть выглядят просто как точки света, мы можем судить об их размере только по яркости свечения, поскольку чем больше их площадь, тем больше солнечного света они отражают. Но яркость зависит и от их альбедо – от того, насколько светлым или темным является их вещество (то есть снег ли это, грунт или уголь). Церера значительно темнее Луны, а ее диаметр в четыре раза меньше.


[Закрыть]. Вскоре на том же расстоянии от Солнца, предсказанном правилом Тициуса – Боде, обнаружились другие объекты, ни один из которых не был больше Цереры. Гаусс обозвал их «парой комков грязи, которые мы зовем планетами». Главный пояс астероидов, как его в итоге назвали, является расположенной между Марсом и Юпитером областью скопления малых небесных тел, которые позднее были объявлены остатками некой разрушенной планеты. (Какой-то из вариантов этой идеи может в итоге оказаться верным, хотя, как мы увидим далее, в этой истории замешаны перемещения Юпитера и Сатурна, происхождение Марса и исчезновение сотен существовавших первоначально астероидов размером с Цереру.)

Потом был открыт Нептун, еще одна планета-гигант, на этот раз отстоящая от Солнца на 30 а.е. – неправильный ответ. Правило Тициуса – Боде предсказывало 39 а.е.! Затем обнаружился Плутон с орбитой радиусом 40 а.е. (в среднем она имеет большой эксцентриситет), тогда как должен был оказаться в 77 а.е. от светила. Но даже когда правило Тициуса – Боде рушилось на глазах, все соглашались, что идея о геометрически правильном расположении планет соответствует некой физической реальности. В конце концов, закон всемирного тяготения Ньютона – это геометрический закон; возможно, он каким-то образом заставляет планеты формироваться на определенном расстоянии от Солнца. Если одна планета появляется на расстоянии x, возможно, это влияет на планетообразование по соседству, устанавливая промежуток до следующей планеты. Если каждый такой промежуток должен быть в два раза шире предыдущего, мы получаем ряд, напоминающий правило Тициуса – Боде: x, 2x, 4x, 8x… Вместо того чтобы отбрасывать имеющуюся закономерность, мы можем модифицировать ее или искать ей объяснение, поглубже зарывшись в физику.

По причинам, которые я объясню позже, сейчас мы считаем, что планеты сильно смещаются с той орбиты, где образовались. Таким образом, правило Тициуса – Боде, если оно вообще применимо, описывает не место формирования планеты, но ту орбиту, которую она в конце концов занимает. Кроме того, геометрическая прогрессия должна где-то закончиться: какая-то планета обязана быть последней. Сегодня передовым краем в изучении правила Тициуса – Боде является поиск геометрических закономерностей в расположении орбит и величине пропусков в других планетных системах[82]82
  Мы не видели большинство планет во многих системах. Поскольку информация не полна, при определенной подгонке (подобно тому, как первый ноль без достаточных оснований соединяется с прогрессией 3, 6, 12, …, чтобы включить Меркурий в правило Тициуса – Боде), больших измерительных и других ошибках, а также допуске некоторых исключений (например, астероидов) правило Тициуса – Боде можно применить практически к любой системе. В системе экзопланет, обнаруженной методом прохождений, мы можем и не увидеть планету размером с Нептун, орбита которой наклонена по отношению ко всей системе. В одной статье на основании правила Тициуса – Боде (или его вариантов) были сделаны предсказания положения определенного числа недостающих планет, и в нескольких случаях их там и обнаружили!


[Закрыть].

* * *

Ночное небо не слишком изменилось за последнюю сотню миллионов лет. Луна была на процент-другой больше и на процент-другой ближе, а месяц – на день короче. Кратер Тихо только что сформировался, украсив заметными и сегодня лучами изверженной породы всю видимую сторону. Но с того времени, как появились млекопитающие, рисунок небес оставался одним и тем же, за исключением случайных комет и астероидов, циклических изменений наклона земной оси (направления на север), а также появления и исчезновения каких-нибудь сверхновых, красных гигантов или туманностей в нашем звездном окружении. Переведите часы гораздо дальше назад, как это делал Джордж Дарвин, и созвездия станут неузнаваемыми, а Луна приблизится в пять раз. Еще раньше Луна была в десять раз ближе, а до этого – в двадцать раз, и наконец мы доберемся до дня, когда Земля и Луна появились на свет.

Если углубиться в историю еще дальше, мы увидим гигантские столкновения, которые меняли форму участвовавших в них тел. До того были зарождение Солнца, конденсация его материнского облака, которое дало жизнь целой семье звезд, и появление самой нашей галактики. Об этом, по большому счету, должна рассказать любая книга по астрономии, поэтому давайте устроим небольшое путешествие к началу времен, когда Вселенная начала поглощать саму себя. Кварки и электроны за несколько минут объединились в первые атомы, и так началось восхождение материи к узнаваемым для нас формам.

Пока в течение следующих нескольких миллионов лет разгорался космический рассвет, случайные неоднородности приводили к тому, что некоторые регионы становились более плотными, чем другие, и в «местном» масштабе их сила тяготения начинала действовать против энергии расширения, создавая триллионы первоначальных галактик, словно пену на волнах штормового моря. Расширение продолжалось, галактики развивались, а Вселенная успокаивалась. Одна за другой галактики поглощали друг друга – примерно так, как планеты сливались в гигантских столкновениях, – пока к сегодняшнему дню[83]83
  Однажды ночью мне в голову пришел такой вопрос: существует ли такая вещь, как «сегодня», раз с чьей-то точки зрения мы всегда находимся в прошлом?


[Закрыть] их не осталось около 100 млрд[84]84
  Словом γᾰλαξίας, «галаксиас», греки называли Млечный Путь. Оно произошло от греческого слова γάλα, «молоко», в честь разлившегося по небу молока Геры.


[Закрыть].

Один из первых фактов, который вы узнаете при изучении астрофизики, – это то, что гравитация нестабильна. То, когда и как она нестабильна, определяет структуру, распределение и массы галактик, звезд, планет, спутников, комет и астероидов. Если бы гравитации было слишком много, что эквивалентно слишком большой массе, Вселенная сколлапсировала бы обратно в сингулярность как лопнувший мыльный пузырь. (Возможно, среди сделавших попытку зародиться мультивселенных это случается сплошь и рядом.) Если же гравитации не хватает, результат первоначального взрыва может расширяться непрерывно без какой-либо агрегации. (Возможно, такое тоже происходит очень часто, если вы верите в мультивселенные, а может, и независимо от вашей веры.) Вместо этого Вселенная (по крайней мере, наша вселенная) была создана с так точно сбалансированной гравитацией, что коллапсировать начали локально более плотные регионы, но не вся структура в целом, и этот процесс шел в целом каскаде самых различных масштабов, определявшихся напряжением в зарождавшемся мироздании.

Возвращаясь к планетообразованию, представим себе теоретически бесконечное облако молекул водорода и гелия, готовое к формированию звезд и планет. Его собственная гравитация заставляет его стремиться сколлапсировать, но температура и давление препятствуют этому. Возникает небольшое возмущение: плотность одного региона становится немного больше, чем у других; следовательно, там больше и масса, и гравитация. Это означает, что при остывании облако распадется на сгустки определенного размера, которые будут коллапсировать дальше, чтобы стать звездами[85]85
  В целом любое газовое облако имеет свою скорость звука – например, скорость звука в воздухе на Земле. Она является функцией от температуры и плотности газа. Если газ «густой», со скоростью звука большей, чем скорость коллапсирования, то морщины будут разглаживаться быстрее, чем происходит образование сгустков. Если установить эти параметры равными друг другу (скорость гравитационного коллапса равна скорости звука), это дает характерный линейный масштаб, определяющий массы капель, которым предстоит стать звездами. Именно так работают астрофизика и планетарная геофизика – сравнивая что-то с чем-то и определяя характерные масштабы размеров и времен.


[Закрыть]. Мы считаем, что в результате такого процесса появилось и наше Солнце – как часть зародышевого скопления из сотен звезд, которое рассеялось в ходе двух десятков совместных оборотов вокруг галактического центра, каждый из которых длился 250 млн лет[86]86
  Космический год, один оборот Галактики вокруг своей оси, составляет от 225 до 250 млн лет. Так что за 4,6 млрд лет мы сделали 18–20 оборотов.


[Закрыть]. С тех пор все они перемешались, как изюм в тесте, так что к этой группе могут относиться лишь несколько из ближайших к нам звезд.

Первоначально Вселенная состояла из водорода, гелия и следового количества лития, появившихся в результате слияния барионов сразу после Большого взрыва. Химический состав начал становиться значительно интереснее глубоко в недрах первых звезд. Как будто существовал некий план: немедленно приступить к изготовлению первой порции более тяжелых элементов вроде кислорода, кремния и магния, которые потребовались бы для землеподобных планет и, в конце концов, для зарождения жизни. Все это очень странно.

Первые звезды были огромными с самого своего появления, и в их ядрах в ходе термоядерного синтеза формировались более тяжелые элементы. Это те же самые реакции, которые происходят при взрыве водородной бомбы, но внутри звезды их причиной является постоянное воздействие немыслимого давления и температуры, достигающей десятков миллионов градусов. Термоядерный синтез идет и внутри Солнца, превращая в гелий 600 млн тонн водорода в секунду. За эту же самую секунду 4 млн тонн массы исчезают, превращаясь в энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна E = mc², где m – это масса, а c – скорость света. Согласно вызывающим доверие моделям, звезды солнечного типа могут поддерживать термоядерный синтез примерно в течение 10 млрд лет, так что у нас в запасе есть еще пять.

Более массивным звездам первого поколения повезло меньше. Они горели в сотни раз жарче и быстрее, а когда топливо кончалось, их ядра коллапсировали и взрывались. Миллиарды звезд лопались, как воздушная кукуруза, выбрасывая фонтаны звездной пыли, состоящей из углерода, азота, кислорода, кремния, магния, фосфора и железа, которые стали строительными материалами для горных пород, льда, планет, океанов и людей. Это необычайно масштабное, разрушительно радиоактивное событие схлопывания звезды называется сверхновой. Именно в расширяющейся оболочке этого гигантского попкорна происходит чудо формирования всех богатств космохимии. Но пока давайте сосредоточимся на звездах солнечного типа, которые могут создавать долгоживущие планетные системы.

Любой коллапсирующий протозвездный сгусток случайным образом движется в каком-то одном направлении быстрее, чем в других. Сжимаясь, он таким образом начинает закручиваться все быстрее по тем же причинам, которые лежат в основе законов Кеплера – сохраняя при уменьшении размеров момент импульса. Вещество около центра вращается быстрее всего, заставляя сгусток уплощаться в протопланетный диск, богатый льдом и пылью. Центральная область конденсируется во вращающуюся протозвезду, в которой вскоре начинается термоядерный синтез.

Оставшаяся часть истории касается того, как и когда исчезает туманность и как этот диск рассыпается на планеты под влиянием новорожденной звезды. Представьте в центре реки маленький водоворот, который захватывает листья, прутики и водяных пауков, то место в потоке, где отдыхают стрекозы. Аккреция планет начинается подобным же образом, в точке динамического равновесия, где момент импульса заставляет объекты разлетаться, а гравитация их удерживает.

Формирование планет – это история отпускания: момента импульса, газа, спутников. Это филигранная, почти магическая механика: Вселенная собирается в сеть галактик, чьи газовые и пылевые рукава агрегируют дальше в миллиарды сгустков, каждый из которых может стать одной или двумя сияющими звездами, дающими свет и тепло целой системе планет. Мы смогли выяснить подробности того, как это происходит, благодаря наблюдению за звездами вокруг нас с помощью телескопов. Многие из этих звезд похожи на Солнце по массе и составу, но находятся на разных стадиях своего развития. Это все равно что зайти в метро и увидеть там младенцев и стариков, праздных посетителей магазинов и спешащих на работу жителей пригородов – жизнь во всех ее проявлениях.

* * *

Идеи о вращающихся дисках, разбивающихся на отдельные вихри и подвихри, появились, когда в лучшие телескопы начала XVIII в. удалось разглядеть Млечный Путь как скопление отдельных звезд, которые были либо совсем крошечными по сравнению с другими, либо находились во много раз дальше. Звезды в соседних галактиках различить пока было невозможно, но некоторые астрономы уже высказывали предположения, что несколько неясных пятен в небесах – это отдаленные скопления звезд. Жители Европы никогда до того не видели расположенные в небе Южного полушария Магеллановы Облака[87]87
  Магеллановы Облака – наши крупнейшие галактики-спутники. Древние европейские астрономы их не знали. Чтобы их увидеть, до появления астрофотографии приходилось совершать далекое путешествие с дорогостоящим оборудованием.


[Закрыть], которые по своей фактуре напоминали Млечный Путь. Туманность Андромеды[88]88
  Туманность Андромеды, ближайшая к нам независимая галактика, в три раза массивнее нашей, в ней триллион звезд. Хотя Вселенная расширяется, Туманность Андромеды постепенно движется к нам со скоростью 110 км/с. Это означает, что через 4 млрд лет, как раз перед тем, как Солнце превратится в красного гиганта, она столкнется с нашей Галактикой.


[Закрыть] и несколько других туманностей также имели отчасти «молочный» вид и, как казалось, спиральную структуру.

Немецкий философ Иммануил Кант выдвинул гипотезу, что это островные вселенные (теперь мы называем их галактиками), и утверждал, что система обращающихся вокруг Солнца планет первоначально сформировалась как одна из таких спиралей, с планетами, которые возникали как уплотнения в протопланетном диске[89]89
  Более математически проработанный вариант этой модели, включающий в себя предсказание масс планет, был предложен прославленным французским математиком Пьером-Симоном де Лапласом в 1790-е гг.


[Закрыть]. Хотя детали ему и не дались, Кант был прав в том, что момент импульса сплющивает коллапсирующее газовое облако в протопланетный диск. Но идея, что Туманность Андромеды и другие туманности являются системами планет, оказалась слишком простой. Не думаю, что Кант мог даже подозревать, что каждая из них в действительности представляет собой сотни миллиардов планетных систем, каждая со своей пылающей звездой.

Одна из первых проблем с теорией конденсации туманностей состояла в том, что Солнце в конце концов должно было начать вращаться вокруг своей оси с периодом в несколько часов, совсем как сгруппировавшаяся фигуристка. Но у соседних звезд период вращения составляет от одного до десяти дней, а Солнце совершает всего один оборот за 25 дней. У в тысячу раз более легкого Юпитера момент импульса, заключенный в его орбитальном движении, в 20 раз больше. На самом деле, если вы каким-то образом вольете все планеты в состав Солнца, собрав их моменты импульса воедино, масса звезды изменится всего на 0,2 %, но она закрутится так, что будет совершать один оборот за день. Каким же образом Солнце потеряло свой момент импульса?

Возможно, ответ связан с мощными магнитными полями молодых звезд, которые вращаются вместе с ними так же, как магнитное поле Земли вращается вместе с нашей планетой. Когда такое магнитное поле звезды вращается, оно проносится через газово-пылевой протопланетный диск, который ионизирован[90]90
  Ионизированный атом избавлен от одного или более электронов; таким образом он приобретает общий положительный заряд.


[Закрыть] (электрически заряжен) под действием звездного излучения. Магнитное поле звезды взаимодействует с заряженными частицами пыли и плазмы, цепляясь за них, как гигантский дисковый тормоз. Это сцепление магнитного поля и заряженной материи приводит к турбулентному нагреву. Вращение внутреннего диска резко ускоряется, отбрасывая вещество прочь от Солнца, открывая внутреннюю щель и становясь причиной как бурного перемешивания, так и самых разных химических процессов. Поскольку каждому действию имеется равное ему противодействие, вращение звезды замедляется.

Еще одно противоречие в первоначальной модели привело к появлению теории гигантских столкновений, описывающей формирование не только Луны, но и любых планет[91]91
  Хол Левинсон (один из авторов модели Ниццы и научный руководитель полета аппарата «Люси») однажды сказал мне: «Дай человеку молоток, и для него все будет выглядеть как гвоздь». На что я ответил: «А все и является гвоздями».


[Закрыть]. К началу ХХ в. ученые уже понимали, что нельзя создать планету, равную по массе Земле, непосредственно из протопланетного диска, потому что воздействие Солнца сделает невозможным аккрецию такого относительно небольшого количества вещества. Те же математические уравнения, которые описывают, как остывающее молекулярное облако распадается на звезды, гласят, что протопланетный диск не может собираться в такие маленькие по массе сгустки, как Земля. На расстоянии 1 а.е. гравитационное воздействие Солнца будет дестабилизировать такие сгустки с той же скоростью, с какой они образуются.

Хотя модель формирования небесных тел из туманностей и пребывала некоторое время в забвении, вытесненная гипотезой звездных столкновений, она снова набрала силу в эпоху после завершения программы «Аполлон». Тогда же она была дополнена рядом все более сложных механизмов, которые очень важны, но не до конца нам понятны: конденсацией первых планетезималей внутри туманности, рассеиванием газа, слиянием планетезималей в разрастающиеся зародыши, а потом и олигархи (крупные предшественники планет), и, наконец, слиянием олигархов на поздней стадии гигантских столкновений.

* * *

XX в. принес в астрономию огромные географические и культурные изменения, а также те самые научные и экономические достижения индустриальной эпохи, которые сделали возможными полеты на Луну. Американский астроном Эдвин Хаббл, имевший неограниченный доступ к первому в мире 2,5-метровому телескопу в обсерватории Маунт-Вилсон неподалеку от Лос-Анджелеса, смог первым рассмотреть самые яркие звезды в тех далеких компактных пятнах, которые позднее стали называть галактиками. Благодаря вышедшей в 1908 г. статье другого американского астронома, Генриетты Ливитт, Хаббл смог оценить расстояние до этих звезд по их яркости.

На самом деле астрономами могли быть только мужчины. Ливитт была одной из ассистенток Гарвардской обсерватории; в ее задачи входило проведение длинных расчетов, а также каталогизация звезд на фотографических пластинах. Занимаясь Магеллановыми Облаками, она заинтересовалась цефеидами – яркими переменными звездами, которые через определенные промежутки времени разгораются то сильнее, то слабее. (Считается, что это происходит из-за слоя ионизированного гелия в их глубине, который становится то более, то менее прозрачным, и потому они то охлаждаются, то нагреваются.) Ливитт обнаружила, что цефеиды, чья яркость меняется с периодом в несколько месяцев, гораздо ярче, чем те, у которых изменения происходят каждую неделю. Она нанесла эту зависимость на график, и с тех пор все, что вам нужно, – это измерить период пульсации цефеиды. После этого вы будете с определенной точностью знать характерную для нее светимость и, таким образом, то, как далеко она находится. Ливитт открыла первые объекты стандартной светимости.

С помощью данных Ливитт и других исследователей объектов стандартной светимости, а также имея неограниченный доступ к новому гигантскому телескопу, Хаббл рассмотрел множество отдельных звезд в звездных туманностях. Хотя он часто принимал скопления за одиночные звезды (отчего они казались гораздо ближе), в 1924 г. Хаббл сумел доказать, что Туманность Андромеды и другие туманности находятся от нас в тысячи раз дальше, чем звезды Млечного Пути. Ливитт умерла до того, как стало ясно истинное значение ее работы.

Эти туманности не просто находятся гораздо дальше: чем отдаленнее галактика, тем краснее ее звезды[92]92
  Как обсуждается ниже, свет от звезды представляет собой не непрерывный спектр. Линии поглощения и излучения соответствуют определенным энергетическим переходам в атомах гелия, водорода, кальция, железа и других элементов. Поэтому, чтобы количественно оценить красное смещение, ученые замеряют сдвиг узнаваемых спектральных линий.


[Закрыть]. Это заставило Хаббла предположить, что Вселенная расширяется, что все удаляется от всего[93]93
  Согласно современной космологии, пространство со временем расширяется повсюду. Свет не распространяется относительно нас с большей длиной волны, как это происходит, когда вдоль улицы катится вой сирены: ее тон выше, когда машина едет к нам, и ниже, когда от нас. Вместо этого световые волны разрежаются по мере движения, потому что пространство, в котором они движутся, расширяется. Чем дольше они путешествуют сквозь космос, тем сильнее удлиняются. Это и называется красным смещением, которое отличается от эффекта Доплера.


[Закрыть], вызывая «красное смещение» самых отдаленных объектов, которые двигаются быстрее всех. Пространство само по себе расширяется, поэтому световые волны вытягиваются в более длинные, то есть более красные волны. Хаббл вычислил, как быстро растет скорость расширения с расстоянием; современное значение постоянной Хаббла составляет примерно 70 км/с на 1 млн парсеков. (Один парсек равен 3,26 светового года. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за один год, то есть 9,5 трлн километров.) Если Вселенная расширяется равномерно, то ее возраст вычислить несложно: это единица, поделенная на это число. Если перевести секунды в годы, вы получите около 14 млрд лет.

Если вернуться на Землю, геологам понравился тот промежуток времени, который подразумевала гипотеза Хаббла[94]94
  По иронии судьбы первая оценка Хаббла для этой постоянной переоценила скорость расширения почти в десять раз. Получалось, что возраст Вселенной составляет менее 2 млрд лет. Это вызывало вопросы, потому что к концу 1920-х гг. радиоизотопное датирование по свинцу уже показало, что самые древние горные породы и метеориты в два раза старше. Другая отрасль астрофизики тоже свидетельствовала, что 2 млрд лет – слишком короткий срок, поскольку по термоядерной модели эволюции звезд самые старые звезды были на десятки миллиардов лет старше! Выяснилось, что Хаббл неверно интерпретировал расстояние до галактик (ошибившись где-то в десять раз), не поняв, что некоторые из объектов в соседних галактиках являются не звездами, а скоплениями из тысяч звезд.


[Закрыть], но их огорчило, что ни одна из видимых туманностей не была примером формирования планетной системы. Если судить по объектам стандартной светимости, эти туманности находились в миллионы раз дальше и, следовательно, были в миллионы раз больше, чем планетные системы. Это впечатляло, но никак не относилось к делу. Если гипотеза об образовании небесных тел из туманностей верна, разве мы не должны видеть какие-то протопланетные диски?

Одно из возможных объяснений состоит в том, что процесс формирования планет уже повсеместно завершен, совсем как в Книге Бытия. Другой вариант – этот процесс является уникальной особенностью Солнечной системы. Выяснилось, что оба эти предположения неверны. Около соседних звезд есть протопланетные диски, но, в отличие от галактик, их существование скоротечно. Поскольку они состоят изо льда, пыли и холодного газа, их видно, только когда они подсвечены звездой, а с ребра они вообще непрозрачны. Нельзя просто направить телескоп на звезду возрастом в миллион лет и увидеть диск формирующихся планет; о его наличии приходится судить по косвенным признакам.

Сегодня мы считаем, что образование планет вокруг звезд солнечного типа завершается за период от нескольких миллионов лет до нескольких сотен миллионов лет[95]95
  Радиоизотопное датирование метеоритов и динамическая модель аккреции, описанная позже, дали согласующиеся результаты – от 1 до 3 млн лет для первых планетных тел вроде Марса и Меркурия и от 10 до 100 млн лет для гигантских столкновений, создавших Землю и Венеру. Самые распространенные древние метеориты, хондриты, сформировались в течении первых 0,3–3 млн лет, а самые древние метеориты, среди которых много железных, а также богатые кальцием и алюминием включения внутри первичных хондритов, образовались за первые 0,3 млн лет.


[Закрыть]. Этот процесс достаточно распространен, но проходит за относительно короткое время, так что вам должно очень повезти, чтобы вы могли его увидеть где-то по соседству. Это сумрачная эпоха в жизни планетной системы, когда тьму разрывают только вспышки от столкновений растущих планет. Все окутано поглощающей свет пылью, через которую пробивается совсем немного сигналов, заметных наблюдателю с Земли.

В отличие от ярких галактических дисков, протопланетные диски состоят из газа, льда и пыли, а потому не излучают света. Однако они нагреваются излучением своей звезды, и потенциально их температура может быть очень высокой – это зависит от расстояния и светопоглощающей способности загораживающих звезду пыли и газа. Протопланетные диски по форме обычно напоминают пончик, и их внутренняя, обращенная к звезде поверхность прогревается до температуры в сотни градусов, испуская инфракрасные лучи (также известные как «тепловое излучение»). Хотя такая звезда может выглядеть как любая другая мигающая точка света, вооружившись инфракрасным спектрометром, вы сможете увидеть то, чего не может различить ваш глаз: это тепло в десятках световых лет от вас.

Стеклянная призма доказывает, что солнечный свет состоит из разных цветов. Хотя Ньютон считал, что цветов семь и они смешиваются в различных соотношениях (вполне аргументированная позиция), в действительности цветов бесконечное множество; сплошной их набор, который называют непрерывным излучением, связан с определенной температурой, которая для нашей звезды составляет примерно 5500 ℃. Спектр – это график, где слева – фиолетовый цвет, а справа – красный. На нем вы можете отметить относительную степень интенсивности каждого цвета. Спектр такой звезды, как Солнце, представляет собой колоколообразную кривую, где в центре находится желтый цвет, а по бокам – меньшее количество красных, зеленых и синих волн. У звезд с протопланетными дисками есть вторая, меньшая колоколообразная кривая, которая достигает пика в инфракрасном диапазоне, который мы видеть не можем, но который фиксирует детектор телескопа. Это отдельная полоса непрерывного излучения, которая соответствует чему-то с температурой в сотни градусов. Такой спектр говорит о наличии двух источников энергии: самой звезды с температурой в тысячи градусов и чего-то теплого и обширного вокруг нее – окружающего ее пылевого диска, который подогревается излучением звезды, мощными столкновениями и распадом радиоактивных элементов.