Текст книги "Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты"

4,5 миллиарда лет назад
Образование колец Сатурна

Ледяная оболочка крупного спутника Сатурна была разорвана приливными силами на множество осколков, из которых постепенно сформировались знаменитые кольца Сатурна.

Планеты Солнечной системы образовались из газопылевого диска, окружавшего новорожденное Солнце. Подобные диски очерчивали и гигантские планеты, которые образовались первыми. Массивные тела, сконденсировавшиеся в этих дисках, стали спутниками планет. Гравитационное взаимодействие с газом, остававшимся в глубинах диска, подталкивало спутники все ближе к материнским планетам. Так было и с огромным спутником Сатурна, планетой диаметром около пяти тысяч километров. Он, вероятно, напоминал Титан (самую крупную луну Сатурна) – большое небесное тело с каменным ядром, покрытым толстым слоем водяного льда.

Через несколько десятков миллионов лет после своего образования этот крупный спутник, постепенно смещаясь к поверхности материнской планеты, пересек предел Роша. Так называется высота, ниже которой внутренние молекулярные силы, связывающие в одно целое твердые породы спутника, оказываются слабее гравитационного воздействия приливных сил, порождаемых гигантской планетой. Для Сатурна эта граница, называемая по имени французского астронома Эдуара Роша, который в середине XIX века вывел для нее уравнение, находится на расстоянии около двух с половиной радиусов планеты от центра Сатурна.

Ледяная оболочка спутника, деформированная мощными приливными силами, взорвалась. Более прочное каменное ядро было поглощено газовым гигантом. От спутника осталось множество осколков льда, которые постепенно сформировали вращающийся вокруг Сатурна диск. Многие из них впоследствии тоже были поглощены планетой. Некоторые обломки, выброшенные за предел Роша, образовали небольшие ледяные луны Сатурна. Те же, что остались ниже предела Роша, сформировали удивительную систему колец, которая своей красотой сводит с ума начинающих астрономов.

Галилей наблюдал Сатурн еще в 1610 году, но из-за несовершенства линз своего телескопа принял систему его колец за два близких спутника. Но в 1656-м голландец Кристиан Гюйгенс убедился, что Сатурн окружают кольца. Таким образом, уже более четырехсот лет кольца Сатурна известны человечеству как одна из самых знаменитых особенностей Солнечной системы. Однако подобные кольца обнаружены и вокруг других гигантских околосолнечных планет. Они значительно менее массивны, и их очень трудно увидеть с Земли. Астрономы недавно начали находить кольца и вокруг других объектов Солнечной системы – например, вокруг карликовой планеты Хаумеа или астероида Харикло, самого маленького из известных небесных тел, окруженных поясом. Кольца обнаруживаются и вокруг некоторых экзопланет.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование планет (4,57 миллиарда лет назад)

4,4 миллиарда лет назад
Образование облака Эпика – Оорта

Под влиянием гравитации планет-гигантов и многочисленных близкорасположенных звезд небольшие тела Солнечной системы рассеялись и образовали огромное облако.

Через десять миллионов лет после начала образования планет газопылевой диск, то есть та самая плацента, которая обеспечила питанием зародыши планет, начал постепенно рассеиваться. Планеты-гиганты, уже сформировавшиеся к этому моменту, эволюционировали внутри диска, в котором оставались неиспользованные остатки материи. Наблюдения, как правило, в инфракрасном спектре позволили астрофизикам обнаружить аналогичные «постпланетарные» диски вокруг многих молодых звезд. Пост-планетарный диск, вращавшийся вокруг Солнца, состоял из зернистой пыли, довольно большого количества газа и значительного числа планетезималей – небольших тел, не успевших преобразоваться в планеты. Весь этот материал находился на расстоянии около сорока астрономических единиц от Солнца.

Много мелких небесных тел было выброшено за пределы Солнечной системы и в результате гравитационного взаимодействия планет-гигантов. Такие тела обращались вокруг Солнца по очень вытянутым орбитам, пролегавшим далеко на окраинах Солнечной системы. В ту эпоху звезды, сформировавшиеся одновременно с Солнцем, еще образовывали небольшое скопление, не успевшее рассеяться. Поэтому звездная плотность уголка галактики, в котором находилась Солнечная система, была все еще очень высокой: больше одной звезды на один кубический световой год. То одна, то другая звезда то и дело пролетали в окрестностях Солнечной системы. Их гравитационное воздействие на орбиты планетезималей приводило к тому, что на дальних окраинах Солнечной системы в конце концов образовалось внушительное скопище небольших небесных тел, известное в наши дни под названием «облако Эпика – Оорта».

Эстонский астрофизик Эрнст Эпик и голландский ученый Ян Оорт независимо друг от друга (Эпик еще в 1932 году, а Оорт в 1950-м) выдвинули гипотезу о том, что кометы с большим периодом обращения приходят из кометного облака, находящегося далеко за орбитой Плутона. Сегодня эта гипотеза подтверждена: облако Эпика – Оорта оказалось настоящим хранилищем комет, вмещающем больше тысячи миллиарда малых тел. Эти тела слабо связаны с Солнцем и находятся во власти внешних гравитационных воздействий, иногда забрасывающих их внутрь Солнечной системы, куда они являются в виде кометных ядер. Малые тела из облака Эпика – Оорта состоят в основном из всевозможных летучих веществ, находящихся в твердом состоянии, так называемых льдов. Общая масса облака составляет несколько земных; оно представляет собой огромную структуру, граница внутренней части которой, имеющей форму диска, лежит в тысяче астрономических единиц от Солнца, а внешняя часть, сферическая, заканчивается на расстоянии двухсот тысяч астрономических единиц от Солнечной системы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Рождение Солнца (4,57 миллиарда лет назад)

Образование пояса Эджворта – Койпера (3,8 миллиарда лет назад)

4 миллиарда лет назад
Последняя метеоритная бомбардировка

Миграция планет-гигантов за пределы тех участков в пространстве, где они образовались, дестабилизирует Солнечную систему и провоцирует столкновения малых тел с теллурическими планетами.

Все больше планетологов считают, что спустя сотни миллионов лет после их образования четыре теллурические планеты и примкнувшая к ним Луна пережили период, в течение которого количество их столкновений с малыми телами резко возросло. В процессе своего образования планеты часто сталкиваются с телами меньшего размера – это естественно. Однако в начале 1970-х годов, когда астронавты трех последних миссий «Аполлон» собрали образцы лунных пород по соседству с Морем Дождей, Морем Нектара и Морем Спокойствия – тремя огромными впадинами, возникшими в результате ударных взаимодействий с крупными объектами, – то после датировки доставленных на Землю образцов, выяснилось, что эти столкновения произошли намного позднее начальной эпохи формирования планет. Это случилось около четырех миллиарда лет назад, в ходе метеоритной бомбардировки.

Причины поздней мощной бомбардировки объясняет «модель Ниццы», сценарий эволюции Солнечной системы, разработанный в обсерватории на Лазурном берегу. Согласно этой модели, четыре планеты-гиганта в эпоху своего образования находились гораздо ближе друг к другу, чем сейчас. Самая далекая тогда от Солнца планета, Уран, формировалась вблизи внутренней границы диска, насыщенного планетезималями. За счет гравитационного взаимодействия с мелкими телами на внутренней границе этого диска, четыре гиганта начали долгую миграцию: вовне – Сатурн, Нептун и Уран; внутрь, менее значительную – Юпитер. Несколько сотен миллионов лет спустя период обращения Юпитера вокруг Солнца стал равен половине периода обращения Сатурна.

Через полмиллиарда лет после окончания формирования Солнечной системы резонанс, возникший между двумя самыми массивными планетами, привел к возникновению интенсивного хаотического движения. Сатурн, выброшенный на окончательную орбиту, вступил в гравитационное взаимодействие с Нептуном и Ураном. Последние оказались вытеснены на значительно более вытянутые, чем прежде, орбиты. Они погрузились в диск планетезималей и нарушили устоявшиеся орбиты множества мелких тел, большинство из которых оказались просто выброшены за границы Солнечной системы. Но часть этих тел, наоборот, попала внутрь, на четыре теллурических планеты и Луну. Так началась метеоритная бомбардировка. Ее следы до сих пор заметны в виде огромных ударных кратеров на лишенных атмосферы Меркурии и Луне. А на Земле кратеры оказались скрытыми под водой, вероятно, уже содержавшей пребиотические материалы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Захват Тритона Нептуном (3,9 миллиарда лет назад)

Образование пояса Эджворта – Койпера (3,8 миллиарда лет назад)

3,9 миллиарда лет назад
Захват Тритона Нептуном

Мигрируя от места своего рождения наружу из Солнечной системы, Нептун прихватил с собой карликовую планету Тритон, ставшую его спутником – и это объясняет ретроградное движение последнего.

До того как Юпитер и Сатурн вошли в резонанс, Нептун вращался по квазикруговой орбите гораздо ближе к Солнцу, чем сегодня. Но в результате мощного возмущения, произведенного резонансом массивных гигантов, орбита Нептуна стала более эксцентричной, и он проник довольно глубоко внутрь диска планетезималей – «отходов», оставшихся после образования планет. Вероятность захвата им проходящего мимо небесного тела заметно возросла, хотя даже для такого массивного тела, как Нептун, это не просто.

Согласно исследованиям, проведенным астрофизиками, самая благоприятная ситуация могла сложиться в момент встречи гиганта с двойными планетезималями. Взаимодействуя с подобной системой, Нептун мог легко захватить более массивное из тел двойной системы, и его избыточная энергия перешла бы к спутнику. Последний за счет этой энергии оказался бы выброшен из системы. В диске планетезималей, в который забрался Нептун, как раз было много двойных карликовых планет. Помимо известной пары Плутон – Харон, большинство известных сегодня карликовых планет, вращающихся за орбитой Нептуна и получивших название «плутино», имеют по одному-два спутника – например, у карликовой планеты Хаумея их два, у Эриды и Макемаке – по одному.

Итак, одна из этих карликовых планет вместе со своим спутником могла на небольшой скорости проникнуть в область гравитационного влияния Нептуна. Спутник был отброшен, а планета осталась в зоне влияния гиганта и сегодня известна нам как Тритон. Это самая крупная луна Нептуна: ее диаметр равен двум тысячам семистам километрам. Открыл эту огромную луну в 1846 году, всего через семнадцать дней после обнаружения Нептуна немецким астрономом Иоганном Галле, британец Уильям Лассел. Ученый работал в Берлинской обсерватории и изучал тот участок неба, в котором, по мнению французского исследователя Урбана Леверрье, могла находиться планета, искажающая своим притяжением орбиту Урана. Тритон, кроме всего прочего, оказался единственный крупным спутником планеты Солнечной системы, движущийся по орбите ретроградно – против направления вращения материнской планеты. Эта особенность подтверждает, что Тритон не является классическим спутником, сформировавшимся вместе с Нептуном. Его сходство с Плутоном скорее показывает, что он действительно захваченный Нептуном плутино.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Последняя метеоритная бомбардировка (4 миллиарда лет назад)

Образование пояса Эджворта – Койпера (3,8 миллиарда лет назад)

3,8 миллиарда лет назад
Извержение на Марсе

Гора Олимп на Марсе – самый высокий вулкан Солнечной системы. Его название происходит от Nix Olympica (Снега Олимпа), самой светлой области планеты, обнаруженной в XIX веке Джованни Скиапарелли.

Масса Марса в десять раз меньше, чем у Земли, и у него нет механизма тектоники плит, который есть у Земли. На Земле перемещение литосферных плит, между которыми расположены «горячие точки» выхода магмы на поверхность планеты, приводит к образованию горных вулканических цепей, состоящих из многих десятков кратеров. В северной части Тихого океана Гавайский архипелаг, образовавшийся над Гавайским разломом, маркирует границу тихоокеанской плиты. Движение плит ограничивает период активности той или иной вулканической гряды несколькими миллионами лет. На Марсе вулканическая деятельность выглядит совершенно по-другому – там нет тектонических плит, и магма могла миллиарды лет выливаться на поверхность в одной точке. Кроме того, на поверхности Марса не действуют механизмы выветривания и эрозии, выравнивающие земные горы, поэтому там вполне могут существовать огромные вулканы.

Именно таким вулканом и является Олимп, самая заметная гора на Красной планете. Его образование восходит к эпохе поздней метеоритной бомбардировки; его история продолжалась миллиарды лет и отмечена множеством извержений, самое значительное из которых случилось сотни миллионов лет назад. Космические наблюдения показали, что самые недавние следы активности на вершине Олимпа возрастом около ста миллионов лет. Но в 2004 году европейский зонд Mars Express обнаружил на склонах Олимпа потоки лавы возрастом всего в два миллиона лет – это значит, что вулкан, возможно, все еще активен.

3D-изображение горы Олимп, созданное с помощью многочисленных снимков с борта американского зонда Mars Global Surveyor. Некоторые исследователи считают, что Олимп образовался под слоем льда толщиной примерно в три километра: потоки лавы нагромождались друг на друга, образуя склон, сохранившийся после исчезновения льда.

В XIX веке первые астрономы, изучавшие поверхность Марса, описывали ее, основываясь на относительном альбедо – отражающей способности различных регионов красной планеты, хорошо различимых в телескоп. Олимп обязан своим названием зоне с высоким альбедо, обнаруженной на Марсе итальянским астрономом Джованни Скиапарелли и названной им Снегами Олимпа (Nix Olympica). Но заметная с Земли высокая отражающая способность этой местности объясняется не снегом, а кристалликами замерзшей двуокиси углерода. Морфология вулкана похожа на морфологию его земных аналогов, щитовых вулканов с пологими склонами, таких как, к примеру, Мауна-Кеа в Гавайском архипелаге. Однако Олимп заметно отличается своими размерами – конусом шириной в сто пятьдесят километров и высотой вдвое большей, чем у Мауна-Кеа. Его высота относительно марсианского нулевого уровня – двадцать одна тысяча метров; это самая высокая горная вершина Солнечной системы.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Последняя метеоритная бомбардировка (4 миллиарда лет назад)

3,8 миллиарда лет назад
Образование пояса Эджворта – Койпера

Мигрируя все дальше от Солнца, Нептун выталкивает из Солнечной системы малые тела, образовавшиеся недалеко от светила, и они создают пояс Эджворта – Койпера.

До периода нестабильности, вызванной вошедшими в резонанс Юпитером и Сатурном, Солнечная система была намного компактнее. Диск планетезималей вращался в непосредственной близости от внешних гигантов Урана и Нептуна, названных «ледяными», так как в их составе, помимо водорода и гелия, много летучих компонентов (воды, метана, аммиака), а их астрофизики называют «льдами» независимо от их агрегатного состояния, твердого или жидкого. Этот диск, состоявший из мелких тел, был довольно массивным (около двух земных масс) и мог бы образовать несколько карликовых планет типа Плутона.

Вошедшие в резонанс Юпитер и Сатурн спровоцировали миграцию ледяных гигантов в направлении от Солнца и изменили орбиту Нептуна так, что он начал взаимодействовать с постпланетарным диском. Последний расползся по всем направлениям: орбиты многих планетезималей заметно изменились, а некоторые из них были и вовсе выброшены из Солнечной системы. Другие оказались в облаке Эпика – Оорта. К тому времени, когда гиганты встали на свое окончательное место, некоторое количество малых планет оказалось в зоне достаточно стабильных орбит на границах Солнечной системы.

Плоскости орбит этих уцелевших тел часто приобретали большие углы наклона к эклиптике – плоскости земной орбиты и орбит большинства остальных планет. В результате эти малые планеты образовали зону тороидальной формы, расположенную на расстоянии от тридцати до шестидесяти астрономических единиц от Солнца – пояс астероидов огромной протяженности. Предположение о том, что за пределами орбит больших планет существует протяженный пояс малых тел, впервые выдвинул в 1943 году ирландский астроном Кеннет Эджворт, а в 1951-м похожую гипотезу независимо предложил американский астроном голландского происхождения Джерард Койпер.

В поясе Эджворта – Койпера должно находиться множество тел диаметром около сотни километров – к их числу относится Плутон и несколько других недавно открытых карликовых планет. В настоящее время сквозь пояс Койпера пролетает космический зонд «Новые Горизонты» (New Horizons). После облета Плутона в 2015 году, в январе 2019-го этот зонд НАСА пролетел мимо объекта более скромных размеров, обнаруженного в 2014-м космическим телескопом «Хаббл» и обозначенного 2014 MU69. Это небесное тело, расположенное на расстоянии сорока астрономических единиц от Солнца, стало самым далеким космическим объектом, мимо которого пролетал космический аппарат с Земли. Сначала объект в результате организованного НАСА общественного обсуждения был назван Ультима Туле (от лат. Ultima Thule – крайний Туле, край света) – так называли древние полумифический остров к северу от Британии, вне пределов изученного мира, который искал и якобы нашел в IV веке до нашей эры древнегреческий путешественник моряком Пифей. Но так как это название когда-то использовали в своей пропаганде нацисты, Центр малых планет Международного астрономического союза в 2019 году утвердил за ним другое имя – Аррокот, что на языке индейцев поухатан означает «небо».

☛ СМ. ТАКЖЕ

Образование Пояса астероидов (4,56 миллиарда лет назад)

Образование Облака Эпика – Оорта (4,4 миллиарда лет назад)

Последняя метеоритная бомбардировка (4 миллиарда лет назад)

3,5 миллиарда лет назад
На Земле возникает жизнь

О раннем возникновении жизни на Земле свидетельствуют строматолиты, сформированные поглощавшими углерод колониями бактерий.

Жизнь на Земле возникла в эпоху, о которой до сих пор все еще известно слишком мало, чтобы можно было хотя бы примерно определить время этого события. Специалисты тем не менее в большинстве своем согласны с тем выводом, что особое значение в этом процессе имела вода: прекрасный растворитель, сыгравший важную роль в химических реакциях между наиболее многочисленными атомами. Она же способствовала взаимодействию и соединению первых органических молекул. Наконец, вода смогла защитить первые новорожденные пребиотические молекулы от разрушительного воздействия космического излучения и ультрафиолетового излучения Солнца. Первичные океаны предоставили идеальные условия для создания более сложных структур, вплоть до появления прообразов клеток, обладавших мембранами.

Возникновение на поверхности Земли океанов стало возможным в результате совпадения множества процессов. Интенсивный вулканизм, поднявший на поверхность всю воду из глубинных слоев в виде пара, быстро окутал планету толстым облачным одеялом. Первые океаны наполнились за счет ливневых дождей, которые стали результатом конденсации водяного пара, насыщавшего земную атмосферу, и этот процесс продолжался несколько миллионов лет. Вода могла попасть на Землю и из космоса, в виде ледяных метеоритов во время поздней метеоритной бомбардировки.

Эти дополнительные источники воды тоже в принципе могли содержать пребиотические материалы. Данные, полученные европейским космическим зондом «Розетта», находившимся на орбите вокруг ядра кометы Чурюмова – Герасименко с 2014 по 2016 год, подтвердили, что небольшие тела Солнечной системы богаты макромолекулами на основе углерода.

Постепенно декорации менялись: появились первые клетки, океаны были заселены бактериями. В прибрежных водах размножились колонии цианобактерий (синих водорослей) – они расположились между линиями прилива и отлива. Бактерии связывали двуокись углерода, заполнявшую атмосферу, и сформировали строматолиты. Обнаружение этих чрезвычайно древних морских ископаемых образований в самых старых земных породах (как те, что были найдены в провинции Пилбара, на северо-западе Австралии) подтверждает факт появления жизни на Земле более трех с половиной миллиарда лет назад. Аналогичный анализ более древних пород показывает, что жизнь возникла на ранних этапах существования Земли. Ее эволюция поначалу была чрезвычайно медленной; взрыв биологического разнообразия произошел только спустя три миллиарда лет.

☛ СМ. ТАКЖЕ

Последняя метеоритная бомбардировка (4 миллиарда лет назад)

Великая оксигенация (2,4 миллиарда лет назад)

Что разгоняет космические частицы (20 миллионов лет назад)

Зонд на комете Чурюмова – Герасименко (2014)