Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Подтверждение теории Большого всплеска было найдено в ходе американской космической программы «Аполлон», благодаря которой мы знаем, что состав Луны схож с составом внешней мантии Земли. Кроме того, лунные породы содержат куда меньше воды, чем самые сухие земные скалы. Это подтверждает, что когда-то они подверглись воздействию высоких температур. Вопрос только вот в чём: чтобы тело с массой Марса не разрушило всю нашу планету, а всего лишь создало Луну, оно должно было пройти по касательной к Земле на очень небольшой скорости. Однако все космические тела, движущиеся по орбитам вокруг Солнца (как в пределах земной орбиты, так и вне её), слишком быстры для этого.

Теория Большого всплеска будет работать только в том случае, если Тейя когда-то находилась на той же орбите, что и Луна. Она могла сформироваться из обломков в стабильной точке Лагранжа, то есть в 60 градусах перед Землёй или за ней на орбите вокруг Солнца. [80] В системе, состоящей из двух крупных тел, связанных силой гравитации, точками Лагранжа являются те точки, в которых совокупное гравитационное воздействие обоих тел равно центростремительной силе (см. главу 1), необходимой для вращения по орбите вместе с ними. Таких точек пять, и они имеют обозначения от L 1 до L 5 . Сегодня такие же обломки астероидов движутся по орбите Юпитера в 60 градусах перед ним и за ним, так что Юпитер кажется плывущим в Саргассовом море. Если верить теории Большого всплеска, Тейя миллионы лет преследовала Землю, а затем перешла на другую орбиту, что и вызвало столкновение.

Поскольку сила притяжения тела ослабевает с квадратом расстояния от него, приливные силы, которые объясняются разницей в притяжении, уменьшаются с кубом расстояния. Недавно сформировавшаяся Луна находилась примерно в десять раз ближе к Земле, чем сейчас, а значит, приливная сила, с которой она влияла на Землю, была в 10 3= 1000 раз больше, чем сейчас. В то время Земля ещё не имела океанов, но если бы они были, воды в них дважды в день поднимались бы не на пару метров, а на километры .

Но не только новорождённая Луна влияла на Землю. Сама Земля тоже воздействовала на неё с приливной силой, увеличенной в 1000 раз. Торможение движения Луны было таким сильным, что, вероятнее всего, она зафиксировалась в нём достаточно рано (примерно в течение десяти миллионов лет после своего формирования). Так как первые микроорганизмы на Земле появились гораздо позже, примерно 3,8–4 миллиарда лет назад, ни одно живое существо не наблюдало обратную сторону Луны, вращающейся в ночном небе.

Возникает интересный вопрос: всегда ли Луна отдалялась от Земли со скоростью 3,8 сантиметра в год? В 2013 году группа учёных во главе с Мэтью Хубером из Университета Пердью (Уэст-Лафайетт, Индиана) выяснила, как эта ситуация выглядела 50 миллионов лет назад. Они ввели данные о глубине океанов и очертаниях существовавших в то время континентов в компьютерный симулятор приливов и на основании его показателей сделали вывод, что в то время Луна удалялась от Земли медленнее, скорее всего, в два раза. [81] Green J., Huber M. Tidal dissipation in the early Eocene and implications for ocean mixing // Geophysical Research Letters. — 2013. — Vol. 40.

Всё дело в Атлантическом океане, который сегодня достаточно широк, чтобы сформировать большой приливный горб, влияющий на Луну и заставляющий её отступать достаточно быстро; 50 миллионов лет назад океан ещё не принял свою сегодняшнюю форму, поэтому его приливный горб был меньше, а влияние на движение Луны — слабее. В то время за большую часть приливного воздействия отвечал Тихий океан.

Данный пример — ещё одна иллюстрация того, как сложна система приливов и отливов. Их высота и сила, с которой они тормозят движение Земли и ускоряют отступление Луны, зависят от того, насколько легко приливные горбы могут двигаться по океанским просторам. Это, в свою очередь, обусловливается расположением континентов, которое постоянно изменяется из-за континентального дрейфа (тектоники плит, как он официально называется).

Из-за того что предсказать движение плит в долгосрочной перспективе невозможно, мы также не можем знать, когда вращение Земли замедлится настолько, чтобы она оказалась навсегда повёрнута одной стороной к Луне. Мы знаем лишь одно: для того чтобы Земля начала делать полный оборот вокруг своей оси за 47 дней, а Луна отошла от неё настолько далеко, что её орбитальный путь тоже занимал бы 47 дней, должно пройти не менее десяти миллиардов лет. Мы уже знаем, что это совершенно гипотетический сценарий, потому что к этому времени Солнце превратится в ужасающий красный гигант, светящий в 10 000 раз ярче, чем сегодня, и уничтожит (или по крайней мере существенно изменит) систему Земля–Луна.

У приливов и отливов есть и ещё одно свойство. Каждый день, когда волны накатывают на побережье, а потом возвращаются в море, они подхватывают множество маленьких камешков. Трение между камнями, которые постоянно сталкиваются друг с другом, генерирует тепловую энергию, поглощаемую окружающей средой. Именно такая потеря энергии в конечном итоге приводит к замедлению вращения Земли.

Приливы нагревают Землю незначительно, и если вы отправитесь купаться в море, ни песок, ни камни не обожгут вам ноги. Но в Солнечной системе есть одно место, где приливы генерируют куда больше тепловой энергии. Это Ио, гигантский спутник Юпитера, открытый Галилеем в 1609 году.

Восьмое марта 1979 года. Космический зонд NASA «Вояджер-1» пролетает через систему Юпитера быстрее пули, спеша на встречу с Сатурном в 1980 году. Но перед тем, как зонд навсегда покинет газовый гигант, управляющая команда заставляет его развернуть камеру назад и сделать прощальный снимок Ио. Навигационный инженер Линда Морабито первой видит изображение, преодолевшее расстояние 640 миллионов километров до Центра управления полётами, и у неё перехватывает дух. Из крошечной, видной лишь наполовину луны вырывается столб фосфоресцирующего газа.

Морабито первой за всю историю человечества увидела супервулканы Ио. На следующий день вся команда по управлению «Вояджером» склонилась над увеличенными фотографиями и данными измерения температур. Они обнаружили восемь гигантских столбов газа, выбрасывающих материю вверх на сотни километров. Оказалось, что Ио — самое геологически активное космическое тело в Солнечной системе, на котором располагаются более 400 вулканов. Отверстия, через которые на поверхность Ио выбрасываются оранжевая, жёлтая и коричневая породы, делая её похожей на пиццу, напоминают гейзеры в Йеллоустоунском парке. В некотором смысле вулканы Ио — это действительно гейзеры. Лава в них не вырывается на поверхность, но нагревает жидкий диоксид серы, расположенный прямо под корой Ио, и тот превращается в газ. Затем газ выбрасывается вверх точно так же, как пар в земном гейзере.