Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

Такое перераспределение крупных тел Солнечной системы потревожило планетезимали и заставило их смещаться в сторону Солнца. Разразился настоящий ад, когда планеты начали играть планетезималями в небесный пинг-понг. Гигантские планеты отодвинулись от Солнца, а планетезимали, напротив, приблизились к нему. В конечном итоге планетезимали встречались с Юпитером, громадная масса которого оказалась решающей. Некоторые из них в результате такой встречи были вообще выброшены из Солнечной системы, а остальные отправились на вытянутые тонкие орбиты, уходящие от Солнца на громадное расстояние. После этого все в основном успокоилось, но Луна, Меркурий и Марс по сей день несут на себе шрамы, появившиеся в результате того хаоса [21] На Венере нет старых кратеров, потому что вулканизм заново сформировал ее поверхность менее 100 млн лет назад. Планеты, начиная от Юпитера и дальше, — это газовые и ледяные гиганты, и мы в состоянии разглядеть только верхние слои их атмосферы. Но на многих их спутниках есть кратеры — и новые, и старые. Аппарат New Horizons выяснил, что на Плутоне и его спутнике Хароне кратеров меньше, чем ожидалось. . При этом тела всех форм, размеров и составов разбросало далеко во все стороны.

В основном успокоилось. Но вовсе не прекратилось. В 2008 году Константин Батыгин и Грегори Лофлин смоделировали будущее Солнечной системы на 20 миллиардов лет, и первоначальные результаты не выявили никаких серьезных нестабильностей. Уточняя численный метод поиска потенциальных нестабильностей и по-крупному меняя орбиту по крайней мере одной планеты, они обнаружили вариант возможного будущего, в котором Меркурий падает на Солнце примерно через 1,26 миллиарда лет, и другой вариант, в котором хаотичные метания Меркурия выбрасывают Марс из Солнечной системы через 822 миллиона лет; после этого еще через 40 миллионов лет происходит столкновение между Меркурием и Венерой. Земля продолжает величаво следовать по своему маршруту, никак не реагируя на эти драматические события.

В первых моделях использовались в основном усредненные уравнения, которые не годятся для просчета столкновений, а релятивистские эффекты попросту отбрасывались. В 2009 году Жак Ласкар и Микаэль Гастино смоделировали ближайшие пять миллиардов лет Солнечной системы с использованием метода, позволявшего обойти эти проблемы, но результаты получились примерно те же. Поскольку крохотная разница в начальных условиях может в долгосрочной динамической перспективе дать огромный эффект, они смоделировали 2500 наборов орбит, каждый из которых начинался в пределах наблюдательной ошибки от современных данных. Примерно в 25 случаях возникли условия, близкие к резонансу; они резко увеличивают эксцентриситет орбиты Меркурия, что приводит либо к падению его на Солнце, либо к столкновению с Венерой, либо к близкой их встрече, что радикально поменяет орбиты как Венеры, так и Меркурия. В одном случае орбита Меркурия со временем вновь стала менее эксцентричной, и в результате где-то за 3,3 миллиарда лет дестабилизировала все четыре внутренние планеты. В этом случае Земля может столкнуться с Меркурием, Венерой или Марсом, и вновь возникает небольшой шанс, что Марс будет навсегда выброшен за пределы Солнечной системы.

Ее диаметр составляет чуть больше четверти диаметра Земли, и это намного больше, чем у большинства других лун. Наша Луна настолько велика, что систему Земля — Луна иногда даже называют двойной планетой. (Немного терминологии: Земля — центральное тело, Луна — спутник. Если подняться на уровень выше, получится, что Солнце — центральное тело Солнечной системы, а планеты — его спутники.) У Меркурия и Венеры спутников нет, а у Марса — планеты, наиболее похожей на Землю, — есть два крохотных спутника. У Юпитера — крупнейшей планеты Солнечной системы — 67 известных спутников, но 51 из них имеет размер менее 10 километров в поперечнике. Даже крупнейший спутник Юпитера Ганимед по размеру составляет менее 1/30 самого Юпитера. Из всех планет Солнечной системы наиболее обилен спутниками Сатурн — у него более 150 лун и мини-лун да еще гигантская сложная система колец в придачу. Но крупнейшая луна Сатурна Титан в 20 раз меньше своего центрального тела. У Урана 27 известных спутников, но крупнейший из них — Титания — составляет менее 1600 километров в поперечнике. Единственная крупная луна Нептуна — Тритон — составляет по размеру примерно 1/20 своей планеты; в дополнение к нему астрономы обнаружили у Нептуна 13 очень маленьких лун. Среди миров Солнечной системы только Плутон обогнал нас в этом плане: у него четыре крохотных спутника, зато пятый — Харон — всего вполовину меньше своего центрального тела.

Система Земля — Луна необычна еще в одном отношении: у нее непомерно велик момент импульса. Динамически у нее больше «вращения», чем могло бы быть. У Луны есть и другие сюрпризы, и в надлежащее время мы поговорим о них. Исключительная природа Луны добавляет весомости естественному вопросу: откуда у Земли такой спутник?

Теория, лучше всего отвечающая нынешним данным, выглядит весьма эффектно: это гипотеза гигантского столкновения. В давние времена, на раннем этапе формирования, наша родная планета была примерно на 10 % меньше, чем сейчас, пока в нее не врезалось тело размером с Марс; при столкновении тело расплескало вокруг громадное количество вещества — в основном расплавленного камня в виде капель и шариков самых разных размеров, многие из которых, когда камень начал остывать, слились воедино. Часть прилетевшего тела соединилась с Землей, которая при этом увеличилась. Часть стала Луной. Остальное рассеялось по всей Солнечной системе.

Математическое моделирование поддерживает сценарий ударного формирования Луны, тогда как в остальные теории нынешние данные вписываются менее удачно. Но в последние годы ударная гипотеза, по крайней мере в оригинальной своей форме, начала сталкиваться с серьезными проблемами. Не исключено, что истинный сценарий происхождения Луны еще только ждет своего исследователя.

Простейшая теория состоит в том, что Луна, как и все остальное, собралась из газопылевого облака через механизм аккреции в период формирования Солнечной системы. Тогда здесь было полно обломков и комков самого разного размера. Когда все начало потихоньку успокаиваться, крупные куски стали расти; они притягивали к себе более мелкие куски, и те после столкновения прилипали к ним. Так формировались планеты, так формировались астероиды, так формировались кометы, так формировались и луны. Так что и наша Луна, вероятно, сформировалась именно так.