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

Сегодня Юпитер излучает вдвое больше тепловой энергии, чем получает от Солнца. Раньше он был еще жарче и испарил всю воду на своем самом близком спутнике Ио. В небе Ио Юпитер висит подобно гигантскому блюдцу, так что он действовал там как лампа для обогрева. Дальше, на расстоянии Европы, Юпитер давал достаточно тепла, чтобы там существовало пáрящее открытое море, по крайней мере на стороне, обращенной к планете. Но в конце концов Юпитер остыл и океан Европы покрылся ледяным панцирем. С тех пор он миллиарды лет подогревается энергией приливов и радиоактивного распада. Такой цикл формирования ледяных спутников, тепловой инкубации и длительного внутреннего подогрева может наблюдаться везде, где есть внешние планеты-гиганты.

Формирование Солнечной системы начинается с коллапсирования газа, пыли и льда, из которых возникнет звезда и ее протопланетный диск. Образование планет запускается, когда диск сгущается до твердых частиц, летящих сквозь газ, как рой пчел в тумане. Сколько из него получится планет – зависит от многих факторов: плотности диска и его состава, мощности излучения звезды и ее магнитного поля, а также того, что происходит по соседству, например влияния звезд-сестер или взрывов сверхновых. Но для общего случая существует стандартная модель. Там, где в протопланетном диске много частиц изо льда и пыли, планета может продолжать свой рост, как снежный ком, втягивая лед и пыль, и в конце концов собирая газ, как ненасытный Безликий в мультфильме «Унесенные призраками». Все идет в дело.

Но в районе земной орбиты, на отметке в 1 а.е. от звезды, гравитация Солнца велика, а его излучение сдувает газ прочь. Землеподобные планеты должны формироваться не напрямую, не так, как рисовал в своем воображении Иммануил Кант, но иерархично, начиная с планетезималей , которые собираются в эмбрионы , которые, в свою очередь, вырастают в систему тел размером от Луны до Марса, называемых олигархами . До этого момента происходящее представляет собой упорядоченный, саморегулирующийся процесс: олигархи по большей части не задевают друг друга, строго следуя по круговым орбитам и доминируя каждый в своем регионе.

Тем не менее в конце концов один олигарх вступает с другим в конфликт – маленькое гравитационное возмущение нарастает, приводя к сближению, затем к столкновению и часто к слиянию. Так начинается поздняя стадия гигантских столкновений, когда планеты разбиваются о планеты. Такие столкновения продолжались сотню миллионов лет, приведя к образованию Венеры и Земли – двух планет, сорвавших крупный куш, – а также побежденных, но выживших игроков (вроде Меркурия) и осколков (вроде Луны). Абстрактно рассуждать о гигантских столкновениях просто, но их энергии были поразительными, а физическую основу этого процесса мы до сих пор не очень хорошо понимаем.

Нам куда лучше знаком процесс ударного образования кратеров – когда планетезимали сталкиваются с планетами, а не планеты с планетами. Отчасти это потому, что мы можем сделать кратер в земле у себя во дворе или в глине – на принадлежащей другу фабрике по производству курительных трубок. Кроме того, благодаря ньютоновской физике и математике мы можем масштабировать образование кратера обычного для полученного в лабораторных условиях размера до куда более крупного события, проводя эксперимент в центрифуге с силой тяжести в сотню g . Маленькие кратеры, сформированные при более высокой гравитации, эквивалентны крупным кратерам с точностью до масштаба . Если вы правильно масштабируете все факторы – линейные размеры, время, центробежную силу, – эти два явления будут одинаковыми с точки зрения математики.

Чтобы понять, как работает масштабирование кратеров [147], представьте съемку сцены борьбы для фильма про Годзиллу. Вы хотите, чтобы актеры реалистично дрались и бросали друг друга на землю. Это означает, что, поскольку они намного больше, падать они должны медленнее и на взмах рукой или ногой им тоже требуется больше времени. Как выясняется, два дерущихся монстра высотой в 16,5 м математически подобны двум дерущимся актерам среднего роста (180 см), если вы равномерно замедлите время в три раза (квадратный корень из 16,5/1,8). Снимите эту сцену со скоростью 60 кадров в секунду, продемонстрируйте ее на скорости в 20 кадров, и все будет хорошо.

Моделирование кратеров происходит подобным же образом, но нужно учитывать куда больше деталей. Предположим, мы хотим понять, как происходит образование крупного ударного кратера на Луне. Мы берем результаты скоростной съемки лабораторных экспериментов при большой центробежной силе и замедляем их в тысячи или миллионы раз. Сделав это – взяв крупный план в пространстве и общий план во времени, – вы можете непосредственно наблюдать образование планетных кратеров.

Еще один подход – использовать гидрокоды , семейство компьютерных программ видеомоделирования, которые стали важнейшим инструментом изучения столкновений планетарных масштабов. Эти программы создаются на основе данных лабораторных экспериментов и позже проверяются в других таких же экспериментах. С гидрокодом моделирование – это просто вопрос замены единиц времени с микросекунд на минуты, а единиц расстояния с миллиметров на километры. Дальше физика сделает все сама, если только мы задействовали правильную физику. Некоторые физические характеристики масштабировать легко – например, силу тяжести, – тогда как с другими, особенно когда дело касается фрагментации, плавления и текучести горных пород, работать сложнее. Скажем, огромный каменный массив обычно непрочен, поскольку в нем имеется множество дефектов, тогда как маленький камешек разломать трудно. В итоге гидрокоды могут быть довольно сложными: иногда они содержат миллионы строк и все равно не могут охватить все физические процессы.

Аналогия с Годзиллой учит нас, что более крупные кратеры формируются медленнее, чем мелкие, и это логично. Масштабируя по времени, мы видим, что крупному астероиду, движущемуся с обычной для Солнечной системы скоростью около 10 км/с, потребуется несколько секунд, чтобы пронзить лунную кору. По эмпирическому правилу он проникает на глубину, вдвое превышающую его диаметр, а потом останавливается. Энергия летящего с большой скоростью тела переходит в ударные волны, вызывающие взрыв, от которого остается воронка; на самом деле удар астероида почти неотличим от взрыва подземного заряда той же мощности на той же глубине. Интенсивный процесс порожденного соударением взрыва масштабируется иначе, чем физические процессы, определяющие окончательный размер кратера, что приводит к любопытному результату: чем больше кратер, тем больше доля ударного (импактного) расплава в окончательной впадине. Вдобавок самые крупные кратеры пробивают кору до мантии, которая заполняет их пробкой из горячего вещества – этот процесс считается движущей силой гидротермальной активности, первоначально имевшей место на Марсе.