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

Фобос и Деймос стали первыми малыми телами, сфотографированными космическими аппаратами. Под «малыми телами» я имею в виду объекты неправильной формы, не обладающие достаточной силой тяжести, чтобы стать сфероидом. Фобос и Деймос не являются астероидами в точном смысле слова, хотя не так давно господствовало мнение, что они представляют собой чужаков, захваченных Марсом из Главного пояса. Со всей определенностью, эти темные, красноватые, изрытые кратерами глыбы выглядят как астероиды. Но захват астероида на орбиту вокруг планеты очень маловероятен – это много сложнее, чем забросить теннисный мячик в открытое окно машины, проезжающей за несколько улиц от вас. Если сближение происходит слишком быстро, тело не будет захвачено, а если слишком медленно, оно упадет на планету. И даже если такой захват был бы возможен, астероиды подлетают к Марсу со всех направлений. Было бы ошеломительным совпадением, если бы хоть один из них (не говоря уж об обоих) закончил свой путь на круговой орбите в экваториальной плоскости Марса.

С 1980-х гг. ученые предполагали, что гигантское столкновение стало причиной возникновения на Марсе Северного Полярного бассейна – низменности в северном полушарии, создающей еще одну геологическую дихотомию. Согласно данным компьютерного моделирования, ударное образование бассейна такой величины привело бы к появлению диска осколков, где имелось бы более чем достаточно материала для формирования Фобоса и Деймоса, причем все это вещество обращалось бы в экваториальной плоскости. Но тут возникает новая проблема: появление Северного Полярного бассейна выбросило бы на орбиту в тысячу раз больше материала, которого хватило бы на спутник диаметром в сотни километров, по массе пропорциональный Луне на орбите Земли. Более мелкое ударное событие вообще не привело бы к образованию диска, где мог бы зародиться спутник: изверженная порода либо упала бы обратно, либо улетела в космос. Таким образом, кажется, мы имеем ситуацию «все или ничего»: либо крупный спутник Марса, либо никаких спутников. Мы вернемся к этому вопросу позднее, а сейчас давайте просто осознаем его как одну из тех восхитительных научных проблем, где на первый взгляд небольшая странность (скажем, Фобос) меняет нашу точку зрения на более крупный объект (скажем, Марс) и тем самым влияет на понимание нами самого процесса планетообразования – хвосты, которые виляют собакой.

Почему Марс вообще так невелик, если у нас есть все основания полагать, что толстый диск вещества первоначально простирался от Венеры до Сатурна? Если плотность диска была неизменной во всем этом диапазоне, то есть в нем не было промежутка, Марс должен был оказаться в пять или шесть раз тяжелее и гораздо более богатым водой – более землеподобным, а не маленьким и сухим. Возьмем другую, еще более странную теорию, основанную на миграции планет-гигантов [197]. В соответствии с моделью «великой миграции» Юпитер зародился на расстоянии в 3 а.е. от Солнца, а не в 5 а.е., где он находится сейчас. Его ядро состоит не изо льда, а из горных пород. С этой начальной позиции он передвинулся внутрь на орбиту с радиусом 1,5 а.е., туда, где сейчас находится Марс, собрав в себя практически все, что там было. Затем возник Сатурн, который тоже начал двигаться к Солнцу, пока не попал в резонанс 3:2 с Юпитером и не застрял – что-то подобное произошло с Плутоном и Нептуном, но Юпитер и Сатурн более близки по массе. Это создало на орбитах Юпитера и Сатурна огромную центробежную силу, которая со временем привела эти гиганты на их нынешние позиции.

Теперь сделаем большой шаг назад и окинем одним взором общее положение вещей. Миграция планет-гигантов имела место и изменила первоначальную архитектуру Солнечной системы. Ученые предложили много моделей, которые объясняют определенные факты, такие как маленькую массу Марса, или существование рассеянной популяции объектов пояса Койпера, или резонанс орбит Нептуна и Плутона, или Позднюю тяжелую бомбардировку Луны, если она действительно имела место [198]. Но у нас нет никакой определенности по поводу того, как и когда все это случилось, в каком порядке и какие изменения вызвало. Прибавим к этому все растущее число доказательств того, что Солнечная система очень необычна, и от регуляторов на панели управления моделями начинают отлетать ручки.

Несмотря на неопределенность по поводу того, где он появился на свет и какой путь прошел, Юпитер может оказаться образцом того, как происходит образование спутников вокруг газовых гигантов по всей Галактике. Современная точка зрения состоит в том, что галилеевы спутники зародились в конце формирования Юпитера (задолго до того, как начались только что описанные орбитальные перестроения) из массивной протоспутниковой туманности, состоящей изо льда и пыли. Первые из этих спутников не дошли до нас или, можно сказать, наоборот, дошли, потому что, как только они сформировались, их затянуло внутрь Юпитера в результате гравитационных взаимодействий с диском [199]. (Если спутник достаточно массивен, он вызывает в газовом диске волны плотности, создавая асимметричную силу, подобную приливной.)

Эти крупные спутники диаметром в тысячи километров один за другим по спирали погружались в толщу Юпитера в рамках поздней стадии его аккреции. Но состоящее из металлического водорода ядро Юпитера, быстро вращаясь и взаимодействуя с полем Солнца, создало мощную динамо-машину [200], магнитное поле которой расчистило «дырку от бублика» в окружающем планету газопылевом облаке. После того как вокруг Юпитера (согласно этой теории) сформировался такой просвет, вызванная взаимодействием с диском миграция недавно образовавшихся спутников внутрь планеты стала невозможной, и, когда из пыли и льда появился новый спутник, он остановился на краю этой дыры. Это была Ио.

Начав свое существование как ледяной мир, Ио теперь очутилась прямо рядом с пышущим жаром новорожденным Юпитером. Следующим ледяным телом, двигающимся по такой спирали, стала Европа, чья миграция прекратилась, когда она попала в орбитальный резонанс 2:1 с Ио, как граммофонная игла, угодившая в глубокую борозду на пластинке. Поскольку Европа остановилась дальше от Юпитера и позже Ио, большая часть воды на ней сохранилась. Затем последовал Ганимед, названный в честь молодого пастушка, которого Зевс похитил, чтобы сделать своим виночерпием (все галилеевы спутники получили названия в честь смертных возлюбленных Зевса); его миграция завершилась резонансом 2:1 с Европой.

Эта сплоченная троица сформировала то, что позднее назвали резонансом Лапласа в честь французского энциклопедиста Пьера-Симона Лапласа, который доказал высокую стабильность такого трио. Согласно его теории, четвертый галилеев спутник, очаровательная Каллисто, должна была пройти по этой спирали последней. Но туманности к тому времени уже не было, так что миграция Каллисто закончилась до того, как она попала в резонанс с Ганимедом. Если большинство планет-гигантов во Вселенной формируются по типу Юпитера, мы можем ожидать, что вокруг них, как правило, возникают системы спутников, которые в конце концов оказываются на резонансных орбитах. Это важно, поскольку обеспечивает таким спутникам долговременный источник внутреннего приливного тепла, способный поддерживать жизнь.