История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

Остается Джордж Говард Дарвин и его теория разделения. Она успешно объясняет как сходство в соотношении изотопов кислорода (Земля и Луна являются единой системой), так и различие в содержании железа (ядро Земли к тому моменту уже сформировалось; сгусток вещества, образовавший Луну, представлял собой часть уже расслоившейся, бедной железом мантии Земли). Она прекрасно согласуется с тем, что Луна постоянно повернута к Земле одной стороной: вращения Луны вокруг Земли и вокруг собственной оси синхронны и совпадают по направлению движения. Однако при этом остается нерешенной важная проблема: куда же исчезли летучие элементы, отсутствующие на Луне?

Против теории разделения свидетельствуют и общие законы физики. Примерно ко времени программы «Аполлон» компьютерное моделирование формирования планет достигло такого уровня, что позволило теоретикам с уверенностью исследовать динамику быстрого вращения жидких сфероидов, равных по размеру Земле. Коротко говоря, разделение не может произойти. Гравитационная сила Земли слишком велика, чтобы позволить сгустку расплавленной породы оторваться и выйти на собственную орбиту. По существу, расплавленная Земля должна была бы вращаться вокруг собственной оси с невероятной скоростью, совершая полный оборот примерно за час, чтобы от нее оторвался равный Луне сгусток. Система Земля – Луна просто не обладает для этого достаточным моментом импульса.

Подведем итог: ни одна из трех господствующих теорий образования Луны не соответствует данным, полученным в результате полетов «Аполлона». Требуется иное объяснение.

Свидетельские показания лунного грунта

У хорошего планетолога всегда есть в запасе новая теория. Данные наблюдений, полученные по программе «Аполлон», опровергли все три распространенные до 1969 г. теории образования Луны, однако ученым не понадобилось много времени, чтобы выступить с новой гипотезой на основании неопровержимых фактов. Новые данные о строении Луны свидетельствовали по крайней мере об одном: Луна более или менее похожа на Землю. Она совпадает с Землей по соотношению изотопов кислорода и по наличию большинства имеющихся на Земле элементов, но есть резкое расхождение в количестве железа и летучих веществ. Эти данные следовало привести в соответствие с орбитальными характеристиками, тысячи лет известными науке: Луна вращается вокруг Земли в той же плоскости и в том же направлении, что и другие планеты Солнечной системы. Земля имеет небольшой угол наклона оси примерно 23° (что вызывает смену времен года). Луна всегда повернута к нам одной стороной.

Ранние теории образования Луны не уделяли достаточного внимания механике движения планет, не входящих в систему Земля – Луна, в том числе и поразительным исключениям в общем порядке Солнечной системы. Начать с того, что Венера вращается вокруг оси в направлении, противоположном вращению всех остальных планет. Это может показаться не столь существенным, но Венера совпадает по размерам с Землей, а вращается – не так! Еще более странная картина с Ураном, третьей по величине планетой, ось вращения которой повернута таким образом, что планета как бы «лежит на боку» относительно плоскости вращения, так что кажется, будто она катится по орбите вокруг Солнца. Наблюдаются странности и у спутников других планет. Тритон, крупнейший из спутников Нептуна, по размерам сравнимый с Луной, вращается под острым углом по отношению к орбите планеты и в направлении, противоположном всем остальным телам Солнечной системы.

Традиционная наука отличается одной особенностью, которая может обескураживать тех, кто не знаком с правилами игры. С одной стороны, мы выстраиваем строгие теории, обобщая огромное количество разрозненных фактов. Например, все планеты и спутники вращаются вокруг Солнца в одном направлении и в одной плоскости, что указывает на их общее происхождение из одного газово-пылевого облака. Но затем мы обнаруживаем исключения из общего правила – и отбрасываем их как странные аномалии. Венера вращается в противоположном направлении? Тритон вращается в ином направлении? Не беда. Эти отклонения случайны по отношению к общей модели.

Подобным образом обстоит дело во многих научных областях, например в дискуссии о глобальном потеплении. Многие ученые утверждают, что изменения в атмосфере приведут к повышению средней температуры на планете на несколько градусов. Но подобные изменения могут вызвать сильнейшие ураганы в южной части США. Глобальное потепление может изменить океанские течения, например Гольфстрим, что, в свою очередь, сделает северную Европу намного холоднее, превратив ее в «холодильник» вроде Сибири. Такие противоречия вдохновляют противников теории глобального потепления. Ученые заявляют: «Происходит глобальное потепление, а у нас только что разразился сильнейший в истории снегопад». Что на это ответить? По здравом размышлении можно сказать, что природа удивительно разнообразна и отличается богатством, сложностью, многообразием взаимосвязей и длинной, запутанной историей. Любые отклонения, будь то орбиты движения планет или климат Северной Америки, нельзя рассматривать как неудобные мелочи: именно они важны для понимания того, что происходит на самом деле, как устроен мир. Мы выстраиваем грандиозные модели природных процессов, а затем используем странности и противоречия для уточнения несовершенной теории (если же исключения превосходят правило, мы создаем новую теорию). Вот почему настоящие ученые обожают всякие отклонения от правил. Если бы мы понимали все на свете и могли бы предсказать что угодно, не было бы смысла вставать по утрам и спешить в лаборатории.

Вернемся к происхождению Луны: именно отклонения от стандартных закономерностей, т. е. мелкие орбитальные аномалии, в середине 1970-х гг. привели к идее «Большого всплеска», или «Мощного удара». Вначале последовала серия взаимосвязанных, но слабо доказанных гипотез, которые затем объединились в коллективно выработанное представление, оформленное на знаменитой Гавайской конференции 1984 г., где собрались ведущие планетологи и сопоставили свои теоретические соображения. При таком стечении крупнейших умов возобладал принцип «бритвы Оккама»: наиболее правильным может быть простейшее решение проблемы, если оно согласуется с фактами. Теория «Мощного удара» вполне подходила.

Чтобы оценить эту революционную идею, надо вернуться на 4,5 млрд лет вспять, во времена, когда планеты только что образовались из планетезималей. На пути к нынешнему диаметру 12 742 км Земля, сталкиваясь с ближайшими небесными телами, поглотила большинство из них. Предпоследние столкновения с объектами диаметром сотни километров, должно быть, представляли собой эффектное зрелище, но практически не влияли на состояние Земли – гораздо более массивной протопланеты.

Но толчок толчку рознь. Одно достопамятное событие стоит особняком в истории Земли. Около 4,5 млрд лет назад, когда Солнечная система насчитывала около 50 млн лет от роду, почерневшая Протоземля оказалась в тесном соседстве с соперницей, лишь слегка уступавшей ей по размерам. Соперница (ее назвали Тейя, по имени богини, породившей Луну) вполне заслуживала статуса планеты, поскольку была, по-видимому, в два-три раза больше Марса и составляла приблизительно треть массы Земли. Закон астрофизики гласит, что две планеты не могут существовать вместе на одной орбите. В какой-то момент они неминуемо столкнутся, и побеждает всегда планета большего размера. Так и произошло при столкновении Земли с Тейей.

Исследователи использовали наглядное компьютерное моделирование, пытаясь представить, что могло произойти. Столкновение предопределено законами физики, поэтому можно было испробовать тысячи различных моделей с всевозможными исходными условиями, чтобы выяснить, может ли таким образом сформироваться спутник. Ответ тесно связан с исходными параметрами: массой и строением Протоземли, массой и строением Тейи, сравнительными скоростями их движения, углом и местом столкновения. Большинство комбинаций не срабатывает – Луна не образуется. Но несколько моделей оказываются поразительно удачными и порождают систему типа Земля – Луна, подобную той, что имеется в действительности.

Одна такая комбинация демонстрирует ситуацию удара по касательной – крупная Тейя слегка накреняет еще более крупную Землю. Ситуация прокручивается в замедленном режиме, через взгляд из космоса. Момент контакта двух небесных тел вначале выглядит как легкий поцелуй. Затем через четыре-пять минут Тейя шлепается на Землю, как круглый комок мягкого теста на пол, без каких-либо видимых последствий для Земли. Десять минут спустя Тейя постепенно сплющивается, а Земля начинает терять округлую форму. Примерно через полчаса после столкновения Тейя просто исчезает, а Земля приобретает асимметричные очертания. Раскаленная порода испаряется и выбрасывается светящимися потоками из зияющей раны, затмевая картину деформации небесных тел.