Оригинал материала
Толкотня в открытом космосе
Фрагмент книги «Когда у Земли было две Луны»
Мы довольно мало знаем о кометах и кометоподобных телах — некоторые наблюдаемые нами объекты такого рода выглядят и ведут себя так странно, что ученые за неимением лучшей гипотезы даже готовы поверить в их искусственное происхождение. А единственным способом прояснить ситуацию по-прежнему — как и во времена Эдмунда Галлея — оказывается терпеливое ожидание. Обо всем этом американский астроном Эрик Асфог рассказывает в своей книге, посвященной истории разных небесных тел. Ранее на «Горьком» уже выходили десять фактов из нее, а сегодня мы публикуем фрагмент главы под названием «Щебень и гигантские столкновения». Речь в нем идет о кометах, астероидах и других небесных телах, которые то и дело встречаются друг с другом (а некоторые из них рано или поздно могут повстречаться и с Землей).Эрик Асфог. Когда у Земли было две Луны: Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба. М.: Альпина нон-фикшн, 2021. Перевод с английского Виктории Краснянской. Содержание
Внешняя Солнечная система (все, что находится за Юпитером) имеет две популяции малых тел: те, с которых все начиналось, — первоначальные ледяные объекты, никогда не принимавшие участия в образовании планет, — и те, которые были извергнуты, когда планеты-гиганты уже сформировались и боролись друг с другом за места поудобнее. Образование гигантских планет сопровождалось выбросом наружу примерно триллиона комет, которые стали облаком Оорта. Сто миллиардов из них с высокой степенью вероятности «слегка переборщили», вовсе уйдя прочь от Солнца, и теперь прокладывают себе путь в межзвездном пространстве. А миллиарды лет спустя, когда Солнце потеряет половину своей массы, оно перестанет удерживать внешнее облако Оорта, и еще триллионы объектов разлетятся по всей Галактике.
Как бы они там ни оказались, мелкие тела внешней Солнечной системы провели миллиарды лет в состоянии глубокой заморозки, что сделало их привлекательными целями для экспедиций межпланетных космических аппаратов, перед которыми стоит задача определить начальные условия образования планет. У самых отдаленных тел температура на поверхности составляет только десятки градусов выше абсолютного нуля, то есть ниже -200 °С. Замерзли ли они в своей глубине, зависит от того, достаточно ли они велики, много ли в их составе горных пород, выделяющих радиоактивное тепло, и не закончили ли они свой путь как крупные спутники в сложных системах со значительным приливным разогревом. Плутон и его крупный спутник Харон, к примеру, видимо, вызывали приливный разогрев друг друга примерно первую сотню миллионов лет, пока не попали в состояние взаимного приливного захвата; сейчас этого источника тепла у них нет. Где-то за ними могут таиться гиганты, а исходя из того, что мы знаем, легендарная Планета Х может оказаться двойной планетой, по массе равной Земле. Но большинство известных нам кометоподобных объектов слишком малы, чтобы испытывать какой-либо значительный разогрев, радиоактивный или приливный, — и поэтому нам так важно получить образцы этих поистине первичных материалов.
Время от времени какое-либо из этих тел внешней Солнечной системы находит дорогу назад, к Солнцу. Проходя самую дальнюю от Солнца точку своей орбиты в тысячах астрономических единиц, далекая комета из облака Оорта может испытывать воздействие галактических приливных сил. Это заставляет ее траекторию немного изменяться, так что следующий виток будет слегка иным, пока в какой-то момент она не встретится с полем тяготения Нептуна, как муха, запутавшаяся в паутине. Некоторые из таких объектов попадают в плен к Юпитеру, и большинство из них после этого живут недолго. Храбрые кентавры — это рассеянные объекты пояса Койпера, которые сейчас пытаются пройти мимо Юпитера. Когда их льды впервые ощущают на себе солнечный свет, эти астероиды проявляют самые разные необычные и непредсказуемые свойства.
Кометы состоят изо льда и пыли, а также сверхлетучих веществ вроде CO, CO2 , N2 , CH4 и O2, молекулы которых испаряются при чрезвычайно низких температурах. Даже при минимальном нагреве кометы начинают активно распадаться, испуская водяной пар и силикатную пыль. Их ядра претерпевают процесс сублимации и деградации, когда скрепляющие их материалы превращаются в пар и улетучиваются. Аморфные твердые компоненты в их глубине — льды, которые сконденсировались непосредственно из туманности 4,6 млрд лет назад и никогда с тех пор не нагревались в достаточной мере, чтобы кристаллизоваться, — превращаются в кристаллический лед в реакции, которая может быть экзотермической, выделяя тепло и становясь причиной полного распада кометных ядер.
Некоторые из комет гибнут при попытке протаранить ворота крепостной стены Юпитера. Какие-то из них кончают свой путь внутри гиганта, другие рассеивают его мощное гравитационное поле. Третьи разрушаются из-за интенсивного приливного воздействия планеты-гиганта, превращаясь за один-единственный пролет в десяток маленьких комет (что-то подобное произошло с кометой Шумейкеров — Леви 9 в 1992 г.). Если им удается пройти мимо Юпитера, они попадают в кометное семейство Юпитера. Такие кометы разбросаны по хаотичным орбитам, которые могут привести к столкновению с любой из землеподобных планет или падению дальше вглубь, пока Солнце не разрушит их приливным воздействием и радиоактивным излучением — после чего от них останется только пыль.
Таковы рождение, жизнь и смерть кометы: бурная первая сотня миллионов лет, затем 4,5 млрд лет в морозильнике и — для немногих счастливчиков — потрясающие десятки тысяч лет, когда они приближаются к Солнцу и своему великолепному финалу. Орбита кометы может приобрести огромный эксцентриситет с перигелием гораздо меньше 1 а. е., хотя большую часть своей жизни она будет проводить далеко за Нептуном. Во время каждого перигелия, который поначалу происходит раз в несколько тысяч лет, все более угольно-черная поверхность кометы подставляется Солнцу, разогревающему ее до сотен градусов, как тротуар в жару. Чтобы это тепло проникло внутрь, требуется время, а температура поверхности колеблется от жара до холода, поскольку комета вращается (аналог земных дня и ночи). Приповерхностные вещества поджариваются на этом гриле, превращаясь в скрепленный льдом слой углистой теплоизоляции, под которым скрываются первичные материалы.
Когда-то моя мама любила готовить десерт под названием «Запеченная Аляска». Она на несколько минут клала большой кусок застывшего в морозильнике мороженого в разогретую духовку. Верхний слой карамелизуется, а внутренняя часть остается замороженной. (Это нужно делать на деревянной доске, потому что стеклянная или металлическая посуда хорошо проводит тепло и лакомство растает.) Заветная мечта специалистов по планетарной геохимии — пройти сквозь карамельную корочку этого десерта, чтобы добраться до холодного мороженого, то есть до нетронутого вещества небесного тела, которое всего каких-то несколько тысяч лет назад пребывало в невообразимой дали. Этот древний материал Солнечной системы теперь скрыт под метрами видоизмененной термоизоляции — не поддавшейся возгонке твердой фазы, содержащей органические молекулы, которые и делают комету черной. Как бы то ни было, даже на «старых» кометах семейства Юпитера, переживших десятки проходов через перигелий, скорее всего, имеются участки свежей поверхности, где легко взять нужные образцы — слишком уж геологически активны такие тела. На комете 67P / Чурюмова — Герасименко есть недавно сформировавшиеся хребты и расселины с обнажениями свежего внутреннего вещества, только и ждущего когда кто-нибудь его соберет. Именно поэтому в рамках программы NASA «Новые горизонты» возник проект экспедиции CAESAR, которая должна была вернуться на 67P и собрать эти сокровища. Но в условиях жесткой конкуренции вместо нее отобрали космический аппарат «Дрэгонфлай», стартующий в 2026 г.; если все пойдет хорошо, уже в 2034-м он будет парить над поверхностью Титана.
Так называемые большие кометы появляются редко. Они не должны быть особенно большими по размеру — они всего лишь проходят рядом с Землей, распуская кому и пылевой хвост. Как раз мелкие кометы, доживающие свои последние дни, могут давать самые незабываемые шоу. Здесь присутствует и элемент удачи — чтобы быть по-настоящему зрелищной, большая комета должна стоять высоко в безлунном небе. Мне посчастливилось увидеть две большие кометы. Ради одной из них, Хякутакэ, мы с моей девушкой разбили лагерь в самом темном уголке пустыни, в 30 км от маленького городка. Мы лежали в спальных мешках и наблюдали, как оживает ночь. Комета появилась как оперная певица, начинающая свою арию, и к полуночи стояла прямо над головой. Я расфокусировал глаза и попробовал прочувствовать взаимодействие ее ядра с Солнцем — как его поверхность нагревается впервые за все время своего существования, извергая пыль и лед, которые сдуваются солнечным ветром и образуют мерцающий, сильно ионизированный хвост.
Находясь при максимальном сближении всего в 0,1 а. е. от Земли и обладая исключительно длинным хвостом, Хякутакэ с каждым часом ощутимо сдвигалась относительно звезд, так что за этим можно было наблюдать в бинокль. Сверкая всеми оттенками зеленого, голубого и кремово-белого, она казалась живой. Это было невероятно трогательное зрелище, так что я не мог понять, спал ли я или бодрствовал, когда много часов спустя очнулся в холодной ночи. Холмы на востоке были кобальтово-синими: приближался рассвет. Я увидел несколько падающих звезд и подумал, что больше никогда в жизни не увижу ничего столь же красивого. Я ненадолго забылся, а когда проснулся, утро уже смывало все эти ощущения, оставляя их только в памяти. Я не знаю, когда следующая большая комета снова заставит Землю притихнуть, так что живу там, где ночью очень темно.
Самая знаменитая комета — это 1P / Галлея (P значит periodic, «периодическая», а 1 значит «первая»), тот самый объект, который позволил подтвердить законы Ньютона. В 1705 г. Эдмунд Галлей опубликовал расчеты, показывающие, что большие кометы 1531, 1607 и 1682-го гг. могут являться одной и той же кометой с афелием (самой дальней от Солнца точкой) сразу за Нептуном, возвращающейся примерно каждые 75 лет. Применив закон всемирного тяготения Ньютона и учтя влияние Солнца, Юпитера и Сатурна, Галлей предсказал, что комета вернется в 1758 г. Ньютон умер в 1727-м, Галлей — в 1742-м. Научный мир терпеливо ждал. В 1758-м, после целого года тревог и ожидания, комета появилась на Рождество, подтвердив обратную пропорциональность гравитации квадрату расстояния и став первым известным нам объектом, который не является планетой, но обращается вокруг Солнца.
Следы появления больших комет можно найти в исторических и доисторических свидетельствах. В древней Азии, и в частности в Китае, таких свидетельств было особенно много, и они уходят вглубь веков на тысячи лет. Мавандуйские тексты на шелке, датируемые II в. до н. э., включают десятки изображений кометоподобных форм, некоторые из которых напоминают петроглифы, и перечисляют катастрофы предыдущих десяти столетий, которые предвещала каждая комета. Появление кометы Галлея впервые было отмечено уже в 12 г. до н. э., хотя о ее периодичности никто не упоминал.
Второй обнаруженной периодической кометой стала 2P / Энке — объект, который приближается к своей гибели и в будущем может представлять угрозу для Земли. Ее опасный танец среди внутренних планет закончится тем, что она либо развалится в космосе, либо испытает приливное разрушение около Солнца, либо столкнется с одной из планет. То, что мы видим сейчас, — это лишь часть значительно более крупного родительского тела. Эксцентрическая орбита носит эту комету от области внутри орбиты Меркурия почти до Юпитера; один ее оборот занимает 3,3 года, так что она регулярно сближается со всеми землеподобными планетами. Она теряет большие объемы вещества, так что частицы размером от песчинки до гравия, а также более крупные фрагменты оказываются рассеянными вдоль всей ее орбиты. Когда Земля пересекает этот след из крошек, мы наблюдаем метеорный поток Тауриды.
Вскоре после того, как был введен в эксплуатацию PanSTARRS, один из обзорных телескопов нового поколения, мы обнаружили первого межзвездного странника. Этот объект назвали 1I / Оумуамуа. «Оумуамуа» — это гавайское слово, означающее «разведчик», или «посланник издалека»; I — от interstellar, «межзвездный»; единица сообщает нам, что это первый зафиксированный объект такого рода. Оумуамуа приблизилась к Солнцу на четверть астрономической единицы, имея межзвездную скорость 26 км/с — слишком высокую для тела, гравитационно связанного с нашей Солнечной системой. Таким образом, она проходит 6 а. е. в год и явилась откуда-то извне. Длинная и тонкая, не похожая по форме ни на какие встречавшиеся нам кометы или астероиды, Оумуамуа покинула свою родную звезду по крайней мере 300 000 лет назад. Столько времени при такой скорости занял бы прямой полет от любой из ближайших звезд в направлении созвездия Лира, до которых около 25 световых лет.
Является ли Оумуамуа объектом естественного происхождения? Думаю, да. Она имеет темно-красный цвет, как у примитивного астероида или кометы. Множество комет выбрасывается из других планетных систем и попадает в нашу. Кометы сами по себе странные тела, а межзвездные кометы могут быть еще более странными. В ходе своей аккреции планеты-гиганты отбрасывают огромную долю тел, проходящих около них. Это создает облако комет вокруг соответствующей звезды — ее пояса Койпера и облака Оорта. Но часть объектов продолжает движение и полностью уходит из зоны притяжения звезды. Такие тела должны исчисляться триллионами. Позднее, когда звезда солнечного типа умирает, становясь белым карликом с половиной первоначальной массы и отдавая почти все свое облако Оорта на волю притяжения галактики, к другим звездам устремляется еще триллион комет. Эти потерянные кометы, несомненно, где-то летают, но космос велик: если 1I — это чисто случайный гость, тогда, по оценкам, на один кубический световой год должно приходиться столько 100-метровых астероидов, что их общая масса равнялась бы массе Марса. Звучит правдоподобно, если учесть, сколько формируется планетных систем и какие потери происходят при этом.
И все же Оумуамуа — настолько странный объект, что даже среди самых уважаемых ученых ходят разговоры, что он может быть потерпевшим крушение космическим крейсером или обломком такового. Как это происходит со многими другими астрономическими телами, наши данные об 1I ограничены результатами фотометрии — анализа характеристик единственного слабого пикселя отраженного от нее света. Поэтому мы можем только оценивать размер и форму 1I, основываясь на том, как меняются со временем ее яркость и цвет. Ученые создают модели вращающихся в космосе темных объектов, а потом с помощью метода наименьших квадратов определяют форму, цвет и альбедо, которые наилучшим образом соответствовали бы данным фотометрии. У этой задачи всегда есть много решений. Оумуамуа может напоминать по форме летающую тарелку, а может — подводную лодку, как ее обычно и изображают. Однако и то, и другое будет совершенно не похоже на все, что мы привыкли видеть.
Инопланетный космический корабль, скажете вы, только что пронзивший складки пространства (отсюда и легкая болтанка при вращении!) и замаскировавшийся под ничем не примечательный астероид, чтобы провести подробную разведку в нашей Солнечной системе? Надо сказать, этот вариант делает ненужными некоторые допущения и может быть признан вполне жизнеспособной гипотезой, если, несмотря на все усилия, мы не обнаружим никаких других межзвездных странников. Если в ближайшие годы не появится 2I, нам придется рассмотреть эту версию более серьезно. Но если исходить из того, что нам известно, 1I — это естественное, хотя и странное, имеющее необычную форму кометоподобное тело, и до конца этого года мы, скорее всего, увидим еще одно. Возможно, наше нынешнее нетерпение похожее на то, что испытывал Галлей.
Даже если это всего лишь случайная комета, с точки зрения нашего понимания инопланетной жизни значение Оумуамуа невозможно переоценить. Если от одной планетной системы к другой могут перемещаться такие крупные фрагменты, которые достаточно велики, чтобы на сотни тысяч лет стать убежищем для жизнестойких микробов, вирусов и спор, идея панспермии может подразумевать нечто куда большее, чем перенос жизни с планеты на планету. Она становится идеей межгалактической панспермии, гласящей, что живые организмы пересекают пространство и время, используя как транспорт астероиды и потерянные кометы. Если так, жизни достаточно успеха в микроскопической доле случаев, чтобы изменить сразу все.