Когда у Земли было две Луны

Издательство «Альпина нон-фикшн» представляет книгу Эрика Асфога «Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба» (перевод Виктории Краснянской).

Эрик Асфог сейчас занимает должность профессора планетологии в Школе исследования Земли и космоса Университета Аризоны. Среди его научных интересов генезис различных малых планет и астероидов после столкновений между планетоидами аналогичного размера на средней и поздней стадиях формирования планет земной группы, теории происхождения Луны, состав астероидов, столкнувшихся с Землей. Его книга «Когда у Земли было две Луны», вышедшая в 2019 году, описывает современные представления ученых и новые гипотезы об эволюции Солнечной системы и очерк геологии планет и их спутников.

Предлагаем прочитать фрагмент книги.

Фокусы с исчезновением — это популярный и увлекательный тип теорий. Сначала вы постулируете существование объекта, который очень важен и может объяснить всё. А затем вы заставляете его исчезнуть! Или прячете. Сто лет назад была популярна гипотеза, что блуждающая звезда прошла очень близко от Солнца и вырвала Солнечную систему из его недр. Разумеется, найти эту звезду на просторах Галактики никак не получится.

Иногда виновник находится достаточно близко, чтобы сделать то, что положено, но слишком далеко, чтобы его можно было отыскать прямо сейчас. Такие предсказания могут быть чрезвычайно успешными — а могут и не быть. Как мы уже знаем, существование Цереры было предсказано с помощью геометрической прогрессии, известной как правило Тициуса — Боде. В 1840-х гг. на основании данных о нерегулярности орбиты Урана, которые накопились со времени его открытия в 1781-м, был сделан прогноз о существовании массивной Планеты Х. В 1846 г. были произведены гравитационно-динамические расчеты слабого притяжения гипотетической планеты-гиганта, расположенной дальше от Солнца, на основании чего было предсказано ее местоположение. В ту же самую ночь, когда астрономы Берлинской обсерватории получили эти данные, они направили свой телескоп в небо и, словно по мановению волшебной палочки, обнаружили Нептун, ледяной гигант, который замыкает внешнюю Солнечную систему.

В других случаях найти виновника так и не удалось. Предположительно скрытая в сиянии Солнца планета Вулкан была изобретена, чтобы объяснить отклоняющуюся от теории Ньютона прецессию орбиты Меркурия, причину которой в конце концов установил Эйнштейн. Сегодня есть еще одна Планета Х или, скорее, пара планет, одна из которых предположительно в десять раз больше Земли по массе и находится в сотнях астрономических единиц от Солнца — достаточно близко, чтобы объяснить загадку наклонения орбит планет, но достаточно далеко, чтобы быть в тысячу раз тусклее Плутона, так что неудивительно, что мы ее пока не нашли. Если она действительно существует, то будет обнаружена очень скоро, как только Большой синоптический обзорный телескоп начнет выдавать десятки терабайт снимков неба каждую ночь. Если же нет, мы переключимся на поиски Планеты Y.

Далее, есть гипотеза, что первоначальная система Сатурна скрыта внутри Титана. Откуда нам знать? Или что система суперземель и нептунов исчезла внутри Солнца, оставив позади лишь Меркурий, Венеру и Землю. Чтобы изучить эти сценарии, мы должны обратиться к былому хаосу, но путь туда, возможно, потерян. Мне нравится идея о первоначальной Солнечной системе, но в ее поддержку не существует никаких веских доказательств. Она возникла, когда нам начало казаться, что в большинстве планетных систем тела располагаются гораздо более плотно и что наша Солнечная система представляет собой аномалию. За следующие десять лет мы подробно изучим достаточно таких систем, чтобы составить более четкое мнение по этому поводу.

***

В стандартной модели образования Луны Тейя выполняет роль повивальной бабки, которая помогает ребенку появиться на свет и исчезает. Или она всё еще где-то здесь? Согласно этой модели, основная часть Тейи покоится внутри Земли — возможно, это могло бы объяснить некоторые значительные неоднородности в составе мантии. Но существенная доля Тейи закончила свой путь в небесах. По результатам компьютерного моделирования гигантского столкновения бóльшая часть вещества Луны восходит к ударяющему телу. Интуитивно это кажется разумным: при аккреции Землей ядра и глубоких слоев мантии Тейи вначале образовался двойной сфероид, который мог отбросить самые отдаленные части незваного гостя — подобно тому, как вы можете потерять сумку, когда запрыгиваете на ходу в отъезжающий автобус.

Но хотя физически Тейя скрыта и мы каким-то образом представляем себе, что произошло, химически она, кажется, просто исчезла. Кислород составляет почти 30 % от массы Земли и 45 % — от лунных и земных пород коры. Изотопы кислорода 16О, 17О и 18О, так же как и другие элементы, например, титан, цирконий и калий, выполняют роль отдушек, по соотношению которых можно судить о происхождении минералов. Их атомные свойства остаются в целом одинаковыми, но их массы (число нейтронов в их ядрах) отличаются, так что они и служат показателями. Соотношения изотопов кислорода в земных горных породах одинаковы, как и следовало ожидать, если наша планета возникла из единого или хорошо перемешанного источника вещества. С этой точки зрения земные горные породы отличаются от марсианских, а и те и другие имеют значительные отличия от изотопного состава кислорода на Солнце. Метеориты также сильно различаются по изотопному составу, но путаницу тут вносит то, что мы не знаем причины этих различий, а в данных очень много неопределенности.

Лунный кислород неотличим от земного с точностью до 0,001 %. Процентные содержания изотопов титана, элемента, который с химической точки зрения проявляет совсем другие свойства, чем кислород, имеют расхождение в 0,0004 %. То же самое верно и для циркония, и так далее.

Лунные и земные породы с высокой степенью достоверности происходят из одного изотопного источника, но тем не менее между ними есть и различия. Луна бедна изотопом калия 39К в сравнении с 41К, но это согласуется с идеей, что более легкие изотопы, как и вода, быстрее испаряются и теряются в чрезвычайно напряженном состоянии после столкновения. Это особенно ярко проявляется в случае с такими «полулетучими» элементами.

К концу 1990-х гг., хотя геохимики и находили не согласующиеся с ней данные, теория гигантского столкновения начала обретать убедительную форму как динамическая модель. Она объясняет отсутствие на Луне металлического железа, большой момент импульса системы Земля — Луна и низкое содержание воды в образцах, доставленных «Аполлоном». Ударный разогрев привел к образованию лунного океана магмы, который является необходимым начальным состоянием для появления лунной коры из анортозита. В довершение всего, эта теория объясняла все эти факты, постулируя событие, которое достаточно скоро было признано типичным для поздней стадии формирования землеподобных планет, стадии слияния олигархов.

В качестве совершенно иного подхода к проблеме планетообразования ученые в то же время терпеливо измеряли изотопный состав минералов из образцов, доставленных «Аполлоном», и использовали при этом всё более впечатляющие методы. Полученные результаты вскоре расшатали первоначальную теорию гигантских столкновений. Самое большое фактическое противоречие — Луна якобы по большей части состоит из вещества Тейи, но явных геохимических свидетельств этого в лунных образцах не нашлось, — привело к очень плодотворным двум десятилетиям, в течение которых идеи о формировании Луны вели себя подобно планетам, иногда сталкиваясь и поглощая друг друга. Но в остальном наши разнообразные теории напоминают то, как в 1929 г. британский астрогеофизик Гарольд Джеффрис описал свою область знаний: «Полный непроверенных гипотез сарай, где нужно время от времени проводить весеннюю уборку, отправляя на костер всё лишнее».

Возможно, Тейя ударила Землю с такой энергией, что они взорвались, стартовав с нуля как гомогенная смесь. Возможно, Земля и протолунный диск после гигантского столкновения каким-то образом обменялись практически всем кислородом. Возможно, у Луны на самом деле другой состав, но ее породы были позже похоронены под толстым слоем вещества земного происхождения. Возможно, имели место несколько гигантских столкновений меньшего масштаба. Возможно, Тейя возникла из того же изотопного источника, что и Земля, — гипотеза, которая разрешила бы все противоречия, но требует выполнения слишком многих условий.

Теория, выдвинутая в 1879 г. Джорджем Дарвином, элегантно разрешила бы этот кризис, если бы только в ней сходилась физика. В соответствии с этой теорией, кратко описанной в первой главе, Земля вращалась так быстро, что Луна была выброшена из мантии — оставив после себя Тихоокеанский бассейн, как позднее говорили некоторые. Дарвин первым разработал теорию приливных сил, чье действие оттягивает Луну от Земли. В прошлом наш спутник был гораздо ближе, и скорость приливной миграции, таким образом, была гораздо выше. Каждое действие (расширение орбиты Луны) имеет равное противодействие (замедление вращения Земли), так что если вернуться к самому началу и предположить, что всё вещество сосредоточено в одной планете в центре, то можно говорить о долунной Земле, вращающейся вокруг своей оси с периодом в пять часов.

Планета, вращающаяся так быстро, будет не совсем сферической, как астероид Веста (период обращения 5,3 часа). Но чтобы исторгнуть спутник, планете нужно вращаться еще более чем в два раза быстрее. Не подозревая о гигантских столкновениях или о блуждающих планетах размером с Марс, Дарвин предположил, что Солнце могло посредством резонанса добавлять энергии к приливному бугру, пока тот не вздыбился и Луна не изверглась наружу, как Афина из головы Зевса. Тем не менее, даже если бы этот механизм сработал, лунный сгусток, вероятно, либо сразу рухнул бы обратно, либо улетел бы в космос; чтобы он вышел на почти круговую орбиту, потребовались бы очень специальные условия. И даже если бы крупный сгусток и вышел на орбиту, он бы обращался вокруг Земли так быстро (один оборот за два часа), что его собственный приливный бугор, немного отставая, вскоре стащил бы его вниз. Дарвиновской Луне понадобился бы сильный дополнительный толчок.

Мы можем сколько душе угодно находить дыры в теории Дарвина, и в этом-то всё и дело. Она стала первой полностью научной и потому опровергаемой моделью происхождения Луны, так что мы постоянно к ней возвращаемся. Тот факт, что ее первоначальный вариант не мог сработать, тут не важен: приливная модель подготовила почву для всего, что последовало за ней. А конечный вариант с аккрецией в результате гигантского столкновения геофизически и динамически совместим с тем, чего требует теория Дарвина. Он концентрирует в одном месте огромный момент импульса и заставляет Луну выскочить из мантии — но, как выясняется, не из той мантии!