Сказка о рождении Луны
Ник. Горькавый
Как возникла наша Луна? Люди ищут ответ на этот вопрос с тех пор, как в их глазах зажглась искра разума. Среди множества гипотез и теорий выбираем самую правдоподобную.
Другие научные сказки Ник. Горькавого печатались в журнале «Наука и жизнь» в 2010—2013 гг. и в №№ 1—3, 7, 8, 10, 2014 г.
Королева Никки приехала в гости к принцессе Дзинтаре и застала её детей — Галатею и Андрея — ожесточённо спорящими.
Раскрасневшаяся Галатея обернулась к Никки:
— Ты знаешь, как возникла наша Луна? — и ткнула пальцем в бледный полукруг, висящий в вечернем небе.
Никки усмехнулась:
— Однажды я задала этот же вопрос своему учителю, и тот сказал, что люди ищут ответ на него уже миллионы лет, с тех пор, как в их глазах зажглась искра разума. Два самых ярких и крупных объекта на небе — Солнце и Луна — казались землянам важнее всех прочих звёзд и планет. Из мифов и теорий о рождении Луны можно составить целую книгу. Многие столетия происхождение спутника Земли объясняли просто: бог создал Землю и, конечно, Луну.
А потом появились учёные. Они выдвигали разные теории возникновения планет и их спутников. Николай Коперник «заставил» планеты вращаться вокруг Солнца, но это не изменило статус Луны, — она по-прежнему оставалась единственным известным планетным спутником и самым близким к Земле космическим телом. А когда Галилео Галилей увидел в свой телескоп четыре новые «луны», обращающиеся вокруг Юпитера, это стало потрясением основ мироздания. Оказалось, что кроме Луны есть и другие планетарные спутники!
Помимо четырёх галилеевых спутников Юпитера в XVII веке открыли пять спутников Сатурна. XVIII век ознаменовался открытием планеты Уран, двух крупнейших его спутников, а также парочки новых спутников Сатурна. В XIX веке обнаружили ещё больше небесных тел: кроме астероидов и планеты Нептун со спутником Тритоном астрономы увидели по два новых спутника у Марса, Сатурна и Урана и ещё один, пятый, спутник у Юпитера. Всего к началу ХХ века, не считая Луны, открыли двадцать один спутник у пяти планет: четыре из них — Ио, Каллисто и Ганимед у Юпитера и Титан у Сатурна — оказались больше и тяжелее Луны.
— Значит, наша Луна ничем не лучше других спутников? — немного расстроившись, произнесла Галатея.
Никки покачала головой:
— Даже после их открытия Луна не потеряла своей исключительности, обусловленной, по мнению учёных, её большой относительной массой — 1,2% массы Земли. Луна всего в 81 раз легче Земли, в то время как спутники Юпитера в тысячи раз менее массивны, чем их планета. Земля со своим спутником особенно выделяется среди соседних «земноподобных» планет — Меркурия, Венеры и Марса. У первых двух вообще нет спутников, а у Марса они просто крошечные по сравнению с Луной. Но, к сожалению, по четырём планетам земной группы нельзя проследить какую-либо закономерность, ведь на каждое правило приходится ряд исключений. Является ли наличие спутниковых систем у Марса и Земли правилом, а отсутствие их у Меркурия и Венеры — исключением? Учёные до сих пор не могут ответить на этот вопрос.
Статус рекордсмена по относительной массе Луна удерживала очень долго, несмотря на то что в ХХ веке открыты многие десятки спутников планет-гигантов.
Среди астрономов были те, кто считал Луну уникальным спутником, способ образования которого должен быть особенным, отличным от механизма образования спутников других планет, например Марса.
В XIX и ХХ веках учёные выдвинули ряд теорий образования Луны — от захвата её Землёй из космоса в готовом виде* до отделения от быстро вращающейся Земли**.
— Как это? — удивилась Галатея.
Никки пояснила:
— Если сильно раскрутить тело, то центробежные силы могут разорвать его на части.
— Вспомни, что я вчера делал, — пришёл на помощь Андрей.
— Ты крутил на верёвке какую-то штуку, та оторвалась и чуть мне в лоб не попала! — сердито выпалила Галатея.
— На самом деле это была модель самолёта. Я её так раскрутил, что верёвка разорвалась и модель улетела от меня. Примерно то же произошло с Землёй и Луной, верно? — обернулся Андрей к Никки.
— Верно, — согласилась она, — только не с реальными Землёй и Луной, а с их гипотетическими аналогами в модели центробежного распада. Со временем учёные нашли в этой модели, впрочем как и в других ранних гипотезах, серьёзные противоречия, и они заняли своё место в ещё не созданном сборнике неправильных теорий образования Луны.
Самой живучей и непротиворечивой оказалась аккреционная модель. В Советском Союзе в начале 1970-х годов её разработала группа Шмидта — Сафронова. Одна из участ-
ниц проекта — Евгения Рускол опубликовала в 1975 году книгу под названием «Происхождение Луны».
— А что означает слово «аккреция»? — решила уточнить Галатея.
— Оно произошло от латинского «аccretio», в переводе — «слипание», «приращение», «присоединение». Согласно аккреционной модели, на ранней стадии формирования Земли вокруг неё постепенно аккумулировался диск, очень похожий на кольца Сатурна. Диск образовался в процессе слипания (аккреции) твёрдых частиц метеоритов, облаков пыли и газа, потом он уплотнялся, и из него постепенно выросла Луна. Спутники газовых планет — Юпитера и Сатурна, — скорее всего, тоже выросли из аккреционных дисков, вращающихся вокруг зародышей гигантских планет. Правда, диски планет-гигантов существенно менее массивные, чем диск, из которого выросла Луна.
— Значит, когда мы лепим снежки или катаем снежный ком из липкого снега — это тоже аккреция? — полувопросительно заявил Андрей.
Никки кивнула и продолжила рассказ.
— Аккреционная модель предполагает, что средний химический состав Луны должен быть схож со средним химическим составом Земли.
— А что значит средний? — спросила Галатея.
— Объясню. В начальной стадии образования Земля была раскалена до жидкого состояния. Тяжёлые металлы тонули в магме и собирались в металлическом ядре планеты. На поверхности оставались «лёгкие» каменные континенты, обеднённые железом и другими металлами. Это привело к разделению внутренних слоёв Земли на кору, мантию и металлическое ядро (твёрдое — внутреннее и жидкое — наружное). Если снова хорошенько «перемешать» планету, то её средний химический состав должен быть таким же, как у Луны, которая, согласно аккреционной теории, не проходила стадию плавления и разделения металлов.
В 1970-х годах спутник Земли изучали американские лунные экспедиции, доставившие на Землю сотни килограммов образцов лунных камней и песка, и советские межпланетные станции «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24», осуществившие автоматическую доставку на Землю образцов лунной поверхности, а также радиоуправляемые самоходные аппараты «Луноход-1» и «Луноход-2». Химики проанализировали полученные данные и образцы и с удивлением обнаружили, что на Луне очень мало железа, примерно столько же, сколько в земной коре.
— Но ведь ты сказала, что в земной коре его мало, потому что оно утонуло и собралось в ядре, — напомнил Андрей.
— Верно. Но Луна-то не была расплавлена. Почему же она оказалась обеднена металлом? Аккреционная теория не смогла ответить на этот вопрос.
В 1975 году американские учёные выдвинули новую теорию, которая утверждала, что Луна родилась из кусков земной коры и мантии, отколотых от планеты и выброшенных в космос. Вы только подумайте: нам трудно вывести в космос спутник весом всего 10 тонн, а, согласно новой теории, для образования Луны нужно было запустить на стабильную орбиту вокруг Земли семьдесят три миллиарда миллиардов тонн камня!
— Ух ты! — не удержался от восклицания Андрей.
— Создателям новой теории пришлось придумать ужасную катастрофу, которая произошла с нашей планетой более четырёх миллиардов лет назад. Они предположили, что другая планета размером примерно с Марс — этот гипотетический объект назвали Тея — налетела на нашу планету по касательной траектории. Врезавшись в край Земли, она отрубила от неё гигантский кусок, и он вылетел в космос...
— И стал Луной? — не удержалась от вопроса Галатея.
— Поначалу нет. Дело в том, что выброшенные в космос одним ударом куски планеты либо вообще покидают окрестности Земли, либо возвращаются назад. И этот гигантский кусок, не удержавшись в космосе, вернулся на Землю и выбил из неё ещё несколько кусков поменьше. В результате катастрофы подавляющее большинство выброшенной массы снова вернулось на Землю, а некоторые обломки земной коры остались на орбите и образовали вокруг нашей планеты маломассивный диск, из которого и выросла потом Луна.
Эту модель образования Луны назвали теорией мегаимпакта, или сверх-удара. Она в некоторой степени повторяла старую теорию Джеймса Джинса, согласно которой наша планетная система возникла из струи солнечного вещества, вырванного из Солнца другой звездой при её прохождении на близком от него расстоянии. Модель мегаимпакта принципиально базировалась на гигантской катастрофе, — только суперудар сверхмассивного тела мог заставить малую часть выброшенного из Земли вещества удержаться на орбите, в то время как обломки, выбиваемые с поверхности планеты сравнительно небольшими астероидами, выйти на орбиту вокруг неё не могли.
— Небольшими, это какими? — попросил уточнить Андрей.
— В тысячи и сотни километров в диаметре, — пояснила Никки.
— Ничего себе, да эти астероиды просто огромные!
— Да, и они могли выбить с поверхности Земли множество обломков, но те не задерживались на лунной орбите.
Теория мегаимпакта стала очень популярной, потому что решала сразу две проблемы: дефицита железа на Луне (согласно теории, она формировалась из уже обеднённых металлами кусков земных континентов) и большой массы (что объяснялось исключительно редким соударением двух гигант-ских небесных тел).
В конце ХХ века Луна потеряла статус исключительного спутника. Случилось это после того, как в 1978 году возле небольшого Плутона, находящегося за орбитой Нептуна, открыли спутник Харон, масса которого составляла 12% массы самой планеты. Таким образом, Харон обогнал Луну по относительной массе в 10 раз.
Следующий удар по «авторитету» Луны нанесли астероиды. Раньше их считали строительным мусором, оставшимся на месте несформировавшейся планеты. При ближайшем рассмотрении многие астероиды оказались очень похожими на настоящие планеты. Возле них даже были открыты спутники! Сначала это засвидетельствовали наблюдения группы астрономов Крымской астрофизической обсерватории. А в 1993 году к одному из астероидов, названному Ида, подлетел американский межпланетный аппарат «Галилео» и обнаружил рядом с ним округлый спутник Дактиль диаметром 1,4 км. В последующие 20 лет были открыты сотни спутников у астероидов, расположенных между Землёй и Юпитером, а также у транснептунов — космических тел за орбитой Нептуна. Масса спутников астероидов нередко сопоставима с массой самих астероидов. У таких астероидов, как, например, Сильвия, по два спутника, очень похожих на Луну, — они движутся по почти круговым орбитам близко к плоскости экватора своего астероида.
— А почему открытие этих спутников стало ударом по модели мегаимпакта? — поинтересовалась Галатея.
— Потому что модель, созданная на основе медленного столкновения двух огромных планет, никак не могла объяснить существование спутников возле множества крошечных астероидов. Предположим, маленький астероид столкнулся по касательной с другим астероидом. Скорость их взаимного соударения — многие километры в секунду, а скорость движения спутника на орбите вокруг астероида — всего лишь несколько метров в секунду. Можно ли предположить, что быстрое соударение таких тел породит медленный спутник возле астероида? Нет, конечно. Астероиды хрупки и сыпучи: от сильного удара не только спутник не мог появиться, но и сам астероид попросту развалился бы и превратился в тучу обломков!
— Легче представить себе две пули, которые столкнулись в полёте и стали вальсировать вокруг друг друга! — воскликнул Андрей.
Никки посмотрела на детей и продолжала:
— Открытие Харона, а также огромного количества спутников возле астероидов и транснептунов побудило учёных заняться созданием новой теории образования спутников. Странно было бы полагать, что для тысячи спутников астероидов, Плутона и других транснептунов существует универсальная теория их образования, а для одного из этих спутников — Луны, ничем не выделяющейся из общего ряда, за исключением близости к Земле, будет работать особая теория мегаимпакта. Логичнее предположить, что модель, объясняющая происхождение Харона и двойных астероидов, легко сможет объяснить и происхождение Луны.
— Так что же это за новая теория? — нетерпеливо спросила Галатея.
— Она возникла на стыке двух моделей — аккреционной и мегаимпакта. Новую модель в начале 2000-х годов создали независимо друг от друга планетологи из группы В. С. Сафронова в Москве и сотрудники Симеизской обсерватории в Крыму, которые разработали сначала модель происхождения небольших спутников планет-гигантов, а потом и крупного спутника Земли. Эти учёные пошли дальше своих предшественников и сумели создать корректную теорию образования Луны и спутников астероидов. Заключается она в следующем. У всех планет имелись первоначальные аккреционные диски, как у газовых планет-гигантов. А у планет с каменистой поверхностью и у астероидов был дополнительный источник веществ, участвующих в формировании дисков, — частые выбросы облаков пыли и обломков при ударе метеоритов в твёрдую поверхность. Эти обломки взаимодействовали с вращающимся диском и оседали на нём, не возвращаясь на поверхность планеты.
— То есть диск помогал обломкам выйти на орбиту? — догадался Андрей.
— Именно так. Одним ударом вывести обломок на орбиту очень трудно. Возьмём, к примеру, ракету. Она поднимается на орбиту вокруг планеты, потому что всё время сама поправляет свою траекторию. Так и обломок земной коры, получив вначале толчок от метеорита, а потом — коррекцию орбиты от частиц диска, остаётся на орбите. Эти обломки накапливались и образовывали диски вокруг астероидов, а потом срастались в аккуратные спутники-шарики на круговых орбитах. Так астероиды рождали свои луны.
Эта же модель оказалась применимой для объяснения образования Луны: она возникла из обломков Земли, поднявшихся на орбиту в результате не одного суперудара гигант-ской планеты, а множества ударов астероидов, которые в сотни и тысячи раз меньше гипотетической Теи.
По расчётам крымских учёных, в момент образования Луна располагалась гораздо ближе к Земле и лишь потом, под воздействием огромных приливных горбов, отодвинулась от неё.
— Луна отодвигается от Земли? — поразилась Галатея.
— Да, наш спутник вызывает на Земле приливные горбы, которые действуют на саму Луну, так сказать, ускоряющим образом. Это означает вот что. Земля быстро вращается и смещает эти горбы по ходу своего вращения. Луна тянет их назад своей гравитацией, но и они притягивают её к себе. В результате Луна медленно ускоряется, а это значит, что она поднимается на более высокую орбиту и отодвигается от Земли.
Возможно, раньше за орбитой Луны существовали более мелкие спутники Земли, как, например, у Плутона — у него за орбитой Харона находятся ещё четыре спутника.
— И что же с этими мелкими спутниками Земли произошло? Почему мы их не видим? — поинтересовался Андрей.
— Луна, отодвигаясь от Земли, должна была их «съесть», — пожала плечами Никки. — Думаю, это было величественное зрелище — столкновение большого и маленького спутников Земли, породившее массу обломков и пылевых вихрей, вытянувшихся во временное кольцо вокруг Земли…
— Так вот как ты родилась, серебряная Луна! — воскликнула Галатея, глядя в окно на сияющую половинку лунного диска.
***
Луна — спутник Земли. Средний радиус — 1737 км. Радиус орбиты — 384 тыс. км. Пятый по размеру спутник в Солнечной системе.
Ио — спутник Юпитера. Средний радиус — 1821 км. Открыт Галилео Галилеем в 1610 году, примечателен активными серными вулканами.
Европа — спутник Юпитера. Средний радиус — 1561 км. Открыт Галилео Галилеем в 1610 году. Обладает гладкой ледяной поверх-ностью, под которой располагается водный океан.
Ганимед — спутник Юпитера. Средний радиус — 2634 км. Открыт Галилео Галилеем в 1610 году. Крупнейший спутник Солнечной системы.
Каллисто — спутник Юпитера. Средний радиус — 2410 км. Открыт Галилео Галилеем в 1610 году.
Титан — крупнейший спутник Сатурна и второй по размерам спутник Солнечной системы. Средний радиус — 2576 км. Обладает плотной атмосферой и жидким океаном на поверхности. Открыт Христианом Гюйгенсом в 1655 году.
Харон — крупнейший спутник Плутона. Средний радиус — 1212 км. Открыт в 1978 году американским астрономом Джеймсом Кристи.
Ида (243) — астероид номер 243. Средний радиус — 16 км. Открыт в 1884 году австрийским астрономом Иоганном Пализой. В 1993 году межпланетный аппарат «Галилео» сфотографировал Иду вблизи и обнаружил спутник Дактиль радиусом 700 м.
Сильвия (87) — астероид номер 87. Размеры: 384×262×232 км. Открыт в 1866 году английским астрономом Норманом Погсоном. В 2001 и 2004 годах были обнаружены два спутника Сильвии — Ромул (диметр — 18 км) и Рем (диаметр — 7 км).
Джеймс Джинс (1877—1946) — британский астрофизик. Выдвинул теорию происхождения планет из сгустка солнечной материи, вырванной проходящей на близком расстоянии другой звездой.
Отто Юльевич Шмидт (1891—1956) — советский географ и астроном. Разработал теорию происхождения планет из диска мелких частиц и астероидов.
Виктор Сергеевич Сафронов (1917—1999) — советский и российский астроном. Разработал детальную теорию происхождения планет Солнечной системы.
Евгения Леонидовна Рускол (род. 1927) — советский и российский астроном, главный разработчик аккреционной теории происхождения Луны.
Комментарии к статье
* Согласно гипотезе захвата, Земля и Луна образовались независимо друг от друга в разных частях Солнечной системы. Когда Луна проходила близко к земной орбите, её захватило гравитационное поле нашей планеты, и Луна стала спутником Земли.
** Гипотеза центробежного разделения подразумевает, что на ранней стадии формирования от быстро вращающейся Земли под действием центробежных сил отделился огромный осколок, из которого через относительно короткое время образовалась Луна.
Статьи по теме
- Сказка об Африке, где водятся гориллы, крокодилы и... атомные реакторы
- Сказка про юную Джоселин Белл, пульсары и телеграмму от зелёных человечков
- Сказка о мирном рыцаре Эддингтоне, узнавшем главную тайну звёзд
- Сказка о небесных механиках, заставивших небесных гигантов играть в футбол
- Сказка о метеорологе Фридмане, выигравшем спор с великим Эйнштейном
- Сказка о Джоне Адамсе и Урбене Леверье, поймавших Нептун на математический крючок
Читайте в любое время
