Земля под ударом

 Зонд «Стардаст» поймал пыль, пролетая рядом с кометой Вильда. Каждая крупица оставляла след толщиной в волосок, когда попадала в пушистый аэрогель на скорости, превышающей 20 тысяч километров в час. http://nat-geo.ru/article/4039-zemlya-pod-udarom/photo/17365/

То, что они увидели, их потрясло.

Давно известно, что планеты, кометы и другие космические тела, летающие вокруг Солнца, возникли – некоторые около 4,5 миллиарда лет назад – из вращающегося диска пыли и газа, известного под названием Солнечная туманность. И долгое время принято было считать, что все объекты Солнечной системы сформировались примерно там, где они находятся сейчас.

В царстве холода за орбитой Нептуна, где последние миллиарды лет провела пылинка Инти, она должна была бы состоять из смеси льда и мягкой, богатой углеродом пыли. Однако темные гранулы Инти содержали странные минералы: твердые кусочки камня и металла вроде вольфрама и нитрида титана. Эти материалы могли образоваться только вблизи новорожденного Солнца при температуре выше 1700°C. Значит, сформировавшись около светила, они затем в результате мощного процесса были заброшены во внешние области Солнечной системы.

«Оказывается, когда-то Солнечная система вывернулась наизнанку», – говорит Дональд Браунли, глава научной группы «Стардаста».

Когда большинство из нас учились в школе, Солнечная система была надежной и добропорядочной. «Девять планет вращались по установленным орбитам, точно, как часы, – говорит Рену Малхотра из Университета Аризоны. – Так всегда было и так всегда будет». Эта идея была воплощена в планетариях и оррериях – механических моделях Солнечной системы, первые из которых появились во времена Исаака Ньютона. В конце XVII века Ньютон доказал, что орбиту планеты можно вычислить, основываясь на ее гравитационном взаимодействии с Солнцем. Вскоре часовщики начали мастерить все более изящные и хитроумные оррерии, в которых медные планеты кружили вокруг Солнца по неизменным путям.

Сам же Ньютон знал – все было не совсем так. Планеты должны взаимодействовать также и друг с другом. Их гравитация, хотя и намного более слабая, чем у Солнца, со временем оказывает влияние на орбиты соседей – круглых орбит быть не должно. Непрестанное воздействие гравитации способно усиливать небольшие отклонения настолько, что орбиты могут смещаться, пересекаться и выкидывать прочие фортели. Но как именно они это делают и когда, не смог выяснить даже Ньютон – у него не было формулы расчета движения многих объектов, каждый из которых воздействует на остальные.

Cам создатель поправляет сбивающийся механизм Солнечной системы – к такому выводу пришел Ньютон в итоге. И концепция вечно стабильной Солнечной системы утвердилась – причем этот механизм стал казаться надежным и без божественного вмешательства. 

Однако в последние десять лет взгляды ученых изменились. Данные «Стардаста» свидетельствуют: в младенчестве Солнечная система выворачивалась наизнанку. Многие ученые полагают, что и юность у нее была бурная: когда-то самые большие планеты сместились на новые орбиты, разбрасывая по пути крупные камни и кометы. Израненная поверхность Луны – свидетельство той эпохи грандиозного хаоса.

«Кто мог подумать еще недавно, что планеты-гиганты так свободно шатались по Солнечной системе?» – говорит Алан Стерн из Юго-Западного исследовательского института. Чтобы в этом убедиться, понадобилось то, чего не хватало Ньютону – сверхмощный телескоп и сверхмощные компьютерные программы, вычисляющие прошлые и будущие орбиты планет.

Первую подсказку дал Плутон. Этот чудаковатый обитатель Солнечной системы поднимается выше и опускается ниже той похожей на блин плоскости, в которой кружат восемь планет; он вращается по сильно вытянутой орбите. Однако самая любопытная особенность Плутона – это его связь с Нептуном. Пока Нептун совершает три оборота вокруг Солнца, Плутон за это же время совершает два. Причем обе планеты никогда не приближаются друг к другу. Такую связь называют резонансной.

В 1993 году Рену Малхотра объяснила это так: во времена молодости Солнечной системы Нептун находился ближе к Солнцу, а сама система тогда была переполнена астероидами и кометами. Когда какое-нибудь из этих небесных тел приближалось к Нептуну, могучая гравитация планеты могла запустить его или ближе к Солнцу, или же, наоборот, за пределы Солнечной системы. Приближавшиеся отвечали собственной гравитацией – и орбита самого Нептуна каждый раз тоже немножко смещалась.

Человек, будь он даже Ньютоном, никогда не смог бы просчитать совокупный эффект триллионов таких взаимодействий – однако созданная Малхотрой компьютерная модель показала, что в целом они должны были заставить Нептун отодвинуться дальше от Солнца. По сценарию Малхотры, это привело к тому, что планета Нептун «поймала» планету Плутон, заставив ее двигаться с собой в такт.

Сперва коллеги отнеслись к выводам Малхотры скептически, однако не прошло и десяти лет, как выяснилось, что она была права. Телескопы обнаружили в поясе Койпера, темном регионе, простирающемся на огромное пространство за Нептуном, группы плутино – маленьких ледяных миров, состоящих с Нептуном в том же самом резонансе «два круга вокруг Солнца к трем».

Так могло получиться в том случае, если Нептун двигался, словно снегоуборочная машина, сдвигая карликовые планеты на новые орбиты. «Теперь теория миграции планет практически общепризнана», – говорит Рену.

Идея о миграции планет возникла в то самое время, когда планетологи задумались над некоторыми другими загадочными особенностями Солнечной системы. К началу 2000-х годов уже было понятно, что она появлялась на свет в жестоких родовых схватках.

Планеты не конденсировались тихо-мирно из Солнечной туманности. О нет, они росли, плотоядно поглощая планетезимали – врезавшиеся в них на огромной скорости каменные астероиды, ледяные кометы и объекты размером побольше. Так, согласно одной из теорий, Луна образовалась из брызг расплавленного камня, выброшенных на орбиту, когда в Землю врезалось небесное тело размером с Марс. Все это, возможно, произошло в первые сто миллионов лет существования Солнечной системы.

Но и на этом грандиозные катастрофы не кончились. Многие сотни миллионов лет спустя Луна подверглась серии тяжелых ударов, которые навеки изъязвили ее поверхность шрамами огромных кратеров. Эта так называемая Поздняя тяжелая бомбардировка должна была обрушиться на Землю еще более яростно.

Телескопы обнаружили в простирающемся за Нептуном поясе Койпера множество мелких тел, вращающихся по самым разным орбитам. Некоторые из этих тел сгруппированы в плоский диск, другие – в облако в форме бублика, орбиты третьих были еще более, как говорят о вытянутых орбитах, эксцентрическими, чем у Плутона. Мирная миграция Нептуна прочь от Солнца, которой Малхотра объясняла появление плутино, не могла бы так яростно расшвырять эту космическую мелочь.

Тем временем астрономы открыли сотни планет, вращающихся вокруг других звезд (их называют экзопланетами). Какие-то из них вращаются по орбитам, расположенным гораздо ближе друг к другу, чем у планет нашей системы. Некоторые гиганты размером с Юпитер или Нептун стремительно носятся по раскаленным орбитам в опасной близости от своих солнц. Другие совершают длительные экскурсии в глубокий космос по удивительным траекториям – вообще, в среднем орбиты экзопланет более вытянуты, чем у планет нашей системы. Существуют даже планеты, свободно плавающие в межзвездном пространстве.

Если бы все планеты рождались близ своих звезд и там же бы оставались – они двигались бы, как в медных оррериях, по идеально круглым орбитам. Очевидно, многие планеты мигрировали, однако мирные миграции вряд ли могли привести к появлению экстремальных орбит и таких явлений, как Поздняя тяжелая бомбардировка. Левисон начал подозревать, что уж какой-какой, а мирной история Солнечной системы не была – что она, наоборот, пережила период глобального хаоса. В 2004 году в Ницце он вместо отпуска отлавливал трех своих коллег, чтобы постараться понять, как это было. Так родилась «модель Ниццы».

Согласно модели, четыре планеты-гиганта нашей системы, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, изначально двигались гораздо ближе друг к другу по почти совершенно круглым орбитам, причем последние три были расположены ближе к Солнцу, чем теперь. На ранней стадии они занимали место внутри дисковидной солнечной туманности, в которой еще было множество ледяного и каменного крошева. Поглощая эти планетезимали или выбрасывая их после сближения прочь от Солнца, гиганты расчищали свободные пространства.

Поскольку гиганты также оказывали гравитационное воздействие и друг на друга, вся система была хрупкой – «почти беспредельно хаотичной», по выражению Левисона.

Это как если бы планеты в оррерии были соединены пружинами друг с другом (соединения означают гравитацию). Наиболее мощная пружина соединяла бы самые крупные планеты – Юпитер и Сатурн. Удар по этой пружине встряхнул бы всю систему.

Именно это, полагают единомышленники Левисона, и случилось, когда Солнечной системе было от 500 до 700 миллионов лет. Планеты взаимодействовали с планетезималями, и их собственные орбиты смещались. Юпитер сдвигался ближе к Солнцу, Сатурн, а также Уран и Нептун – чуть дальше. Все совершалось медленно, пока вдруг не оказалось, что на один оборот Сатурна приходится два оборота Юпитера.

Этот резонанс «один к двум» не был стабильным, как тот, что существует между Нептуном и Плутоном, – это был мгновенный и мощный удар по пружине. По мере того как Юпитер и Сатурн сближались и оказывали друг на друга гравитационное воздействие в одной и той же точке своих орбит, эти орбиты, почти круглые, вытягивались в эллипсы. Это довольно скоро положило конец точному резонансу, но прежде Сатурн подвинулся к Урану и Нептуну достаточно близко, чтобы придать им ускорение и резко швырнуть прочь от Солнца. Примерно в половине компьютерных моделей группы Левисона они даже менялись местами.

Вспахав те зоны Солнечной системы, где еще было множество ледяных планетезималей, Уран и Нептун запустили разрушительную катастрофу. Ледяные шары разлетались во все стороны.

Некоторые были пойманы планетами-гигантами, которые так обзавелись несколькими спутниками с необычными орбитами. Многие объекты были заброшены в пояс Койпера. Бессчетное количество объектов – может быть, триллион – были изгнаны еще дальше, в облако Оорта, огромный кокон из комет, окутывающий Солнечную систему и достигающий половины расстояния до ближайшей звезды.

Множество комет во внутренней области Солнечной системы врезались в планеты или распались под воздействием солнечного тепла.

Тем временем миграции планет-гигантов взбаламутили также пояс каменных астероидов между Юпитером и Марсом. Разлетающиеся астероиды совместно с кометами из внешних областей породили Позднюю тяжелую бомбардировку. Недавно космический аппарат НАСА GRAIL заснял картину тяжелых последствий этого и других космических обстрелов Луны на ранних этапах ее истории: вся лунная кора покрылась глубокими разломами. Земле наверняка досталось еще больше, однако движение литосферных плит загладило кратеры. Живые организмы, если таковые уже существовали, могли уцелеть только глубоко под землей.

Худший период Поздней тяжелой бомбардировки продолжался, как показывает модель группы Левисона, менее ста миллионов лет. Однако недавняя работа Билла Боттке из Юго-Западного исследовательского института позволяет предположить, что последующие столкновения прервали развитие жизни на длительный срок – до двух миллиардов лет. Когда астероид врезается в Землю, в атмосферу выбрасываются крошечные капли расплавленного камня, которые позже выпадают в виде дождя из твердых, гладких бусинок, называемых сферулами. Залежи сферул, которые образовались после падения на Юкатан астероида размером десять километров в поперечнике, приведшего к вымиранию динозавров, находили по всему миру. На сегодня найдено около десятка похожих залежей сферул, образовавшихся 1,8–3,7 миллиарда лет назад.

Компьютерные модели группы Боттке показывают, что эти врезавшиеся в Землю пришельцы являлись из ныне не существующего внутреннего обода кольца астероидов, который продолжал терять астероиды еще два миллиарда лет, после того, как его потревожил Юпитер. По мнению Боттке, в Землю могло врезаться до 70 астероидов, каждый из которых был сравним по размерам с тем, что уничтожил динозавров.

«И все-таки в Солнечной системе еще более или менее спокойно по сравнению с тем, что творится в других местах, – убежден Гарольд Левисон. – Должно быть, такое спокойствие необходимо для появления обитаемой планеты».

Реально ли повторение этого апокалипсиса? «Модель Ниццы» – гипотеза, и далеко не все ученые убеждены в ее истинности. Сегодня все согласны в том, что планеты, по крайней мере некоторые, мигрировали, но привело ли это к катастрофической судороге в масштабе всей Солнечной системы, остается предметом споров. Обломки комет вроде Инти наверняка выбрасывались на обочину системы, но планеты могли сдвигаться и более мирно.

Ключевую роль в определении истинности «модели Ниццы» должна сыграть картография. Составление карт состава и орбит далеких небесных тел выявит, зашвырнули ли их туда, где они сейчас находятся, и если да, то как именно это произошло. Алан Стерн из Юго-Западного исследовательского института возглавляет проект НАСА New Horizons («Новые горизонты»), в рамках которого беспилотный космический зонд в июле 2015 года пролетит мимо Плутона и пяти его известных нам лун. Стерн надеется, что оттуда New Horizons удастся перенаправить так, чтобы он смог исследовать хотя бы один объект из пояса Койпера.

Новые телескопы, строительство которых запланировано на следующее десятилетие, покажут гораздо больше объектов из пояса Койпера. Кроме того, они смогут заглянуть в облако Оорта, которое Стерн называет чердаком Солнечной системы. Среди обломков, выброшенных Юпитером, там могут оказаться целые потерянные планеты. «Я думаю, облако Оорта снесет нам крышу, – говорит Стерн. – Оно окажется нашпигованным планетами. Я убежден, что мы найдем там множество Марсов и Земель».

А что ждет известные нам планеты? Ученые убеждены, что четыре планеты-гиганта закончили блуждания и останутся на нынешних орбитах еще пять миллиардов лет, пока Солнце не разбухнет и не поглотит внутренние планеты.

Но существует один процент вероятности, что внутренняя область Солнечной системы однажды в течение ближайших пяти миллиардов лет потеряет стабильность. Причина – странная связь между Юпитером и Меркурием. Когда максимальное приближение Юпитера к Солнцу совпадает с определенным положением Меркурия, Юпитер оказывает на Меркурий небольшое, но устойчивое гравитационное воздействие. Это создает вероятность (один шанс из ста), что за миллиарды лет Меркурий однажды пересечет орбиту Венеры…»