Земля не может убегать от Солнца своими силами

В одном из альбомов группы Tequilajazzz лидер коллектива Евгений Федоров размышлял о расстоянии между Землей и Солнцем. По его словам, оно составляет 150 миллиардов шагов – «не метров, верст или там футов, а именно шагов». Так называется и упомянутый альбом «Текилы», «150 миллиардов шагов».

На самом деле, Федоров прав. При его росте расстояние от нашей планеты до нашего светила и вправду можно преодолеть примерно за 150 миллиардов шагов, хотя со средней человеческой скоростью 2 шага в секунду на это путешествие обычной человеческой жизни не хватит.

Астрономическая единица

Между тем астрономы знают среднее расстояние от Земли до Солнца, большую полуось эллиптической орбиты нашей планеты, с гораздо лучшей точностью. Эта величина называется астрономической единицей (а. е.), и уже из одного названия понятно, что она играет фундаментальную роль в науке о космосе. С ее помощью высчитываются положения планет, прокладываются траектории космических станций, измеряются массы объектов Солнечной системы. На ней построена и вся шкала астрономических расстояний, от ближайших звезд до самых далеких галактик. Даже оценки возраста Вселенной, в конечном счете, завязаны на а. е.

Правда, измерена астрономическая единица была лишь сравнительно недавно, а до того тысячи лет астрономия оставалась «относительной» наукой. К концу XVII века астрономы уже умели предсказывать конфигурацию планет на небе с очень высокой точностью, но линейные масштабы Солнечной системы были неизвестны. Лишь в 1672 году Жан Рише и Джованни Кассини, измерившие разницу в положении Марса при наблюдениях из Парижа и Французской Гвианы, получили первую надежную оценку (140 млн км в современных единицах).

Сейчас благодаря сверхточным измерениям положения межпланетных станций и задержек распространения их сигналов, мы знаем астрономическую единицу с огромной точностью. Ее значение составляет 149 миллиардов 597 миллионов 870 тысяч 696 метров (плюс/минус 10 см).

Шаг за шагом

Пять лет назад анализ все тех же наблюдений межпланетных станций привел российских астрономов Григория Красинского и Виктора Брумберга из Института прикладной астрономии РАН на Кутузовской набережной Петербурга к совершенно неожиданному выводу. По их расчетам, астрономическая единица увеличивается примерно на 15 см в год, или 15 метров за столетие.

Сам по себе вековой рост расстояния от Земли до Солнца не был неожиданным. В конце концов, светило постепенно теряет массу в виде света, рожденного в термоядерных реакциях, и притяжение Солнца медленно ослабевает, отпуская планеты все дальше и дальше. Проблема была в масштабах: световые потери, со всеми поправками на излучение нейтрино и разгон частиц звездного ветра, должны давать рост а. е. не больше полуметра за столетие. А из наблюдений получаются все 15, ну минимум 10 – то есть на полтора порядка больше.

Работа Красинского и Брумберга вызвала огромный интерес в среде специалистов по небесной механике и гравитации. Для объяснения эффекта выдвигались самые разные идеи – и сомнительное участие Земли в космологическом расширении Вселенной, и влияние облака темной материи, гипотетически окружающего Солнце, и медленное изменение гравитационной постоянной со временем. Кое-кто даже пытался связать эффект Красинского—Брумберга с «аномальным ускорением Пионеров» или привлечь его в поддержку альтернативных теорий гравитации – так, как медленный поворот орбиты Меркурия почти 100 лет назад поддержал Общую теорию относительности Эйнштейна.

Однако все эти попытки так и не увенчались успехом – предлагаемого эффекта всегда не хватало по величине, а иногда его влияние было и вовсе противоположно желаемому.

Бег от прилива

В первой половине этого года показалось, что вековой рост астрономической единицы, наконец, сможет найти объяснение. Отчаявшись вывести величину в 15 метров за столетие из известных законов и их параметров, японские астрофизики под руководством Такахо Миура из университета Хиросаки попробовали посмотреть на задачу с противоположной стороны. В мае их работа в Publications of the Astronomical Society of Japan появилась в Архиве электронных препринтов Корнельского университета.

Миура и его коллеги предположили, что Землю разгоняет само Солнце. Как бы невелика наша планета ни была в сравнении со светилом, она должна вызывать в его рыхлом теле приливы – за счет того, что близкие к Земле участки Солнца планета притягивает чуть сильнее, чем далекие. Эти приливы бегут по поверхности Солнца и должны замедлять его вращение. Вместе с тем полный момент импульса в системе Солнце—Земля должен сохраняться, и деваться ему некуда, кроме как в расширение орбиты Земли за счет неравномерного притяжения планеты приливными горбами.

Этот эффект отлично работает для системы Земля—Луна и очень точно измерен благодаря уголковым отражателям лазерного луча, доставленным на Луну советскими луноходами и американскими «Аполлонами». Приливы действительно удлиняют сутки на нашей планете примерно на 1,7 миллисекунды за столетие (когда-нибудь Земля будет смотреть на Луну одной и той же стороной, как сейчас Луна смотрит на Землю). А Луна действительно убегает от Земли примерно на 4 см в год, в точном соответствии с расчетом.

Миура и его коллеги записали школьные уравнения сохранения углового момента для системы Солнце—Земля и подсчитали, насколько должно замедляться вращение Солнца, чтобы Земля убегала от него на 15 см в год. Получилась 21 миллисекунда за столетие. С такой точностью период вращения Солнца попросту неизвестен – мы знаем лишь, что один оборот относительно звезд светило совершает за 25 суток, 9 часов и 7 минут. Какие уж тут 21 мс за 100 лет.

Японские ученые заключили, что полученное значение не противоречит наблюдательным данным, и в отсутствие лучшего варианта его можно считать объяснением эффекта Красинского—Брумберга. Правда, конкретный физический механизм замедления Солнца и ускорения Земли ученые предпочли оставить для последующих исследований.

Вековые миллиметры

Как теперь выясняется, победу над Красинским и Брумбергом праздновали рано. Соотечественник Миуры Есуки Ито из Астрономического института при университете Тохоку напрямую применил к системе Солнце—Земля пусть и не школьную, но, тем не менее, стандартную теорию ускорения спутников в поле вызванных ими приливов. И показал, что этого эффекта никак не хватает для объяснения векового роста астрономической единицы. Результаты его расчетов приняты к публикации в том же журнале, что и статья Миури, и доступны в том же Архиве электронных препринтов.

Предельная скорость роста орбиты, согласно проверенной наблюдениями теории, зависит лишь от размеров Солнца и земной орбиты, отношения масс планеты и светила и еще одного параметра — так называемого числа Лава. Этот параметр зависит от физических свойств и распределения вещества в теле Солнца (он показывает, насколько сильнó гравитационное поле самого прилива в сравнении с полем Земли).

Для Солнца число Лава напрямую не измерено. Однако астрономы давно наблюдают за поведением многих тысяч двойных звезд, среди которых немало светил, очень похожих на наше Солнце. По этим наблюдениям ученые надежно установили, как число Лава меняется в зависимости от массы и даже химического состава звезды. Ито оставалось лишь взять значение, подходящее для нашего Солнца.

Как выяснилось, приливы, которые Земля вызывает на Солнце, никак не в состоянии произвести должный эффект. Расширять земную орбиту они могут не более чем на 1 мм в сто лет. Более того, даже если предположить, что приливы, которые вызывают на Солнце все другие планеты, случайно складываются самым подходящим образом, все равно на этом эффекте больше 1 см за столетие не наберешь. А нужны не сантиметры, а 15 метров. В довершение всего, на взаимные расстояния между планетами и ориентации их орбит эти эффекты должны влиять совсем не так, как наблюдается.

Свет притягивает

Иными словами, эффект Красинского—Брумберга по-прежнему остается необъяснимым. По ощущениям Ито, объяснение может прийти сразу с нескольких направлений. Во-первых, разные методики дают немного отличающиеся значения для векового роста а. е., и сама необъяснимость может быть поводом сильнее верить тем методикам, что дают меньший эффект. Во-вторых, неточность в определении величины векового роста все еще велика – десятки процентов, и это тоже может дать свой вклад. Иными словами, не исключено, что с увеличением точности измерений и их обработки эффект может оказаться не таким страшным, как показалось поначалу.

Тем не менее, измерения векового роста остаются очень важными. В конце концов, расширение орбит из-за потери массы Солнцем с наблюдательной точки зрения надежно не измерено. А эта величина очень важна с точки зрения проверки принципа эквивалентности – одного из краеугольных камней Общей теории относительности. Эквивалентность энергии света и потерь гравитационной массы пока экспериментально не установлена. Похоже, этот экзамен эйнштейновской теории придется держать не в темноте глубокого космоса, а в свете Солнца, проносящемся мимо Земли.