Страница:
Таким образом, посещения Луны доказали, что наш спутник был свидетелем Дня Творения.
Определение возраста Луны — то есть времени ее образования — усилило дебаты по вопросу о том, как возникла Луна.
«Надежда выяснить происхождение Луны была одной из главных научных причин появления проекта „Аполлон“ в начале 60-х годов», — писал Джеймс Глейк в июне 1986 года в научном обзоре для «The New York Times». Тем не менее, программа «Аполлон» «не смогла дать ответа на этот великий вопрос».
Почему современная наука, так тщательно изучавшая «Камень розы» Солнечной системы и организовавшая шесть его посещений, не смогла ответить на этот главный вопрос? Загадка разрешается просто: сделанные открытия применялись к заранее сложившимся теориям, и поскольку ни одна из этих теорий не была верной, полученные данные не позволили сделать правильный вывод.
Одна из первых научных теорий происхождения Луны была выдвинута в 1879 году сэром Джорджем. X. Дарвином, вторым сыном Чарлза Дарвина. Отец сэра Джорджа разрабатывал теорию происхождения видов на Земле, тогда как он сам на основе математических вычислений и достижений геофизики выдвинул гипотезу о происхождении системы, состоящей из Солнца, Земли и Луны. Сэр Джордж специализировался на изучении приливных сил, и поэтому считал, что Луна образовалась из вещества, оторванного от Земли солнечными приливами. Впоследствии Тихий океан был назван шрамом, оставшимся после того, как у Земли «отщипнули» часть, которая затем стала Луной.
И хотя «Британская энциклопедия» осторожно называет эту теорию «гипотезой, которая в настоящее время считается ложной», она еще раз всплыла в двадцатом веке в качестве одной из трех идей, которые должны были быть подтверждены или опровергнуты полученной при исследовании Луны информацией. Гипотеза получила современное название «теории раскола» и претерпела серьезные изменения. В новой теории упрощенные представления о приливном воздействии Солнца были отброшены; вместо этого высказывалось предположение, что Земля разделилась на две части в результате очень быстрого вращения еще на этапе своего формирования. Скорость вращения планеты была настолько велика, что часть вещества, из которого она формировалась, была отброшена в сторону, и на некотором расстоянии от Земли образовался сгусток, который затем остался рядом со своим большим по размерам собратом в качестве спутника (рис. 39).
Теория «оторванного куска» — как в традиционной, так и в обновленной форме — была решительно отвергнута специалистами в разных отраслях науки. Результаты исследований, обнародованные на третьей конференции по вопросам происхождения жизни (она состоялась в 1970 году в Калифорнии), продемонстрировали, что приливные силы не могут стать причиной существования Луны на расстоянии, превышающем пять земных радиусов, тогда расстояние от Земли до ее спутника составляет 60 земных радиусов. Кроме того, ученые пришли к выводу, что работа Курта С. Хансена («Review of Geophysics and Space Physics», том 20, 1982 год) убедительно доказывает, что Луна никогда не могла находиться на расстоянии менее 140 тысяч миль от Земли. Это исключает из рассмотрения любую теорию, утверждающую, что Луна когда-то являлась частью Земли (в настоящее время среднее расстояние от Земли до Луны составляет 240 тысяч миль, но эта величина не является постоянной).
Сторонники теории раскола предложили многочисленные варианты разрешения проблемы расстояния, которая еще больше обострилась при появлении такого понятия, как предел Роше(расстояние, в пределах которого приливные силы превышают гравитационные). Однако все варианты теории раскола были отвергнуты из-за того, что они противоречат закону сохранения энергии. Требуется гораздо больший по величине момент импульса, чем тот, что дает оценка энергии системы, чтобы обеспечить вращение Земли и Луны вокруг собственных осей, а также вокруг Солнца. Джон А. Вуд их Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в своей книге «Origin of the Мооп» (1986) так суммировал это ограничение: «Модель раскола сталкивается с очень серьезными проблемами с точки зрения динамики. Чтобы произошло отделение, Земля должна была бы обладать в четыре раза большим моментом импульса, чем тот, который в настоящее время имеет система из Земли и Луны. Не существует удовлетворительного объяснения, откуда у Земли был такой избыток момента импульса и куда он делся после того, как разделение произошло».
Информация о Луне, полученная в результате выполнения программы «Аполлон», присоединила геологов и химиков к тем, кто отвергал теорию раскола. Лунные породы по своему составу во многом сходны с земными, однако у них есть ключевые отличия. Между ними обнаружилось достаточно близкое «родство», но существенные отличия указывают на то, что их нельзя считать «близнецами». Особенно это справедливо для коры и мантии Земли, из которых в соответствии с теорией раскола и должна была сформироваться Луна. Так, например, на Луне обнаружилось слишком мало элементов, получивших название «сидерофиллитов», таких как вольфрам, фосфор, кобальт, молибден и никель, — по сравнению с их содержанием в коре и мантии Земли — а также слишком много «жаропрочных» элементов, таких как алюминий, кальций, титан и уран. Стюарт Р. Тейлор в своем исключительно подробном анализе различных данных («The Origin of the Мооп», журнал «Аmeгісап Scientist», сентябрь—октябрь 1975 года) делал следующий вывод: «По всем этим причинам невозможно признать идентичность состава лунных пород и мантии Земли».
Помимо вступительных статей и резюме (таких, как упомянутая выше статья Дж. А. Вуда), книга «Происхождение Луны» содержит подборку докладов, представленных шестьюдесятью двумя учеными на конференции по проблеме происхождения Луны, проводившейся на Гавайях в октябре 1984 года, — самую всеохватывающую со времен первой конференции двадцатилетней давности, определившей перечень научных задач для пилотируемых и беспилотных лунных зондов. В этих работах ученые, подходя к проблеме с точки зрения различных научных дисциплин, неизменно приходили к выводам, опровергавшим теорию раскола. Сравнение состава верхней части земной мантии с составом лунных пород «абсолютно исключает» (как выразился Майкл Дж. Дрейк из университета Аризоны) гипотезу ротационного раскола.
Закон сохранения момента импульса и сравнение состава лунных пород с составом мантии Земли — после экспедиций на Луну — также доказали несостоятельность второй популярной теории происхождения Луны, теории захвата. В соответствии с этой гипотезой Луна образовалась не вблизи Земли, а в районе внешних планет Солнечной системы или еще дальше. Двигаясь по эллиптической орбите вокруг Солнца, она прошла слишком близко от Земли и была захвачена гравитационными силами нашей планеты, превратившись в ее спутника.
Как показали многочисленные компьютерные модели, эта теория требует очень медленного сближения Луны с Землей. Этот процесс захвата не похож на то, что происходит, когда мы посылаем космические аппараты к Марсу и Венере, которые становятся спутниками этих планет. Относительная масса Луны (примерно одна восьмидесятая массы Земли) слишком велика, чтобы ее можно было столкнуть с протяженной эллиптической орбиты. Это возможно лишь в том случае, если Луна движется очень медленно. Однако, как показывают расчеты, результатом станет не захват Луны Землей, а их столкновение. Данная теория была также опровергнута сравнением состава двух небесных тел: Луна слишком похожа на Землю и значительно отличается от внешних планет, сформировавшихся далеко от Земли.
Тщательный анализ теории захвата приводит к выводу, что Луна могла остаться целой и невредимой только в том случае, если приближалась к Земле не издалека, а из той же области пространства, где сформировалась сама Земля. С этим выводом согласился даже С. Фред Зингер из Университета Джорджа Мейсона — сторонник теории захвата — в своем докладе «Origin of the Moon by Capture», представленном на упомянутой выше конференции по проблеме происхождения Луны. «Захват с эксцентрической гелиоцентрической орбиты невыполним и не нужен», — писал он. Сходный состав лунных пород «может быть объяснен тем, что Луна формировалась на орбите, похожей на орбиту Земли: захват произошел в тот момент, когда шло формирование Луны в непосредственной близости от Земли».
Эти признания сторонников теории раскола и теории захвата выдвинули на первый план третью популярную гипотезу, которая носила название «теории конденсации», или общего рождения. Эта теория основывается на предположении, выдвинутом в конце восемнадцатого века Пьером-Симоном де Лапласом, который утверждал, что Солнечная система образовалась из небулярногогазового облака, которое со временем конденсировалось, образовав Солнце и планеты. Гипотеза Лапласа поддерживается современной наукой. Показав, что ускорение Луны зависит от эксцентриситета земной орбиты, Лаплас сделал вывод, что два небесных тела сформировались в непосредственной близости друг от друга — сначала Земля, а затем Луна. Земля и Луна, предположил он, являются «сестрами», компонентами бинарной, или двупланетной, системы, в которой они вместе вращаются вокруг Солнца, и одновременно одна из них «танцует» вокруг другой.
Такие естественные спутники, или луны, конденсируются из остатков той же первичной материи, из которой сформировалась сама планета. В настоящее время это общепризнанная теория образования лун, применимая также к Луне и Земле. По данным, полученным с помощью космических аппаратов «Пионер» и «Вояджер», луны внешних планет — которые в большинстве своем образовались из того же первичного вещества, что и их «родители» — похожи на свои планеты и в то же время, как и любые «дети», обладают индивидуальными особенностями. Тот же вывод справедлив по отношению к сходным характеристикам и различиям между Землей и Луной.
Тем не менее, существует один аспект, который заставляет ученых отвергнуть данную теорию, когда речь заходит о Луне и Земле — это их относительные размеры. Луна просто слишком велика по отношению к Земле — не только одна восьмидесятая массы, но и четверть диаметра. Это соотношение не соответствует пропорциям, наблюдаемым во всех других частях Солнечной системы. Для каждой планеты (за исключением Плутона) соотношение суммарной массы ее спутников к массе самой планеты выглядит следующим образом:
Меркурий 0,0 (нет лун)
Венера 0,0 (нет лун)
ЗЕМЛЯ 0,0122
Марс 0,00000002 (2 астероида)
Юпитер 0,00021
Сатурн 0,00025
Уран 0,00017
Нептун 0,00130
Сравнение относительных размеров самого большого спутника каждой из остальных планет и относительного размера Луны тоже выявляет аномалию (рис. 40). Результатом такой диспропорции является слишком большой момент импульса в системе Земля — Луна, который не соответствует гипотезе бинарных планет.
Поскольку все три главные теории происхождения Луны не способны удовлетворить требуемым критериям, вполне закономерен вопрос, откуда вообще у Земли появился спутник… Такой поворот нисколько не беспокоит некоторых ученых, которые обращают внимание на то, что ни у одной из внутренних планет Солнечной системы (за исключением Земли) нет спутников. Два крошечных небесных тела, вращающихся по орбите вокруг Марса, являются, по общему признанию, захваченными астероидами. Если условия формирования Солнечной системы были таковы, что ни одна из планет между Солнцем и Марсом (включительно) не могла обзавестись спутниками при помощи трех признанных методов — раскола, захвата и конденсации, — то не должна ли была Земля тоже остаться в одиночестве? Однако факт остается фактом: Земля в ее теперешнем состоянии имеет спутник, причем непропорционально большой. Как же это объяснить?
Еще одно открытие, сделанное при выполнении программы «Аполлон», свидетельствует против теории конденсации. Поверхность Луны, а также ее минеральный состав предполагают наличие «океана магмы», образовавшегося при частичном расплавлении недр Луны. Для этого требуется достаточно мощный источник тепла. Такое количество тепла могло высвободиться только в результате катастрофы, но никак не в процессе конденсации. Как же объяснить океан магмы и другие найденные на Луне свидетельства катастрофического нагрева?
Условие формирования Луны с достаточно большим моментом импульса и наличие катастрофы, вызвавшее выделение огромного количества тепла, привели (после завершения программы «Аполлон») к появлению гипотезы, получившей название «теории большого удара».
Она развилась из предположения Уильяма Хартмана, геохимика из Института планетарной науки в Туксоне, штат Аризона, и его коллеги Дональда Р. Дэвиса. В 1975 году они высказали мысль, что в образовании Луны важную роль могли играть удары и столкновения «Satellitesized Planetesimals and Lunar Origin», «Icarus», том 24). Согласно их вычислениям частота, с которой планеты подвергались бомбардировке со стороны мелких и крупных астероидов на последних стадиях своего формирования, была гораздо выше, чем в настоящее время. Некоторые астероиды были достаточно велики, чтобы при ударе отколоть часть планеты; в случае с Землей этот осколок превратился в Луну.
Идея была подхвачена двумя астрофизиками, Аластером Дж. У. Камероном из Гарварда и Уильямом Р. Бардом из Калифорнийского политехнического института. Их работа «Origin of the Мооп» («Lunar Science», том 7, 1976) описывала небесное тело размером с планету — не меньше Марса, — летящее навстречу Земле со скоростью 24 500 миль в час. Это тело появилось из-за границ Солнечной системы и двигалось к Солнцу, но на его пути оказалась Земля с ее все еще находящейся в стадии формирования орбитой. «Скользящий удар» (рис. 41) слегка повернул Землю, что привело к наклонению ее эклиптики (в настоящее время наклонение составляет 23,5 градуса), а также нагреву и частичному расплавлению верхних слоев двух небесных тел, в результате чего произошел выброс испарившихся пород на орбиту вокруг Земли. Масса этого выброса в два раза превышала массу Луны, а сила его была такова, что вещество рассеялось на значительном расстоянии от Земли. Часть вещества упала обратно на Землю, но достаточное его количество оказалось довольно далеко, в конечном итоге конденсировалось и превратилось в Луну.
Эта теория «столкновения-выброса» была усовершенствована авторами по мере того, как возникали различные вопросы, а также модифицирована другими коллективами ученых, которые применили методы компьютерной симуляции (лидировали в этих исследованиях группы А. С. Томпсона и Д. Стивенсона из Калифорнийского политехнического института, X. Дж. Мелоша и М. Киппа из Национальной лаборатории в Сандии, и В. Бенца и У. Л. Слаттери из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе).
В соответствии с этим сценарием (на рис. 42 изображена смоделированная последовательность общей длительностью около восемнадцати минут) удар привел к сильнейшему нагреву (возможно, до 12 000 градусов по Фаренгейту), что вызвало расплавление обоих небесных тел. Основная масса ударившего в Землю тела опустилась к центру расплавившейся Земли, а часть обоих небесных тел испарилась и была с силой выброшена наружу. Охлаждаясь, Земля видоизменилась — в ее центре появилось богатое железом ядро. Часть выброшенного в пространство вещества упала на Землю, а остальная — в основном принадлежавшая пришельцу — охладилась и конденсировалась на некотором расстоянии от нашей планеты, превратившись в Луну, вращающуюся вокруг Земли.
Другим существенным отступлением от первоначальной теории «большого удара» стало осознание — в целях разрешения вопросов, касающихся химического состава — что пришелец должен был сформироваться в той же области пространства, что и Земля, а не за пределами Солнечной системы. Но в таком случае, откуда у него взялась огромная кинетическая энергия, достаточная для испарения вещества?
Существует еще и вопрос вероятности, на который обратил внимание сам Камерон во время выступления на гавайской конференции. «Какова вероятность того, — спрашивал он, — что внепланетарное тело массой не меньше, чем у Марса, находилось внутри Солнечной системы в момент времени, подходящий для нашего предполагаемого столкновения?» Он считал, что через 100 миллионов лет после формирования планет внутри новорожденной Солнечной системы сохранялась серьезная нестабильность и присутствовало достаточное количество «протопланетных остатков», чтобы сделать столкновение с крупным объектом вполне вероятным.
Последующие расчеты показали, что для получения конечного результата объект, с которым столкнулась Земля, должен был быть в три раза больше Марса. Это обострило вопрос, где и как в окрестностях Земли могло образоваться такое небесное тело. В ответ астроном Джордж Уэтерил из Института Карнеги произвел обратные расчеты и обнаружил, что внутренние планеты Солнечной системы могли образоваться из вращающегося пояса, состоявшего примерно из пятисот планетезималей. Постоянно сталкиваясь друг с другом, небольшие планетезимали послужили строительным материалом как для планет, так и для небесных тел, продолжающих бомбардировать их. Вычисления подтверждают правдоподобность теории «большого удара» в ее модифицированном виде, то есть в виде сценария «столкновение-выброс» с выделением огромного количества тепла. «Тепло, выделившееся при таком ударе, — делает вывод Уэтерил, — расплавило бы оба тела». Это объясняет, во-первых, возникновение железного ядра у Земли, а, во-вторых, существование океанов расплавленной магмы на Луне.
Несмотря на то, что эта последняя версия теории все же оставляет без ответа многие вопросы, участники конференции 1984 года были готовы — к моменту окончания конференции — принять гипотезу «столкновения-выброса», причем не столько из-за убеждения в ее верности, сколько из-за раздражения. «Так получилось, — писал в своем резюме Вуд, — в основном потому, что несколько независимых исследователей доказали, что теория конденсации, завоевавшая наибольшее признание у занимающихся изучением Луны ученых (по крайней мере, на подсознательном уровне), не объясняет, откуда у системы Земля — Луна взялся такой момент импульса». И действительно, многие участники конференции, включая самого Вуда, видели недостатки, присущие новой теории. «Железо, — указывал Вуд, — на самом деле довольно летучее вещество, и оно должно было разделить судьбу таких элементов, как натрий и вода». Другими словами, оно не должно было опуститься к центру Земли, как того требует новая теория. В случае расплавления Земли было бы невозможно такое изобилие воды на планете, не говоря уже о большом количестве железа в земной мантии.
Поскольку каждый вариант гипотезы «большого удара» предполагал расплавление Земли, необходимо было найти свидетельства этого события. Однако в 1988 году на конференции, посвященной вопросу происхождения Земли, прозвучало ошеломляющее заявление об отсутствии таких свидетельств. Если бы Земля расплавилась, а потом вновь затвердела, различные элементы ее горных пород кристаллизовались бы по-другому и появлялись бы в определенных соотношениях, но этого не наблюдалось. Еще одним следствием было бы изменение хондритов — самых старых минералов на Земле, которые также найдены в составе метеоритов — однако и их обнаружено не было. Один из исследователей, А. И. Рингвуд из Австралийского национального университета, распространил эти тесты на более чем десяток элементов, относительное изобилие которых не наблюдалось бы сегодня, если бы земная кора сформировалась после расплавления Земли. В обзоре этих открытий (журнал «Science», 17 марта 1989 года) указывалось, что на конференции 1988 года геохимики «согласились, что сильный удар с неизбежным расплавлением Земли не согласуется с данными геохимии. Состав верхних нескольких сот километров мантии указывает на то, что она никогда полностью не расплавлялась». «Геохимия, — заключают авторы журнальной статьи, — похоже, становится потенциальным камнем преткновения для теории происхождения Луны в результате гигантского столкновения».
В статье «Science and Technology» («The Economist», 22 июля 1989 года) также сообщалось, что многочисленные исследования заставили геохимиков скептически относиться к гипотезе о столкновении.
Как и предыдущие теории, гипотеза «большого удара» разрешает одни проблемы и не разрешает другие. Однако возникает вопрос, не объясняет ли эта теория хотя бы следы расплавленной породы на Луне, если уж мы сталкиваемся с трудностями при применении ее к Земле?
Как выяснилось, не совсем. Термический анализ действительно указывает на то, что Луна была частично или полностью расплавлена. «Найдены свидетельства того, что Луна была почти вся или вся расплавлена на раннем этапе своей истории», — отметил Алан Б. Биндер из Джонсоновского космического центра NASA на конференции 1984 года. На «раннем», но не на «начальном» — возражали ему другие ученые. Эта ключевая разница была обнаружена при изучении напряжений в лунной коре (Шоном С. Соломоном из Массачусетского технологического института), а также процентного содержания изотопов (когда атомы одного и того же элемента отличаются по массе из-за различного количества нейтронов в ядре) Д. Л. Туркоттом и Л. X. Келлогом из Корнельского университета. Эти работы, как было заявлено на конференции 1984 года, «свидетельствуют в пользу относительно холодного происхождения Луны».
В таком случае, на что указывают следы расплавления на Луне? Нет никакого сомнения, что такое расплавление имело место: гигантские кратеры, диаметр которых достигает сотни миль, являются немыми свидетелями этого процесса. Кроме того, на Луне есть «моря», которые, как выяснилось, никогда не были водоемами, а представляют собой участки лунной поверхности, выровненные в результате мощнейших ударов. Есть на Луне и океаны магмы. Кроме того, в лунных породах найдены стеклянные и стекловидные вкрапления, которые образовались в результате расплавления, вызванного столкновениями с быстро летящими объектами (они не могли сформироваться в расплавленной лаве). На третьей конференции, посвященной происхождению жизни на Земле, целый день был отдан проблеме «Стекло на Луне» — настолько важной она представлялась участникам. Юджин Шумейкер из NASA сообщил, что на Луне в большом количестве были найдены образцы «остеклованной в результате удара» и другой расплавленной породы, а присутствие никеля в стекловидных сферах и каплях заставляет предположить, что ударившиеся о поверхность Луны тела отличались по составу от самой Луны, поскольку в лунном грунте отсутствует никель.
Когда же случились все эти удары, вызвавшие расплавление поверхности Луны? Как показали исследования, это произошло не в процессе образования нашего спутника, а примерно на 500 миллионов лет позже. Таким образом, как заявили в 1972 году на одной из пресс-конференций ученые из NASA, «Луна, вне всякого сомнения, эволюционировала… Самые сильные катаклизмы имели место около 4 миллиардов лет назад, когда небесные тела размером с крупные города и даже небольшие страны сталкивались с Луной, формируя на ней огромные впадины и вздымающиеся горы. Огромное количество радиоактивных минералов, оставшихся после столкновений, начали нагревать расположенные в глубине горные породы, расплавив их значительную часть, в результате чего потоки лавы стали изливаться на поверхность через трещины в коре…». «Аполлон-15» обнаружил в кратере Циолковского осыпи, размер которых в шесть раз превышает самую большую осыпь горных пород на Земле. «Аполлон-16» обнаружил, что при столкновении, в результате которого образовалось море Нектара, обломки разлетелись более чем на 1000 миль. «Аполлон-17» приземлился рядом с уступом, который в семь раз выше любого подобного образования на Земле.
Возраст самых старых горных пород на Луне оценивается в 4,25 миллиарда лет, а анализ образцов почвы дает 4,6 миллиарда лет. Более 1500 ученых, исследовавших образцы лунных пород, пришли к согласию, что возраст Луны совпадает с возрастом Солнечной системы. Но затем, около 4 миллиардов лет назад, что-то случилось. Уильям Хартман в своей статье «Cratering in the Solar System» (журнал «Scientific American», январь 1977 года) писал, что «различные специалисты, работавшие по программе „Аполлон“, подтвердили, что возраст многих образцов лунных пород резко ограничивается 4 миллиардами лет и что сохранилось очень мало более старых пород». Горная порода и грунт, содержавшие образовавшееся в результате сильного удара стекло, имеют возраст около 3,9 миллиарда лет. «Нам известно, что какая-то крупная катастрофа, сопровождавшаяся бомбардировкой планет, разрушила их более старые породы и поверхности», — заявлял Джералд Дж. Вассербург из Калифорнийского технологического института перед последней экспедицией по программе «Аполлон». Остается лишь вопрос, «что произошло в период от 4,6 миллиарда лет назад, когда образовалась Луна, до 4 миллиардов лет назад», когда произошла катастрофа.
Определение возраста Луны — то есть времени ее образования — усилило дебаты по вопросу о том, как возникла Луна.
«Надежда выяснить происхождение Луны была одной из главных научных причин появления проекта „Аполлон“ в начале 60-х годов», — писал Джеймс Глейк в июне 1986 года в научном обзоре для «The New York Times». Тем не менее, программа «Аполлон» «не смогла дать ответа на этот великий вопрос».
Почему современная наука, так тщательно изучавшая «Камень розы» Солнечной системы и организовавшая шесть его посещений, не смогла ответить на этот главный вопрос? Загадка разрешается просто: сделанные открытия применялись к заранее сложившимся теориям, и поскольку ни одна из этих теорий не была верной, полученные данные не позволили сделать правильный вывод.
Одна из первых научных теорий происхождения Луны была выдвинута в 1879 году сэром Джорджем. X. Дарвином, вторым сыном Чарлза Дарвина. Отец сэра Джорджа разрабатывал теорию происхождения видов на Земле, тогда как он сам на основе математических вычислений и достижений геофизики выдвинул гипотезу о происхождении системы, состоящей из Солнца, Земли и Луны. Сэр Джордж специализировался на изучении приливных сил, и поэтому считал, что Луна образовалась из вещества, оторванного от Земли солнечными приливами. Впоследствии Тихий океан был назван шрамом, оставшимся после того, как у Земли «отщипнули» часть, которая затем стала Луной.
И хотя «Британская энциклопедия» осторожно называет эту теорию «гипотезой, которая в настоящее время считается ложной», она еще раз всплыла в двадцатом веке в качестве одной из трех идей, которые должны были быть подтверждены или опровергнуты полученной при исследовании Луны информацией. Гипотеза получила современное название «теории раскола» и претерпела серьезные изменения. В новой теории упрощенные представления о приливном воздействии Солнца были отброшены; вместо этого высказывалось предположение, что Земля разделилась на две части в результате очень быстрого вращения еще на этапе своего формирования. Скорость вращения планеты была настолько велика, что часть вещества, из которого она формировалась, была отброшена в сторону, и на некотором расстоянии от Земли образовался сгусток, который затем остался рядом со своим большим по размерам собратом в качестве спутника (рис. 39).
Теория «оторванного куска» — как в традиционной, так и в обновленной форме — была решительно отвергнута специалистами в разных отраслях науки. Результаты исследований, обнародованные на третьей конференции по вопросам происхождения жизни (она состоялась в 1970 году в Калифорнии), продемонстрировали, что приливные силы не могут стать причиной существования Луны на расстоянии, превышающем пять земных радиусов, тогда расстояние от Земли до ее спутника составляет 60 земных радиусов. Кроме того, ученые пришли к выводу, что работа Курта С. Хансена («Review of Geophysics and Space Physics», том 20, 1982 год) убедительно доказывает, что Луна никогда не могла находиться на расстоянии менее 140 тысяч миль от Земли. Это исключает из рассмотрения любую теорию, утверждающую, что Луна когда-то являлась частью Земли (в настоящее время среднее расстояние от Земли до Луны составляет 240 тысяч миль, но эта величина не является постоянной).
Сторонники теории раскола предложили многочисленные варианты разрешения проблемы расстояния, которая еще больше обострилась при появлении такого понятия, как предел Роше(расстояние, в пределах которого приливные силы превышают гравитационные). Однако все варианты теории раскола были отвергнуты из-за того, что они противоречат закону сохранения энергии. Требуется гораздо больший по величине момент импульса, чем тот, что дает оценка энергии системы, чтобы обеспечить вращение Земли и Луны вокруг собственных осей, а также вокруг Солнца. Джон А. Вуд их Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в своей книге «Origin of the Мооп» (1986) так суммировал это ограничение: «Модель раскола сталкивается с очень серьезными проблемами с точки зрения динамики. Чтобы произошло отделение, Земля должна была бы обладать в четыре раза большим моментом импульса, чем тот, который в настоящее время имеет система из Земли и Луны. Не существует удовлетворительного объяснения, откуда у Земли был такой избыток момента импульса и куда он делся после того, как разделение произошло».
Информация о Луне, полученная в результате выполнения программы «Аполлон», присоединила геологов и химиков к тем, кто отвергал теорию раскола. Лунные породы по своему составу во многом сходны с земными, однако у них есть ключевые отличия. Между ними обнаружилось достаточно близкое «родство», но существенные отличия указывают на то, что их нельзя считать «близнецами». Особенно это справедливо для коры и мантии Земли, из которых в соответствии с теорией раскола и должна была сформироваться Луна. Так, например, на Луне обнаружилось слишком мало элементов, получивших название «сидерофиллитов», таких как вольфрам, фосфор, кобальт, молибден и никель, — по сравнению с их содержанием в коре и мантии Земли — а также слишком много «жаропрочных» элементов, таких как алюминий, кальций, титан и уран. Стюарт Р. Тейлор в своем исключительно подробном анализе различных данных («The Origin of the Мооп», журнал «Аmeгісап Scientist», сентябрь—октябрь 1975 года) делал следующий вывод: «По всем этим причинам невозможно признать идентичность состава лунных пород и мантии Земли».
Помимо вступительных статей и резюме (таких, как упомянутая выше статья Дж. А. Вуда), книга «Происхождение Луны» содержит подборку докладов, представленных шестьюдесятью двумя учеными на конференции по проблеме происхождения Луны, проводившейся на Гавайях в октябре 1984 года, — самую всеохватывающую со времен первой конференции двадцатилетней давности, определившей перечень научных задач для пилотируемых и беспилотных лунных зондов. В этих работах ученые, подходя к проблеме с точки зрения различных научных дисциплин, неизменно приходили к выводам, опровергавшим теорию раскола. Сравнение состава верхней части земной мантии с составом лунных пород «абсолютно исключает» (как выразился Майкл Дж. Дрейк из университета Аризоны) гипотезу ротационного раскола.
Закон сохранения момента импульса и сравнение состава лунных пород с составом мантии Земли — после экспедиций на Луну — также доказали несостоятельность второй популярной теории происхождения Луны, теории захвата. В соответствии с этой гипотезой Луна образовалась не вблизи Земли, а в районе внешних планет Солнечной системы или еще дальше. Двигаясь по эллиптической орбите вокруг Солнца, она прошла слишком близко от Земли и была захвачена гравитационными силами нашей планеты, превратившись в ее спутника.
Как показали многочисленные компьютерные модели, эта теория требует очень медленного сближения Луны с Землей. Этот процесс захвата не похож на то, что происходит, когда мы посылаем космические аппараты к Марсу и Венере, которые становятся спутниками этих планет. Относительная масса Луны (примерно одна восьмидесятая массы Земли) слишком велика, чтобы ее можно было столкнуть с протяженной эллиптической орбиты. Это возможно лишь в том случае, если Луна движется очень медленно. Однако, как показывают расчеты, результатом станет не захват Луны Землей, а их столкновение. Данная теория была также опровергнута сравнением состава двух небесных тел: Луна слишком похожа на Землю и значительно отличается от внешних планет, сформировавшихся далеко от Земли.
Тщательный анализ теории захвата приводит к выводу, что Луна могла остаться целой и невредимой только в том случае, если приближалась к Земле не издалека, а из той же области пространства, где сформировалась сама Земля. С этим выводом согласился даже С. Фред Зингер из Университета Джорджа Мейсона — сторонник теории захвата — в своем докладе «Origin of the Moon by Capture», представленном на упомянутой выше конференции по проблеме происхождения Луны. «Захват с эксцентрической гелиоцентрической орбиты невыполним и не нужен», — писал он. Сходный состав лунных пород «может быть объяснен тем, что Луна формировалась на орбите, похожей на орбиту Земли: захват произошел в тот момент, когда шло формирование Луны в непосредственной близости от Земли».
Эти признания сторонников теории раскола и теории захвата выдвинули на первый план третью популярную гипотезу, которая носила название «теории конденсации», или общего рождения. Эта теория основывается на предположении, выдвинутом в конце восемнадцатого века Пьером-Симоном де Лапласом, который утверждал, что Солнечная система образовалась из небулярногогазового облака, которое со временем конденсировалось, образовав Солнце и планеты. Гипотеза Лапласа поддерживается современной наукой. Показав, что ускорение Луны зависит от эксцентриситета земной орбиты, Лаплас сделал вывод, что два небесных тела сформировались в непосредственной близости друг от друга — сначала Земля, а затем Луна. Земля и Луна, предположил он, являются «сестрами», компонентами бинарной, или двупланетной, системы, в которой они вместе вращаются вокруг Солнца, и одновременно одна из них «танцует» вокруг другой.
Такие естественные спутники, или луны, конденсируются из остатков той же первичной материи, из которой сформировалась сама планета. В настоящее время это общепризнанная теория образования лун, применимая также к Луне и Земле. По данным, полученным с помощью космических аппаратов «Пионер» и «Вояджер», луны внешних планет — которые в большинстве своем образовались из того же первичного вещества, что и их «родители» — похожи на свои планеты и в то же время, как и любые «дети», обладают индивидуальными особенностями. Тот же вывод справедлив по отношению к сходным характеристикам и различиям между Землей и Луной.
Тем не менее, существует один аспект, который заставляет ученых отвергнуть данную теорию, когда речь заходит о Луне и Земле — это их относительные размеры. Луна просто слишком велика по отношению к Земле — не только одна восьмидесятая массы, но и четверть диаметра. Это соотношение не соответствует пропорциям, наблюдаемым во всех других частях Солнечной системы. Для каждой планеты (за исключением Плутона) соотношение суммарной массы ее спутников к массе самой планеты выглядит следующим образом:
Меркурий 0,0 (нет лун)
Венера 0,0 (нет лун)
ЗЕМЛЯ 0,0122
Марс 0,00000002 (2 астероида)
Юпитер 0,00021
Сатурн 0,00025
Уран 0,00017
Нептун 0,00130
Сравнение относительных размеров самого большого спутника каждой из остальных планет и относительного размера Луны тоже выявляет аномалию (рис. 40). Результатом такой диспропорции является слишком большой момент импульса в системе Земля — Луна, который не соответствует гипотезе бинарных планет.
Поскольку все три главные теории происхождения Луны не способны удовлетворить требуемым критериям, вполне закономерен вопрос, откуда вообще у Земли появился спутник… Такой поворот нисколько не беспокоит некоторых ученых, которые обращают внимание на то, что ни у одной из внутренних планет Солнечной системы (за исключением Земли) нет спутников. Два крошечных небесных тела, вращающихся по орбите вокруг Марса, являются, по общему признанию, захваченными астероидами. Если условия формирования Солнечной системы были таковы, что ни одна из планет между Солнцем и Марсом (включительно) не могла обзавестись спутниками при помощи трех признанных методов — раскола, захвата и конденсации, — то не должна ли была Земля тоже остаться в одиночестве? Однако факт остается фактом: Земля в ее теперешнем состоянии имеет спутник, причем непропорционально большой. Как же это объяснить?
Еще одно открытие, сделанное при выполнении программы «Аполлон», свидетельствует против теории конденсации. Поверхность Луны, а также ее минеральный состав предполагают наличие «океана магмы», образовавшегося при частичном расплавлении недр Луны. Для этого требуется достаточно мощный источник тепла. Такое количество тепла могло высвободиться только в результате катастрофы, но никак не в процессе конденсации. Как же объяснить океан магмы и другие найденные на Луне свидетельства катастрофического нагрева?
Условие формирования Луны с достаточно большим моментом импульса и наличие катастрофы, вызвавшее выделение огромного количества тепла, привели (после завершения программы «Аполлон») к появлению гипотезы, получившей название «теории большого удара».
Она развилась из предположения Уильяма Хартмана, геохимика из Института планетарной науки в Туксоне, штат Аризона, и его коллеги Дональда Р. Дэвиса. В 1975 году они высказали мысль, что в образовании Луны важную роль могли играть удары и столкновения «Satellitesized Planetesimals and Lunar Origin», «Icarus», том 24). Согласно их вычислениям частота, с которой планеты подвергались бомбардировке со стороны мелких и крупных астероидов на последних стадиях своего формирования, была гораздо выше, чем в настоящее время. Некоторые астероиды были достаточно велики, чтобы при ударе отколоть часть планеты; в случае с Землей этот осколок превратился в Луну.
Идея была подхвачена двумя астрофизиками, Аластером Дж. У. Камероном из Гарварда и Уильямом Р. Бардом из Калифорнийского политехнического института. Их работа «Origin of the Мооп» («Lunar Science», том 7, 1976) описывала небесное тело размером с планету — не меньше Марса, — летящее навстречу Земле со скоростью 24 500 миль в час. Это тело появилось из-за границ Солнечной системы и двигалось к Солнцу, но на его пути оказалась Земля с ее все еще находящейся в стадии формирования орбитой. «Скользящий удар» (рис. 41) слегка повернул Землю, что привело к наклонению ее эклиптики (в настоящее время наклонение составляет 23,5 градуса), а также нагреву и частичному расплавлению верхних слоев двух небесных тел, в результате чего произошел выброс испарившихся пород на орбиту вокруг Земли. Масса этого выброса в два раза превышала массу Луны, а сила его была такова, что вещество рассеялось на значительном расстоянии от Земли. Часть вещества упала обратно на Землю, но достаточное его количество оказалось довольно далеко, в конечном итоге конденсировалось и превратилось в Луну.
Эта теория «столкновения-выброса» была усовершенствована авторами по мере того, как возникали различные вопросы, а также модифицирована другими коллективами ученых, которые применили методы компьютерной симуляции (лидировали в этих исследованиях группы А. С. Томпсона и Д. Стивенсона из Калифорнийского политехнического института, X. Дж. Мелоша и М. Киппа из Национальной лаборатории в Сандии, и В. Бенца и У. Л. Слаттери из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе).
В соответствии с этим сценарием (на рис. 42 изображена смоделированная последовательность общей длительностью около восемнадцати минут) удар привел к сильнейшему нагреву (возможно, до 12 000 градусов по Фаренгейту), что вызвало расплавление обоих небесных тел. Основная масса ударившего в Землю тела опустилась к центру расплавившейся Земли, а часть обоих небесных тел испарилась и была с силой выброшена наружу. Охлаждаясь, Земля видоизменилась — в ее центре появилось богатое железом ядро. Часть выброшенного в пространство вещества упала на Землю, а остальная — в основном принадлежавшая пришельцу — охладилась и конденсировалась на некотором расстоянии от нашей планеты, превратившись в Луну, вращающуюся вокруг Земли.
Другим существенным отступлением от первоначальной теории «большого удара» стало осознание — в целях разрешения вопросов, касающихся химического состава — что пришелец должен был сформироваться в той же области пространства, что и Земля, а не за пределами Солнечной системы. Но в таком случае, откуда у него взялась огромная кинетическая энергия, достаточная для испарения вещества?
Существует еще и вопрос вероятности, на который обратил внимание сам Камерон во время выступления на гавайской конференции. «Какова вероятность того, — спрашивал он, — что внепланетарное тело массой не меньше, чем у Марса, находилось внутри Солнечной системы в момент времени, подходящий для нашего предполагаемого столкновения?» Он считал, что через 100 миллионов лет после формирования планет внутри новорожденной Солнечной системы сохранялась серьезная нестабильность и присутствовало достаточное количество «протопланетных остатков», чтобы сделать столкновение с крупным объектом вполне вероятным.
Последующие расчеты показали, что для получения конечного результата объект, с которым столкнулась Земля, должен был быть в три раза больше Марса. Это обострило вопрос, где и как в окрестностях Земли могло образоваться такое небесное тело. В ответ астроном Джордж Уэтерил из Института Карнеги произвел обратные расчеты и обнаружил, что внутренние планеты Солнечной системы могли образоваться из вращающегося пояса, состоявшего примерно из пятисот планетезималей. Постоянно сталкиваясь друг с другом, небольшие планетезимали послужили строительным материалом как для планет, так и для небесных тел, продолжающих бомбардировать их. Вычисления подтверждают правдоподобность теории «большого удара» в ее модифицированном виде, то есть в виде сценария «столкновение-выброс» с выделением огромного количества тепла. «Тепло, выделившееся при таком ударе, — делает вывод Уэтерил, — расплавило бы оба тела». Это объясняет, во-первых, возникновение железного ядра у Земли, а, во-вторых, существование океанов расплавленной магмы на Луне.
Несмотря на то, что эта последняя версия теории все же оставляет без ответа многие вопросы, участники конференции 1984 года были готовы — к моменту окончания конференции — принять гипотезу «столкновения-выброса», причем не столько из-за убеждения в ее верности, сколько из-за раздражения. «Так получилось, — писал в своем резюме Вуд, — в основном потому, что несколько независимых исследователей доказали, что теория конденсации, завоевавшая наибольшее признание у занимающихся изучением Луны ученых (по крайней мере, на подсознательном уровне), не объясняет, откуда у системы Земля — Луна взялся такой момент импульса». И действительно, многие участники конференции, включая самого Вуда, видели недостатки, присущие новой теории. «Железо, — указывал Вуд, — на самом деле довольно летучее вещество, и оно должно было разделить судьбу таких элементов, как натрий и вода». Другими словами, оно не должно было опуститься к центру Земли, как того требует новая теория. В случае расплавления Земли было бы невозможно такое изобилие воды на планете, не говоря уже о большом количестве железа в земной мантии.
Поскольку каждый вариант гипотезы «большого удара» предполагал расплавление Земли, необходимо было найти свидетельства этого события. Однако в 1988 году на конференции, посвященной вопросу происхождения Земли, прозвучало ошеломляющее заявление об отсутствии таких свидетельств. Если бы Земля расплавилась, а потом вновь затвердела, различные элементы ее горных пород кристаллизовались бы по-другому и появлялись бы в определенных соотношениях, но этого не наблюдалось. Еще одним следствием было бы изменение хондритов — самых старых минералов на Земле, которые также найдены в составе метеоритов — однако и их обнаружено не было. Один из исследователей, А. И. Рингвуд из Австралийского национального университета, распространил эти тесты на более чем десяток элементов, относительное изобилие которых не наблюдалось бы сегодня, если бы земная кора сформировалась после расплавления Земли. В обзоре этих открытий (журнал «Science», 17 марта 1989 года) указывалось, что на конференции 1988 года геохимики «согласились, что сильный удар с неизбежным расплавлением Земли не согласуется с данными геохимии. Состав верхних нескольких сот километров мантии указывает на то, что она никогда полностью не расплавлялась». «Геохимия, — заключают авторы журнальной статьи, — похоже, становится потенциальным камнем преткновения для теории происхождения Луны в результате гигантского столкновения».
В статье «Science and Technology» («The Economist», 22 июля 1989 года) также сообщалось, что многочисленные исследования заставили геохимиков скептически относиться к гипотезе о столкновении.
Как и предыдущие теории, гипотеза «большого удара» разрешает одни проблемы и не разрешает другие. Однако возникает вопрос, не объясняет ли эта теория хотя бы следы расплавленной породы на Луне, если уж мы сталкиваемся с трудностями при применении ее к Земле?
Как выяснилось, не совсем. Термический анализ действительно указывает на то, что Луна была частично или полностью расплавлена. «Найдены свидетельства того, что Луна была почти вся или вся расплавлена на раннем этапе своей истории», — отметил Алан Б. Биндер из Джонсоновского космического центра NASA на конференции 1984 года. На «раннем», но не на «начальном» — возражали ему другие ученые. Эта ключевая разница была обнаружена при изучении напряжений в лунной коре (Шоном С. Соломоном из Массачусетского технологического института), а также процентного содержания изотопов (когда атомы одного и того же элемента отличаются по массе из-за различного количества нейтронов в ядре) Д. Л. Туркоттом и Л. X. Келлогом из Корнельского университета. Эти работы, как было заявлено на конференции 1984 года, «свидетельствуют в пользу относительно холодного происхождения Луны».
В таком случае, на что указывают следы расплавления на Луне? Нет никакого сомнения, что такое расплавление имело место: гигантские кратеры, диаметр которых достигает сотни миль, являются немыми свидетелями этого процесса. Кроме того, на Луне есть «моря», которые, как выяснилось, никогда не были водоемами, а представляют собой участки лунной поверхности, выровненные в результате мощнейших ударов. Есть на Луне и океаны магмы. Кроме того, в лунных породах найдены стеклянные и стекловидные вкрапления, которые образовались в результате расплавления, вызванного столкновениями с быстро летящими объектами (они не могли сформироваться в расплавленной лаве). На третьей конференции, посвященной происхождению жизни на Земле, целый день был отдан проблеме «Стекло на Луне» — настолько важной она представлялась участникам. Юджин Шумейкер из NASA сообщил, что на Луне в большом количестве были найдены образцы «остеклованной в результате удара» и другой расплавленной породы, а присутствие никеля в стекловидных сферах и каплях заставляет предположить, что ударившиеся о поверхность Луны тела отличались по составу от самой Луны, поскольку в лунном грунте отсутствует никель.
Когда же случились все эти удары, вызвавшие расплавление поверхности Луны? Как показали исследования, это произошло не в процессе образования нашего спутника, а примерно на 500 миллионов лет позже. Таким образом, как заявили в 1972 году на одной из пресс-конференций ученые из NASA, «Луна, вне всякого сомнения, эволюционировала… Самые сильные катаклизмы имели место около 4 миллиардов лет назад, когда небесные тела размером с крупные города и даже небольшие страны сталкивались с Луной, формируя на ней огромные впадины и вздымающиеся горы. Огромное количество радиоактивных минералов, оставшихся после столкновений, начали нагревать расположенные в глубине горные породы, расплавив их значительную часть, в результате чего потоки лавы стали изливаться на поверхность через трещины в коре…». «Аполлон-15» обнаружил в кратере Циолковского осыпи, размер которых в шесть раз превышает самую большую осыпь горных пород на Земле. «Аполлон-16» обнаружил, что при столкновении, в результате которого образовалось море Нектара, обломки разлетелись более чем на 1000 миль. «Аполлон-17» приземлился рядом с уступом, который в семь раз выше любого подобного образования на Земле.
Возраст самых старых горных пород на Луне оценивается в 4,25 миллиарда лет, а анализ образцов почвы дает 4,6 миллиарда лет. Более 1500 ученых, исследовавших образцы лунных пород, пришли к согласию, что возраст Луны совпадает с возрастом Солнечной системы. Но затем, около 4 миллиардов лет назад, что-то случилось. Уильям Хартман в своей статье «Cratering in the Solar System» (журнал «Scientific American», январь 1977 года) писал, что «различные специалисты, работавшие по программе „Аполлон“, подтвердили, что возраст многих образцов лунных пород резко ограничивается 4 миллиардами лет и что сохранилось очень мало более старых пород». Горная порода и грунт, содержавшие образовавшееся в результате сильного удара стекло, имеют возраст около 3,9 миллиарда лет. «Нам известно, что какая-то крупная катастрофа, сопровождавшаяся бомбардировкой планет, разрушила их более старые породы и поверхности», — заявлял Джералд Дж. Вассербург из Калифорнийского технологического института перед последней экспедицией по программе «Аполлон». Остается лишь вопрос, «что произошло в период от 4,6 миллиарда лет назад, когда образовалась Луна, до 4 миллиардов лет назад», когда произошла катастрофа.