История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

Другой часто упоминаемый сценарий, предложенный в 1970-е гг. и усовершенствованный в течение двух последующих десятилетий, был разработан теоретиком Аластером Камероном в Гарвард-Смитсоновском научно-исследовательском центре астрофизики. Согласно его увлекательной теории, масса Тейи составляла примерно 40 % массы Протоземли. Произошло боковое столкновение, но, по версии Камерона, Тейя, ударившись о Землю, отскочила растянутой каплей, а затем вновь была притянута гравитацией, получив coup de grâce – завершающий смертельный удар, после которого исчезла навсегда.

В обоих сценариях катастрофическое столкновение уничтожает Тейю, которая превращается в гигантское раскаленное облако, температура которого составляет десятки тысяч градусов, и это облако вращается вокруг Земли. При этом сама Тейя тоже наносит Земле определенный ущерб. Порядочный кусок земной коры и мантии расплавляется и выбрасывается взрывом, смешиваясь на орбите с раскаленным облаком, оставшимся от Тейи. Некоторое количество вещества исчезает в глубоком космосе, но большая часть остатков вращается вокруг Земли, захваченная силой гравитации. В этом облаке металлы из ядер обеих планет смешиваются, охлаждаются до жидкой консистенции и погружаются в Землю, формируя новое, более крупное ядро. Вещества из мантий тоже смешиваются, образуя шарообразное облако из испарившихся минералов. Несколько дней или недель на Землю обрушивается нескончаемый дождь из раскаленных силикатных капель, падающих в безбрежный океан магмы. В итоге Земля захватила значительную часть того, что было Тейей, и стала более массивной.

Но отнюдь не вся Тейя была поглощена. Земля оказалась в окружении огромного количества расплавленных обломков горных пород, в основном из мантий обеих протопланет. Остывая, эти раскаленные капли вещества спекались, причем более мелкие частицы поглощались более крупными. Подобно когда-то образовавшимся планетам, под воздействием гравитационных сил быстро формировалась Луна, по-видимому, достигшая своего нынешнего размера всего за несколько лет.

Согласно физическим законам формирования планет, в общем, понятно, где должна была образоваться Луна. Всякое массивное тело имеет невидимую, окружающую его сферу, называемую пределом Роша, внутри которой силы тяготения настолько велики, что спутник там образоваться не может. Именно поэтому вокруг Сатурна имеются гигантские кольца, но нет никаких спутников на расстоянии ближе 80 000 км от его поверхности. Силы притяжения Сатурна препятствуют образованию спутников из ледяных частиц, составляющих его кольца.

Если исчислять предел Роша от центра вращающегося объекта, для Земли он составляет примерно 18 000 км, или 11 600 км – от ее поверхности. Соответственно модели образования Луны помещают точку формирования спутника на допустимое расстояние от 24 000 км и далее, где обломки гигантского столкновения могут объединяться друг с другом, не рискуя быть разорванными гравитацией. Таким образом, согласно большинству теорий, Луна образовалась примерно 4,5 млрд лет назад. Земля обрела спутник, сформированный по большей части из ее собственных обломков.

Ученые охотно восприняли теорию гигантского столкновения, поскольку она объясняет большинство загадок лучше других моделей. В ядре Луны практически нет железа, поскольку большая часть железа Тейи была поглощена Землей. На Луне нет летучих веществ, поскольку летучие вещества Тейи были сметены взрывом в момент столкновения. Луна всегда обращена к Земле одной стороной, поскольку моменты импульса Земли и Тейи объединились в одной орбитальной системе.

Теория гигантского столкновения также объясняет аномальный наклон земной оси на 23° – фактор, не объясненный ни одной из предыдущих теорий. От удара Тейи Земля буквально завалилась на один бок. Вообще теория образования Луны в результате гигантского столкновения породила множество идей относительно других аномалий Солнечной системы. Возможно, такие столкновения происходят часто и даже закономерно. Возможно, этим объясняется «неправильное» вращение Венеры вокруг собственной оси, а также потеря ею такого количества воды. Возможно, и боковое вращение Урана тоже вызвано сравнительно недавним гигантским столкновением подобного рода.

Другое небо

Образование Луны сыграло решающую роль в истории Земли, и последствия этого события поистине удивительны, хотя только в последнее время стали привлекать внимание науки. Четыре с половиной миллиарда лет назад Луна сильно отличалась от того романтичного серебристого диска, который мы наблюдаем сегодня. В те времена она являлась огромной, грозной и невообразимо опасной силой для околоземного пространства.

Все это связано с одним удивительным обстоятельством: Луна образовалась в каких-нибудь 24 000 км от поверхности Земли, т. е. на расстоянии полета от Вашингтона до Мельбурна, ныне же Луна располагается примерно в 382 000 км от нашей планеты. На первый взгляд, представляется невероятным, что гигантская Луна просто дрейфует в пространстве, удаляясь от Земли, но измерения не лгут. Астронавты с «Аполлона» установили зеркальные отражатели на поверхности Луны. Лазерные лучи с Земли, отражаясь в зеркалах, возвращаются на Землю, позволяя замерить расстояние с точностью до миллиметров. Год за годом, начиная с 1970-х, Луна неизменно отдаляется: в среднем примерно на 3,82 см в год. Вроде бы мелочь, но если помножить это расстояние на время, то с учетом нынешней скорости получается, что она удаляется от Земли примерно на 1,5 км в 40 000 лет. «Открутив запись назад», мы можем вычислить, на каком расстоянии от Земли она находилась 4,5 млрд лет назад.

Во-первых, Луна тогда выглядела совершенно иначе. На расстоянии 24 тыс. км Луна, диаметром 3,5 тыс. км, смотрелась настоящим гигантом, подобного которому мы не наблюдаем в наше время. Ее величина на небосводе составляла почти 8° – примерно в 16 раз больше видимого размера Солнца, а лунный диск закрывал на небе в 250 раз большую площадь.

Но и это еще не все. В то время Луна отличалась неистовой вулканической активностью и ничем не напоминала мирный серебристо-мерцающий объект, который мы созерцаем сегодня. С Земли можно было бы отчетливо наблюдать, как на ее черной поверхности полыхали кратеры вулканов и трещины, наполненные раскаленной магмой. Новорожденная полная Луна смотрелась бы впечатляюще, ее поверхность отражала в сотни раз больше солнечного света, чем сейчас. При свете той Луны можно было бы спокойно читать книгу, но это же обстоятельство помешало бы астрономическим наблюдениям. Ее ослепительное сияние полностью затмевало бы звезды и планеты.

Усиливала впечатление и та скорость, с которой двигались вновь образованные тела. В космическом пространстве ничто не препятствует движению, поэтому вращение небесных тел может продолжаться миллиарды лет. Взаимосвязанные объекты вроде Луны с Землей обладают моментом импульса, величина которого зависит от двух круговых движений. Во-первых, это вращение Земли вокруг своей оси; чем быстрее это вращение, тем больше момент. А момент импульса Луны зависит прежде всего от расстояния и скорости ее обращения вокруг Земли. Вращение вокруг собственной оси особого значения не имеет.

Совокупный момент импульса системы Земля – Луна претерпел мало изменений за последние несколько миллиардов лет, но соотношение их движений изменилось существенно. В настоящее время момент системы Земля – Луна связан преимущественно с обращением Луны вокруг Земли, с учетом расстояния 382 тыс. км и орбитального периода 27 суток. Массивная Земля, расположенная в центре этой системы, совершая неторопливый 24-часовой поворот вокруг своей оси, составляет незначительную часть момента импульса Луны. (Аналогично в орбитальном движении отдаленных газовых планет-гигантов сосредоточен почти весь момент импульса Солнечной системы, хотя в Солнце сосредоточено 99,9 % всей массы системы.)

Однако 4,5 млрд лет назад дело обстояло иначе. Поскольку Луна находилась всего в 24 000 км от Земли, все вращалось с головокружительной скоростью, подобно фигуристке, которая обхватывает себя руками, чтобы увеличить скорость вращения. Начать с того, что Земля совершала оборот вокруг своей оси всего за пять часов. Оборот вокруг Солнца и тогда составлял целый год (примерно 8766 часов); этот период не изменился за всю историю существования Солнечной системы. Но сам год вмещал более 1750 коротких дней, поскольку Солнце всходило и заходило каждые пять часов!

Такое предположение выглядит по меньшей мере странным и вряд ли доказуемым, но некоторые данные измерений подтверждают теорию короткого дня в древнейшем периоде истории Земли. Самым интригующим доказательством являются коралловые рифы. На некоторых видах кораллов отчетливо видны линии роста, которые отражают небольшой дневной прирост и хорошо выраженный годичный цикл. У современных кораллов наблюдаются 365 ежедневных линий за каждый год прироста. Однако у древних ископаемых кораллов девонского периода, т. е. росших примерно 400 млн лет назад, наблюдается более 400 линий ежедневного прироста за год, что указывает на более короткий суточный цикл планеты. В то время сутки длились примерно 22 часа, а Луна, по-видимому, располагалась на 16000 км ближе к Земле, чем теперь.