Наука Плоского мира - Йен Стюарт

Что должна объяснить теория формирования Солнечной системы? Прежде всего, конечно, существование девяти планет, достаточно случайно распределенных в пространстве: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона. Объяснить разницу в их размерах: диаметр Меркурия всего 3032 мили (4878 км), в то время как диаметр Юпитера – 88 750 миль (142 800 км), то есть в 29 раз больше по диаметру или в 24 000 раз по объему. Различия между ними огромны. Объяснить их несхожесть химического состава: тот же Меркурий «сделан» из железа, никеля и силикатных пород, а Юпитер – из водорода и гелия. И наконец, нужно дать ответ, почему соседствующие с Солнцем планеты обычно меньше, чем удаленные от него, за исключением крошечного Плутона, затерянного во мгле. Мы почти ничего не знаем о Плутоне, а то, что знаем, выглядит странно. Например, все остальные планеты расположены довольно близко к плоскости, пересекающей центр Солнца, а вот орбита Плутона имеет к ней существенный наклон. Орбиты прочих планет близки к круговым, а орбита Плутона вытянута настолько, что временами он оказывается ближе к Солнцу, чем Нептун.

И это еще далеко не все вопросы, которые должна разрешить теория происхождения Солнечной системы. Вокруг большинства планет вращаются меньшие по размеру небесные тела вроде Луны, всем нам хорошо знакомой, крошечных спутников‑близнецов Марса (Фобоса и Деймоса), шестнадцати спутников Юпитера или семнадцати – Сатурна. Свой спутник, Харон, имеется даже у Плутона, и это тоже выглядит странно. Сатурн «переплюнул» всех: его окружают целые кольца из мелких небесных тел – широкая тонкая полоса из камней и льда, которая при ближайшем рассмотрении распадается на мириады отдельных колечек. Некоторые из его спутников находятся прямо внутри этих колец, а некоторые расположены на более привычных нам, отдельных орбитах.

А ведь там еще есть и астероиды: тысячи маленьких небесных тел, одни – сферические, как планеты, другие – бесформенные каменные глыбы. Большинство из них находятся между Марсом и Юпитером (за исключением тех немногих, конечно, которых там нет). Не забудем также про кометы, прилетающие к Солнцу из огромного облака Оорта, лежащего далеко за пределами орбиты Плутона, облака, содержащего триллионы комет. Где-то там же, за орбитой Плутона, находится пояс Койпера, подобный поясу астероидов. Известны уже более тридцати небесных тел оттуда, но есть подозрения, что их там – сотни тысяч.

Эти тела называют объектами пояса Койпера, или ОПК. Несколько лет назад началась громкая дискуссия по поводу того, продолжать ли считать Плутон планетой или отнести его к ОПК. Самому Плутону, скорее всего, этот спор до лампочки, чего не скажешь о представительной группе авторов учебников. Предложение было вполне аргументированным: действительно, Плутон, как мы с вами только что обнаружили, почти во всех отношениях очень странный объект и может с легкостью оказаться ОПК, по ошибке «забредшим» в Солнечную систему под действием неких небесных тел. Если это так, становятся понятными разные Плутоновы странности: он не похож на планету по той простой причине, что ею не является. Однако многие астрономы восприняли подобное предложение в штыки, то ли из сентиментальности, то ли в силу привычки, а может быть, потому, что никому не известно, на самом ли деле Плутон – беглый ОПК. Пока он еще остается в списке планет, но надолго ли?[34]

И среди всего этого воистину космического безобразия взад-вперед носятся метеориты самых разных размеров…

Каждый из небесных объектов по-своему уникален. Меркурий, например, – раскаленная, изрытая кратерами каменная глыба. У Венеры, кстати, вращающейся в противоположную по сравнению почти со всеми другими объектами Солнечной системы сторону, имеется атмосфера из серной кислоты. Кроме того, существует версия, что каждые сто миллионов лет ее поверхность полностью обновляется во время общепланетного фестиваля вулканической активности. На Земле имеются океаны и жизнь. Поскольку мы живем именно здесь, то считаем Землю лучшей из планет, хотя большинству инопланетян, вероятно, пришлась бы не по вкусу ее смертоносная, едкая кислородная атмосфера. Марс покрыт каменистыми пустынями, а его полюса – шапками сухого льда. Юпитер – газовый гигант с ядром из водорода, находящегося под таким огромным давлением, что водород переходит в металлическое состояние. Возможно, что внутри ядра находится и небольшое каменное «ядрышко». Небольшое – если сравнивать с самим Юпитером, но диаметр его оказался бы в три раза больше диаметра Земли. Кстати, кольца есть не только у Сатурна, они есть у Юпитера, Урана и Нептуна, просто выглядят не так впечатляюще. У Урана имеется мантия из метана и аммиака, а ось его вращения наклонена так сильно, что кажется, будто планета пытается встать с ног на голову. Нептун очень похож на Уран, только без этого нелепого наклона оси. Плутон, как уже было сказано, и вовсе сумасшедший. Толком неизвестна даже его точная масса, но в действительности он кажется лилипутом в Стране газовых великанов.

Да уж… И все это должна объяснить теория происхождения Солнечной системы. Было куда проще, когда люди считали, будто Солнечная система состоит из шести планет и Солнца с Луной. Что же до создания Солнечной системы каким-нибудь сверхъестественным существом… Подумайте сами, с какой стати уважающий себя бог будет настолько все переусложнять?

На самом деле Солнечная система сама себя усложнила. Теперь-то мы догадываемся, что она сформировалась в единое целое из довольно сложных компонентов, однако для этого потребовалось пройти очень долгий путь.

Первая теория происхождения планет, которая хоть как-то соответствовала нынешним требованиям научности, была сочинена два с лишним века назад великим немецким философом Иммануилом Кантом. По мысли Канта, все началось с огромного облака материи: большие камни, мелкие камушки, пыль и газ под действием гравитации сблизились и стали единым целым.

Лет сорок спустя французский математик Пьер-Симон де Лаплас выдвинул альтернативную концепцию, невероятно красивую и такую же невероятно далекую от реальности. По идее Лапласа, Солнце сформировалось еще до того, как сформировались планеты, и вполне возможно, это произошло под действием «процесса соединения», предложенного Кантом. Во всяком случае, древнее Солнце когда-то было гораздо больше, потому что не сформировалось полностью, и границы его атмосферы простирались за нынешнюю орбиту Плутона. Подобно волшебникам Незримого университета, Лаплас считал Солнце гигантской «топкой», медленно сжигающей свое топливо. По мере старения оно остывает, холодеющие газы уменьшаются в объеме, и Солнце медленно сжимается.

И тут в игру вступает одна из характерных особенностей всякого движущегося тела, следующая из законов Ньютона. Каждому вращающемуся телу присущ угловой момент, то есть величина, зависящая от массы, скорости вращения и того, насколько центр массы удален от центра вращения. Согласно Ньютону, угловой момент сохраняется и может быть перераспределен, но сам по себе он не может ни исчезнуть, ни появиться. Если вращающееся тело сжимается, а скорость вращения остается постоянной, угловой момент будет уменьшаться, из чего следует, что скорость должна расти, чтобы компенсировать потерю. Вспомните, как это проделывают фигуристы: они начинают вращаться медленно, широко раскинув руки, а затем, по мере ускорения, прижимают их к телу. Кроме того, вращающаяся материя испытывает влияние центробежной силы, стремящейся столкнуть ее с центра.

Лаплас начал старательно размышлять, не может ли центробежная сила оторвать от вращающегося газового облака своего рода «пояс» в районе экватора. Он рассчитал, что это вполне возможно, если сила притяжения, удерживающая «пояс», будет равной центробежной силе, стремящейся его вырвать. По мере того, как газ сжимается, подобное может происходить не единожды, так что уменьшающееся Солнце в итоге окажется окруженным кольцами движущейся материи, лежащими в плоскости солнечного экватора. А теперь представим, что каждое такое кольцо сжалось в плотное тело. Догадались? Да-да, возникли планеты!

В отличие от кантовской, теорию Лапласа выгодно выделяло объяснение, почему все планеты находятся в одной плоскости и вращаются в том же направлении, что и само Солнце. А также объяснение наличия и движения спутников, поскольку, по мнению Лапласа, в процессе формирования планет действовал тот же механизм. Лучшие идеи Канта и Лапласа были без труда скомбинированы в единую теорию, которая в течение целого века вполне удовлетворяла ученых. Однако мало-помалу становилось ясно, что Солнечная система куда менее «дисциплинированна», чем представлялось Канту с Лапласом. Астероиды движутся по произвольным орбитам, а некоторые спутники и вовсе вращаются в «неправильном» направлении. Масса Солнца составляет 99 % массы в Солнечной системе, но 99 % ее углового момента принадлежит планетам, следовательно, либо Солнце вращается слишком медленно, либо планеты – чересчур быстро.