Уникальная Луна. Как у нас появился естественный спутник
Здравствуйте, уважаемые друзья!
Хотите узнать как образовался спутник нашей планеты Земля — Луна?
Садитесь поудобнее — я вам сейчас все это расскажу.
Мы настолько привыкли к присутствию Луны на нашем ночном (а иногда и дневном) небе, что почти не задумываемся о том, как нам повезло иметь такого «космического соседа».
Земля и ее спутник — уникальное явление в Солнечной системе, и последние исследования показывают, что такие комбинации не так уж распространены во Вселенной в целом.
Как же появилась эта странная пара и что нужно было знать ученым, чтобы ответить на этот вопрос?
Первый из известных спутников
Луна, пожалуй, единственное тело в Солнечной системе, которое ученые правильно «поставили на место» на ранних этапах развития астрономии: наши предки давно поняли, что оно вращается вокруг Земли.
Однако их немного смущал почти неизменный вид нашего спутника, поэтому им легко было представить, что он «приколот» к прозрачной хрустальной сфере (которая, собственно, и вращается вокруг нас).
Также в древности было замечено, что Луна, как и Солнце и известные в то время планеты, движется по небу вблизи эклиптики, плоскости орбиты Земли.
Но необычность этого факта осознали намного позже, когда поняли, что не только у Земли есть естественные спутники.
Это революционное открытие было сделано Галилео Галилеем (Galileo Galilei) в 1610 году.
Геоцентрическая система Птолемея (схема из «Небесного атласа» Иоганна Доппельмайера). Ближайшим телом, вращающимся вокруг Земли, является Луна.
Позднее были открыты естественные спутники Сатурна, Урана и Нептуна (причем у двух последних это произошло почти одновременно с открытием самих планет).
В конце концов, этот список был дополнен Марсом, когда астрономам удалось разглядеть две его крохотные луны, названные Фобос и Деймос (в 1877 году).
Итак, оказалось, что из всех «неодиноких» больших планет Солнечной системы Земля ближе всего к Солнцу, и в этом одно из проявлений ее уникальности.
Среди прочего можно упомянуть тот факт, что наша Луна вращается близко к плоскости эклиптики, а не к земному экватору.
Подавляющее большинство других крупных спутников действительно «тяготеет» к экваториальной плоскости своих планет.
Еще во II веке нашей эры древнегреческий астроном Птолемей довольно точно оценил размеры Луны и расстояние до нее (разумеется, не в километрах, а в пересчете на радиус Земли).
Спустя почти 1700 лет человечеству удалось измерить и другие крупные спутники планет, и стало ясно, что наша Луна принадлежит к семерке крупнейших из них.
И в этой «большой семерке» она даже не на последнем месте: она уступает размером Европе (наименьший из четырех галилеевых спутников Юпитера) и спутнику Нептуна — Тритону.
Определить массу этих объектов оказалось сложнее, и тут ученых ждал новый сюрприз: оказалось, что Луна всего в 81,3 раза легче Земли.
Это наименьшее соотношение между массами планеты и ее спутника в Солнечной системе, за которым следует Титан, который в 4200 раз легче Сатурна.
Крупнейшие спутники планет Солнечной системы. Меркурий и карликовая планета Плутон также приведены для сравнения.
Наконец, еще одной особенностью Луны является ее средняя плотность (3344 кг/м3), что составляет 60% от плотности Земли.
У всех крупных спутников газовых гигантов этот показатель больше, чем у материнских планет.
Только марсианские спутники Фобос и Деймос оказались менее плотными, чем тело, вокруг которого они вращаются.
Можно назвать только одну общую для всех крупных спутников черту: равенство периодов орбитального и осевого вращения (то есть все они постоянно обращены к своим планетам одной и той же стороной).
Тайны рождения
Перечисленные «лунные аномалии» требовали каких-то объяснений, и научная общественность постепенно стала склоняться к выводу, что в их основе лежит механизм происхождения Луны.
Еще в 18 веке шведский теолог Эмануэль Сведенборг (Emanuel Swedenborg), немецкий философ Иммануил Кант (Immanuel Kant) и французский математик Пьер-Симон Лаплас (Pierre-Simon Laplace) сформулировали так называемую «небулярную гипотезу» происхождения Солнечной системы, которая сохранилась до нашего времени с некоторыми уточнениями и считается базовой.
Это объясняет основные физические особенности планет: все они вращаются вокруг центрального светила в одном направлении, их орбиты лежат примерно в одной плоскости, а эксцентриситеты их орбит существенно не отличаются от нуля (две самые маленькие планеты, Марс и Меркурий, являются здесь «рекордсменами»).
Суть гипотезы в том, что изначально на месте Солнечной системы существовала газопылевая туманность, состоящая в основном из водорода, гелия и межзвездной пыли — мелких частиц льда, соединений углерода, а также оксидов кремния, алюминия и более тяжелые металлы.
Почти 99% процентов ее вещества на первом этапе эволюции было «притянуто» к ее центру под действием собственной гравитации, образовав Солнце, а остальное постепенно вовлеклось в орбитальное движение и сформировало протопланетный диск.
У него были свои локальные концентрации массы — «зародыши» будущих планет.
Вокруг самых массивных из них образовались собственные «вихри», давшие начало спутниковым системам.
Ученые предполагали, что подобный диск существовал на месте протоземли, а Луна позже возникла в результате консолидации вещества из ее внешних областей.
После того, как основной пул массы газопылевого облака сконцентрировался для образования протоСолнца, его остатки образовали протопланетный диск, где из отдельных сгустков материи стали «вырастать» планеты.
Затем появилась альтернативная гипотеза.
Утверждалось, что Луна образовалась дальше от Солнца, чем наша планета (например, в Главном поясе астероидов, где средняя плотность некоторых тел действительно близка к плотности Луны), а затем, вследствие столкновения с другим астероидом или гравитационных возмущений, изменила свою орбиту, приблизился к Земле и была захвачена ее гравитацией.
Проблема с этой гипотезой заключалась в том, что механизм такого «захвата» работает достаточно хорошо в случае газовых гигантов, но для менее массивных тел требует наличия большого количества дополнительных благоприятных обстоятельств, что статистически очень маловероятно.
Однако этот вариант считался вполне приемлемым вплоть до 60—х годов прошлого века — точнее, до того времени, когда в лабораториях появились первые образцы лунного вещества, привезенные астронавтами миссий «Аполлон».
Здесь стоит вернуться к началу 20 века, когда английский химик Фредерик Содди (Frederick Soddy), занимавшийся изучением продуктов радиоактивного распада, предположил существование разновидностей атомов одного и того же химического элемента с разной атомной массой.
Через четыре года его догадка подтвердилась, и в научный оборот вошел термин «изотопы».
Подавляющее большинство элементов в природе встречается в виде нескольких изотопов в определенном соотношении.
Изучая внеземное вещество, попадающее на поверхность нашей планеты в виде метеоритов, ученые заметили, что для них это соотношение оказалось разным и зависело от района Солнечной системы, где сформировался «космический гость».
Позднее удалось обнаружить характерные «изотопные подписи» Марса, Меркурия, Пояса астероидов…
Некоторые тела, хотя они и имели явные признаки пребывания в открытом космосе, по составу практически не отличались от образцов земных пород.
Некоторые специалисты предположили, что это «лунные камни».
Первые экспедиции на Луну окончательно подтвердили: да, она имеет тот же изотопный состав, что и Земля.
А значит, он образовался в одном регионе пространства и, скорее всего, практически в одно и то же время.
Согласно современным представлениям, Луна возникла в результате столкновения протоземли с телом размером примерно в половину ее размера, которое было названо «Тейя» (Theia).
Однако было и совершенно экзотическое объяснение особенностям химического состава Луны и ее орбиты.
Он мог образоваться в результате столкновения Земли с другим огромным протопланетным объектом, примерно в десять раз менее массивным и вдвое меньшим по размеру.
Должно быть, это произошло после того, как наша планета подверглась частичной гравитационной дифференциации вещества: более тяжелая материя опустилась к центру и образовала ядро, в то время как более легкая сконцентрировалась на поверхности.
Столкновение разрушило часть этих поверхностных минералов, которые сначала образовали кольцо вокруг Земли (некоторые из них были разбросаны по всей Солнечной системе), а затем из них образовалась Луна.
Главное возражение против этого предположения (так называемая гипотеза удара) состояло в том, что после такой катастрофы форма орбиты Земли отличалась бы от «правильного круга» гораздо больше, чем сейчас.
И, конечно, если бы ударное тело прибыло к нам из другого региона Солнечной системы, геологи должны были бы найти его остатки в земной коре — участки с необычными «изотопными сигнатурами».
Но мы не видим ничего подобного.
Лагранж приходит на помощь
А теперь вернемся ненадолго в 18 век.
В 1772 году французский математик итальянского происхождения Жозеф-Луи Лагранж (Joseph-Louis Lagrange) опубликовал статью с аналитическим решением так называемой задачи трех тел — то есть возможности вычисления взаимного положения трех объектов, влияющих друг на друга гравитационно, при любой момент времени (подобная задача для двух тел была успешно решена Ньютоном (Newton) сто лет назад).
Ученый пришел к выводу, что решение такой задачи математическими методами возможно только при нескольких очень жестких ограничениях: первое тело системы должно быть намного массивнее второго, которое, в свою очередь, должно двигаться по круговой орбите.
Тогда в такой системе есть пять точек, где третье тело — гораздо более легкое, чем второе — может оставаться практически неподвижным относительно первых двух в течение длительного времени.
Точки Лагранжа системы Солнце-Земля (размеры небесных тел и расстояния указаны не в масштабе).
Три из этих точек расположены на прямой, проходящей через центры двух более массивных тел, и они нестабильны: если попавший в них объект подвергнется воздействию какой-то дополнительной внешней силы, он покинет свое положение и никогда в него не вернется (если его не вернуть туда принудительно).
Но последние два пункта — теперь их принято обозначать индексами L4 и L5 — оказались более интересными.
Они расположены на орбите второго по массе тела системы на 60° спереди и сзади относительно его орбитального движения — и они являются положениями устойчивого равновесия.
Оказавшись там, объект относительно небольшой массы останется там надолго, и потребуется достаточно мощное внешнее воздействие, чтобы выбить его оттуда.
Что касается Солнечной системы, то эти расчеты оставались чисто теоретическими до 1906 года, когда в точках L4 и L5 на орбите Юпитера были обнаружены первые астероиды, которые позже получили название «Троянцы» (им были присвоены имена мифических героев Троянской войны).
Сейчас известно более восьми тысяч таких объектов.
Несколько десятков «лагранжевых астероидов» были обнаружены на орбите Нептуна, четыре — на орбите Марса, у Урана, Земли и Венеры по одному, только Меркурий и Сатурн лишены таких «орбитальных спутников», но астрономы уверены, что их открытие — лишь вопрос времени.
В 1975 году американский планетолог Уильям Хартманн (William Hartmann) и астроном Дональд Дэвис (Donald Davis) предположили, что на ранних стадиях эволюции Солнечной системы плотность пыли в протопланетном диске была достаточной, чтобы образовать своего рода «гравитационную ловушку» для накопления достаточного количества частиц пыли, чтобы сформировать другое меньшее планетоподобное тело.
Оно продолжало «собирать» окружающую материю, и когда его масса стала примерно в десять раз меньше массы протоземли, равновесие системы рухнуло — столкновение с нашей планетой стало почти неизбежным.
Это столкновение не было «лобовым», а произошло по касательной, раскрутив Землю до высокой скорости (она до сих пор вращается вокруг своей оси быстрее, чем все остальные планеты земной группы).
В результате наша планета была лишена части легкой силикатной коры, которая вырвалась в космос, а затем из этого мусора образовался наш естественный спутник.
Луна на фоне Земли, сфотографированная космическим аппаратом «Deep Space Climate Observatory», работающим в точке L1 системы Земля-Солнце. Соотношение видимых размеров планеты и ее спутника практически соответствует соотношению их диаметров.
Эта концепция объясняла почти все явления пары Земля-Луна, от изотопного состава до относительно малого эксцентриситета земной орбиты и отсутствия на Луне легких элементов (они почти полностью испарились на стадии ее образования и улетучились в космос или к более массивному центральному телу).
Гипотеза становилась все более популярной в научном сообществе.
В 2000 году Александр Холлидей (Alexander Halliday) предложил назвать объект, предположительно образовавшийся в точке Лагранжа, в честь титаниды Тейи (Θεία) из древнегреческой мифологии, дочери богини Земли Геи и бога неба Урана, матери богини Луны Селены.
В последние годы представители различных наук находят все больше подтверждений импактной гипотезы (независимо от происхождения тела, столкнувшегося с Землей).
Например, сейсмические исследования показали, что бассейн Тихого океана вместе с окружающим его вулканическим «огненным кольцом» имеет несколько иные физические характеристики, и эти различия доходят почти до края земного ядра.
Кажется, что эта впадина — огромный «шрам», оставшийся на Земле после великого космического столкновения.
Подарок с небес
Независимо от того, откуда появилась Луна, мы должны признать, что нам очень повезло с ней.
Благодаря своей большой массе она создает в теле Земли мощные приливы, которые способствуют тектоническим процессам и поддержанию внешних слоев земного ядра в жидком состоянии.
Это, в свою очередь, помогает нашей планете поддерживать магнитное поле, защищающее атмосферу от «сдувания» солнечным ветром.
Лунная гравитация стабилизирует положение земной оси, не давая нашему экватору слишком сильно отклоняться от плоскости эклиптики, и это способствует стабилизации климатических условий.
И почти каждый год наш спутник устраивает грандиозное небесное шоу — полное солнечное затмение (правда, его можно наблюдать лишь в довольно узкой полосе на земле).
Гравитация Луны стабилизирует положение земной оси, «не позволяя» ей слишком сильно отклоняться от перпендикуляра к плоскости орбиты.
Такая уникальность Луны побудила некоторых ученых высказывать мнение об уникальности самой Земли, в частности, как места, где могли зародиться и развиваться живые организмы.
Дело в том, что вероятность появления пары Земля-Луна в зоне, где количество энергии, получаемой от центральной звезды, как раз достаточно для существования жидкой воды на поверхности Земли, на самом деле очень мала, и она не факт, что будет еще одна пара такого рода.
Что ж, если наличие крупного спутника является критическим условием существования жизни на планете — вполне возможно, что наши усилия найти «братьев по разуму» тщетны.
Так или иначе, большая часть научного сообщества и любителей-искателей внеземных цивилизаций сохраняет оптимизм, а сотрудники обсерваторий и наземных групп управления космическими телескопами изобретают способы регистрации спутников экзопланет.
Только обнаружив достаточное количество таких объектов, мы сможем узнать, насколько на самом деле уникальна наша Луна.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
Комментарии к этой статье:
Vety interesting