Удивительная Солнечная система

Тех, кого не убедил этот аргумент, я приглашаю взглянуть на метеориты. В Минералогическом музее РАН в Москве есть очень неплохая их коллекция. Известно, что примерно три четверти всех найденных метеоритов имеют железный или железо-каменный состав. Среди железо-каменных метеоритов выделяются хондриты – железные «капли» в силикатной основе. Особенно красивыми бывают палласиты, названные так в честь характерного их представителя – метеорита «Палласово железо». В палласитах «капли» железа заключены в желтоватозеленый оливин. Как могли произойти такие метеориты?

Точно так же, как все метеориты вообще, – путем дробления крупного космического тела, в котором уже вовсю шли (но были еще далеко не закончены) процессы гравитационной дифференциации вещества. Если заглянуть в мантию Земли непросто, то исследовать мантийные фрагменты давно погибшего планетоида, выпавшие на Землю в виде метеоритов, можно очень легко. И вид их убеждает лучше любых слов: все планеты земной группы и крупные спутники достаточно горячи внутри и имеют железные ядра.

Чисто железные метеориты – как раз фрагменты этих ядер. На рис. 17 представлена фотография крупного железного метеорита Богуславка, расколовшегося при падении. Обращает на себя внимание то, что метеорит раскололся по спайности, то есть он представляет собой огромный – более метра в поперечнике – шестигранный кристалл железа. Таких чудес наша технологическая цивилизация породить не способна. Кристаллики железа в тех железных и стальных вещах, которыми мы пользуемся в быту и промышленности, крохотные, микронных и субмикронных размеров. В обыкновенном куске железа эти кристаллики соседствуют друг с другом, а пространство между ними заполнено аморфным железом. Для того чтобы вырос метровый железный монокристалл, требуется, чтобы температура расплава уменьшалась примерно на 1° за миллион лет. Где, спрашивается, могло быть обеспечено такое температурное постоянство, как не в недрах планетоида?

Рис. 17. Железный метеорит Богуславка – кристалл железа, расколовшийся по спайности

Словом, Земля не уникальна ни по своему генезису, ни по геологическому строению. Она лишь наиболее крупное тело из планет земной группы. Уникальной ее делают наличие гидросферы и атмосферный состав.

В настоящее время считается общепризнанным, что весь кислород земной атмосферы имеет биогенное происхождение. Подсчитано, что если на нашей планете вдруг исчезнет вся растительность, то нынешние 21 % кислорода сократятся до следовых количеств всего-навсего за 10 тыс. лет! И это неудивительно, если вспомнить, каким активным окислителем является кислород. «Переплюнуть» его в этом могут только галогены. Это же астрономический нонсенс: пятая часть атмосферы состоит из немыслимо химически активного газа!

Легко понять, что в период «слипания» пылинок в протопланетный шар атмосфера Протоземли имела состав, типичный для космического облака: преимущественно водород и гелий. Оба эти газа, однако, слишком легкие, чтобы Земля могла удержать их, поэтому они быстро диссипировали в космическое пространство. Когда говорят о первичной атмосфере Земли, то о водороде и гелии, как правило, не вспоминают, а имеют в виду газы, выделившиеся из магмы при весьма активном первобытном вулканизме, и продукты химических реакций между ними.

В современную эпоху вулканические газы на три четверти состоят из паров воды, на 15 % – из углекислого газа, а 10 % приходятся на метан, аммиак, сернистые соединения, инертные газы (преимущественно аргон) и «кислые дымы» – галогеноводороды. Нет оснований считать, что газообразные продукты первичного вулканизма сколько-нибудь существенно отличались от продуктов дегазации современных лав. Водяной пар, конденсируясь, формировал гидросферу, в ней растворялись галогеновые кислоты и реагировали с минералами. Ни кислорода, ни, что интересно, азота в первичной атмосфере Земли практически не было.

Жизнь на Земле зародилась как минимум 3,8 млрд лет назад, а может быть, и раньше. Во всяком случае, в древнейших осадочных породах Земли изотопное соотношение углерода уже смещено, что говорит о существовании фотосинтеза (углерод-14 не принимает участия в процессе фотосинтеза, в отличие от углерода-12). Магматические породы, естественно, не содержат никаких следов жизни, и вот какая странная возникает картина: как только мы принципиально можем обнаружить на Земле следы древней жизни, так они и обнаруживаются на самом деле. Важно, что все древнейшие микроорганизмы были анаэробными, то есть прекрасно обходились без кислорода, которого в те времена на Земле практически не было и который является губительным ядом для анаэробов. Правда, очень небольшое количество кислорода в атмосфере присутствует всегда за счет фотолиза водяных паров, но со столь незначительным кислородным «загрязнением» анаэробы легко мирились. При этом одноклеточные фотосинтетики (типа сине-зеленых водорослей) непрерывно продуцировали кислород. Поначалу он в основном уходил на окисление всего, что может окислиться: закисного железа, сероводорода, аммиака и т. д. При окислении аммиака как раз и возник азот в атмосфере и благодаря своей химической инертности накапливался в ней.

Около 2 млрд лет назад количество свободного кислорода в атмосфере превысило 1 % от современного значения (точка Пастера) и грянул первый на Земле глобальный экологический кризис. С тех пор анаэробным микроорганизмам приходится существовать глубоко в почве, в болотах, в донных осадках – словом, там, где кислорода мало или вовсе нет. На передний план эволюции вышли аэробные, то есть дышащие кислородом, организмы, а содержание кислорода в атмосфере продолжало повышаться, достигая в некоторые периоды истории Земли 35 %!

В.И. Вернадский был совершенно прав, утверждая, что 99 % горных пород верхних слоев земной коры так или иначе сформировались при участии живых организмов. Например, громадные залежи железных руд вроде Курской магнитной аномалии сформированы древними железобактериями. Однако более наглядное представление о вопросе можно получить в том же Минералогическом музее. Сравните потрясающее богатство и красоту выставленных там минералов с метеоритной коллекцией. Контраст разителен. Да, среди метеоритов тоже встречаются симпатичные экземпляры, но чаще всего это скучные черные или серые камни, не идущие ни в какое сравнение с минеральной феерией Земли! А причина проста: на Земле уже миллиарды лет существует жизнь, прямо или косвенно меняющая ее облик (в том числе минеральный), тогда как несчастные планетоиды, чьими обломками являются метеориты, были безжизненными.

В сказанном нет никакого преувеличения. Несведущему человеку может показаться странным, что красивый агат, например, обязан своему происхождению живым существам. Ну где в нем органика? Ведь агат – всего лишь полосатая разновидность халцедона, а халцедон – это скрытокристаллический кварц с примесями. Но халцедоны образуются в известняках, а все земные известняки имеют биогенное происхождение. Желтый кристалл серы? Почти наверняка он найден в вулканическом кратере и образовался вследствие окисления сероводорода, а откуда взялся потребный на окисление кислород, как не в результате фотосинтеза? В иных случаях сера – продукт жизнедеятельности серобактерий. Тяжелый кубик пирита? Пирит может образоваться даже в навозной куче. Графит? Это метаморфизированный уголь чисто биогенного происхождения.

И так далее.

4. Наша система и окрестности

Взглянем теперь на Солнечную систему, так сказать, со стороны. Поднявшись над северным полюсом Земли, мы обнаружим, что планета вращается против часовой стрелки. В том же направлении движется Луна. Опять-таки против часовой стрелки вращается Солнце и движутся по орбитам планеты. Видимый с Земли путь Солнца по небу называется эклиптикой, и, соответственно, плоскость земной орбиты часто называют плоскостью эклиптики. То, что орбиты планет суть кривые, лежащие примерно в одной плоскости, понял еще Николай Коперник; впоследствии Иоганн Кеплер заменил коперниковы орбиты-окружности орбитами-эллипсами, приведя расчетные положения планет на небе в значительно лучшее соответствие с наблюдаемыми положениями, чем прежде. Он же открыл три закона, которые и теперь называют кеплеровскими. Вот они.

1. Планеты движутся в плоскости, проходящей через Солнце, по эллипсам, причем Солнце находится в одном из двух фокусов эллипса.

2. При движении планеты вокруг Солнца прямая, соединяющая ее с Солнцем (радиус-вектор), описывает равные площади в равные промежутки времени (закон площадей).

3. Квадраты времен обращения двух планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их орбит.

Все три закона Кеплера выводятся из закона всемирного тяготения (причем для третьего закона получается более строгое уравнение), но последний был открыт Ньютоном значительно позднее, так что на приоритет Кеплера никто не покушается. Закон всемирного тяготения назвал причину движения планет. Для Кеплера она так и осталась загадкой, и он постулировал существование у каждой планеты специального ангела, обеспечивающего ее движение. Тягловый ангел – это, конечно, курьез, поэтому вряд ли Кеплер относился всерьез к своей выдумке. История науки знает случаи, когда учеными в рамках мысленного эксперимента вводились мифологические персонажи с теми или иными свойствами (например, демоны Максвелла и Лапласа), и, видимо, кеплеровских ангелов надо ставить в тот же ряд.

Как известно, планеты в своем движении по небу описывают вытянутые петли и зигзаги. Уже из этого наблюдательного факта ясно, что плоскости планетных орбит наклонены к плоскости эклиптики на некоторый угол. Угол этот, как правило, очень небольшой. Максимальное наклонение имеет орбита Меркурия: чуть более 7°; минимальное – Уран (несколько менее 0,8°). Плутон с наклоном своей орбиты, превышающим 17°, теперь не считается планетой.

А что же эксцентриситеты орбит? Эксцентриситетом е называется степень вытянутости эллипса: для окружности е = о, а для параболы (частный случай эллипса с одним из фокусов, вынесенным в бесконечность) е = 1. Из закона всемирного тяготения также следует, что, вообще говоря, различные тела не обязательно должны обращаться вокруг Солнца по эллипсам. Теоретически возможны окружности, параболы и гиперболы (у гиперболы е > l). Ясно, однако, что тела с гиперболическими орбитами, проходящие вблизи Солнца только для того, чтобы затем навсегда уйти от него в глубины космоса, не являются планетами по определению, а окружность и парабола требуют столь точно «выверенного» эксцентриситета, что подобная математическая точность в природе просто не встречается. Итак, планетные орбиты – эллипсы.

Почти у всех планет эксцентриситеты орбит малы, так что их орбиты не очень отличаются от круговых. Наибольшей эксцентричностью отличается орбита Меркурия (е = 0,206), на втором месте по вытянутости орбиты стоит Марс (е = 0,093). У Венеры и Нептуна орбита почти точно круговая, у Земли – чуточку более вытянутая. Многим известно среднее расстояние от Солнца до Земли, равное примерно 149,6 млн км. Однако в перигелии (ближайшей к Солнцу точке орбиты) Земля подходит к Солнцу на 147,117 млн км, тогда как в афелии (наиболее удаленной точке орбиты) расстояние между Солнцем и Землей составляет 152,083 млн. км. Казалось бы, разница невелика, однако в настоящую эпоху Земля проходит через перигелий в начале января, а через афелий – в начале июля. Как следствие, в северном полушарии Земли лето несколько прохладнее, а зима несколько теплее, чем они были бы при круговой орбите. Южному полушарию повезло меньше: там и лето теплее, и зима холоднее, что и подтверждают метеорологи.

Впрочем, так будет не всегда. Линия, соединяющая перигелий земной орбиты с афелием и называемая линией апсид, медленно вращается в ту же сторону, куда движется Земля, смещаясь примерно на одну угловую минуту в год и делая полный оборот за 20 934 года. Следовательно, примерно, через 5 тыс. лет оба полушария Земли окажутся в равных условиях, а спустя еще 5 тыс. лет более мягкий климат установится уже не в северном, а в южном полушарии. Нет, увы, во Вселенной ничего вечного…

Точно таким же прецессионным движениям подвержены линии апсид орбит всех планет. Особенно активно поворачивается орбита Меркурия. Существуют математические выкладки, согласно которым орбита ближайшей к Солнцу планеты является в лучшем случае квазиустойчивой. В связи с этим уже давно возник вопрос: не является ли Меркурий «сбежавшим» спутником Венеры?

Ответа пока нет. Аргументом против такого предположения служит высокая средняя плотность Меркурия (5,43 г/см

), превышающая среднюю плотность Венеры (5,24 г/см

). Для сравнения: у Земли – 5,515, у Луны – всего-навсего 3,34. Быть может, Меркурий все-таки образовался ближе к Солнцу, чем Венера?

За Марсом кончается область планет земного типа. Между Марсом и Юпитером располагается Главный пояс астероидов, или малых планет. Далее следуют гигантский Юпитер, гигант поменьше – Сатурн, а еще далее Уран и Нептун, не известные древним. Уран был открыт великим английским астрономом Уильямом Гершелем в 1781 году, Нептун же был найден в 1846 году, причем вначале он был открыт «на кончике пера» независимо Джоном Адамсом и Урбеном Леверье и лишь потом обнаружен на небе. Наконец, Плутон был открыт в 1930 году молодым астрономом Клайдом Томбо.

Плутон оказался телом со странной орбитой. Мало того что ее наклон рекордный для планет (17,156°), так еще и перигелий оказался внутри орбиты Нептуна! Эксцентриситет орбиты Плутона (0,244) превышает эксцентриситет орбиты Меркурия, и при среднем расстоянии от Солнца 39 а.е. (у Нептуна 30 а.е.). Плутон в перигелии подходит ближе Нептуна к Солнцу. Впрочем, столкновения Плутона с Нептуном ожидать не следует: их орбитальные периоды синхронизированы так, что эти два тела никогда не подходят близко друг к другу.

Поначалу предполагалось, что размеры Плутона сопоставимы с размерами Земли. Такое умозаключение делалось на основе блеска планеты. Если считать, что альбедо (отражательная способность) Плутона примерно равно альбедо Земли, то Плутон оказывался вполне солидным небесным телом – если и меньше Земли, то не намного. Со временем, однако, выяснилось, что поверхность Плутона состоит преимущественно из разных льдов, имеющих, естественно, значительно более высокое альбедо. Следовательно, диаметр Плутона мал, мала и масса. В настоящее время диаметр Плутона оценивается в 2390 км, а масса – в 0,0025 массы Земли. Это и неудивительно, учитывая низкую среднюю плотность Плутона, равную всего 1,1 г/см

. Да и можно ли ожидать высокой плотности от тела, состоящего не столько из минералов, сколько из льдов?

Закономерно возник вопрос: можно ли считать Плутон полноценной планетой? Можно ли его считать вообще планетой, пусть необычно маленькой и вдобавок с «неправильной» орбитой?

В 1978 году у Плутона был открыт крупный спутник Харон диаметром 1200 км. Харон находится на стационарной орбите, то есть период его обращения равен периоду вращения планеты вокруг оси. Поэтому Харон всегда висит над одной точкой поверхности Плутона, и оба тела движутся, как бы соединенные жестким стержнем. Отсюда делался логичный вывод о древности пары Плутон – Харон, ибо приливные силы, которые одни только и могут обеспечить подобную синхронность движений, работают крайне медленно. Позднее у Плутона были обнаружены еще два маленьких спутника – Никта и Гидра. Казалось бы, Плутон, несмотря на свою жалкую массу, все же планета – ну, пусть маленькая. Тогда еще не были известны ни спутники астероидов, ни другие, подобные Плутону тела. А их искали долго и тщательно. Увы – кропотливые поиски долгое время приносили лишь улов, состоящий из сотен ранее не известных астероидов Главного пояса, единичных комет и многих тысяч слабых, ранее не наблюдавшихся галактик. Астрономам не хватало наблюдательных мощностей, и не применялись еще методы, позволившие намного увеличить проницающую способность телескопов.

И все же выяснилось, что Плутон далеко не одинок. Еще при жизни Клайда Томбо за орбитой Нептуна были открыты другие, меньшие, чем Плутон, тела сходного состава. Первое из них, открытое в 1992 году, оказалось маленьким планетоидом с диаметром всего-навсего 280 км. Затем количество подобных открытий нарастало лавинообразно, и теперь известно более тысячи транснептуновых тел. Пояс транснептуновых тел был назван поясом Эджворса – Койпера (чаще встречается наименование просто «пояс Койпера»). Вот некоторые из этих тел.

Эрида. Открыта в 2003 году. Первоначально считалось, что размер этого тела составляет 2400 км, то есть Эрида чуточку крупнее (и, вероятно, массивнее) Плутона, так что были все основания считать ее десятой планетой Солнечной системы. Однако впоследствии астрономам пришлось принять несколько меньшее значение диаметра Эриды. 6 ноября 2010 года наблюдалось покрытие Эридой одной из звезд в созвездии Кита, и тень Эриды пробежала по Земле. Это позволило определить диаметр данного тела с точностью до 10 км. Теперь считается, что Эрида имеет в поперечнике не более 2340 км, то есть несколько уступает Плутону. Хотя – как сказать? Измерение, проведенное в 2007 году, дало меньший, чем ранее, диаметр Плутона: 2322 км. Несомненно, еще будут проведены уточняющие измерения; пока же Эрида не теряет шансов остаться (пока!) самым крупным транснептуновым телом. Притом Эрида, как и Плутон, имеет спутник. Он назван Дисномией. По орбите Дисномии (третий закон Кеплера) была вычислена масса Эриды. Она превышает массу Плутона на 27 %. Орбита Эриды лежит преимущественно за орбитой Плутона. Она сильно вытянута: перигелийное расстояние 37,8 а.е., афелийное – 97,6 а.е. Орбита имеет значительный наклон к эклиптике: 44°. Период обращения Эриды вокруг Солнца составляет 557 лет (у Плутона – почти 246 лет). Поверхность Эриды имеет высокое альбедо и, вероятно, покрыта метановым снегом.

Седна. Открыта все в том же 2003 году. В настоящее время диаметр оценивается в 1200–1600 км. Седна – тело с удивительной орбитой. Ее эксцентриситет составляет ни много ни мало 0,8606! Это значит, что при перигелийном расстоянии 76,1 а.е. в афелии Седна удаляется от Солнца аж на 942 а.е. и совершает полный оборот за 11487 лет – пока рекорд! Сейчас Седна приближается к нам и пройдет перигелий в 2076 году. Спутники не обнаружены. Седна имеет отчетливо красный цвет, она более красна, чем Плутон (также имеющий красноватый оттенок поверхности), и почти так же красна, как Марс. На сегодняшний день Седна – самый далекое обнаруженное тело в Солнечной системе.

Квавар. Открыт в 2002 году Это сравнительно (с Плутоном и Эридой) небольшое тело, его диаметр оценивается в 850-1100 км, а масса, как считается, составляет всего 19 % от массы Плутона. При этом плотность Квавара необычайно высока для транснептуновых тел: от 2,5 до 3,5 г/см

. На поверхности Квавара много камня; обнаружены и следы аморфного льда. Последнее удивительно: ведь аморфный лед образуется при температуре не ниже минус 160 °C, а поверхность Квавара гораздо холоднее. Что нагрело в прошлом Квавар – неясно. Возможно, «традиционная» гравитационная дифференциация вещества. Возможно также, что Квавар некогда имел гораздо более близкую к Солнцу орбиту и был выброшен на периферию гравитационным воздействием планет-гигантов. Но в таком случае почему Квавар имеет ныне почти круговую орбиту с удалением от Солнца в 42 а.е.? Вопросы остаются. В 2007 году был открыт Вейвот – спутник Квавара.

Орк. Открыт в 2004 году. Орбита этого тела поперечником 900-1000 км близка к орбите Плутона, но Орк всегда остается на противоположной по отношению к Плутону стороне орбиты, являясь неким Антиплутоном. Поверхность Орка – яркая. Возможно, это объясняется специфическим явлением криовулканизма. Об этом интересном явлении мы еще поговорим, а пока об Орке остается сказать лишь то, что в 2007 году у этой планетки был обнаружен спутник. Орк относится к плутино – классу тел с примерно такой же орбитой, как Плутон.

Макемаке. Как вы, вероятно, уже заметили, имена транснептуновым телам даются подчас странные и непривычные европейскому уху. Дело в том, что практически все мифологические персонажи древних греков и римлян давно уже были «истрачены» на планеты, их спутники и астероиды Главного пояса. Дефицит греко-римских мифологических персонажей (ну и толерантность, само собой) вынуждают присваивать транснептуновым телам имена богов самых разных народов – индейских, полинезийских и т. д. По счастью, народов на Земле предостаточно, и они напридумывали столько богов и мифологических героев, что хватит, пожалуй, правнукам сегодняшних астрономов.

Макемаке – тело поперечником 1360–1480 км, открытое в 2005 году. Спутники не обнаружены. Орбита достаточно традиционна: перигелий лежит в 38,6 а.е. от Солнца, афелий же удален на 53,1 а.е. Период обращения – 310 лет. Макемаке – типичный представитель кьюбивано — так называется класс транснептуновых тел, чьи орбиты достаточно удалены от Нептуна, чтобы оставаться устойчивыми на протяжении всего существования Солнечной системы. По яркости Макемаке находится на втором месте среди транснептуновых тел, уступая лишь Плутону. Естественно, ее поверхность очень светлая. Спектроскопия показала наличие метана в виде зерен диаметром не менее 1 см. Температура поверхности оценивается в 30 К. С Плутоном Макемаке роднит то, что в перигелии вокруг обоих тел образуется временная атмосфера, вновь вымерзающая в афелии.

Хаумеа. О, это удивительное тело! Открытое в 2005 году, оно довольно скоро удивило астрономов довольно быстрыми регулярными колебаниями блеска. Строго говоря, в этом явлении еще не было ничего удивительного – ведь и у Плутона наблюдаются подобные колебания, вызванные разницей альбедо различных участков поверхности. Но у Хаумеа причина колебаний блеска кроется в ином: это тело не сферическое. По-видимому, оно представляет собой трехосный эллипсоид размером 2000 ? 1600 ? 1000 км (рис. 18).

Рис. 18. Хаумеа со спутниками

Вокруг этого неестественно вытянутого тела обращаются два маленьких спутника – Хииака и Намака. По их орбитам удалось определить массу Хаумеа: 28 % массы системы Плутон – Харон.

Казалось бы, при таких размерах и такой массе космическое тело должно быть хотя бы приблизительно сферическим – но чего нет, того нет. Возможно, странная форма и спутники Хаумеа возникли в результате испытанного некогда (не очень давно по астрономическим меркам) соударения с другим, причем достаточно крупным, транснептуновым телом. В этом случае у Хаумеа еще достаточно времени впереди, чтобы мало-помалу вновь стать шаром. Поверхность Хаумеа покрыта водяным льдом, однако выделяется большое пятно красноватого цвета. Возможно, это след, оставленный ударом, а возможно, просто скопление минералов, не имеющее никакого отношения к соударению. Несколько странно, что орбита Хаумеа ничем не выделяется среди многих других тел: перигелий находится в 35,2 а.е. от Солнца, афелий – в 43,3 а.е., а орбитальный период составляет 285 лет.

Объект 20070R

. Примерно такие предварительные наименования носят космические тела, не являющиеся кометами, до того как получат имя из богатейшего арсенала мифологических имен народов мира. Как следует из предварительного наименования, объект был открыт в 2007 году. Это тело размером, весьма приблизительно оцененным в 875-1400 км, и вытянутой орбитой с е = 0,50. Перигелийное расстояние равно 33,6 а.е., в афелии же объект уходит на расстояние в 101 а.е. от Солнца. Период обращения равен 552 годам. Подобно тому как орбита Плутона такова, что находится в орбитальном резонансе с Нептуном в соотношении 3:2, орбита объекта 20070R

также синхронизирована с Нептуном, но уже в соотношении 10:3.

Разумеется, для беглого обзора я выбрал наиболее примечательные транснептуновые тела. Почти нет сомнений в том, что среди их огромного количества впоследствии могут обнаружиться не менее удивительные и притом более крупные тела, чем Плутон, Эрида и Хаумеа.

Естественным образом у астрономов возникло сомнение: а стоит ли оставлять Плутон в статусе планеты? Если да, то «по справедливости» следовало бы присвоить ранг планеты Эриде, Седне, Макемаке и т. д. Понятно, что различие между планетой и крупным астероидом скорее терминологическое, и самому небесному телу ни горячо, ни холодно от того, на какой классификационной «полочке» мы его разместим. И все же ощущалась потребность навести порядок – с одной стороны. С другой – никому не хотелось обижать Клайда Томбо, который до самой своей смерти в 1997 году весьма болезненно относился к идее «разжаловать» Плутон из планет в астероиды. Высказывались (и теперь еще высказываются) соображения, что Плутон следовало бы оставить планетой просто в силу традиции, а прочие транснептуновые тела, даже чуточку больших, чем Плутон, размеров, записывать в специфические астероиды.