Возможно, Юпитер достиг тогда орбиты, по которой обращается сегодня Марс. Если бы он продвинулся ближе к Солнцу хотя бы на расстояние одной астрономической единицы, то все пространство между современными орбитами Марса и Земли было бы подчистую выметено, и планетам земного типа не хватило бы строительного материала, чтобы дорасти до своих нынешних размеров.
Астрономы, наблюдающие в наши дни за экзопланетами, отмечают поразительное сходство между Юпитером из «модели Ниццы» и многочисленными «горячими Юпитерами», найденными в глубинах космоса, – гигантскими планетами, которые необычайно близко подбираются к своей центральной звезде. Подобная участь ждала и Юпитер, если бы его не остановил… Сатурн, считают приверженцы «модели Ниццы».
Он тоже перемещался в сторону Солнца, пока не сблизился с Юпитером. Периоды их обращения синхронизировались. Держась все время вдвоем, Юпитер и Сатурн пересилили притяжение газопылевого диска и начали понемногу удаляться от Солнца. Так самая большая планета Солнечной системы избежала участи стать «горячим Юпитером».
Между тем к этому «балету» гигантских планет, круживших по просторам Солнечной системы, присоединились еще два участника – Уран и Нептун. Когда газопылевая туманность, обволакивавшая Солнце, рассеялась, эти четыре планеты образовали «мультирезонансную конфигурацию». В то время расстояние между Юпитером и Нептуном составляло всего 7 астрономических единиц (сегодня их разделяет 25 астрономических единиц). Подобная система очень стабильна и может просуществовать миллиарды лет благодаря тому, что силы притяжения планет уравновешиваются. Их ход теперь размерен, словно слаженная работа отдельных частей машины. Но, подобно камешкам, попавшим внутрь машины и ломающим ее, в этом планетарном механизме оказались свои «посторонние предметы». Это было плотное кольцо из планетезималей – ледяных глыб, оставшихся от той эпохи, когда шло формирование планет. Они располагались на расстоянии 13–14 астрономических единиц от Солнца, а их суммарная масса в 30–50 раз превышала массу Земли. Время от времени то одна, то другая из этих глыб сбивалась с привычного пути и приближалась к Урану или Нептуну, возмущая их движение.
Наконец, по прошествии нескольких сотен миллионов лет накопившиеся деформации орбит стали так велики, что этот дружный ансамбль планет окончательно рассорился. Одна за другой были выброшены со своих орбит Уран и Нептун. Астрономы не исключают даже того, что Юпитер и Сатурн, словно два теннисиста – мячом, «перекидывались» Нептуном (или Ураном), отправляя его то ближе к центру площадки, именуемой Солнечной системой, то чуть ли не в аут – примерно туда, где он обретается и поныне. Какая из двух планет служила «космическим мячом», непонятно. В половине из компьютерных моделей, разработанных астрономами, ей оказывался Уран, в половине – Нептун.
В любом случае, обе дальние планеты нашей системы стали обращаться по очень вытянутым эллиптическим орбитам, так и норовя забраться в это ледяное скопление глыб и взбаламутить его – разворошить, словно осиное гнездо. В течение короткого времени они вымели оттуда все глыбы, и тогда град метеоритов устремился на планеты, расположенные в окрестности Солнца. Лишь после этого орбиты планет-гигантов, теперь уже не испытывавших гравитационных возмущений, постепенно сгладились – стали почти круговыми.
«Модель Ниццы» многое объясняет в архитектуре Солнечной системы. Вот несколько примеров.
В окрестности Юпитера обретаются десятки тысяч астероидов – так называемые «троянцы». Ранее астрономы считали, что они образовались одновременно с Юпитером. Однако Морбиделли и его коллеги предположили, что эти планетки были захвачены Юпитером в эпоху «смуты», которая охватила Солнечную систему около 4 миллиардов лет назад. Сформировались же они в разных областях нашей планетной системы. В самом деле, некоторые из троянцев скорее напоминают кометы; другие же практически не содержат ни воды, ни органических веществ.
Многие спутники планет-гигантов обращаются, вопреки правилам, в обратном направлении. Сейчас их насчитывается уже 93 (по данным на октябрь 2011 года). Если «нормальные» спутники чаще всего возникали вместе со своими планетами, то «ретрограды» пленены ими. В 2007 году американский астроном Дэвид Несворны показал, что подобный захват возможен, когда две планеты вплотную сближаются друг с другом. Но из «модели Ниццы» явствует, что и Юпитер, и Сатурн когда-то оказывались рядом с Ураном или Нептуном.
По ту сторону орбиты Нептуна начинается пояс Койпера. Он включает такую крупную планету, как Плутон диаметром около 2300 километров. Расчеты показывают, что масса пояса Койпера слишком мала, чтобы там могли сформироваться подобные планеты. «Модель Ниццы» помогает разрешить и эту проблему. Согласно ей, пояс Койпера представляет собой жалкий остаток того огромного пояса планетезималей, который был почти уничтожен Ураном и Нептуном. Общая его масса в тысячи раз превышала массу пояса Койпера.
И еще один любопытный аспект «модели Ниццы». Она лишний раз свидетельствует, насколько случайным было возникновение Солнечной системы в том виде, в каком она существует. Исследователям было достаточно лишь немного изменить начальные условия этой «задачи», как они получали очень странные результаты. Планеты то обращались по необычайно вытянутым орбитам, больше напоминавшим траектории комет, то начинали двигаться вокруг Солнца в обратном направлении, то их орбиты неизменно оставались в резонансе друг с другом. И именно такие – экзотические – планетные системы астрономы обнаруживают, наблюдая за отдаленными звездами.
Могут ли планеты Солнечной системы сталкиваться друг с другом?
Четыре с половиной миллиарда лет назад любая планета Солнечной системы могла стремительно уменьшиться в размерах или, наоборот, увеличиться. После катастрофы, пережитой Землей, у нее появился спутник – Луна, буквально сотворенный «из ее ребра». Испытав подобный удар, Меркурий, как полагают астрономы, лишился «скальпа» – значительной части коры и мантии. Возможно, после такой же катастрофы Венера свернула с привычной орбиты и стала вращаться в обратную сторону, а спутник, по одной из гипотез, сопровождавший ее, начал не удаляться от планеты, как Луна – от Земли, а постепенно сближаться с ней, пока не рухнул на Венеру. В этом космическом бильярде поучаствовал даже затерянный на окраине Солнечной системы Нептун. Все более удаляясь от Солнца, он бесцеремонно разогнал мельтешившую вокруг толпу комет и астероидов. Далекое прошлое, как уверилось большинство астрономов, было временем непредсказуемых коллизий. В этой реке времени, как в зеркале вод, грозит отразиться далекое будущее.
Далекое прошлое Солнечной системы было временем непредсказуемых столкновений
В начале 2008 года французский астроном Жак Ласкар опубликовал результаты исследования, которое с некоторой долей вероятности обещает нашей планетной системе немалые трудности – возвращение хаоса древних времен.
Конечно, шансы такого развития событий невелики. И все же, когда астрономы пытаются моделировать, что произойдет с Землей, например, через 40 миллионов лет, иногда случаются и кошмары. В одном-двух случаях из 100 Земля оказывается на пути Меркурия или Марса. Следует удар, выжигающий все, что останется живого на нашей планете.
…В начале 1990-х годов Ласкар уже привлек внимание, опубликовав сенсационную работу под названием «Хаотические процессы в Солнечной системе». Ему удалось рассчитать, как будут меняться орбиты планет (за исключением Плутона) на протяжении 25 миллиардов лет. Период этот в пять раз длиннее того промежутка времени, в течение которого существует наша Солнечная система. Уже через пять миллионов лет поведение ряда планет становилось непредсказуемым. Поэтому Ласкар не стал скрупулезно высчитывать координаты небесных тел. Он изменил метод вычислений. Его интересовало другое: каким образом в далеком будущем станут меняться формы орбит, по которым движутся планеты.
И на этот раз оказалось, что орбиты планет-гигантов являются чрезвычайно стабильными. Поведение этих небесных тел и через миллиарды лет будет напоминать надежную работу курантов. Как заведенные, они продолжат кружить близ Солнца. А вот другие планеты то и дело сбивались с верного пути.
Новая работа Ласкара подвела итог многолетним расчетам. Она содержала 1001 модель, описывающую перспективы Солнечной системы. Кажется, все случаи жизни были явлены в этом калейдоскопе предначертанного бытия. Так вот, примерно в 20 случаях орбита Меркурия со временем все менее напоминала круговую. Эту планету притягивал к себе Юпитер – она спешила к нему, бросаясь наперерез другим небесным телам. Так иной пешеход, не замечая опасного движения машин, перебегает на другую сторону улицы. В этих моделях «под колеса» Земле и Марсу бросался Меркурий. Эксцентриситет его орбиты превышал 0,6 (при эксцентриситете, равном нулю, планета движется по круговой орбите, а равном единице – по параболе).
Новая работа Ласкара подвела итог многолетним расчетам. Она содержала 1001 модель, описывающую перспективы Солнечной системы. Кажется, все случаи жизни были явлены в этом калейдоскопе предначертанного бытия. Так вот, примерно в 20 случаях орбита Меркурия со временем все менее напоминала круговую. Эту планету притягивал к себе Юпитер – она спешила к нему, бросаясь наперерез другим небесным телам. Так иной пешеход, не замечая опасного движения машин, перебегает на другую сторону улицы. В этих моделях «под колеса» Земле и Марсу бросался Меркурий. Эксцентриситет его орбиты превышал 0,6 (при эксцентриситете, равном нулю, планета движется по круговой орбите, а равном единице – по параболе).
20 случаев – 2 процента. Много это или мало? В мире астрономических событий, где все подолгу идет своим чередом, эта пара процентов настораживает. От них веет более ощутимой угрозой, нежели от «одного шанса из ста тысяч», которые обещают столкновению астероида Х с Землей в каком-нибудь 2666 году.
Меркурий вообще оказался горазд на «подвиги» – лишь бы пожертвовать чьим-то покоем. В одном сценарии он через 1,3 миллиарда лет отчаянно поспешал навстречу Солнцу и сгорал в нем, как щепка, брошенная в огонь. В другом, опрокидывая давнюю систему сдержек и противовесов, силился смешать все в доме планет, «перессорить» Землю и Марс, столкнуть их. В третьем – через 820 миллионов лет – Марс покидал Солнечную систему, выброшенный из нее, как из окна. Без него другие планеты земной группы теряли былую солидность. Так обрушился бы дом, сумей мы выдернуть из-под него фундамент. После этого не прошло бы и сорока миллионов лет, как Венера столкнулась бы с Меркурием. «Головоломная жизнь» последнего завершалась стычкой, дробившей обе планеты, как орехи. Еще выше у него вероятность ничего не менять в налаженном ходе планет, но в эту счастливую возможность остается только верить.
В обнародованных работах Ласкара и его коллег из Калифорнийского университета Грегори Лафлина и Константина Батыгина порой было достаточно небольшого изменения орбиты Меркурия, чтобы тот сблизился с Венерой. Ведь есть так называемые «зоны хаоса»: стоит планете туда попасть, как любые внешние воздействия будут усиливаться, пока не наступит резонанс. Тогда форма орбиты заметно меняется. Начинают действовать совсем иные силы притяжения, передаваясь ближайшим небесным телам. Что творится с небесной механикой! Словно в отлаженный автомат, все поршни, кривошипы и штоки которого совершали свои поступательные и вращательные движения, попадает контргайка, ломая врезавшиеся в нее детали. Слабым звеном оказываются Меркурий и Марс. Их легче всего вывести из равновесия.
Итак, лишь поведение планет-гигантов расписано на века… точнее, на миллионы веков вперед. Все другие ведут себя хаотически. Хаос в хороводе планет! Кажется, что может быть страшнее?
Ранее Ласкара не раз критиковали за его расчеты. Ведь даже с использованием лучших компьютеров мира трудно моделировать судьбу Солнечной системы на миллиарды лет вперед, а потому он несколько упростил уравнения движения планет, что совершенно никак не сказывается, пока их эксцентриситеты орбит малы, зато ощущается по мере того, как траектория все больше напоминает овал. Поэтому оппоненты не берутся судить, насколько точны расчеты Ласкара.
Кроме того, он «делал поправку» на погрешность в координатах планеты, то есть в результатах наших измерений. Для этого он вычислял траекторию не только «настоящего» Меркурия, но и четырех его «клонов», каждый из которых находился в 150 метрах от того положения планеты, которое мы считаем истинным. Затем он определял, что произойдет с планетой и ее «клонами», допустим, через миллион лет. Из полученных результатов выбирал тот, где эксцентриситет был особенно велик. Теперь он считал «Меркурием» данный объект. Снова создавал четыре «клона» и вычислял, что произойдет с новым семейством планет еще через миллион лет. Опять сортировал ответы. Выбирал наиболее тревожный результат…
В итоге Ласкар подсчитывал, каким будет максимально возможное отклонение траектории планеты от нынешней. Он устремлялся туда, где рождается хаос, игнорируя заурядный ход событий, их скучное повторение.
Справедливости ради, подобные научно-популярные пророчества должны смущать публику куда меньше, чем когда-то стенания Иеремии или Иезекииля. Расчеты показывают, что мрачные примеры редки. В 98 % случаев Земля, кто бы ее ни населял к тому времени, и через пять миллиардов лет избежит жестоких ударов. Да и потом, что значат эти миллиарды лет для миллиардов людей? Это какое-то «дважды два – стеариновая свечка». И пусть неудачник (sic: Меркурий) трепещет. Да еще астрономы жалуются, что никак не исчислить будущего. Судьбы планет оказываются неисповедимы, как и судьбы людей.
Забытые всеми Плутон и Харон
Он носит имя повелителя подземного царства и держит свой путь в темных глубинах космоса. Само Солнце там едва угадывается – маленький светлый кружок, перекатывающийся над горизонтом. Еще недавно он именовался девятой, самой дальней планетой Солнечной системы. Теперь он разжалован и считается карликовой планетой, наряду с сотнями своих собратьев. Несмотря на все старания астрономов, он по-прежнему остается «великим неизвестным». Ведь он находится слишком далеко от Земли и чересчур мал, чтобы за ним можно было наблюдать с помощью наземных телескопов. Пока сведения о Плутоне, которыми мы располагаем, скудны и ненадежны.
Плутон и его спутник Харон
Астрономы не могут даже поручиться, что знают точно размеры этой планеты и ее плотность. По их подсчетам, плотность Плутона и его спутника, Харона, примерно вдвое выше плотности воды. В таком случае эти небесные тела, вероятно, состоят изо льда и горных пород. Во всем остальном приходится полагаться на гипотезы. Каково внутреннее строение Плутона? Не скрывается ли под его ледяной поверхностью целый океан жидкой воды, как на спутнике Юпитера, Европе? Плутон ведь – очень необычная планета. Поистине, он всегда держался особняком от восьми других больших планет Солнечной системы, к числу которых еще недавно принадлежал.
Сразу после открытия Плутона астрономы стали задаваться вопросами. Откуда он взялся? Возник ли из того же протопланетного облака, что и другие планеты Солнечной системы? Или, может быть, случайно прибился к ней? Ведь если все остальные большие планеты обращаются вокруг Солнца примерно в одной и той же плоскости по круговой или слегка вытянутой орбите, то Плутон движется по эллиптичной орбите, наклоненной под углом почти 17° по отношению к плоскости движения других планет. Периодически он пересекает орбиту Нептуна и оказывается то дальше от Солнца, то ближе к нему, чем Нептун.
Своим открытием Плутон обязан окраске. Он гораздо светлее других транснептуновых объектов, которые начали обнаруживать лишь в 1990-е годы, через шесть десятилетий после того, как был замечен Плутон. Поначалу астрономы считали, что эта планета не уступает по размерам Марсу. Лишь к концу 1980-х годов, наблюдая за тем, как спутник Плутона, Харон, покрывает его поверхность, ученым удалось точнее оценить размеры Плутона. Его диаметр, по их подсчетам, составлял 2390 километров. Наблюдения, проведенные с помощью телескопа «Хаббл», заставили подкорректировать эту цифру, но не принесли желаемой точности: 2280–2330 километров.
В 1975 году удалось установить, почему Плутон окрашен в светлые тона. Американские астрономы Дейл Крукшенк, Дэвид Моррисон и Карл Пилчер обнаружили в его инфракрасном спектре следы метанового льда. По меньшей мере часть поверхности Плутона покрыта им. Позднейшие наблюдения, выполненные с помощью телескопа «Хаббл», выявили на этой планете значительные запасы замерзшего азота, а также водяной лед и замерзший моноксид углерода. Это позволило предположить, что на поверхности Плутона есть ледяные вулканы, которые выбрасывают наружу жидкий азот.
Фотографии, сделанные телескопом «Хаббл», пусть и были очень нечеткими, выявили еще одну особенность Плутона. Его поверхность вовсе не являлась однородно светлой, там имелись и темные пятна, особенно выделявшиеся на светлом фоне. Что это за пятна? Может быть, какие-то органические соединения? Район южного полюса, например, окрашен в очень яркие тона. Вероятно, он покрыт замерзшим азотом, смешанным с метановым льдом. Экваториальные области, наоборот, выглядят темными вкраплениями. Чем дальше на север, тем слабее становится темная окраска, сменяясь сероватыми цветами.
Опираясь на компьютерные модели, астрономы предполагает, что у Плутона имеется твердое каменное ядро, которое разогревается за счет естественной радиоактивности и окружено мантией. Содержание горных пород и, возможно, металлов оценивается в этих моделях в 65–70 %, а льда и жидких материалов, например воды, – в 30–35 %.