Книга: Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

* * *

В ранней истории Солнечной системы, вероятно, случались периоды лихорадочной активности. Свидетельством тому служит громадное число кратеров на большинстве ее тел, особенно на Луне, Меркурии, Марсе и различных спутниках; эти следы наглядно показывают, что крупные тела подвергались бомбардировке бесчисленными малыми телами. Относительный возраст получившихся кратеров можно оценить статистически, поскольку более молодые кратеры частично разрушают старые, когда перекрываются с ними, а большинство наблюдаемых кратеров во всех этих мирах возникли чрезвычайно давно. Иногда, правда, возникают и новые кратеры, но в большинстве своем очень небольшие.

Серьезную проблему представляет собой задача восстановления последовательности событий, сформировавших Солнечную систему. В 1980-е годы изобретение мощных компьютеров, а также эффективных и точных вычислительных методов позволило провести подробное математическое моделирование коллапсирующих газовых облаков. Эта задача требует тщательного подхода и некоторых ухищрений, поскольку грубые численные методы не в состоянии учесть физические ограничения, такие, к примеру, как закон сохранения энергии. Если из-за особенностей математической модели энергия будет медленно убывать, то это будет выглядеть как своеобразное трение; вместо следования по замкнутой орбите планета будет медленно опускаться по спирали все ближе к Солнцу. Сохраняться должны и другие величины, к примеру, момент импульса. Методы, позволяющие избежать такой опасности, появились совсем недавно. Самые точные из них известны как методы симплектического интегрирования и название свое получили по одному из формальных методов преобразования уравнений механики; в этих методах все значимые физические величины сохраняются в точности. Тщательное и точное моделирование раскрывает правдоподобные и весьма драматичные механизмы формирования планет, хорошо соответствующие наблюдениям. Если верить современным теориям, Солнечная система на раннем этапе своего развития была далеко не такой спокойной и уравновешенной, какой мы ее видим сегодня.

Прежде астрономы думали, что Солнечная система, как только образовалась, стала очень стабильной. Планеты грузно перемещались по заданным орбитам, и вокруг практически ничего не менялось; выходило, в общем, что пожилая система, которую мы видим сегодня, очень похожа на саму себя в юности. Этим представлениям конец! Сегодня считается, что такие крупные миры, как газовые гиганты Юпитер и Сатурн и ледяные гиганты Уран и Нептун, первоначально появившиеся за «ледяной линией», где замерзает вода, впоследствии устроили между собой гравитационное перетягивание каната и поменяли позиции. Этот процесс оказал влияние, во многих случаях очень резкое, и на все остальные тела Солнечной системы.

Математические модели, а также другие многочисленные свидетельства из ядерной физики, астрофизики, химии и многих других отраслей науки привели к формированию нынешней картины: планеты сформировались не в виде единичных комков, а в результате хаотического процесса аккреции. Первые 100 000 лет медленно растущие «планетезимали» собирали в пространстве газ и пыль и создавали в туманности кольца, расчищая промежутки между ними. Каждый промежуток был усеян миллионами этих крохотных тел. В этот момент вещество, которое могли бы собирать планетезимали, закончилось, но их самих было так много, что они то и дело сталкивались. Иногда после столкновения тела вновь разлетались, но иногда слипались и образовывали новое, более крупное тело. Такие тела побеждали и становились все крупнее и крупнее; планета строилась, собирая вещество кусочек за кусочком.

На этом раннем этапе гиганты в Солнечной системе располагались ближе друг к другу, чем сегодня, а во внешних областях кишели миллионы крохотных планетезималей. Сегодня планеты-гиганты располагаются в следующем порядке от Солнца: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Но в одном из вероятных сценариев первоначально порядок был иным: Юпитер, Нептун, Уран, Сатурн. Когда Солнечной системе было примерно 600 миллионов лет, уютное гнездышко распалось. Орбитальные периоды медленно менялись, и в какой-то момент Юпитер и Сатурн попали в резонанс 2:1 — «год» Юпитера стал ровно вдвое короче «года» Сатурна. Резонанс возникает, когда два периода обращения или вращения дают в отношении простую дробь, в данном случае это 1/2[20]. Резонансы оказывают сильное влияние на небесную динамику, поскольку тела на резонансных орбитах раз за разом точно выстраиваются в одну и ту же линию, и позже я еще буду говорить об этом. Это не позволяет возмущениям «усредниться и сойти на нет» на большом промежутке времени. Резонанс, о котором идет речь, вытолкнул Нептун и Уран вовне; при этом Нептун обошел Уран.

Такое перераспределение крупных тел Солнечной системы потревожило планетезимали и заставило их смещаться в сторону Солнца. Разразился настоящий ад, когда планеты начали играть планетезималями в небесный пинг-понг. Гигантские планеты отодвинулись от Солнца, а планетезимали, напротив, приблизились к нему. В конечном итоге планетезимали встречались с Юпитером, громадная масса которого оказалась решающей. Некоторые из них в результате такой встречи были вообще выброшены из Солнечной системы, а остальные отправились на вытянутые тонкие орбиты, уходящие от Солнца на громадное расстояние. После этого все в основном успокоилось, но Луна, Меркурий и Марс по сей день несут на себе шрамы, появившиеся в результате того хаоса[21]. При этом тела всех форм, размеров и составов разбросало далеко во все стороны.

В основном успокоилось. Но вовсе не прекратилось. В 2008 году Константин Батыгин и Грегори Лофлин смоделировали будущее Солнечной системы на 20 миллиардов лет, и первоначальные результаты не выявили никаких серьезных нестабильностей. Уточняя численный метод поиска потенциальных нестабильностей и по-крупному меняя орбиту по крайней мере одной планеты, они обнаружили вариант возможного будущего, в котором Меркурий падает на Солнце примерно через 1,26 миллиарда лет, и другой вариант, в котором хаотичные метания Меркурия выбрасывают Марс из Солнечной системы через 822 миллиона лет; после этого еще через 40 миллионов лет происходит столкновение между Меркурием и Венерой. Земля продолжает величаво следовать по своему маршруту, никак не реагируя на эти драматические события.

В первых моделях использовались в основном усредненные уравнения, которые не годятся для просчета столкновений, а релятивистские эффекты попросту отбрасывались. В 2009 году Жак Ласкар и Микаэль Гастино смоделировали ближайшие пять миллиардов лет Солнечной системы с использованием метода, позволявшего обойти эти проблемы, но результаты получились примерно те же. Поскольку крохотная разница в начальных условиях может в долгосрочной динамической перспективе дать огромный эффект, они смоделировали 2500 наборов орбит, каждый из которых начинался в пределах наблюдательной ошибки от современных данных. Примерно в 25 случаях возникли условия, близкие к резонансу; они резко увеличивают эксцентриситет орбиты Меркурия, что приводит либо к падению его на Солнце, либо к столкновению с Венерой, либо к близкой их встрече, что радикально поменяет орбиты как Венеры, так и Меркурия. В одном случае орбита Меркурия со временем вновь стала менее эксцентричной, и в результате где-то за 3,3 миллиарда лет дестабилизировала все четыре внутренние планеты. В этом случае Земля может столкнуться с Меркурием, Венерой или Марсом, и вновь возникает небольшой шанс, что Марс будет навсегда выброшен за пределы Солнечной системы.