Биография в десять миллиардов лет 13 страница
Может показаться, что все это фантазии, которые нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть, но чем больше мы строим компьютерных моделей для изучения всего колоссального диапазона возможных результатов неустойчивости в планетных системах, тем заметнее поразительная закономерность. Молодые нестабильные планетные системы в конечном итоге становятся экзопланетными системами тех же разновидностей, какие мы наблюдаем в реальной Вселенной – с надежными эллиптическими орбитами и «горячими юпитерами». Кроме того, именно они вышвыривают планеты в межзвездное пространство, где мы и в реальности замечаем характерные признаки их воздействия.
Компьютерное моделирование подобных процессов – это просто-таки волшебство. Берешь тысячу правдоподобно выдуманных систем, загружаешь в компьютер, словно в шляпу фокусника, даешь их орбитам спокойно развиваться в течение времени, эквивалентного миллиону или ста миллионам лет, а потом смотришь, какие получились конфигурации у оставшихся систем. Этот остаток статистически прекрасно соответствует качествам сотен и даже тысяч уже открытых настоящих экзопланетных систем.
Можно взглянуть на это и с другой точки зрения. Представьте себе, что юная нестабильная планетная система «горячая», словно чашка чаю или кофе. А все горячее впоследствии остывает. В чашке жидкости охлаждение происходит, когда самые горячие, самые быстрые молекулы испаряются, а тепловая энергия излучается в виде инфракрасного света. В нестабильной планетной системе «охлаждение» случается, когда некоторые планеты вылетают в межзвездное пространство, падают на центральную звезду или сталкиваются друг с другом. Тогда «горячая» система, где много планет, превращается в «холодную», где планет уже меньше, и нестабильная толкучка юности успокаивается и превращается в простор и солидность среднего возраста.
|
|
|
Насколько часто такое происходит на самом деле в нашей Галактике? Сколько систем были в юности динамически горячими? Современные исследования единодушно показывают, что ранний эпизод сильной нестабильности переживают примерно 75 % планетных систем, то есть подавляющее большинство. Подобный уровень беспорядка режет глаз, однако, судя по всему, в реальности все так и есть. Ведь мало того что Галактика и вся Вселенная полны планет, которые вращаются вокруг звезд, – многие из этих планет находятся в системах, конфигурация которых с момента их рождения сильно изменилась. Это наталкивает меня на мысль о том, как виделась множественность миров древнегреческим атомистам. Только теперь эти старые идеи пришлось видоизменить, чтобы в них вошла и динамическая эволюция во всем ее разнообразии, от горячего до холодного. У каждой планетной системы своя неповторимая история о том, как планеты терялись или уничтожались, перемежаемая периодами относительного покоя. Однако в нелинейном царстве орбитальной механики, непредсказуемом, будто огромный пес, в которого тычут палкой, ничего нельзя гарантировать, и сегодняшний покой вполне может привести к хаосу в будущем.
|
|
|
Расскажу о самом, пожалуй, потрясающем и неожиданном открытии в науке о планетах за последние двадцать лет. Когда ученые обнаружили, что эпизоды «горячей» нестабильности переживали очень многие системы, никто особенно не удивился, а вот когда оказалось, что такое бывало более чем с двумя третями систем, это привело к подлинному сдвигу в представлениях о характеристиках планет. Отчасти подобное поведение – прямое следствие изобилия планет, которое мы наблюдаем повсюду: их многочисленность предполагает, что они очень легко и хорошо формируются. Чем больше юных планет толпится вокруг новорожденной звезды, тем скорее система впадет в хаос из-за сложнейших гравитационных взаимодействий между планетами-соседками.
Эта картина снова заставляет нас вспомнить о наших личных обстоятельствах. Мы обнаружили, что Солнечная система подернута патиной хаоса. Однако по сравнению со многими другими системами она относительно «холодна». Орбиты всех основных планет в наши дни лишь слегка эллиптичны, порядок планет достаточно строг: мелкие каменистые планеты ближе к центру системы, великаны – снаружи.
|
|
|
Из всего этого не следует, что в юные годы наша система не пережила никаких катаклизмов. Главенствующая теория[130], разработанная многими учеными, пытается объяснить нынешнюю конфигурацию гигантских планет и распределение мелких небесных тел в поясе астероидов и в далеком поясе Койпера крупными изменениями размеров орбит Урана и Нептуна. Согласно этой теории Уран и Нептун – представьте себе – поменялись местами, когда обе планеты перемещались в сторону внешней границы тогда еще очень тесной системы. Когда произошла эта перестановка, Уран очутился на своей нынешней орбите, а Нептун пересек его дорогу, выдвинулся наружу и стал самой далекой от Солнца планетой.
При этом маневре орбита Сатурна сдвинулась немного наружу по сравнению со своим нынешним положением, а массивный Юпитер – немного внутрь. Как и в любой механической системе, в планетной системе нельзя перемещать тела без взаимодействия сил, без своего рода рычагов. В данном случае роль рычага могло выполнить перераспределение тел значительно меньших размеров – десятков тысяч ледяных глыб и каменных астероидов, каждый из которых мог внести свой вклад в тягу и толчки при гравитационном взаимодействии с более крупными планетами.
|
|
|
Эти орбитальные перестановки, вероятно, имели место примерно 4 миллиарда лет назад, спустя всего несколько сотен миллионов лет после, того, как рассеялся диск из протопланетного газа и пыли. Последние движения при перестановке, возможно, помогли очистить систему от мелких кусков вещества, оставшегося после формирования основных планет. Но если так и было, получается, что на шкале динамической активности мы находимся достаточно низко, и наша Солнечная система подобна скорее воде комнатной температуры, нежели обжигающему кипятку.
Есть и другая гипотеза о том, каковы были первые этапы истории Солнечной системы; ее выдвинул специалист по динамике планет Дэвид Несворны[131], и в некотором смысле из нее следует, что наша система была более активной – а значит, и менее необычной, менее значительной. Согласно этой картине юная Солнечная система обладала не четырьмя, а пятью гигантскими планетами. Пятая планета была, возможно, ледяным гигантом и по массе, вероятно, занимала промежуточное место между Нептуном и Ураном, а ее орбита пролегала где-то за Сатурном. Формирование подобного небесного тела из смеси газа и пыли вокруг юного Солнца вполне возможно, и это добавляет перцу в историю орбит Солнечной системы. Симуляции Несворны, при помощи которых он рассчитывал дальнейшую эволюцию системы, как правило, приводят к тому, что пятого великана ловким гравитационным приемом вытолкнул в межзвездное пространство Юпитер. Причем в итоге подобного моделирования возникает конфигурация крупных планет, которая статистически вполне соответствует нашей нынешней. Иначе говоря (и, возможно, это противоречит интуиции), присутствие лишней планеты для нашей системы, как говорится, то, что доктор прописал. Если в нашей системе была пятая гигантская планета, а теперь ее нет, это повышает вероятность того, что юная Солнечная система, повзрослев, стала выглядеть именно так, как сейчас.
Это, конечно, интересный поворот – и наглядное напоминание, что мы до сих пор толком не разобрались, что происходило в нашей собственной системе 4 миллиарда лет назад. Быть может, нынешним довольно-таки мирным динамическим состоянием своих планет мы обязаны гораздо более бурному и «горячему» прошлому. Быть может, мы выжили из дома сестру-планету. Выходит, и планеты подвержены жестокому и безразличному естественному отбору.
Однако любые события в прошлом Солнечной системы достаточно мирные по сравнению с событиями в большинстве планетных систем, что доказывают и относительно круглые орбиты и благонравное поведение наших планет на сегодняшний день. Все это подводит нас к кульминации этой главы – и суть ее очень проста: архитектура Солнечной системы обеспечивает нам особые свидетельства, которые позволяют нам впервые в истории с достаточной надежностью оценить степень нашей уникальности.
* * *
Самое простое из этих свидетельств – форма и ориентация орбит, а также местоположение и разнообразие планет Солнечной системы. Уже по одной только конфигурации орбит можно смело утверждать, что Солнечная система принадлежит примерно к 25 % планетных систем, прошлое которых никогда не было особенно хаотичным. Кроме того, в нашей системе нет планет с массой больше земной, но меньше массы ледяных гигантов Урана и Нептуна. А эти гигантские планеты обладают массой в 80 и 100 раз больше массы Земли соответственно. То есть между нашей маленькой каменистой планетой и всеми более крупными небесными телами зияет зазор.
По нашим сегодняшним представлениям как раз планеты в этом промежутке – от супер-Земель до мини-Нептунов – одни из самых многочисленных планет во Вселенной и превосходят планеты-гиганты числом как минимум в четыре раза. Однако вокруг Солнца нет ни одного примера такой планеты, и нам бы в голову не пришло, что такие планеты вообще существуют, если бы мы не обнаружили их вокруг других звезд. По нынешним оценкам более 60 % других солнц[132] обладают хотя бы одной такой средней планетой.
Да, конечно, свести всю эту статистику воедино так, чтобы получилась надежная конструкция, довольно трудно. Например, мы на самом деле не знаем, связана ли динамическая нестабильность систем со склонностью формировать супер-Земли и мини-Нептуны. Это все равно что обнаружить в углу сада особенно пышные заросли цветов. Непонятно, почему их там так много – просто так сложилось или этот угол особенно тщательно возделывал невидимый садовник. Тем не менее вполне очевидно, что с этой точки зрения Солнечная система несколько необычна – возможно, своего рода отщепенец, принадлежащий к меньшинству.
Простоты ради предположим, что форма архитектуры орбит и типы планет в системе прямо не связаны. Скорее всего, на каком-то уровне это предположение неверно, однако оно позволяет обойтись без уточненного анализа, который, вероятно, не повлиял бы на общие выводы. Итак, можно рассмотреть все вероятности совокупно и сделать вывод, что Солнечная система, в которой мы живем, принадлежит к 10 % в своем клубе – не больше. Чтобы убедиться в этом, добавим в наш статистический рецепт еще несколько простых фактов.
Например, я говорил о том, что большинство звезд в нашей Галактике меньше Солнца: примерно 75 % из них менее массивны. Эти звезды также обладают бесчисленным множеством планет, которые, по всей видимости, следуют общим динамическим правилам: горячая юность, холодная зрелость. Так что если бы мы осторожно обобщили статистику, возникло бы искушение заявить, что наша Солнечная система и вовсе принадлежит к 2–3 % звезд определенной разновидности с определенным набором и расположением планет. С математической точки зрения это не очень строго, однако основано на реальных числах – и очень важно для нашего поиска своего вселенского значения. В целом наша Солнечная система необычна.
Еще я упоминал о том, что планета должна обладать достаточно мягкими условиями на поверхности, что на ней должно быть много жидкой воды. Астрономы очень любят на основе этой идеи искать «обитаемые зоны»[133] вокруг звезд, диапазоны орбит, где температура на планете аккуратно вписывается между точкой замерзания и точкой кипения воды. Это само по себе существенно уменьшает численность группы, к которой принадлежит Солнечная система и Земля, поскольку добавляет требование, что планеты должны вращаться на строго определенном расстоянии от звезд-родительниц.
Точно оценить количество таких планет очень трудно, и заниматься этим мне совсем не хочется. По правде говоря, это зависит от великого множества факторов – от состава самих планет, их атмосферы, от стабильности климата, о чем я писал в предыдущей главе. А между тем мы не разобрались во всех хитросплетениях климата на своей собственной планете. Мы считаем, что 4 миллиарда лет назад Солнце было на 30 % тусклее[134], однако геологические свидетельства показывают, что и тогда на поверхности Земли была жидкая вода. Беда в том, что мы не совсем понимаем, как такое может быть. Даже огромное количество парниковых газов в атмосфере юной Земли едва ли смогло бы, с одной стороны, в достаточной степени согревать поверхность, а с другой – не оказать ни малейшего влияния на состав скальных пород. Некоторые ученые предполагают, что даже фундаментальная форма, размер и оптические характеристики облаков – да-да, облаков! – миллиарды лет назад были не такие, как сейчас. Если бы облака были другими, Земля меньше отражала бы солнечный свет и могла бы поглощать больше его согревающей энергии.
Кроме того, у нас подбирается все больше доказательств, что и на Марсе, находящемся сразу за орбитальной зоной благоприятных температур вокруг Солнца, когда-то было вдоволь жидкой воды. Может быть, такое положение дел по геологическим меркам сохранялось недолго, однако бывали времена, когда условия на Марсе были куда более благоприятнее для жизни, чем сейчас.
Можно сделать вывод, что с точки зрения умеренности климата оценить необычность Солнечной системы не так-то просто. Я бы сказал, что в настоящий момент и при нашем уровне знаний мы не можем сколько-нибудь надежно оценить, в какой доле систем есть планеты в умеренных зонах, поскольку сами эти зоны, похоже, весьма переменчивы. Однако если мы учтем при вычислениях еще и историю планет с умеренным климатом в Солнечной системе, то в результате, вероятно, попадем в клуб, в котором состоит менее 1 % всех возможных планетных систем.
Однако все это статистика. Какие характеристики на самом деле определяют неповторимую детальную структуру каждой отдельной системы? Почему у систем есть именно такие шансы сформироваться динамически холодными и горячими и с теми или иными видами планет или без них? И что запускает цепь событий, в результате которых возникает Солнечная система вроде нашей и планета, очень похожая на Землю?
Отчасти ответ, конечно, лежит в области общей физики гравитационных систем и в притяжении газов и частиц, которые клубятся вокруг новорожденной звезды, пока она собирает саму себя из холодной взвеси межзвездного материала. Однако огромный кусок этой головоломки – поистине колоссальный кусок – судя по всему, просто чистая, слепая, беспримесная воля случая.
Астрономы говорят о формировании планет как о стохастическом процессе: хотя в нем заложены и предсказуемые физические процессы, окончательный результат не детерминирован по сути своей, в нем есть элемент случайности. Я расскажу вам, что происходит в целом: вещество вращается по орбите, сталкивается, слипается, объекты взаимодействуют, рассыпаются, растут, расходятся в разные стороны, однако я не могу предсказать, что произойдет с каждой новой планетой, с каждым сгустком вещества. Точь-в-точь нерешаемая задача n тел.
Один из лучших примеров подобного исхода глядит нам в лицо практически каждую ночь. Луна, как я уже говорил, скорее всего, возникла в результате космического столкновения между более ранней версией Земли и еще каким-то зачаточным планетным телом. Нашему нынешнему пониманию природы Земли и Луны больше всего соответствует теория, согласно которой приблизительно 4,5 миллиарда лет назад с прото-Землей столкнулась другая планета размером с Марс. Эта невезучая планета известна под именем Тейя[135] и, вероятно, сформировалась в той же орбитальной зоне, что и прото-Земля, просто располагалась в другой точке этой орбиты. С течением времени колебания гравитационной тяги, возможно, придвинули эти юные объекты ближе друг к другу, и в итоге они врезались друг в друга, словно пара колоссальных булыжников в лавине. В результате вокруг Земли получилось очень много пыли и обломков, и из них вскоре сгустилась Луна – смесь останков Тейи с содранными и раскиданными в пространстве слоями прото-Земли.
Подобное событие при формировании планетной системы, скорее всего, отнюдь не редкость. Именно чем-то таким и заканчивается толкучка на орбитах, которая, как мы полагаем, играет главную роль в нанесении завершающих штрихов на маленькие каменистые планеты. Однако такой вариант вовсе не обязателен – он входит в череду крайне стохастических событий, то или иное из которых очень трудно предсказать. Вероятно, Земля и Луна – представители относительно распространенного типа конфигурации «планета-спутник», однако гарантировать подобный результат в том или ином конкретном случае нельзя.
Эта черта – очередной аспект нелинейной, хаотической природы планетной системы. С одной оговоркой: мелочи, определяющие конечный результат, чаще имеют отношение не к законам гравитации, а к размерам и составу планет – тоже случайным величинам. Например, физическое столкновение двух объектов зависит не только от того, насколько близко они подойдут друг к другу, но и от их габаритов – заденут ли они друг друга? И если заденут, приведет ли это столкновение к тому, что они сольются воедино, образовав новое небесное тело, или просто разлетятся на обломки?
Получается, что если мы попытаемся проследить всю цепочку причинно-следственных связей, которая ведет от космического газа и пыли к планете, похожей на Землю, нас ждут серьезные трудности – но что поделаешь, такова жизнь. Однако в то же время важно понимать, что если маршрут к точке назначения случаен и непредсказуем, это не обязательно означает, что прибытие в точку назначения маловероятно. Не устаю подчеркивать, как важен этот парадокс, поскольку мы столкнемся с ним еще неоднократно и не только при обсуждении планетных систем.
Чтобы лучше понять эту особенность эволюции естественных систем, представьте себе, что вы стоите на опушке густого леса, через который вам нужно пройти. Троп перед вами множество, и, быть может, 90 % из них приведет вас куда-нибудь по ту сторону деревьев и лишь 10 % заставит вечно кружить в чащобе. То есть из леса вы выйдете с большой вероятностью, однако выбирать один какой-то путь вам все равно придется случайно. И даже если вам повезет, каждая траектория приведет вас в свою точку на противоположной опушке. Примерно таков и процесс создания планет – и, как мы вскоре увидим, вероятно, и процесс возникновения жизни.
* * *
Итак, вы прошли тернистый путь через вступление о динамической природе небесной механики и остались целы и невредимы – и наверняка у вас возник соблазн вздохнуть с облегчением. Однако, к сожалению, у планетных систем есть еще одна особенность, которая выводит их на новый уровень сложности. Мы привыкли представлять себе эти системы замкнутыми, из чего бы они ни состояли – из планет, астероид, комет, пыли, и вокруг чего бы ни вращались – вокруг одной или нескольких звезд. Этакие изолированные экосистемы, если не считать случайного изгнания лишней планеты. Как выяснилось, это не обязательно так.
На первый взгляд кажется, будто внутренние области Солнечной системы достаточно густонаселенны и лишних кусков плотного вещества в себя не допустят. Разве что просочится горстка-другая межзвездной пыли, а так из непрошеных гостей заметных размеров к нам попадают разве что некоторые разновидности комет. Еще когда я описывал общее устройство нашей системы, то упомянул об облаке Оорта – гипотетическом вместилище сотен миллиардов кусков льда, которые медленно вращаются по далеким орбитам, куда их забросило в годы бурной юности нашей Солнечной системы. То и дело какой-нибудь из этих кусков древнего вещества сбивается на траекторию, которая увлекает его вовнутрь, и такие события создают особый вид комет, так называемые долгопериодические кометы. То, что мы видим подобные кометы, – важнейшее доказательство существования облака Оорта, которое простирается на расстоянии почти светового года от нас – это целая четверть расстояния до ближайшей звезды.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 149; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!