Как образовалась Солнечная система? Каким образом по ней мигрировали планеты? Существует ли общепринятая модель образования Земли и Луны? Могут ли появляться новые модели и зачем они нужны? Откуда на нашей планете взялась вода? Что эта информация может дать людям? Об этом рассказывает Сергей Ипатов, ведущий научный сотрудник Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского, доктор физико-математических наук.
— В астрономию я попал совершенно случайно. Учился на мехмате МГУ, и в начале третьего курса мы пришли выбирать научного руководителя. Мы с товарищем выбрали Дмитрия Евгеньевича Охоцимского, который был заведующим кафедрой и отделом Института прикладной математики. Тогда он занимался робототехникой. Дмитрий Евгеньевич пришел на нашу встречу в МГУ вместе с Тимуром Магометовичем Энеевым, который позже стал академиком. Энеев получил в 1957 году Ленинскую премию за решение задач по управлению полетами первых космических аппаратов. И мне он предложил заниматься теорией управления космическими аппаратами, но потом его интересы ушли в астрономию.
Когда я был на пятом курсе, Энеев сказал, что теорией управления занимается слишком много людей, и предложил углубиться в астрономию.
Первые полгода на пятом курсе я писал алгоритм по моделированию взаимодействия галактик. В то время Энеев разрабатывал свою модель образования Солнечной системы, и он предложил мне заняться движением астероидов в астероидном поясе.
За оставшиеся несколько месяцев до защиты диплома я написал алгоритм и провел расчеты по движению астероидов с учетом их взаимного гравитационного влияния. Кстати, впоследствии вместе с коллегами-астрономами мне довелось открыть целый ряд астероидов, которые сегодня носят имена моего отца, деда, тестя, жены и мое.
— В честь жены — 43025 Valusha. Сейчас астероиды открывают в основном автоматические телескопы, а не индивидуальные астрономы. Когда я наблюдал, мой коллега Эрик Элст, открывший тысячи астероидов, говорил смотреть в те области неба, где астероидов почти нет, так как другие области постоянно просматривают автоматические телескопы.
Астрофизик Петр Бакланов объясняет, что такое сверхновая звезда, как они зажигаются и гаснут
— Да, потом, когда я уже пришел на работу в Институт прикладной математики, понял: если в мой алгоритм добавить объединение сталкивающихся тел, то это будут расчеты в рамках классической твердотельной модели образования планет Солнечной системы. Это была другая модель, не такая, как у моего шефа Энеева. У него была модель столкновений пылевых сгущений. Сгущения — это большие разреженные образования размером со сферу Хилла (сфера Хилла — это пространство вокруг астрономического объекта, например планеты, в котором он способен удерживать свой спутник). У меня были расчеты согласно классической модели, и получился очень интересный вариант, когда у начальника одна модель, а у подчиненного — противоположная.
— Он был очень интересным человеком. Считал, что не может быть неправ, но никогда не мешал другим людям высказывать свои идеи. Если бы сейчас таких людей было больше среди принимающих решения в государстве, то и проблем было бы существенно меньше. Кстати, в сентябре нынешнего года исполняется 100 лет со дня рождения Тимура Энеева.
— Многие авторы считают, что на некотором этапе образования Солнечной системы протопланетный газопылевой диск разбивался на сгущения, которые довольно быстро сжимались и превращались в твердые тела, называемые планетезималями. Общепринятая точка зрения тогда и сейчас гласит, что планеты, за исключением газовых гигантов, образовались в основном из этих планетезималей. А Тимур Магометович предположил, что сгущения сжимались очень медленно, сталкивались между собой, образуя огромные сгущения, которые потом сжимались до размеров планет. Моя же модель была ближе к классической.
— По аккумуляции планет земной группы мои расчеты были в рамках общепринятой модели, но они были одними из первых. В частности, другие ученые тогда не делали расчетов состава образовавшихся планет в зависимости от начальных расстояний планетезималей до Солнца. До этого были в основном аналитические модели аккумуляции планет.
Тогда сотрудники Института физики Земли фактически возглавляли такие мировые исследования. В постсоветский период роль российских ученых в планетной космогонии стала значительно меньше.
Отличия моей модели в основном для зоны планет-гигантов. Тут нужна небольшая предыстория. В 1990 году, исходя из состава планет-гигантов, наш ученый Владимир Наумович Жарков опубликовал модель, в которой зародыши Урана и Нептуна могли приобрести свои газовые оболочки, когда находились близко к орбите Сатурна, то есть ближе к Солнцу, чем сейчас. Потом они отодвинулись на современные орбиты. Для подтверждения такого предположения в 1991–1993 годах я опубликовал результаты расчетов, как под гравитационным влиянием планетезималей зародыши Урана и Нептуна вышли на современные орбиты.
Начиная с 2005 года на Западе рассматривалась модель Ниццы, в которой зародыши Урана и Нептуна оказались на современных орбитах из-за того, что периоды обращения Юпитера и Сатурна вокруг Солнца попали в резонанс, это дестабилизировало планетную систему. У меня миграция зародышей Урана и Нептуна происходила из-за гравитационного влияния планетезималей, а в модели Ниццы — из-за резонанса Юпитера и Сатурна.
Почему придется менять Стандартную космологическую модель
— Из-за высокой температуры в газопылевом диске соответствовавшие зоне питания планет земной группы тела, содержавшие воду, находились только за линией льда, которая располагалась на расстоянии около трех астрономических единиц от Солнца (астрономическая единица — это расстояние от Солнца до Земли). На основании моих расчетов миграции тел к Земле можно сделать вывод, что масса воды, доставленная к Земле из зоны планет-гигантов, могла быть соизмерима с массой земных океанов. В мире считается, что зона внешнего астероидного пояса тоже могла играть большую роль, хотя тут тела имели гораздо меньшее содержание воды, чем за орбитой Юпитера, зато вероятность столкновения тела с Землей была гораздо больше.
— Земля сформировалась в основном из местных планетезималей, не содержащих воду, хотя в связанном виде вода могла составлять небольшую часть горных пород Земли. Тела, пришедшие к Земле из-за линии льда, содержали воду. Так как температура на планете в основном больше нуля, лед в этих телах превратился в жидкую воду.
Ледяные тела выпадали и на другие планеты. На Марс воды относительно его массы могло быть доставлено в два-три раза больше, чем на Землю, но проблема в том, что масса Марса в десять раз меньше, чем Земли. За миллиарды лет вся вода, которая была на его поверхности, медленно уходит за пределы планеты. А Венера слишком горячая, там температура — сотни градусов, пар быстро покидал планету.
— Первые гипотезы образования Луны появились в XVIII веке. В 60–70-х годах прошлого столетия у советской исследовательницы Евгении Леонидовны Рускол вышли монография и статьи о том, что в окрестности Земли тела сталкивались между собой, выходили на орбиту вокруг нашей планеты, с этими телами сталкивались другие тела. Таким образом, количество вещества, которое накапливалось вокруг нашей планеты, увеличивалось, и в конце концов из появившегося околоземного диска тел образовалась Луна. Эта теория была популярна в прошлом веке. Однако современные расчеты показали, что такая модель может объяснить только формирование небольших спутников.
В последние лет 30 на Западе основная модель — это теория мегаимпакта: с Землей сталкивается тело размером с Марс, выбрасывается вещество, которое начинает вращаться вокруг Земли, из него образовывается Луна.
Поскольку в Луне железа меньше, чем в Земле, спутник, скорее всего, образовывался именно из веществ, выброшенных и из мантии нашей планеты, и из ударника. Существуют разные расчеты, чтобы найти, при каких условиях происходил выброс вещества преимущественно из мантии Земли.
Как астрономы обнаружили остатки взрывов первых звезд в истории космоса
— Совершенно верно. Эти модели называются мультиимпактными. Существуют и другие модели. Академик Эрик Михайлович Галимов с соавторами предложил модель, в которой при сжатии большого разреженного пылевого сгущения образовались Земля и Луна. В модели Галимова считалось, что сначала в высокотемпературном центре этого сгущения образовались зародыши Земли и Луны, обедненные железом, часть которого испарилась. Затем на эти зародыши выпадала пыль из внешней части сгущения. Луна формировалась через 50 млн лет после образования первоначального сгущения.
Очень уважаю Эрика Михайловича, но, насколько я знаю, никто из ученых таких больших времен существования сгущений не получал, максимум — сотни тысяч лет. В модели Галимова частицы во внешней части сгущения были неподвижными в течение десятков миллионов лет, хотя эти частицы должны выпасть в центр сгущения со скоростью свободного падения за очень короткое время — десятки лет.
— В моей модели я сначала рассматривал образование двойных транснептуновых объектов. Потом рассмотрел аналогичный механизм образования системы Земля—Луна. В этой модели сталкиваются два сгущения, двигающиеся по почти круговым орбитам. Достаточно часто подобные столкновения близких по массе сгущений имеют такой угловой момент, когда при сжатии сгущения образуется небесное тело с большим спутником. При других столкновениях при сжатии сгущения образуется только одно тело, уже без спутника.
В моей модели масса зародыша Луны, образовавшегося при сжатии общего сгущения, была по крайней мере в 10 раз меньше ее современной массы. Это для того, чтобы при последующем росте зародыш Луны мог приобрести достаточно обедненного железом вещества, выброшенного из мантии Земли.
— Да. В последней моей работе этого года рассматривался выброс вещества из Земли и то, сколько его могло выпадать на Луну. Рассматривались и выпадения выброшенных тел на другие планеты. Отмечалось, что, если бы Луна была достаточно далеко от Земли, она не могла бы вырасти за счет этого выброшенного вещества. Значит, во время своего роста она должна была находиться достаточно близко к Земле. По-моему, рост зародыша Луны был таким же, как в мультиимпактной модели, но разница в том, что в моей модели начальный зародыш Луны уже образовался при сжатии сгущения. Если рассматривать мультиимпактную модель, то возникнет вопрос, почему у других планет земной группы нет аналога Луны. На эти планеты точно так же выпадали крупные тела, порождавшие выброс вещества на орбиты вокруг планеты.
— Они очень маленькие. Существует несколько моделей образования этих спутников. Например, модель, аналогичная мегаимпакту, но с гораздо меньшим ударником, чем в случае Земли. Как и в модели Евгении Рускол, в окрестности Марса могли сталкиваться тела, а из их осколков образоваться спутники Марса.
— Да, сейчас — порядка 4 см в год. Это удаление происходит из-за приливной эволюции. Раньше чем ближе она была к Земле, тем быстрее от нее отдалялась.
— Нет. Луна не покинет околоземную орбиту. Со временем Луна будет отдаляться все медленнее, а через 7 млрд лет Солнце может превратиться в красный гигант и уничтожить и Землю, и Луну. Так что погибнут они вместе.
— Чем ближе была Луна к Земле, тем больше были приливы. Но считается, что на начальной стадии, когда Луна была близка, отдалялась она достаточно быстро. В модели мегаимпакта зародыш Луны образовывался на расстоянии 6–7 радиусов Земли от ее центра. Считается, что это расстояние увеличилось до 20–40 радиусов Земли за несколько миллионов лет. Современное расстояние от Луны до Земли равно 60 радиусам Земли.
— На некоторых спутниках есть океаны, сверху — лед. В океанах могут быть какие-то формы жизни. Можно на это надеяться.
Откуда исходят космические лучи сверхвысоких энергий
— Нет, она удаляется медленно, и эта скорость, как я уже сказал, уменьшается, так что за много миллионов лет орбита практически не изменится.
— От того, как образовывались планеты и Луна, зависит то, что внутри этих объектов. Состав их верхних слоев зависит от того, откуда приходил выпадавший на них материал. В последних моих расчетах рассматривается выброс вещества с различных планет земной группы: сколько выброшенного вещества выпадает на другие планеты и через какое время. У нас есть марсианские метеориты, их активно изучают. Есть понятие The Late Heavy Bombardment — стадия активной бомбардировки на этапе образования планет. Согласно разным авторам, эта стадия длилась около 700 млн лет, когда на планеты земной группы выпадали крупные объекты, соответственно, происходил выброс вещества и вещество Земли попадало на другие планеты. То же самое с Марсом. Тот материал, который был на других планетах, можно найти и на Земле. Все это имеет важное прикладное значение для геохимии, геологии, поиска полезных ископаемых. А что касается более долгосрочного прогноза, то здесь нам пока непонятно, как эта информация может пригодиться, но кто знает, что будет даже через несколько тысяч лет…
