Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба
Шрифт:
Фотография поверхности Титана, спутника Сатурна, переданная 14 января 2005 г. посадочным модулем «Гюйгенс» (ESA/NASA).
ESA/NASA/JPL/University of Arizona
Наша планета Земля началась с роя ледяных и каменистых тел, обращавшихся вокруг Солнца и постепенно выраставших в планеты. Сформировавшиеся первоначально планеты сталкивались друг с другом, соединяясь в более крупные тела и их спутники. От них откалывался всякий мусор, смешивавшийся с остатками первоначального роя в хаотичный ансамбль, известный нам теперь как кометы и астероиды. Спустя 100 млн лет суматоха поутихла: столкновения продолжались, пока планеты не стали двигаться по непересекавшимся путям. Все крупные соударения, которые должны были произойти, произошли, и система стала стабильной, как часовой механизм. Ну или почти как часовой механизм.
В этой книге рассказывается об истоках многообразия планет. Чтобы не опережать ход повествования, давайте просто скажем, что почти каждая планета и почти каждый спутник планеты, когда-либо существовавшие в Солнечной системе, были поглощены телом более крупным, чем они сами, и что этот факт невероятно важен. Большинство планет
Человеческое любопытство, ведомое наукой и усиленное гигантскими телескопами, обнаружило сотни миллиардов галактик, в каждой из которых есть сотни миллиардов звезд. Звезд во Вселенной намного больше, чем песчинок на Земле, – 100 млрд триллионов, или 1023, – и мы полагаем, что у большинства из них есть планеты. Мы живем на сложно устроенной голубой планете, и это так необыкновенно, что вопросы встают перед нами практически помимо нашей воли: что такое реальность? Что такое время? Уникальны ли мы во Вселенной? Геологические явления, которые нам предстоит обнаружить по всему космосу, могут заставить Венеру, Энцелад, Ио и Хаумею показаться чем-то заурядным; мы только начинаем догадываться о странностях, которые, возможно, ждут нас там.
Улитка – это геолог, который ощущает неровности камня, его температуру и влажность. То же самое можно сказать о еноте, исследующем отмель в поисках улиток. Геологические исследования приматов более изощрены. Можно ли поцарапать этот камень тем? Пойдет ли он трещинами? Раскрошится ли он или расколется в основном в одном направлении? Какого камень цвета, какая у него поверхность, какой вес? Как он пахнет? Все это ощутимые факты, они доступны любому существу, имеющему органы чувств. Из такого опыта можно извлечь непосредственную пользу.
Неощутимое – это то, что нельзя почувствовать, но можно обнаружить с помощью более совершенных технологий. Классические примеры – это телескоп, который расширяет охват наших органов чувств, и микроскоп, который его сужает. В обоих приборах стеклянные линзы используются для того, чтобы изменить и усовершенствовать зрение, причем (в классическом случае) наши глаза воспринимают те самые фотоны, которые отражаются или испускаются звездой, планетой или крылом мотылька.
Современные исследовательские микроскопы занимают целые здания, а зеркала телескопов весят десятки тонн [35] . От совершенствования оптики и усиления увеличения мы перешли к сбору данных дистанционных измерений всеми возможными способами по всему спектру электромагнитного излучения. Космический аппарат на орбите какой-нибудь далекой планеты может собирать потоки информации от лазерных интерферометров, тепловизоров, рентгенофлуоресцентных спектрометров, детекторов нейтронов, подповерхностных радаров и так далее. Современный космический аппарат, хоть он и не способен принимать научные решения, имеет доступ к куда большему числу способов восприятия, чем астронавт, который в лучшем случае может рассматривать мир вокруг через стекло шлема и осязать поверхности сквозь громоздкие перчатки, но в чьем разуме заложена способность видения – того рода, которое никак не связано с глазами, – и исследования и чье тело обеспечивает взаимодействие разума с тем, что его окружает.
35
Главное зеркало Большого обзорного телескопа весит 17 тонн и имеет диаметр 8,5 м; его отлили в огромной вращающейся печи, что позволило центробежным силам придать ему почти параболическую форму. Архимед был бы впечатлен.
Самый мелкий масштаб нашего непосредственного восприятия – это то, чем ограничено осязание и зрение, примерно 0,1 миллиметра, тонкий волос или крупная песчинка. В нашем распоряжении есть и множество куда более чувствительных специализированных сенсоров, работающих вплоть до молекулярного уровня. Самые большие значения на той же шкале – размеры человеческого тела, метр или два [36] . Менее заметная, но столь же фундаментальная характеристика нашего восприятия – примерно шесть сантиметров, в среднем разделяющие человеческие зрачки. За этими разнесенными объективами наши сетчатки создают стереопары, которые направляются в левое и правое полушария мозга. По некоторым оценкам, мы задействуем до половины вычислительных ресурсов бодрствующего мозга, совмещая в зрительной коре левые и правые изображения, чтобы создавать свою трехмерную реальность.
36
Тело сухопутного млекопитающего имеет размер порядка 1 м, потому что оно должно удерживаться вместе в гравитационном поле планеты, а это требует 10 кг кожи и еще нескольких килограммов расположенных под ней фасций и соединительной ткани, которые вертикально поддерживаются скелетом и длинными сильными мышцами. Более крупные тела требуют гораздо более прочной конструкции, б'oльших расходов энергии и более крупной мускулатуры, которая выполняет больше работы. Это приводит к выделению большего количества тепла, которое нужно выводить из более массивного тела. Так что для более крупных тел самое важное – это строение; мы должны быть достаточно велики, чтобы поддерживать работоспособность большого мозга, но достаточно малы, чтобы перемещать его туда, куда нужно. То есть тот наш размер, возможно, является оптимальным для разумных существ, живущих на поверхности планеты с земной гравитацией.
Вследствие этого чуть ли не самыми важными для людей данными, получаемыми в ходе космических исследований, становятся пары фотографий, сделанные в одинаковых условиях освещенности (обычно примерно в одно и то же время), которые разнесены на угловое расстояние около 7°, чтобы имитировать стереоизображение предмета у нас в руке, если надеть очки с красным и синим стеклами [37] . Используя наши биологические возможности по обработке данных, мы можем рассматривать гору Олимп на Марсе, как будто она находится прямо перед нами. С помощью компьютерной мыши мы можем поворачивать невероятно странное по форме ядро кометы, известной как 67P/комета Чурюмова – Герасименко, и накладывать на него любую другую информацию, например данные спектроскопии или сведения о температуре,
37
Самый простой и недорогой способ создания трехмерных изображений – это анаглиф, где левое изображение стереопары проецируется в красном свете, а правое – в синем. Зритель надевает очки с соответствующими стеклами, которые пропускают в левый глаз только красный свет, а в правый – только синий. Мозг совмещает эти два набора данных как один черно-белый объемный объект.
38
Используя трехмерные данные сейсмической разведки с помощью радаров, мы, в принципе, можем получить для примитивного тела (ядра кометы или маленького объекта пояса Койпера) что-то похожее на КТ или УЗИ в высоком разрешении. Это достаточно простая научная задача. P. Sava and E. Asphaug, "3D Radar Wavefield Tomography of Comet Interiors," Advances in Space Research 61, 2018.
Узнавать более труднодоступные неощутимые факты можно в базовых лабораториях по всему миру, где самые точные инструменты используются для того, чтобы фиксировать отдельные атомы во фрагментах земных пород, метеоритов и лунных образцов. Занимающие целые комнаты масс-спектрометры могут определить точное содержание химических элементов в частичке, которая в миллион раз меньше песчинки. («В одном мгновенье видеть вечность, огромный мир – в зерне песка…» [39] [40] ) Из такой информации исследователи могут понять условия (состав, температуру, давление, момент времени, присутствие кислорода и водорода), в которых вырос конкретный кристалл, и его атомную структуру. На основе этого мы можем выстраивать целые истории и опровергать или уточнять другие истории – например, о том, как формировались планетезимали и планеты. Такие аналитические лаборатории так же дорого строить и содержать, как и астрономические обсерватории; отличие лишь в том, что, вместо того чтобы смотреть вовне, их сотрудники вглядываются внутрь фрагмента породы, совершая открытия в нанодиапазоне, ненамного превышающем размеры самих атомов.
39
Пер. С. Я. Маршака.
40
Уильям Блейк, «Прорицания невинности» (Auguries of Innocence, 1803).
Комета 67P/Чурюмова – Герасименко, около 4 км длиной от одного конца до другого, – первая комета, на орбиту вокруг которой вышел космический аппарат. Эта фотография сделана с расстояния 28 км от центра ядра, размер кадра составляет 4,6 x 4,3 км.
ESA/Rosetta/NAVCAM (CC BY-SA IGO 3.0)
Это кажется волшебством, но вся эта абракадабра тесно связана с математикой, поскольку доводит дедукцию до ее теоретически возможного предела. В науке вы следуете за математикой туда, куда она вас ведет. И очень часто – почти всегда – вы обнаруживаете, что хвост виляет собакой, иначе говоря, что именно данные о самых мелких или самых отдаленных объектах, которые только можно представить, опрокидывают устоявшиеся теории и порождают новые. Совсем как в детективных рассказах, где случайно найденная мелкая улика меняет все. Для того чтобы делать такие скрупулезные замеры, требуется невероятная техническая точность – например, умение использовать в качестве зонда пучок ионов толщиной в нанометры или улавливать свет из самых далеких уголков Вселенной [41] .
41
Открытие того, что невозможно ощутить, зависит от достижений физики и инженерных наук: например, от фокусировки ионного луча с точностью до нанометров или от запуска в космос гигантского телескопа. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» должен будет закрепиться в стабильной точке L2 системы Земля – Солнце, где его сегменты соединятся, чтобы сформировать зеркало диаметром 6,5 м, в три раза больше, чем у космического телескопа «Хаббл». Поскольку там не будет никакой силы тяжести, ветра или атмосферы, а температура может быть точно отрегулирована с помощью светозащиты, мы сможем забыть о главных проблемах всех гигантских оптических зеркал. Штука только в том, чтобы доставить все оборудование на место. Это может звучать странно, но оптические телескопы диаметром в несколько километров возможны, и даже вероятны. Используя флот маленьких космических аппаратов, несущих зеркала в строго определенном порядке, мы сможем выяснить скрытые от нас пока характеристики Вселенной и ее планет. Научный прогресс идет в ногу с технологиями фиксации явлений внешнего мира.
Легко попасть в ловушку восприятия земной геологии как данности. Вот мы вдыхаем и выдыхаем азот, кислород и некоторое количество аргона, углекислого газа и других газов, заменяя часть O2 на CO2 в рамках нашего самого важного биологического процесса – дыхания. Кислород хорошо знаком нам в газообразном состоянии; тем не менее почти все запасы кислорода на Земле находятся в составе горных пород, где бы и оказался весь атмосферный кислород, если бы он постоянно не высвобождался из CO2 и H2O занятыми фотосинтезом растениями [42] .
42
Основное уравнение фотосинтеза, использующего солнечный свет для производства глюкозы, выглядит так: 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2. Эрозия горных пород также связана с углекислым газом, который, растворяясь в воде (например, в океане), создает слабый раствор углекислоты H2CO3, разлагающей минералы до глин и карбонатов. Если бы не фотосинтез, весь свободный кислород уходил бы на создание на морском дне грязи из минералов, смываемых в океан течением рек. Так что присутствие кислорода в атмосфере планеты является указанием на наличие там фотосинтеза, хотя существуют и абиотические пути синтеза свободного кислорода.