Как образовалась Солнечная система? Каким образом по ней мигрировали планеты? Существует ли общепринятая модель возникновения 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 Иванович ИПАТОВ, ведущий научный сотрудник института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского, доктор физико-математических наук.
– Долгие годы Вы занимаетесь исследованием процессов миграции небесных тел в Солнечной системе. С чего начались эти работы?
– 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 пришёл 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 полётами 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: теорией управления занимается слишком много народу, давай заниматься астрономией. Первые полгода на пятом курсе я писал алгоритм по моделированию взаимодействия галактик. В то время Энеев разрабатывал свою модель образования Солнечной системы и предложил мне заняться движением астероидов в астероидном поясе. За оставшиеся несколько месяцев до защиты диплома я написал алгоритм и провёл расчёты по движению астероидов с учётом 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 моё.
– Это так романтично! Как же Вы назвали астероид в честь жены?
– 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.
– Эти Ваши расчёты как-то пригодились?
– Да, потом, когда я уже пришёл на работу в Институт прикладной математики, то понял: если в мой алгоритм добавить объединение сталкивающихся тел, то это будут расчёты в рамках классической твердотельной модели образования планет Солнечной системы. Это была другая, чем у моего шефа, Энеева, модель. У него была модель столкновений пылевых сгущений. Сгущения – это большие разреженные образования размером со сферу Хилла (это пространство вокруг астрономического объекта, например, планеты, в котором он способен удерживать свой спутник).
У меня были расчёты согласно классической модели, вот и получился очень интересный вариант, когда у начальника одна модель, а у подчинённого – противоположная.
– У Вас не было неприятностей из-за того, что стали спорить с шефом?
– Он был очень интересный человек. Считал, что не может быть неправ, но никогда не мешал другим людям высказывать свои идеи. Если бы сейчас таких людей было побольше среди тех, кто принимает решения в государстве, то и проблем было бы существенно меньше. Кстати, в сентябре прошедшего года исполнилось сто лет со дня рождения Т. М. Энеева.
– Чем ваши модели отличались друг от друга?
– Многие авторы считают, что на некотором этапе образования Солнечной системы протопланетный газопылевой диск разбивался на сгущения, которые довольно быстро сжимались и превращались в твёрдые 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.
– А чем Ваша модель от классической отличается?
– По аккумуляции (длительному процессу объединения допланетных тел в планеты. – Ред.) планет земной группы мои расчёты были в рамках общепринятой модели, но они были одними из первых. В частности, другие учёные тогда не делали расчётов 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 учёных в планетной космогонии стала значительно ниже.
Отличия моей модели в основном для зоны планет-гигантов. Тут нужна небольшая предыстория. В 1990 году, исходя из состава планет-гигантов, наш учёный Владимир Наумович Жарков опубликовал модель, в которой зародыши Урана и Нептуна могли приобрести свои газовые оболочки, когда находились близко к орбите Сатурна, ближе к Солнцу, чем сейчас. Потом они отодвинулись на современные орбиты. Для подтверждения такого предположения в 1991–1993 годах я опубликовал результаты расчётов, 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 пришли на современные орбиты из-за того, что периоды обращения Юпитера и Сатурна вокруг Солнца попали в резонанс, что 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.
– Знаю, Вы пытались также выяснить, откуда на Земле взялась вода. Выяснили?
– Из-за высокой температуры в газопылевом диске, соответствовавшем зоне питания планет земной группы, тела, содержавшие воду, находились только за линией льда, которая располагалась на расстоянии около трёх астрономических единиц от Солнца (астрономическая единица – это расстояние от Солнца до Земли). На основании моих расчётов миграции тел к Земле можно сделать вывод о том, что масса воды, доставленной 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 в этой зоне тела имели гораздо меньшее содержание воды, чем за орбитой Юпитера, зато в этой зоне вероятность столкновения тела с Землёй была гораздо больше.
– Правильно ли я понимаю, что, согласно Вашим расчётам, Земля была холодной ледяной планетой, но столкнулась с астероидами, которые её раскалили, и так у нас появилась жидкая вода? А на других планетах этого почему-то не произошло?
– 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 Земле в основном больше нуля, то льды в этих телах превратились 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, вода жидкая существовать не может, а пар покидал планету.
– А теперь у Вас появилась ещё и своя теория образования Луны, которая в корне отличается от всего, что мы слышали раньше.
– Первые гипотезы образования Луны появились в XVIII веке. В 60–70‑е годы прошлого столетия у советской исследовательницы Евгении Леонидовны Рускол вышла монография и статьи о том, что в окрестностях Земли тела сталкивались между собой, выходили на орбиту вокруг нашей планеты, с этими телами сталкивались другие тела, и таким образом количество вещества, которое накапливалось вокруг нашей планеты, увеличивалось, и в конце концов из образовавшегося таким образом околоземного диска тел образовалась Луна. Эта теория была популярна в прошлом веке. Однако современные расчёты показали, что такая модель может объяснить только формирование небольших спутников.
В последние лет 30 на Западе основная модель – это теория мегаимпакта: с Землёй сталкивается тело размером с Марс, выбрасывается вещество, которое начинает вращаться вокруг Земли, из него образовывается Луна. Поскольку в Луне железа меньше, чем в Земле, нужно, чтобы Луна образовывалась в основном именно из вещества, выброшенного из мантии Земли. В состав выброшенного вещества входило вещество и мантии Земли, и ударника. Существуют разные расчёты, чтобы найти, при каких условиях выброс вещества происходил преимущественно из мантии Земли.
– А ведь есть модели, согласно которым таких столкновений было не одно, а несколько десятков!
– Совершенно верно. Эти модели называются мультиимпактными. Существуют и другие модели. Академик Эрик Михайлович Галимов с соавторами выдвинул модель, в которой при сжатии большого разреженного пылевого сгущения образовывались Земля и Луна. В модели Галимова считалось, что сначала в высокотемпературном центре этого сгущения образовались зародыши Земли и Луны, обеднённые железом, часть которого испарилась. Затем на эти зародыши выпадала пыль из внешней части этого сгущения. Луна формировалась через 50 миллионов лет после образования первоначального сгущения.
Очень уважаю Эрика Михайловича, но, насколько я знаю, никто из учёных таких больших времён 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.
– А что же Ваша модель?
– В моей модели сначала я рассматривал образование двойных транснептуновых объектов. Потом я рассмотрел аналогичный механизм образования системы Земля–Луна. В этой модели сталкиваются два сгущения, двигавшиеся по почти круговым орбитам. Достаточно часто такие столкновения близких по массе сгущений имеют такой угловой момент, когда при сжатии сгущения образуется небесное тело с большим спутником. При других столкновениях угловой момент такой, что 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 её современной массы, чтобы при последующем росте зародыш Луны мог приобрести достаточно обеднённого железом вещества, выброшенного из мантии Земли.
– Как я понимаю, Луна раньше была намного ближе, чем сейчас?
– Да. В моей недавней работе 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, то она не могла бы вырасти за счёт этого выброшенного вещества. Значит, во время своего роста она должна 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 встаёт вопрос, почему у всех других планет земной группы нет аналога Луны. На эти планеты точно так же выпадали крупные тела, порождавшие выброс вещества на орбиты вокруг планеты.
– А почему Вы говорите, что у всех других планет нет Луны? У Марса их целых две.
– Они очень маленькие. Существует несколько моделей образования этих спутников. Например, модель, аналогичная мегаимпакту, но с гораздо меньшим ударником, чем в случае Земли. Так же, как и в модели Е. Л. Рускол, в окрестностях Марса могли сталкиваться тела, а из их осколков – образоваться спутники Марса.
– Значит, Луна в какой-то мере уникальна, и она по-прежнему отдаляется от нас, с каждым годом становится всё дальше?
– Да, сейчас – порядка четырёх сантиметров в год. Это удаление происходит из-за приливной эволюции. Раньше, чем ближе она была к Земле, тем быстрее от неё отдалялась.
– Может ли случиться, что она отдалится так сильно, что однажды покинет нашу орбиту и улетит в космическое пространство?
– Нет. Луна не покинет околоземную орбиту. Со временем она будет отдаляться всё медленнее, а через 7 миллиардов лет Солнце может превратиться в красный гигант и уничтожит и Землю, и Луну. Так что погибнут они вместе.
– Звучит не слишком оптимистично. То, что Луна находилась ближе к Земле, сказывалось на приливах и отливах?
– Чем ближе Луна к Земле, тем приливы были больше. Но считается, что на начальной стадии, когда она была близка, отдалялась она достаточно быстро. В модели мегаимпакта зародыш Луны образовывался на расстоянии шести-семи радиусов Земли от её центра. Считается, что это расстояние увеличилось до 20–40 радиусов Земли за несколько миллионов лет. Современное расстояние Луны от Земли равно 60 радиусам Земли.
– Что Вы думаете о возможности существования жизни на спутниках планет-гигантов?
– На некоторых спутниках есть океаны, сверху – лёд. В океанах могут быть какие-то формы жизни. Можно на это надеяться.
– Сейчас много говорят о том, чтобы колонизировать Луну, устроить там базу, с которой будут стартовать космические корабли, а на поверхности можно будет добывать полезные ископаемые. Не станет ли это проблемой, если Луна всё время удаляется?
– Нет, она удаляется медленно, и эта скорость, как я уже сказал, уменьшается, так что за много миллионов лет орбита практически не изменится.
– Как Вы думаете, что нам даёт эта информация? Зачем вообще людям знать, как образовались Луна и Солнечная система, как мигрировали планеты и что случится через 7 миллиардов лет?
– От того, как образовывались планеты и Луна, зависит то, что внутри этих объектов. Состав их верхних слоёв зависит от того, откуда приходил выпадавший на них материал. В последних моих расчётах 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 стадии образования планет. Согласно разным авторам, эта стадия длилась около 700 миллионов 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. Всё это имеет важное прикладное значение для геохимии, для 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…
Беседовала Наталия ЛЕСКОВА
Источник: НиР № 1, 2025