Читать книгу Історія Землі - Роберт Гейзен - Страница 7

Утворення Місяця

Вік Землі: від 0 до 50 млн років

Базовий принцип, продемонстрований у цій книжці, – еволюція планетарних систем: вони змінюються протягом часу. Ба більше, кожна наступна еволюційна стадія залежить від попередньої низки етапів. Зазвичай зміни є поступовими, трансформації на Землі відбуваються впродовж мільйонів чи навіть мільярдів років, проте певні раптові та невідворотні події можуть назавжди змінити світ за частки секунд. Саме так сталося із Землею.

Вона сформувалася з безлічі хаотичного дріб’язку відносно швидко, за деякими підрахунками впродовж не більше ніж мільйона років. На завершальному етапі цього процесу спільну частину простору з Протоземлею ділили кілька дюжин планетезималей, кожна діаметром кілька сотень кілометрів. Заключні стадії пленетоутворення протягом приблизно кількох сотень тисяч років набули незбагненного шаленства, коли наша планета досягала теперішнього розміру: кожні декілька тисяч років якась міні-планета наштовхувалася на Протоземлю і остання її повністю поглинала.

У ті буремні часи Земля була гарячою почорнілою сферою із розпеченими червоними розколинами, фонтанами вулканічної магми та слідами безперервних падінь метеоритів. Кожне з тих гігантських космічних тіл зіштовхувалося із Землею і вибухало, гірські породи, миттєво випаровуючись, потрапляли на орбіту, а поверхня нашої планети нагадувала розтоплену полум’яно-червону кам’янисту мішанину. Однак у космосі холодно. З кожним наступним серйозним падінням безатмосферна поверхня Землі швидко вистигала і знову чорніла.

Дивний Місяць

Здавалося б, у цій історії формування Землі все чітко і ясно, крім однієї разючої деталі – Місяця. Він занадто великий, щоб його не помітити, і протягом останніх двох століть виявилося, що його ще й надзвичайно важко пояснити. Малі супутники зрозуміліші. Фобос і Деймос, два шматки гірської породи на орбіті Марса неправильної форми розміром з місто, є, вірогідно, захопленими астероїдами. Дюжина значно більших супутників Юпітера, Сатурна, Урана і Нептуна порівняно зі своїми господарями є зовсім крихітними – їхня маса в тисячі разів менша за масу планет, які вони оточують. Найбільші супутники, які утворилися з невідібраних під час планетоутворення залишків пилу та газу, обертаються коло газових гігантів, наче планети у мініатюрній Сонячній системі. Проте Місяць є відносно великим порівняно з планетою, на орбіті якої він кружляє: його діаметр більший, ніж чверть діаметра Землі, а маса складає приблизно одну восьму її маси. Звідки ж з’явилася така аномалія?

Історичні науки, зокрема гео- та планетологія, засновані на вмінні творчо вести оповідь (хоч історії ці деякою мірою відповідають правді). Коли у двох чи більше історіях ідеться про відповідність спостереженням, геологи обирають обачну позицію, відому, як-от «множинні робочі гіпотези» – стратегія, яку знають усі поціновувачі детективних романів.

Іще до історичних висадок на Місяць у межах програми «Аполлон», що стартувала 1969 р., коли були здобуті древні місячні гірські породи і розпочалися детальні геофізичні вимірювання внутрішніх ділянок супутника, у «Справі масивного Місяця» фігурували три головних підозрювані. Першою загальновизнаною науковою гіпотезою стала теорія відцентрованого відділення, запропонована 1878 р. Джорджем Говардом Дарвіном (який далеко не такий відомий, як його батько – натураліст Чарльз Дарвін). За сценарієм Джорджа Дарвіна, первісна розплавлена Земля оберталася довкола власної осі настільки швидко, що розтягувалася та видовжувалася, доки не вижбурнула зі своєї поверхні згусток магми, що потрапив на орбіту (без особливої допомоги сили тяжіння Сонця). Місяць у цій моделі – це пуп’янок Землі, що відбрунькувався. В одному з варіантів цієї образної та драматичної історії западина Тихого океану залишається промовистим слідом – шрамом, отриманим матінкою-Землею під час народження Місяця.

Наступна конкуруюча ідея, теорія захоплення, розглядає Місяць як сформовану окремо меншу за розміром планетезималь, що має приблизно той же поштовий індекс у Сонячній системі, що й Земля. В якийсь момент два тіла рухалися досить близько одне до одного і більша за розміром Земля захопила менший Місяць, накинувши на нього орбітальну петлю, яку поступово затягнула. Цей ненаситний гравітаційний механізм, вочевидь, добре спрацював на менших супутниках Марса, що є шматками гірських порід, то чом би йому відмовити для Землі?

Третя гіпотеза, теорія спільної акреції, постулює, що Місяць утворився приблизно на своєму нинішньому місці з великої хмари уламків, що залишилися на орбіті Землі. Ця правдоподібна теорія розвиває ідею про утворення супутників Сонця і газових планет-гігантів. Такі процеси відбувалися в Сонячній системі знову й знову: менші об’єкти зростають із хмар пилу, газу та каміння довкола більших об’єктів.

Три суперницькі гіпотези; яка ж із них правдива? Допитливі змушені були чекати на дані аналізу кратерної поверхні Місяця – понад 380 кг зразків, результат шести польотів за програмою «Аполлон».

Висадка на поверхню Місяця

Польоти до Місяця за програмою «Аполлон» значною мірою змінили планетознавство. Звісно, вони стали неперевершеним зразком високої технологічної майстерності та й приводом для хвастощів Америки. Безсумнівно, вони спричинили колосальний ріст військово-промислового комплексу. А також сприяли численним інноваціям, починаючи від міні-комп’ютерів і до полімерів та напою Tang, дохід від цих рушіїв економічного розвитку міг вже в рази окупити 20 млрд доларів, витрачених на космічні програми. Не дивно, що національна гордість та гонитва за «височиною», а не прагнення розвинути селенологію були першочерговою метою цих дорогих та небезпечних перших досліджень Місяця.

Навіть за таких обставин важко переоцінити вплив програми «Аполлон» і здобутих нею результатів (передусім зразків порід, що наче скарби лежали на Місяці) на моє покоління геонауковців. Упродовж усієї історії людства Місяць був вабливо близько, на відстані менш ніж чотириста тисяч кілометрів. У погожий літній вечір, коли на небі починає багряніти повний Місяць, здається, наче ви можете дотягнутися і вхопити його. Проте у нас не було зразків – нічого, що могло підказати, з чого ж був зроблений Місяць, або ж коли чи де це сталося. Отримавши партію зразків місячних порід, уперше в історії людства ми змогли буквально доторкнутися до Місяця (сьогодні це може повторити відвідувач Смітсонівського музею).

Уперше я в буквальному сенсі вдихнув запах місячних зразків узимку 1969—1970 рр., коли був студентом старших курсів Массачусетського технологічного інституту (МТІ), менше ніж за півроку після історичної місії Аполлон-11. Декорації, так би мовити, були розставлені за декілька місяців, 24 липня 1969 р., коли на Землю повернулися ті, хто першими ступили на Місяць. На зорі вивчення Місяця, щоб уникнути зараження інопланетними мікроорганізмами, для астронавтів та отриманих зразків встановили суворий карантин. Тож тільки-но модуль приводнився в Тихому океані біля Гаваїв, тільки-но Ніл Армстронґ, Базз Олдрін та Майк Коллінз потрапили на американський авіаносець «Горнет», астронавти разом із безцінними двадцятьма кілограмами гірських порід та ґрунту, привезеними додому з космосу, були герметично закриті в Мобільній карантинній базі НАСА. Із Гаваїв вони були транспортовані до міста Г’юстон, у новостворену Місячну приймальну лабораторію, і де дослідники космосу, і зразки залишалися ізольованими впродовж майже трьох тижнів – на випадок, якщо щось дійсно небезпечне потрапило з ними на Землю.

Протягом наступних трьох років польоти за програмою «Аполлон» відбувалися один за одним. Аполлон-12 під назвою Intrepid («Безстрашний») з астронавтами Чарльзом Конрадом-молодшим та Аланом Біном торкнувся поверхні Місяця 19 листопада 1969 р., а тижнем пізніше вони повернулися, узявши із собою близько 32 кг місячних гірських порід та ґрунту, і їх хутко помістили до Карантинної бази в місті Г’юстоні. За щасливою випадковістю науковий керівник моєї дисертації, винятково розумна та енергійна людина Девід Воунз, був членом Науково-дослідницької групи з питань попереднього вивчення місячних зразків, здобутих Аполлоном-12. Для цієї маленької когорти науковців, можливість старанно дослідити другу партію цінних місячних зразків, використовуючи новітній арсенал аналітичних машин, стала дивовижною пригодою. Фахом Дейва була петрологія магматичних порід – дослідження походження гірських порід, які утворюються із магми. Усі породи з експедицій Аполлон-11 та Аполлон-12 були магматичного походження, тож Воунз потрапив у геологічний рай.

У певному сенсі завдання це було не з легких, адже доводилося сидіти під замком більшу частину місяця разом із декількома іншими завзятими науковцями, і на всіх тиснула необхідність отримати неспростовні дані з найцінніших та найзнаменніших зразків гірських порід, які коли-небудь знаходили. Проте, водночас, бути серед перших людей, які триматимуть у руках породи та ґрунт з іншого світу – космічну матерію, яка раз і назавжди відкриє нам походження Місяця – було навдивовижу захопливо.

Уперше я зміг зблизька побачити Місяць, коли Дейв повернувся до МТІ. Пригадую, як двері ліфта відчинилися на дванадцятому поверсі Зеленого корпусу. Там стояв Дейв, невисокий і в окулярах, а під боки його підпирали двоє здоровецьких озброєних федеральних агентів у формі. Вони охороняли місячні зразки, які на той момент на ринку колекціонерів мали би коштувати мільйони. Звітувати треба було за кожний міліграм. Дейв виглядав втомленим та знервованим; він давно не з’являвся в інституті, перебував під пильним оком охорони і в нього все ще була робота, яку треба було завершити.

Коли мова заходить про місячні зразки, більшість людей одразу уявляють якісь гірські породи, ймовірно, таке щось важке, що можна взяти до рук. Однак серед матеріалів програми «Аполлон» переважав місячний ґрунт, або ж реголіт. Дрібнозернистою часткою реголіту є порода, розпорошена настільки, що фрагменти важко побачити навіть у мікроскоп – це наслідок космічних атак багатьох чинників, від ударів великих астероїдів і до безперервного опромінення сонячним вітром. Цей надзвичайно дрібний порошок має дивовижні властивості, зокрема він липне до всього, що його торкається, схожий він на тонер для ксерокса. І зараз Дейв мав пересипати трохи цього порошку з колби розміром з батарейку С[5] у три чи чотири менші колби розміром із «міні-пальчикову» батарейку[6], щоб розподілити реголіт до сусідніх лабораторій.

Здавалося б, усе тут просто. Витруси порошок із великої колби на квадратної форми гладкий папірець розміром вісім на вісім сантиметрів. Обережно переклади ложкою невелику кількість порошку до менших колб. Дейв виконував ці процедури сотні разів, тож на це мало би піти не більше хвилини. Однак тут все було дуже серйозно. З обох боків височіли похмурі охоронці; а ще товклася невеличка юрба студентів. Тож, коли Дейв нахилив велику колбу, його рука трохи сіпнулася. Липкий порошок пристав до стінок і не хотів висипатися. Дейв злегка постукав по склу вказівним пальцем. Нічого. Постукав ще раз…

І раптом зненацька весь місячний реголіт – насправді ж лише невеличка купка розміром із «поцілуночок Герші»[7], проте за таких обставин це здалося багацько – швидко посипався, а тоді – бац! Порошок розлетівся, прилип до пальців Дейва і злетів через краї папірця на стіл. Певно, ми всі вдихнули дрібні часточки зваженого пилу. Ніхто не промовив і слова.

Це не було чимось катастрофічним, адже майже нічого не було втрачено, порошок зрештою таки пересипали, і федерали таки пішли, щоби передати зразки реголіту до інших лабораторій. У ретроспективі все видається доволі кумедним. Через кілька днів над лабораторним столом, де відбувалися маніпуляції, ми акуратно повісили восьмисантиметровий квадратний папірець із майже ідеальним відбитком указівного пальця лівої руки Дейва Воунза у місячному пилу.

Потім були здійснені ще чотири польоти на Місяць за програмою «Аполлон», які увінчалися висадкою Аполлона-17 у грудні 1972 р., його поверненням на Землю з понад ста дев’ятьма кілограмами зразків із долини Тавр-Літтров, ймовірної області вулканічної активності. Це була остання експедиція; за наступні чотири десятиліття більше ніхто не вертався на Місяць. Тим не менше місячні гірські породи, які ретельно зберігаються у стерильних сховищах Будівлі місячних зразків у Космічному центрі НАСА імені Ліндона Джонсона, що в місті Г’юстон (а запасна колекція – на військо-повітряній базі Брукс у місті Сан-Антоніо, штат Техас), і зараз надають надзвичайно багатий матеріал для дослідників.

Через кілька років після останньої експедиції за програмою «Аполлон» саме ці зразки забезпечили мене, тодішнього постдокторанта, першою справжньою роботою в Геофізичній лабораторії Інституту Карнеґі. Моїм завданням було дослідження дрібнозернистих часточок, здобутих Аполлоном-12, Аполлоном-17 та Луною-20 (однієї з трьох непілотованих радянських експедицій, із якої було доставлено близько 150 г місячних зразків). У дрібнозернистому пилу місячного ґрунту є багато часточок піщано-алевритового розміру (як піщинка або частинка мулу), і моїм першочерговим завданням було переглядати тисячі цих зернин, одну за одною. Я годинами сидів за мікроскопом, вдивляючись у надзвичайної краси маленькі зелені та червоні кристали, а також крихітні золотаві кульки кольорового скла – залишки зруйнованих вибухами несамовитої сили гірських порід, які мільярди років зазнавали метеоритного бомбардування.

Тільки-но я відокремлював декілька дюжин багатонадійних часточок, одразу ж піддавав кожну незвичну зернину трьом видам аналізу. Спочатку за допомогою методу монокристалічної рентгенівської дифракції я визначав тип кристалу, з яким я мав справу. Найчастіше моїми піддослідними ставали звичайні мінерали – олівін, піроксен та шпінель. Якщо зустрічався цікавий кристал, я старанно орієнтував його та вимірював оптичний спектр поглинання (те, як кристал поглинав світлові хвилі різної довжини). Зелені кристали олівіну, наприклад, зазвичай поглинають довжини хвиль червоної області видимого спектру; червоні кристали шинелі, на противагу, поглинають довжини хвиль зеленої області видимого спектру. Також я вимірював спектр будь-яких незвичних скляних кульок, пильно виглядаючи викиди та коливання в спектрі поглинання, які вказували на наявність рідкісних елементів, наприклад, хрому і титану. Коли вдавалося виявити маленький стрибок у 625 нанометрів, невелике поглинання у червоно-помаранчевій області видимого спектра, характерне для місячного хрому, але не для хрому, який є на Землі, мені хотілося несамовито кричати: «Еврика!»

Зрештою після закінчення рентгенівського та оптичного опрацювання я використовував хитромудру аналітичну машину під назвою електронний мікрозонд, яка визначала точне співвідношення елементів у моїх зразках. Знову і знову я підтверджував попередні знахідки: мінерали з поверхні Місяця хоча й мають переважно ті ж елементи, що існують на Землі, проте в деталях вони значно різняться. У них більше титану, також вони відрізняються за вмістом хрому.

Ці та інші підказки, отримані при дослідженні порід, здобутих програмою «Аполлон», суворо обмежили різноманіття теорій походження Місяця. По-перше, виявилося, що Місяць суттєво різниться від Землі: він має значно меншу щільність; також у нього немає великого щільного залізного металевого ядра. Ядро Землі складає майже третину маси планети, проте крихітне ядро Місяця складає менше 3 % його маси. По-друге, місячні гірські породи майже не містять слідів більшості летких елементів – тих, які мають властивість випаровуватися тільки-но починається нагрівання. У місячному пилу немає азоту, вуглецю, сірки та водню, які розповсюджені на поверхні Землі. На відміну від Землі, де є рідка вода, а ґрунт містить насичені водою мінерали, як-от глина чи слюда, на Місяці під час експедицій за програмою «Аполлон» не було знайдено жодних багатоводних мінералів. Певно, через вибух або спікання леткі сполуки залишили Місяць, адже зараз його поверхня є невблаганно сухою.

Третьою ключовою знахідкою в межах програми «Аполлон» є такий елемент, як кисень, а саме – розподіл його ізотопів. Кожний хімічний елемент визначається кількістю позитивно заряджених протонів у його ядрі. Ця кількість є унікальною – кисень також називають «атомом із вісьма протонами». Атомні ядра також містять й іншу частинку – електрично нейтральний нейтрон. Більш ніж 99,7 % атомів кисню, що існують у всесвіті, мають вісім нейтронів (вісім протонів плюс вісім нейтронів дорівнює ізотопу, який називають кисень-16), тоді як рідкісніші ізотопи з дев’ятьма чи десятьма нейтронами (кисень-17 та кисень-18 відповідно) наявні у якихось частках проценту.

Хімічні властивості кисню-16, кисню-17 та кисню-18 є фактично ідентичними – ви можете дихати будь-яким із них і не відчуєте жодної різниці, однак вони таки мають різну масу. Кисень-18 важчий за кисень-16. Отже, коли кисневмісна сполука переходить із твердого стану в рідкий чи з рідкого в газоподібний, менш масивний кисень-16 може рухатися значно швидше. Під час буремного народження Сонячної системи такі зміни агрегатного стану були звичним явищем, і вони призвели до зміни кількості ізотопів кисню. Виявилося, що співвідношення кисню-16 та кисню-18 варіюється залежно від планети і є дуже чутливим відносно відстані планети до Сонця в момент її формування. Аналіз місячних зразків виявив, що пропорції ізотопів кисню на Місяці і на Землі практично однакові. Іншими словами, Земля та Місяць мали би сформуватися на приблизно однаковій від Сонця відстані.

Тож як же позначилися ці відкриття на трьох конкуруючих гіпотезах про формування Місяця? Теорія спільної акреції із самого початку була під знаком питання. Якщо Місяць утворився із залишків від формування Землі, то він мав би мати схожий середній хімічний склад. Насправді, як Місяць, так і Земля дійсно схожі за співвідношенням ізотопів кисню, проте теорія спільної акреції не може пояснити великі розбіжності у вмісті заліза та летких речовин. Середній хімічний склад Місяця настільки різниться від Землі, що важко стверджувати про їхнє спільне формування.

Невідповідності за складом також створили нерозв’язні проблеми для теорії захоплення. Теоретичні моделі планетарного руху припускають, що будь-яка захоплена планетезималь мала би сформуватися в сонячній туманності на приблизно такій відстані від Сонця, що і Земля, тож її середній склад був би подібним. У Місяця він інший. Звісно, астрономічний об’єкт розміром із Місяць міг би утворитися і в іншій частині сонячної туманності і вже згодом наблизитися до земної орбіти, проте комп’ютерне моделювання орбітальної динаміки передбачає, що в цьому випадку Місяць мав би надто високу швидкість, що повністю унеможливлює сценарій захоплення.

Тоді залишається теорія відцентрованого відділення Джорджа Говарда Дарвіна. Вона успішно пояснює схожий ізотопний склад кисню (Земля та Місяць є однією системою), а також різницю у вмісті заліза (ядро Землі тоді вже сформувалося; частина бідної на залізо, відшарованої мантії і була тим згустком речовини, що утворила Місяць). Вона напрочуд гарно узгоджується з тим, що однією частиною Місяць постійно повернутий до Землі: його обертання довкола Землі й навколо власної осі є синхронними та однаковими за напрямком. Усе ж залишається інша велика проблема: куди ж поділися ті леткі елементи, яких зараз немає на Місяці?

Закони фізики теж постають перепоною на шляху теорії відцентрованого відділення. Приблизно в той час, коли запровадили програму «Аполлон», зазнало розвитку і комп’ютерне моделювання планетарного формування, і теоретики змогли вивчити динаміку швидкого обертання сфероїдального згустку магми розміром із Землю. Простіше кажучи, відокремлення тут не відбудеться. Гравітація Землі занадто велика, щоб значна частина розплавленої породи відділилася і була відкинута на власну орбіту. Насправді, щоб відокремити шмат розміром із Місяць, розплавлена Земля мала б обертатися навколо власної осі неймовірно швидко, виконуючи один оберт щогодини. Система Земля—Місяць просто-таки не має достатнього моменту імпульсу, щоб таке могло статися.

Зробімо висновки: жодна з трьох теорій утворення Місяця не відповідає даним, отриманим після завершення програми «Аполлон». Має бути якесь інше пояснення.

Свідчення гірських порід із Місяця

Чого не віднімеш у планетологів, так це вміння чудово складати оповідки. Дані спостережень, отримані за програмою «Аполлон», спростували всі три їхні гіпотези про утворення Місяця, що панували до 1969 р., але багато часу не минуло, як ці науковці запропонували нову теорію, засновану на неспростовних фактах. Нові дані про будову Місяця, отримані в результаті експедицій, надали ще одну підказку: Місяць певною мірою схожий на Землю. Він містить ідентичний ізотопний склад кисню та більшість основних земних елементів, проте має дуже мало заліза і летких речовин. Ці дані про склад Місяця варто було б об’єднати з тими підказками, які дають нам орбіти і про які ми знаємо вже впродовж тисяч років: Місяць обертається навколо Землі в тій самій площині і в тому ж напрямку, що і решта планет навколо Сонця. Земля має невеликий нахил осі обертання, кут якого становить 23° (саме це спричинює зміну пір року). І Місяць завжди обернений до нас одним боком.

Ранні моделі утворення Місяця зазвичай ігнорували ці орбітальні підказки, залишаючи їх поза системою Земля—Місяць, у тому числі деякі разючі винятки до загальної схеми нашої Сонячної системи. Наприклад, Венера обертається навколо власної осі в зворотному порівняно з іншими планетами напрямку. Це може здатися чимось малозначним, проте Венера майже така ж велика, як і Земля, і вона обертається не в той бік! Ще дивнішим є величезний Уран, третя за розміром планета, чия власна вісь обертання сильно нахилена убік і майже лежить у площині орбіти планети, тож видається, що вона наче котиться орбітою навколо Сонця. Супутники інших планет мають свої дивацтва. Найбільший супутник Нептуна, Тритон, який за розміром можна порівняти з Місяцем, крутиться під гострим кутом відносно орбіти планети та в протилежному напрямку до решти об’єктів Сонячної системи.

Традиційна наука має один незвичний аспект, який може відлякати тих, хто поза грою. З одного боку, ми висуваємо стрункі теорії, що впорядковують безліч різних фактів. Тож факт, що всі планети та супутники обертаються навколо Сонця в однаковому напрямку та в тій же площині, вказує на спільне походження із однієї вируючої туманності. Але згодом ми наштовхуємося на винятки з правила і ці винятки відкидаємо убік, як дивні аномалії. Венера обертається не в той бік? Тритон обертається не в той бік? Не проблема. Ці відхилення випадкові відносно загальної картини.

Подібна ситуація ускладнює більшість наукових дебатів, наприклад щодо глобального потепління. Більшість науковців пророкують підняття середньосвітової температури на декілька градусів унаслідок зміни атмосферних умов. Проте такі зміни також можуть спричинити погодні катаклізми, що зі свого боку позначаться сильнішими хуртовинами на півдні Сполучених Штатів. Глобальне потепління може змінити океанічні течії, наприклад, Гольфстрім та зрештою перетворити південну Європу на значно холоднішу, схожу на Сибір місцину, такий собі «морозильник». Такі аномалії надихають противників теорії глобального потепління: науковці твердять, що в світі стає гарячіше, проте ви щойно пережили найбільшу за всю історію вашої місцевості хуртовину. Як ви маєте реагувати? Розсудливо буде відповісти, що природа є дивовижною – вона багата, різноманітна, складна, має комплексні зв’язки та заплутану, довгу історію. Аномалії, хай з орбітами планет чи з погодою на півдні Америки – це не якісь обтяжливі деталі, від яких треба відмахнутися: це, власне, і є суттю розуміння того, що насправді відбувається і як все насправді працює. Ми розробляємо грандіозні та універсальні моделі того, як у природі все влаштовано, а тоді використовуємо чудернацькі деталі, щоб удосконалити нашу первинну небездоганну модель (або ж, якщо винятки перевершують правило, ми перебудовуємо усе за новою схемою). Саме тому хороші науковці смакують аномалії. Якби ж ми могли все осягнути, якби ж ми могли все передбачити, не було би тоді сенсу прокидатися рано-вранці та поспішати до лабораторії.

Стосовно походження Місяця, ці винятки, тобто дріб’язкові орбітальні аномалії, призвели до появи моделі Великого сплеску, або ж Потужного удару, яка виникла в середині 1970-х рр. Низка перших гіпотез, пов’язаних між собою, проте погано уточнених, була поєднана в загальноприйняту думку на визначній конференції, що відбувалася у 1984 р. на Гаваях, де зібралася група експертів із питань планетарного формування. У такому велемудрому середовищі панував принцип леза Оккама – найпростіше рішення проблеми, що відповідає фактам, найвірогідніше за все, є правильним. Теорія Потужного удару чудово пасувала.

Щоб збагнути цю радикальну думку, перенесіться в уяві на 4,5 млрд років назад – у час, коли планети щойно сформувалися з усіх тих менших конкуруючих планетезималей. Коли Земля зростала до свого теперішнього діаметру – приблизно в 12 800 км – вона поглинула майже всі залишкові найближчі тіла в послідовності потужних ударів. Ті передостанні зіткнення з об’єктами діаметром у сотні кілометрів, напевне, були видовищними, проте вони мало вплинули на Землю, значно масивнішу протопланету.

Проте не всі удари були однаковими. В історії Землі яскраво виокремлюється одна подія – один вікопомний день. Десь 4,5 млрд років тому, коли Сонячній системі було приблизно 50 млн років, чорна Протоземля разом із дещо меншою від неї суперницею розміром із планету змагалися за майнові права на вузьку смужку в Сонячній системі. Менше космічне тіло (яке охрестили Тейя – на честь богині-титаніди, яка породила Місяць) цілком заслуговувало на статус планети, оскільки було, ймовірно, вдвічі, а то й втричі більше за Марс (і мало десь третину маси Землі). В астрофізиці є закон, за яким дві планети не можуть одночасно перебувати на одній орбіті. Зрештою відбувається зіткнення і більша планета завжди перемагає. Так само сталося й у випадку Землі та Тейї.

Винятково виразне комп’ютерне моделювання унаочнює принцип, за яким, як вважають науковці, це і трапилось. Зіткнення завжди відбувається за законами фізики, тож можна зробити тисячі моделювань з усіма ймовірними початковими умовами, щоб побачити, чи утвориться зрештою Місяць. Відповідь тісно пов’язана з вихідними параметрами: масою та будовою Протоземлі, масою та будовою Тейї, їхньою відносною швидкістю та кутом і точністю удару. Більшість комбінацій просто-таки не спрацьовує; Місяць не утворюється. Проте деякі моделі є напрочуд вдалими і в результаті створюють систему Земля—Місяць, подібну тій, що бачимо сьогодні.

За однією з версій, яку пропонують доволі часто, відбулося сильне бокове зіткнення по дотичній – велика Тейя врізається в іще більшу Землю, поціливши дещо вбік від її центру. Дивлячись із космосу у вповільненому режимі, момент контакту спершу здається легким поцілунком двох світів. Протягом наступних чотирьох чи п’яти хвилин Тейя починає розплескуватися об Землю, наче шматок м’якого тіста об підлогу, не завдаючи останній особливої шкоди. Десять хвилин по тому Тейя стає доволі розплющеною, тоді як поверхня Землі починає деформуватися і втрачає округлість. Через півгодини після удару Тейя просто зникає, а ушкоджена Земля вже не симетрична. Ультрарозпечена гірська порода випаровується, і її сяючі потоки вистрелюють з розверстої рани, затьмарюючи зруйновані світи.

Інший широкоцитований сценарій, уперше запропонований 1970 р. та вдосконалений протягом наступних двох десятиліть, запропонував теоретик Аластер Кемерон із Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики. За його гостроцікавою схемою, маса Тейї складала приблизно 40 % маси Протоземлі. Знову ж таки, відбулося бокове зіткнення, однак за цією версією Тейя вдарилася об Землю і відскочила від неї видовженою краплею, потім її притягнула гравітація для завершального милосердного удару, і тоді Тейя зникла назавжди.

В обох сценаріях катастрофічне зіткнення вбиває Тейю, яка випаровується у величезну розпечену хмару з температурою у десятки тисяч градусів, яка кружляє навколо Землі. Проте і Тейя завдала чимало лиха. Значний шматок земної кори та мантії також випарувався і, відірвавшись від Землі, приєднався до розпорошених залишків Тейї. Частина речовини зникла в глибокому космосі, проте переважна більшість решток залишилась на орбіті Землі, потрапивши в її гравітаційні лещата. В цій вируючій хмарі щільні метали з ядер обох світів змішувалися, охолоджувалися до рідкого стану та потопали, щоб утворити нове більше ядро. Речовини з мантії також змішувалися та випаровувалися, утворюючи пекельно розпечену шароподібну і паруючу хмару з порід. Упродовж декількох буремних днів чи тижнів на Землю падав безперервний дощ із гарячих помаранчевих силікатних крапель, які поглинав неокраїй океан червоної розжареної магми. Кінець кінцем Земля захопила значну частину того, що було Тейєю, і стала ще масивнішою планетою.

Однак не вся Тейя дісталася Землі. Після зіткнення на відстані від її поверхні планети в космосі кружляла велика кількість кам’янистих уламків, здебільшого суміш двох планетних мантій. Кам’янисті розпечені крапельки, що вистигали, скріплювалися, більші частини поглинали менші. Наче повторний показ гравітаційного скупчення, що колись утворило планети, відбувалося швидке народження Місяця і, вірогідніше за все, він вже тоді досяг тієї величини, що має сьогодні.

Фізика формування планет диктує, де саме міг утворитися Місяць. Кожний масивний об’єкт має невидиму сферу, що оточує його і яку називають межею Роша. Всередині сфери діє настільки сильна гравітація, що унеможливлює формування супутника. Саме тому Сатурн має величезні кільця, проте не має супутників на відстані ближче ніж вісімдесят тисяч кілометрів. Сили тяжіння Сатурна не дозволяють льодяним часточкам об’єднатися і утворити супутник.

Якщо вимірювати межу Роша від центру об’єкта, що обертається, то для Землі вона становитиме близько 18 000 км, або ж 11 265 км від її поверхні. Так, моделі формування Місяця розташовують новий супутник на безпечній відстані десь в 24 140 км чи навіть далі, де він би міг спокійно утворитися, збираючи більшість розкиданого після Потужного удару дріб’язку. І, можливо, саме так 4,5 млрд років тому (за більшістю підрахунків) народився Місяць. У Землі з’явився товариш, який значною мірою сформувався з її власних уламків.

Науковці не забарилися і швидко взяли на озброєння теорію Потужного удару, адже вона пояснює всі основні підказки краще, ніж будь-яка інша модель. Місяць не має залізного ядра через те, що Земля поглинула більшу частину заліза Тейї. Місць не має летких речовин через те, що леткі речовини Тейї здмухнуло вибухом під час зіткнення. Місяць завжди обернений до Землі одним боком через те, що моменти імпульсу Землі та Тейї об’єдналися в одній обертальній системі.

Теорія Потужного удару також допомагає пояснити аномальний нахил осі Землі на 23° – фактор, із яким не міг розібратися жоден із попередніх сценаріїв. Від удару Тейї Земля буквально нахилилася на бік. Насправді теорія Потужного удару, який утворив Місяць, наштовхнула на роздуми щодо інших планетних аномалій у Сонячній системі. Ймовірно, схожі удари є доволі звичним, десь навіть необхідним явищем. Можливо, це пояснює, чому Венера обертається навколо своєї осі «не в той бік» і чому вона втратила так багато води. Ймовірно, відносно недавнє гігантське зіткнення спричинило бокове обертання Урана.

Інше небо

Утворення Місяця стало поворотним моментом в історії Землі і мало важливі та вражаючі наслідки, які тільки зараз почали привертати увагу науковців. Чотири з половиною мільярда років тому Місяць не видавався романтичним срібним диском, яким ми його бачимо сьогодні. Колись давно він був загрозливо панівною та неймовірно руйнівною силою для навколоземного простору нашої планети.

Усе тут сходиться до одного яскравого факту: Місяць сформувався в якихось 24 000 км від поверхні Землі – не набагато далі, ніж відстань літаком від міста Вашинґтон, округ Колумбія, до Мельбурна, що в Австралії. Порівняймо, сьогодні Місяць у 384 633 км від Землі. На перший погляд, здається абсолютно немислимим, що гігантський супутник міг просто так собі віддрейфувати від Землі, проте вимірювання не брешуть. Астронавти з Аполлона встановили на місячній поверхні рефлектори. Лазерні промені із Землі відбиваються у дзеркалах і повертаються на Землю, дозволяючи виміряти відстань з точністю до міліметра. Кожного року, починаючи з 1970-х рр., Місяць усе більше віддалявся: у середньому на 3,82 см за рік. Небагато, проте з часом цифра зростає – із сьогоднішньою швидкістю він віддалявся приблизно на 1,6 км за 40 тис. років. Відмотайте плівку назад і побачите, що 4,5 млрд років тому ситуація була кардинально іншою.

По-перше, Місяць мав абсолютно інший вигляд. На відстані в 24 000 км Місяць діаметром 3219 км видавався настільки велетенським, що нам навіть уявити важко. Він охоплював майже 8° небосхилу – десь в шістнадцять разів більше видимого діаметра Сонця – і закривав на обрії майже в 250 разів більшу площу, ніж це спостерігаємо сьогодні.

І це ще не все. У ті часи на Місяці відбувалася несамовиті вулканічні процеси, що геть не схоже на поведінку того сірувато-сріблясто об’єкта, який ми бачимо сьогодні. Його поверхня тоді мала би здаватися чорною з розжареними червоними розколинами, що переповнювалися магмою, та кратерами вулканів, які добре було б видно із Землі. Новонароджений повний Місяць був так само приголомшливий, його поверхня відображала в сотні разів більше сонячного світла, ніж у наш час. У його променистому світлі ви би з легкістю могли читати, однак астрономічні спостереження були б неможливі. На тлі його сліпучого сяйва не було б видно жодної зірки чи планети.

Драматичності додавало й те, з якою швидкістю все тоді рухалося. У космосі немає сили тертя, тож об’єкти, що обертаються, просто продовжують собі крутитися мільярди років. Обертальні системи, як Місяць плюс Земля, мають момент імпульсу, який складається з двох кругових рухів. І насамперед це обертання Землі навколо власної осі; чим швидше крутиться Земля, тим більший її момент імпульсу. На противагу цьому момент імпульсу Місяця залежить першочергово від його відстані до Землі і від швидкості обертання навколо нашої планети. Його обертання довкола власної осі для цього рівняння не важливе.

Повний момент імпульсу обертання Землі та місячного обертання навколо планети практично не змінився за останні декілька мільярдів років, проте відносна важливість цих двох обертань зазнала значних змін. У наш час усі моменти імпульсу системи Земля—Місяць пов’язані з обертанням Місяця довкола Землі, беручи до уваги його відстань у 384 633 км та орбітальний період у 27 діб. Значно масивніша Земля в центрі системи, неквапливо проживаючи двадцять чотири години за добу, має лише крихітну частину від моменту імпульсу Місяця. (Так само віддалені газові планети-гіганти мають майже весь момент імпульсу Сонячної системи, хоча в Сонці зосереджено 99,9 % його маси.)

Проте 4,5 млрд років тому все було зовсім інакше. Оскільки Місяць був усього в 24 000 км від Землі, усе оберталося абсурдно швидко, наче той фігурист, що крутиться навколо власної осі, обхоплюючи себе руками, щоб пришвидшити кружіння. Почнемо з того, що Земля робила один оберт навколо власної осі кожні п’ять годин. Оберт навколо Сонця і тоді тривав цілий рік (приблизно 8766 год.); цей період не змінювався протягом існування Сонячної системи. Проте в одному році було більш ніж 1750 коротких днів, а Сонце сходило кожних п’ять годин!

Такі припущення важко довести, і вони видаються доволі незвичними, проте дані деяких вимірювань підтверджують ідею існування коротших днів у древньому періоді Землі. Коралові рифи слугують одним із найзахопливіших доказів. На деяких видах коралів добре видно дрібномасштабні лінії росту, які свідчать як про ледь помітний добовий, так і про більш очевидний річний цикли. Очікувано, в сучасних коралах є близько 365 щоденних ліній на кожний рік росту. Втім, у древніх викопних коралів девонського періоду, що росли десь 400 млн років тому, видно понад чотириста ліній щоденного росту на рік, що вказує на значно вищу швидкість обертання планети. У той час у добі було десь двадцять дві години, а Місяць, вірогідно, був ближче до Землі на 16 000 км.

Друге додаткове вимірювання ґрунтується на феномені припливних відкладів, тобто дрібношарових осадових порід, які свідчать про добові, місячні та річні цикли припливів. Ретельні мікроскопічні дослідження припливних відкладів віком у 900 млн років у каньйоні Біґ-Коттонвуд, штат Юта, указують на існування світу, коли доба на Землі тривала лише 18,9 год., коли, ймовірно, у році було 464 доби – Сонце сходило і заходило 464 рази.

Відстань Земля—Місяць, яка в той час за підрахунками складала 350 837 км, передбачає швидкість віддаляння дуже схожу на ту, що маємо сьогодні, – 3,91 см на рік.

Божевільний світ

У нас ще немає прямих свідчень припливних циклів Землі, яким би було понад мільярд років, проте можемо бути певні, що 4,5 млрд років тому все було значно більш неприборканим, ніж зараз. Тоді не тільки доба на Землі тривала п’ять годин, але й Місяць, що був поруч, обертався навколо Землі набагато швидше. Щоб здійснити повний оберт, йому треба було лише вісімдесят чотири години – три з половиною сьогоднішньої доби. Через шалену швидкість обертання Землі і її супутника, знайомі фази – молодик, зростаючий, повня, спадаючий і темний Місяць – розігрувалися, наче в скаженому перемотуванні: кожні кілька п’ятигодинних діб змінювалася фаза Місяця.

Це породило безліч наслідків, хороших і не дуже. Оскільки Місяць затуляв значну частину неба, а орбітальні рухи були дуже швидкими, доволі часто мали виникати затемнення. Повне сонячне затемнення мало б відбуватися кожні вісімдесят чотири години, фактично завжди, коли Місяць був у повні, тобто коли він опинявся між Землею та Сонцем. Сонячне світло зникало на декілька хвилин, і на чорному небі раптово виринали зірки та планети, а місячні вогняні вулкани та океани магми приголомшливо червоніли на тлі чорного місячного диску. Повне місячне затемнення також було доволі частим явищем, майже кожні сорок дві години, наче за розкладом. Кожного разу, як Місяць був у повні, коли Земля втрапляла прямісінько між Сонцем та Місяцем, велика тінь від Землі повністю затьмарювала велетенське обличчя ясно палаючого Місяця. І знову на чорному небі раптово виринали зірки та планети, а місячні вулкани розпочинали своє вогняне шоу.

Велетенські приливи були значно страшнішим наслідком первинної близькості Місяця. Якби і Земля, і Місяць були абсолютно твердими тілами, то сьогодні вони залишилися б такими ж, як і 4,5 млрд років тому: розташовані на відстані в 24 тис. км, оберталися б навколо осі та орбітами дуже швидко, мали часті сонячні та місячні затемнення. Проте Земля та Місяць не тверді. Їхні породи здатні викривлятися та згинатися, особливо в розплавленому стані під дією припливів. Молодий Місяць з відстані в 24 тис. км спрямовував на гірські породи Землі неймовірні припливні сили, майже рівні гравітаційному впливу, який чинила Земля на розплавлену поверхню Місяця. Важко собі навіть уявити ті колосальні магматичні припливи. Кожні декілька годин розплавлена магма на кам’янистій поверхні Землі випиналася хвилями висотою більше кілометра в напрямку Місяця, створюючи надзвичайно сильне внутрішнє тертя, підвищуючи температуру і в такий спосіб утримуючи поверхню розплавленою набагато довше, ніж це могло би бути на планеті без супутника. Зі свого боку гравітаційні сили Землі не забарилися віддячити, випинаючи поверхню Місяця, якою він обернений до Землі, позбавляючи наш супутник ідеальної кулястої форми.

Ці вражаючі припливні руйнування відіграють ключову роль у тому процесі, який примушує Місяць віддалятися від Землі. Як так сталося, що об’єкт діаметром у 3476 км перемістився із відстані в якихось 24 140 км аж до 384 633 км? Відповідь знайдемо у законі збереження моменту імпульсу, тобто кількості руху – сума моменту імпульсу Землі та Місяця – постійні. За законами фізики, яким би не був початковий сумарний момент імпульсу системи Земля—Місяць, він має практично повністю зберігатися аж до наших днів.

Чотири з половиною мільярди років тому гігантські припливні хвилі котилися Землею кожні декілька годин. Але, оскільки Земля оберталася навколо власної осі значно швидше (кожні п’ять годин), ніж навколо неї крутився Місяць (кожні вісімдесят чотири години), припливний горб через свою додаткову масу завжди головував, постійно діючи на Місяць силою тяжіння та з кожним новим обертом переносячи момент імпульсу із Землі до Місяця. Непорушні закони планетарного руху, вперше запропоновані десь чотириста років тому німецьким математиком Йоганном Кеплером, передбачають, чим більший момент імпульсу супутника, тим далі він має бути розташований від своєї центральної планети. З кожним новим обертом Місяць невблаганно віддаляється від Землі.

У той самий час, коли Земля діяла на Місяць, деформований припливними силами супутник зі свого боку протидіяв з такими ж силами, впливаючи на Землю і змушуючи її вповільнити обертання навколо власної осі. І ось де наочно проявляється збереження загального моменту імпульсу. Чим швидше Місяць рухався по орбіті, тим далі він мав бути від Землі і тим більше він забирав від загального моменту імпульсу. Щоб компенсувати це, Земля мала би крутитися навколо своєї осі все повільніше, зберігаючи сталим спільний момент імпульсу системи Земля—Місяць; знову пригадайте фігуриста, який тепер розводить руки і так уповільнює своє кружіння. За 4,5 млрд років обертання Землі навколо осі вповільнилося від п’яти годин до двадцяти чотирьох, а Місяць віддалився і забрав значну частину загального спільного моменту імпульсу системи.

Не кожна система планета—супутник розвивається за цією схемою. Якщо планета рухається навколо власної осі повільніше, ніж її супутник орбітою, неминуче виникає ефект гальмування. Припливні хвилі планети будуть відставати від її обертання; супутник, уповільнюючись із кожним обертом, наближатиметься до своєї загибелі. Врешті-решт супутник спіралеподібною траєкторією дрейфуватиме в напрямку планети, яка його і поглине, або ж відбудеться якась інша варіація на тему Потужного удару. Ймовірно, саме тому Венера зі своїм неправильним зворотнім обертанням не має супутника. Можливо, саме катастрофічна загибель супутника, який існував колись, пояснює, чому Венера втратила більшу частину води й зараз є мертвим ворожим розпеченим світом.

На початках існування системи Земля—Місяць цей обмін моментами імпульсу від Землі, що вповільнювалася, до Місяця, що пришвидшувався, відбувався значно активніше, ніж сьогодні. У перші століття після утворення Місяця, обидва тіла були охоплені океанами вируючої магми, які могли викривлятися та деформуватися. Гігантські магматичні припливи на Землі, а також схоже магматичне випинання на Місяці, ймовірно, призвели до того, що Місяць віддалявся на тисячі метрів у рік, у той час, коли обертання Землі поступово вповільнювалося відносно початкової божевільної швидкості. Проте ці велетенські припливи розплавленої Землі не могли тривати довго. У той час, як відстань в системі Земля—Місяць збільшувалася, припливні сили зменшувалися, подвоєння відстані зменшувало силу тяжіння в чотири рази. Потроєння відстані та зменшення гравітаційних сил зменшувало і припливні сили в 27 разів.

Неодноразові припливні потрясіння відкладали, але не могли зупинити процес затвердіння світів. Через декілька мільйонів років після Потужного вибуху поверхня і Землі, і Місяця стала твердою чорною породою. Земні припливи – деформація твердих порід – усе ще не були чимось дріб’язковим у ту давню пору, проте вони вже не скидались на могутні щоденні припливи моря магми, які відбувалися в минулому.

Місяць залишається сяйливим нагадуванням, що космос – це місце, де творення тісно пов’язане з руйнуванням. Навіть сьогодні ми не застраховані від нищівних космічних зіткнень: час від часу орбіту Землі перетинають астероїди-вбивці та комети. Мільйони років тому один величезний камінь вбив динозаврів; через мільйони років інша велика брила теж неминуче знайде свій прихисток. Якщо нашою першочерговою спільною метою є виживання людства, то незайвим буде пильне спостереження неба, адже наш найближчий космічний сусід безгомінно свідчить: хоча зазвичай зміни поступові та поблажливі, все ж бувають дуже погані дні.