Ничто не вечно под Луной
А что мы знали? Всякая биография начинается с дня рождения, но поскольку Луна родилась давно, в этом пункте у нее всегда была неясность. Две научные школы круто расходились здесь в оценке. Ученые одной, исходя из своих расчетов, утверждали, что Луна моложе Земли на 200 млн лет, ученые другой – что на 100 млн. Но еще более различными были взгляды на обстоятельства рождения нашего славного спутника. Какое-то время на сей счет существовали целых три гипотезы. По одной, Луна образовалась из куска Земли, который оторвался от нее в силу слишком быстрого вращения. Но расчеты показали, что для этого вращение должно было быть несуразно большим.
По другой гипотезе, Земля и Луна образовались из одной и той же первичной пыли. Но почему тогда на Луне меньше металлов?
Третья гипотеза предполагала захват Землей проходившего мимо астероида, - но химический состав астероидов и метеоритов резко отличается от земного, а Луна, как это показал анализ доставленных космонавтами образцов ее пород, - истинный двойник Земли по изотопному составу.
Это сходство Луны и Земли тут же породило четвертую гипотезу, по которой Луна образовалась из Земли в результате гигантского удара. В общем, раздрай в ученой среде был такой, что перед конференцией по Луне в 1984 году участники получили наставление от организаторов: придите с согласованным мнением – или вовсе не приходите. Они пришли – с гипотезой удара, которая с тех пор стала главной.
Поначалу удар видели так: протопланета размером с Марс (она получила название Тейя) нанесла удар вдоль экватора, выбив из земли пятую часть ее вещества, которая, вместе с веществом расплавившейся от удара Тейи, образовало Луну. Сама Земля от удара стала стремительно вращаться – один оборот за пять часов! – но постепенно, под влиянием приливного воздействии Луны, затормозилась до нынешних 24-х. Луна же, под приливным воздействием Земли, постепенно перестала вращаться вообще. Одновременно оба эти небесных тела продолжали (и по сию пору продолжают) по инерции расходиться.
Гипотеза объясняла сходство состава Луны и Земли, - но не вполне. Непонятно было, куда делось вещество ударившей Землю протопланетки. Если вошло в состав будущей Луны, то она не могла бы быть двойником Земли. Какое-то время на этот вопрос отвечали в том духе, что состав Тейи мог быть похож на состав Земли, потому что они-де образовались в одном и том же месте первичного облака. Но позже компьютерные расчеты показали, что вероятность такого совпадения крайне мала. Были и другие неувязки. Тем не менее гипотеза гигантского удара, хромая, добрела до наших дней.
Но вот недавно ей впервые был брошен серьезный вызов. В конце минувшего 2016 года группа американских астрономов под руководством Сары Стюарт опубликовала расчеты, согласно которым соударение Тейи и первичной Земли было много мощнее, чем принимала исходная гипотеза удара. Столкновение было настолько мощным, что после него на месте Земли и Тейи осталось общее облако раскаленной пыли, из которой заново образовали два тела - нынешняя Земля и - одновременно – ее будущая Луна. Поскольку обе образовались из одного облака, то одинаковость состава сразу объясняется. (Другим следствием более сильного удара было то, что Земля после него вращалась еще быстрей, чем думалось – сутки составляли всего 2 часа!)
Надо понять: выдвигая эту новую гипотезу, астрономы заранее ставили перед собой задачу – найти, при каких начальных условиях столкновение двух тел известного состава окажется таким сильным, что оба они расплавятся и образуют единую смесь? И искали ответ не на пальцах и тем более не произвольно, а в согласии с законами механики небесных тел и с помощью мощного компьютера.
Эти расчеты дали ряд возможных вариантов, каждый со своими цифрами – в частности, для общего момента вращения, которое получат оба тела, ибо эта величина зависит от мощности удара. По законам физики, эта величина должна затем оставаться постоянной (если нет внешних воздействий) и может только перераспределяться между Землей и Луной, поскольку они связаны приливными силами.
Однако авторы новой гипотезы учли фактор, который не учитывался ранее - возможное участие Солнца в этой истории. При наличии этого третьего участника танца задача перераспределения момента вращения становится болен сложной, и те же расчеты показали, что возможный сценарий «танца» выглядит так: Луна отдаляется от Земли, как и в прежней гипотезе, но когда она приближается к т.н. точке Лапласа, где притяжение Земли становится равным притяжению Солнца, часть момента вращения начинает передаваться Солнцу и в системе Земля-Луна происходит важное изменение: ось Земли, ранее смотревшая на Солнце, поднимается до ее нынешнего наклона. А потом происходит и второе важное изменение: когда Луна отодвигается так, что приходит в т.н. точку Кассини, перераспределение момента вращения между нею, Землей и Солнцем приводит к тому, что орбита Луны, ранее сильно наклоненная к плоскости земного экватора, весьма приближается к ней. Теперь все параметры пары Земля-Луна приобретают их нынешние значения. Сценарий убедительный и радующий сердца астрономов своим непринужденным объяснением биографий Земли и Луны.
Оказалось, однако, что те же загадки лунной биографии можно объяснить и иначе. В январском (за 2017 год) выпуске журнала Nature Geoscience израильтяне Ралука Руфу, Одед Ааронсон и Хагай Перец из института им. Вейцмана в Реховоте опубликовали весьма экстравагантный альтернативный сценарий. По их мнению, главная особенность Луны - ее изотопное сходство с Землей – проще объясняется не одноразовым ударом огромной Тейи, а многократными столкновениями с телами много меньшего размера и массы. На заре существования Солнечной системы таких «планетезималей» и «зародышей» будущих астероидов в ней было очень много, и поэтому вероятность столкновения с ними была гораздо выше, чем в общем-то маловероятное гигантское столкновение с Тейей. Проведя около тысячи компьютерных симуляций таких «малых» столкновений, авторы пришли к выводу, что каждое из них должно было завершаться появлением вокруг Земли этакого «сатурнова кольца» – диска из частиц выбитого земного вещества, охватывающего земной экватор. Постепенно эти пылинки неминуемо уплотнялись, превращаясь под конец в небольшую луну. «В таком сценарии, – пишут авторы, - каждое малое соударение приводит к образованию небольшого спутника, которые затем последовательно отдаляются от Земли и постепенно слипаются друг с другом, образуя нынешнюю Луну с ее нынешними параметрами». Для этого, по расчетам, понадобилось бы 20 малых столкновений.
Разумеется, такой процесс постепенного лунообразования из выбитого земного материала должен был бы занять довольно много времени, и в этой связи становится заново актуальным вопрос, когда же все-таки образовалась Луна – через 100 или через 200 миллионов лет после образования Земли?
К счастью, ответ на этот вопрос не требует сложных компьютерных симуляций или расчетов. Ученые определяют возраст Луны по ее образцам, доставленным на Землю. В них вкраплены кристаллики минерала циркония, образовавшиеся при застывании раскаленной магмы на поверхности первичной Луны. Такие кристаллики обычно содержат атомы различных радиоактивных веществ, которые распадаются со временем. Атомы разных веществ распадаются с разной скоростью, и соотношение остатков позволяет определить, сколько времени прошло с начала распада. Прежние измерения подобного рода были не очень точны, что и породило упомянутые выше споры о возрасте Луны.
И новый научный год опять же порадовал ученых. Группа калифорнийского астронома Мелани Барбури опубликовала в журнале Science Advance статью, в которой сообщается о новом, много более точном измерении количеств двух изотопов элемента гафния, оставшихся на сей день в циркониевых кристалликах одного из лунных образцов. Это соотношение, пишут авторы статьи, могло сложиться (при условии, что вначале оба изотопа были представлены в лунной магме в том же количестве, что в веществе Земли), если распад начался 4.51 млрд лет назад. Поскольку Земля, как считается, сложилась 4.57 млрд лет назад, полученный результат говорит о том. что, как бы ни возникла Луна, она полностью сформировалась уже через 60 млн лет после образования Земли.
Конечно, для нас миллионы лет – чудовищная длительность. Но в астрономии это довольно небольшая единица возраста. Результат Барбури означает, что Луна сложилась «почти сразу» после образования Земли, и теперь ученым предстоит выяснить, какой из сценариев образования Луны – одноразовое столкновение или многократные удары –лучше согласуется с этим новым фактом ее биографии.
*******************************************************************
Почему у птиц нет зубов?
У птиц нет не только зубов. В сравнении с животными у них недостает также пальцев на ногах. Вместо пяти наших или, скажем, кошачьих, у них всего три – второй, третий и четвертый. А передние пальцы и вообще превратились в скелетную опору крыльев. Это и позволило им завоевать гигантскую (и в то время свободную) нишу обитания – воздух.
Пару десятков лет назад биологи пришли к выводу, что птицы произошли из динозавров. Точнее, из одного их семейства – т.н. тероподов. Некоторые виды из этого семейства отличались довольно малыми размерами и весом, а также огромной юркостью. Они всползали на деревья и кидались оттуда сверху на добычу, планируя при этом на растопыренных конечностях. Или же разгонялись по земле и, помогая себе теми же конечностями, взлетали на деревья, чтобы чем-то там поживиться. Никто не знает, так или эдак, но в конце концов они научились летать.
Понятно, воскликнете вы, и после этого у них отмерли некоторые пальцы, а другие превратились в крылья?! Как ни странно, но не так. Оказывается, наоборот. Пару лет назад американский биолог Кларк из университета штата Вашингтон нашел скелеты тероподов вида Limusaurus inextricabilis (которые еще явно летать не умели) и к своему удивлению увидел, что у них нет первого пальца. А потом он нашел скелеты более поздно живших Лимузаврусов, и у них уже не было ни первого, ни пятого пальца. Так и хочется сказать, что эволюция чуть ли не заранее готовилась создать птичье крыло.
А что же все–таки с зубами? Оказывается – то же самое. В минувшем году группа Кларка нашла (вернее, раскопала в Китае) древнее грязевое озеро, в котором когда-то завязла и погибла целая группа поздних Лимузаврусов. Там были и дети, и взрослые. И представьте себе - выяснилось, что у детей была полная пасть острых маленьких зубов, а у взрослых – ни единого! Видно, детки росли на мясной диете (понятно - силу набрать!) – а взрослые осознали и приняли вегетарианство.
Вот и выходит, что эволюция случайно, но очень вовремя снабдила этот вид динозавров умением обходиться без части пальцев и всех зубов. Она очень предусмотрительно поступила. Лимузаврусы стали на путь безпальцевого летания и беззубого питания, иными словами - стали птицами. И когда грянуло великое столкновение Земли с гигантским астероидом, которое уничтожило всех динозавров, эти первые птицы выжили. Но - без зубов!
Поэтому и у нынешних птиц такая же картина.
Рафаил Нудельман
"Окна", 9.2.2017