Глава третья

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЛУНЫ

Один непреложный факт заключается в том, что Луна движется вокруг Земли. Она улыбается нам с ночного неба, но согласно всему, что знает наука, этого не должно быть.

Древние греки были великими собирателями знаний и исследователями законов природы. В V в. до н. э. Демокрит, создавший теорию о происхождении вещества из невидимых частиц, называемых атомами, обратился к другому концу масштабной шкалы и предположил, что темные отметины на лунном диске могут быть горами. Немного позднее Евдокс из Книда, который был астрономом и математиком, вычислил Саросский цикл затмений и таким образом смог предсказывать их наступление.

Около 260 г. до н. э. другой грек по имени Аристарх изобрел способ измерения размера Луны и ее расстояния от Земли. Его расчеты оказались неправильными, но крупный математик и астроном Гиппарх с острова Родос справился с этой задачей сто лет спустя. Он пользовался оригинальным методом измерений во время солнечного затмения. Затмение, о котором идет речь, было полным на Родосе, но лишь частичным в Александрии, которая находилась на расстоянии примерно 730 км. Заручившись поддержкой единомышленников, Гиппарх воспользовался известным расстоянием от Родоса до Александрии и разницей угловых величин полного и частичного затмения для определения истинного размера Луны и ее расстояния от Земли.

В конце I в. н. э. Плутарх написал короткое сочинение о Луне под названием «О лике лунного светила», где предположил, что темные отметины на лунном диске являются глубокими впадинами, не отражающими солнечный свет. Он считал, что на Луне есть горы и речные долины, и даже высказал предположение о ее обитаемости.

Хотя в V в. н. э. индийский астроном Ариабхата повторил и подтвердил эксперимент, проведенный Гиппархом, христианские власти того времени рассматривали Луну только в библейской трактовке, а любая информация о нашем ближайшем небесном соседе, противоречившая Священному Писанию, находилась под запретом. С победой христианства европейский мир вступил в эпоху, когда религия, а не наука служила руководством в жизни человека.

Железная хватка христианской церкви немного ослабла в XV—XVI вв.: эпоха Возрождения произвела глубокие и радикальные перемены в европейской культуре. Именно тогда впервые были сформулированы основные ценности современного мира. Осознание культурного возрождения само по себе было характерно для этой эпохи. Итальянские ученые и критики этого периода утверждали, что их эпоха избавилась от былого варварства и обрела вдохновение в культуре Древней Греции и Рима, наиболее соответствовавшей ей по духу. В конце XVI в. гениальный Гали-лео Галилей из Пизы, один из самых блестящих ученых эпохи Возрождения, проводил эксперименты с маятниками и падающими телами, изучал законы оптики и занимался всем, что захватывало его воображение, но, самое главное, большую часть своей зрелой жизни Галилей был ревностным астрономом.

В мае 1609 г. Галилей получил письмо от Паоло Сарпи с рассказом об оригинальной подзорной трубе, которую ему показал один голландец в Венеции. В апреле 1610 г. Галилей написал:

«Примерно десять месяцев назад до меня дошла весть о том, что некий Флеминг изобрел подзорную трубу, с помощью которой видимые объекты, находящиеся на большом отдалении от глаза наблюдателя, становятся четко видны как бы вблизи. Существует несколько сообщений об этом поистине замечательном эффекте; некоторые люди верят им, а другие отвергают. Через несколько дней это сообщение было подтверждено письмом, полученным мною от парижанина Жака Бадовера, что побудило меня всецело предаться изучению средств и способов изобретения такого инструмента. Вскоре мне удалось сделать это исходя из принципа рефракции».

На основании своих инженерных и математических навыков Галилей изготовил ряд телескопов с гораздо лучшими оптическими свойствами, чем у голландского инструмента. Его первый телескоп давал примерно четырехкратное увеличение и был сделан из линз, уже имевшихся в его распоряжении. Для улучшения качества своих телескопов Галилей научился изготавливать и полировать собственные линзы и в августе 1609 г. получил инструмент с восьми– или девятикратным увеличением. Он быстро осознал коммерческую и военную (особенно для целей мореплавания) ценность своего прибора, который он назвал perspicillum. В холодные ясные ночи зимы 1609 г. Галилей поворачивал свой телескоп к ночному небу, и ему удалось сделать несколько замечательных открытий.

Астрономические открытия Галилея были описаны в небольшой книге под названием «Звездные послания», изданной в Венеции в мае следующего года. Они произвели настоящую сенсацию. Помимо всего прочего Галилей утверждал, что Млечный Путь состоит из крошечных звезд и что он видел четыре небольших спутника Юпитера и горы на Луне.

Научные исследования Галилея легко могли пасть жертвой католической церкви, если бы его изображения Луны стали достоянием общественности. Согласно христианской традиции Солнце и Луна были безупречными незапятнанными сферами. Они просто не могли быть иными, поскольку их создал Господь, чьи творения не могли содержать изъянов. В конце концов папа римский поместил Галилея под постоянный домашний арест за богохульное утверждение, что Солнце находится в центре Солнечной системы. Возможно, Галилей знал о Луне гораздо больше, чем был готов признать публично.

Для объяснения элементов лунного ландшафта, не противоречащего церковным доктринам, в христианских странах был предложен целый ряд гипотез. Вероятно, наиболее популярной из них – по крайней мере в течение некоторого времени – было предположение о том, что Луна является совершенным зеркалом. Таким образом на поверхности Луны люди видели не элементы лунного ландшафта, а отражение элементов земного ландшафта. Никому не пришло в голову, что, поскольку Луна вращается вокруг Земли, отметины на лунном диске должны постоянно изменяться, так как Земля под ним не остается неизменной.

Другая гипотеза, принятая в некоторых кругах, заключалась в существовании таинственных испарений между Землей и Луной. Считалось, что образы, присутствовавшие в солнечном свете, отражались от этих «паров». Но самая популярная теория, не нарушавшая церковную доктрину, гласила, что вариации плотности Луны создают оптические иллюзии, которые мы видим как отметины на лунной поверхности. Это странное объяснение было безопасным, хотя едва ли могло убедить ученых того времени и определенно не производило никакого впечатления на Галилея.

После Галилея конструкция телескопов была значительно усовершенствована, и всем, кто изучал Луну, стало ясно, что она представляет собой сферу со скалистой и неровной поверхностью. По мере того как церковь постепенно утрачивала свою власть над научной мыслью, многие старые представления о Луне становились неприемлемыми. Но никто не имел представления, откуда взялась Луна и почему она движется именно по такой орбите вокруг Земли.

Вскоре тема Луны приобрела важное значение для астрономов. Империи, создаваемые Британией, Францией и Испанией, неуклонно расширялись. Это требовало длительных морских путешествий и привело к настойчивым поискам определения долготы на корабле, который находится в море. Довольно легко установить положение на поверхности планеты по линии север – юг (широта), но долгое время было невозможно узнать, где вы находитесь на линии восток – запад (долгота). К примеру, в Северном полушарии широту можно быстро вычислить, измерив угловое расстояние между горизонтом и Полярной звездой. Этот угол также определяет положение наблюдателя к северу от экватора.

Проблема долготы в конце концов была решена с помощью чрезвычайно точных часов на борту корабля, установленных на время отплытия. Было нетрудно вычислить разницу между местным временем, скажем в полдень, и временем в порту отплытия. После этого определение истинного положения наблюдателя на земной поверхности сводилось к нескольким операциям сложения и вычитания. Тем не менее прошло много десятилетий, прежде чем удалось изготовить достаточно точные часы. Между тем астрономы искали другие способы определения долготы – не в последнюю очередь из-за баснословного приза, предложенного тому, кто сможет решить проблему. Многие из них обратились к Луне как к надежному средству определения долготы.

Астрономы предположили, что если бы были составлены действительно точные таблицы положения Луны по отношению к фоновым звездам, то можно было бы правильно определять время в порту отплытия. Луна находится довольно близко к Земле и быстро вращается вокруг нее, двигаясь по небосводу примерно на 13° в день. Наблюдение за Луной было довольно простым способом для того, чтобы установить местное время, а затем проделать необходимые расчеты для определения положения наблюдателя.

Однако таблицы, необходимые для выполнения такой задачи, были очень сложными, и вскоре после того как появились точные хронометры, было решено отказаться от Луны как средства для определения долготы. Но желание решить эту проблему и потенциальная возможность ее решения означали, что Луна привлекает большое внимание астрономов. В XVII в. начали появляться очень точные карты лунной поверхности.

Первое логическое объяснение происхождения Луны было выдвинуто в XIX в. Джордж Дарвин, сын Чарлза Дарвина, автора теории естественного отбора, был известным и авторитетным астрономом, который тщательно изучал Луну и в 1878 г. выступил с так называемой теорией разделения. По всей видимости, Джордж Дарвин был первым астрономом, установившим, что Луна отдаляется от Земли. На основе скорости расхождения двух небесных тел Дж. Дарвин предположил, что когда-то Земля и Луна составляли единое целое. В далеком прошлом эта расплавленная вязкая сфера очень быстро вращалась вокруг своей оси, совершая один полный оборот примерно за пять с половиной часов.

Дарвин предположил, что в дальнейшем приливное воздействие Солнца стало причиной так называемого разделения: кусок расплавленной Земли размером с Луну отделился от главной массы и в конце концов занял свое положение на орбите. Эта теория выглядела вполне разумно и стала главенствующей в начале XX в. Она подверглась серьезной атаке лишь в 1920-х, когда британский астроном Гарольд Джеф-фрис показал, что вязкость Земли в полурасплавленном состоянии препятствовала бы возникновению достаточно мощной вибрации, которая могла привести к разделению двух небесных тел.

Вторая теория, некогда убедившая ряд специалистов, называлась аккреционной теорией. Она гласила, что вокруг уже сформировавшейся Земли постепенно аккумулировался диск из плотных частиц, напоминающий кольца Сатурна. Предполагалось, что частицы этого диска в конечном счете объединились и образовали Луну. Существует несколько причин, в силу которых такое объяснение не может быть удовлетворительным. Одной из главных является угловой момент движения системы Земля – Луна, который никогда не стал бы таким, как он есть, если бы Луна образовалась из аккреционного диска. Существуют также затруднения, связанные с образованием океанов расплавленной магмы на «новорожденной» Луне.

Третья теория о происхождении Луны появилась примерно в то время, когда были запущены первые лунные зонды; она получила название теории целостного захвата. Предполагалось, что Луна возникла вдалеке от Земли и стала блуждающим небесным телом, которое попросту было захвачено земным тяготением и вышло на орбиту вокруг Земли.

Теперь эта теория тоже вышла из моды по нескольким причинам. Соотношение изотопов кислорода в горных породах на Земле и на Луне убедительно доказывает, что они возникли на одном расстоянии от Солнца, чего не могло быть в том случае, если бы Луна сформировалась в другом месте. Существуют также непреодолимые трудности в попытке построения модели, в соответствии с которой небесное тело размером с Луну могло бы выйти на стационарную орбиту вокруг Земли. Такой огромный объект не мог аккуратно «подплыть» к Земле на малой скорости, словно супертанкер, швартующийся к пристани; он почти неизбежно должен был врезаться в Землю на большой скорости или пролететь рядом с ней и устремиться дальше.

К середине 1970-х все предыдущие теории формирования Луны по той или иной причине столкнулись с трудностями. Это привело к созданию практически немыслимой ситуации, когда прославленные эксперты могли публично признать, что они просто не знают, как или почему Луна оказалась на своем месте. Известный научный автор Уильям К. Хартманн, ведущий ученый Института планетологии в Таксоне, штат Аризона, сказал в своей книге (1986 г.) «Происхождение Луны»:

«Ни астронавты „Аполлона“, ни луноходы, ни вся королевская рать не смогли собрать достаточно информации для объяснения условий формирования Луны».

Из этой неопределенности родилась новая теория, которая в настоящее время считается общепринятой, несмотря на некоторые серьезные вопросы. Она известна как теория «большого столкновения».

Идея возникла в Советском Союзе в 60-х гг. у русского ученого B.C. Савронова, который рассматривал возможность возникновения планет из миллионов астероидов разного размера, называемых планетзималями.

В ходе независимого исследования Хартманн вместе со своим коллегой Д.Р. Дэвисом предположил, что Луна образовалась в результате столкновения двух планетных тел, одним из которых была Земля, а другим – блуждающая планета, размером не уступавшая Марсу. Хартманн и Дэвис полагали, что две планеты столкнулись специфическим образом, в результате чего произошли выбросы вещества из мантии обоих небесных тел. Это вещество было выброшено на орбиту, где постепенно объединилось и уплотнилось для формирования Луны.

На первый взгляд, такое предположение имеет много достоинств. Прежде всего оно решает главный вопрос, возникший после доставки на Землю образцов лунной породы: почему состав Луны так сходен с составом Земли, но лишь частично?

Анализ лунных пород показал значительное сходство с породами, образующими мантию Земли, однако Луна гораздо менее массивна, чем Земля, с учетом их относительного размера (Земля лишь в 3,66 раза больше Луны, но имеет в 81 раз большую массу). Было ясно, что на Луне отсутствуют многие тяжелые элементы, содержащиеся в недрах Земли, и теория «большого столкновения» как будто объясняла причину этого явления. Земля и блуждающая планета столкнулись очень необычным образом. Хотя в конечном счете они образовали одну планету, предполагалось, что сначала они столкнулись, разошлись в стороны, а потом снова соединились. Компьютерное моделирование показало, что при этих специфических обстоятельствах возможен выброс мантийного материала из-под корового слоя обоих небесных тел.

Хотя эта теория постепенно овладела умами, сначала она казалась такой невероятной, что была отвергнута в целом. Но дальнейшие исследования показали, что даже такой маловероятный сценарий мог иметь место. В 1983 г. состоялось международное совещание в Коне (Гавайские острова), целью которого была попытка решения проблем, связанных с происхождением Луны. Именно на этом совещании теория «большого столкновения» начала завоевывать очки. Собственные размышления Хартманна наряду с мнениями других ученых, присутствовавших на совещании, образовали ядро книги «Происхождение Луны» (1986) под редакцией самого Хартманна.

Между тем некоторые эксперты создали компьютерные модели, подкреплявшие теорию «большого столкновения». Наиболее убедительной из них была модель доктора Робин Кенап, которая сейчас является заместителем директора департамента космических исследований в Колорадо. Ее научная диссертация была посвящена происхождению Луны и, в частности, теории «большого столкновения». Первоначальные расчеты привели ее к выводу, что предполагаемый удар должен был привести к образованию целого роя мелких спутников, а не одной Луны, но дальнейшее компьютерное моделирование в 1997 г. позволило создать такой прототип столкновения, результатом которого явилось формирование Луны.

Несмотря на то что теория «большого столкновения» теперь принята большинством специалистов, она вызывает много вопросов. Как признает сама Робин Кенап и другие исследователи, такое мощное столкновение должно было ускорить вращение Земли до уровня, несопоставимого с нынешней ситуацией. Единственный способ решения этой проблемы, по ее мнению, заключается в гипотезе о втором крупном столкновении, названном «большой удар II». На этот раз предполагается, что второе столкновение произошло лишь через несколько тысяч лет после первого, но другой объект нанес удар с противоположного направления и таким образом погасил огромную скорость вращения Земли после первого катаклизма. Такое «сбалансированное» двойное столкновение выглядит крайне маловероятным. Оно кажется похожим на жест отчаяния.

Кенап сама недовольна гипотезой «большого удара II» и надеется модифицировать первоначальную теорию таким образом, чтобы она объясняла нынешнюю скорость вращения Земли.

Для того чтобы всерьез относиться к теории «большого столкновения», необходимо преодолеть еще одно большое препятствие. Когда американские астронавты и советские автоматические зонды доставили горные породы с Луны, их подвергли всевозможным анализам. Экспериментальный факт, покончивший с теорией «гравитационного захвата», вызывает большое сомнение и в теории «большого столкновения». Было установлено, что соотношение изотопов кислорода в земных и лунных породах практически идентично. Этот факт имеет серьезные последствия: соотношение может быть идентично лишь в том случае, если Луна и Земля образовались на одинаковом расстоянии от Солнца. Это означает, что планета размером с Марс должна была двигаться по одной орбите с Землей и что она каким-то образом существовала в течение многих миллионов лет до столкновения.

Вероятность такой ситуации ничтожно мала и создает другие затруднения. Нынешний наклон земной оси на 23° по отношению к плоскости ее орбиты вокруг Солнца принято считать результатом катастрофического столкновения, но любое небесное тело размером с Марс, которое двигалось бы по орбите, сходной с орбитой Земли, не могло иметь достаточного момента движения, чтобы так сильно наклонить ось вращения Земли. Либо блуждающая планета появилась из-за пределов Солнечной системы и, следовательно, двигалась с чрезвычайно большой скоростью, либо она должна быть по меньшей мере в три раза больше Марса, что не вписывается ни в какие компьютерные модели.

Некоторые другие проблемы перечислялись Джеком Дж. Лиссауэром, известным ученым из Эймсовского центра НАСА, в статье, которую он написал для журнала «Нейчур» в 1997 г. Говорят, что Лиссауэр любил цитировать шутливое замечание другого ученого, Ирвина Шапиро из Гарвардского центра астрофизических исследований: «Лучшее объяснение для Луны – это ошибка наблюдения. Ее вообще не существует!»

В своей статье Лиссауэр ссылается на результаты последних исследований, показавших, что большая часть материала, выброшенного при ударе, должна была бы упасть обратно на Землю. По его словам:

«Процесс аккреции вещества в „лунном диске“, образовавшемся после удара, не мог происходить с большой эффективностью. Для формирования Луны на орбиту должно было быть выброшено гораздо большее количество материала и на большее расстояние от Земли, чем ранее считалось».

Лиссауэр тоже придерживается мнения, что размер блуждающей планеты должен был бы значительно превышать первоначально предполагаемый, но указывает, что трудно понять, каким образом можно было погасить дополнительный угловой момент движения после такого мощного столкновения.

Три других ученых, Ружичка, Снайдер и Тейлор, подошли к проблеме с другой стороны и проанализировали биохимические данные, а затем сопоставили их с теоретическими расчетами. После тщательного изучения они пришли к выводу: «Данные геохимического анализа не дают основания для поддержки гипотезы большого столкновения или ударного выброса материала».

Этот вывод показывает, что красивая теория безнадежно расходится с экспериментальными данными. Ученые добавляют: «Эта гипотеза возникла не столько из-за ее теоретических достоинств, сколько из-за очевидных динамических или геохимических недостатков других теорий». Иными словами, хотя в теории «большого столкновения» больше дыр, чем в старом решете, ученые продолжают цепляться за нее просто потому, что не было найдено другого логичного объяснения. Из всех невероятных объяснений это оказалось наименее невероятным.

Теория «большого столкновения» дискредитирована, помимо ряда причин, неспособностью объяснить аномалии, о которых мы уже упоминали в этой книге. Она не может объяснить необычные соотношения между Луной и Солнцем или между Луной и Землей. Конечно, Луна может по чистой случайности быть ровно в 400 раз меньше Солнца и занимать орбиту на расстоянии 1/400 между Землей и Солнцем, но вероятность такого совпадения в буквальном смысле астрономически мала.

В пропорциональном отношении к планете-хозяйке размер Луны больше, чем у любого другого спутника Солнечной системы, за исключением Харона, спутника Плутона, который составляет более половины диаметра этой планеты. Но эти два небесных тела, в сущности, являются двойной планетой или, возможно, астероидами, вращающимися вокруг общего центра масс на близком расстоянии, хотя считается, что они имеют разное происхождение.

У Меркурия и Венеры вообще нет спутников. У Марса есть два спутника, но они имеют крошечные размеры по сравнению с ним.

Тщательное изучение многих образцов лунной породы, доставленной американскими миссиями «Аполлона» и советскими беспилотными зондами, преподнесло один из самых больших сюрпризов. Было отмечено, что старейшие породы, собранные на Луне, имеют значительно более древний возраст, чем любые породы, обнаруженные на Земле. Возраст самых древних пород на Земле составляет примерно 3,5 млрд. лет, тогда как некоторые образцы с Луны демонстрируют возраст около 4,5 млрд. лет, что очень близко к оценке возраста нашей Солнечной системы. Радиоизотопный анализ образцов метеоритов неизменно дает возраст примерно 4,6 млрд. лет.

Однако даже в этих породах имеется такое же соотношение изотопов кислорода, как в земных породах. Это служит еще одним указанием, что Луна находилась на своем нынешнем расстоянии от Солнца в течение невероятно долгого времени. В настоящее время этот факт не имеет убедительного объяснения.

Наши собственные, почти случайные открытия в связи со специфическими соотношениями между Землей, Солнцем и Луной, описанные в предыдущей книге «Первая цивилизация», привели нас к глубокой переоценке последних теорий, связанных с Луной и ее происхождением.