|
1
Согласно официальной позиции Международного астрономического союза, в Солнечной системе к категории «планета» относятся восемь тел – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. – Прим. науч. ред.
2
Данные о планетах и спутниках взяты с сайта https://ssd.jpl.nasa.gov. Данные по Луне и орбитам планет – с сайта https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet. Данные по Хаумее – из D. L. Rabinowitz et al., «Photometric Observations Constraining the Size, Shape, and Albedo of 2003 EL61, a Rapidly Rotating, Pluto-Sized Object in the Kuiper Belt.» Astrophysical Journal 639 (2006): 1238–51 и D. Ragozzine and M. E. Brown, «Orbits and Masses of the Satellites of the Dwarf Planet Haumea (2003 EL61),» Astronomical Journal 137 (2009): 4766–76.
3
Противостояние (оппозиция) происходит, когда Солнце и Луна находятся на противоположных сторонах от Земли. В этот момент Луна становится абсолютно полной. Во время большинства противостояний тела не располагаются точно на одной линии, так что Луна находится вне прямой тени Земли; точно в момент противостояния полная Луна становится очень яркой из-за так называемого оппозиционного эффекта, когда свет Солнца отражается от мелкодисперсной поверхности Луны и идет прямо к вам, наподобие того, как свет фар отражается от глаз кошки. Когда противостояние идеально, происходит лунное затмение и Луна на несколько часов оказывается в тени Земли.
4
В цикле взаимопорождения дерево порождает огонь, огонь порождает землю, земля порождает металл, металл порождает воду, вода порождает дерево. В цикле взаимопреодоления дерево побеждает землю, земля побеждает воду, вода побеждает огонь, огонь побеждает металл, металл побеждает дерево. Эти циклы, возможно, соответствуют механизму образования землеподобных планет, если считать, что дерево олицетворят собой органические вещества.
5
Совершенно безопасно смотреть на Солнце в любительский бинокль с солнечными фильтрами – он стоит примерно 40 долларов; возможно, такой есть у вашего преподавателя естественных наук.
6
Тем не менее это имеет значение для бухгалтеров. Бизнесмен и пионер фотографии Джордж Истмен, основатель компании Kodak, выступал за 13-месячный Международный фиксированный календарь (каждый месяц в нем состоит из 28 дней), разработанный американским железнодорожным консультантом Мозесом Котсуортом, и в 1920-х гг. рекомендовал его другим бизнесменам. Его компания продолжала пользоваться этим календарем до 1989 г., выделяя 13 периодов оплаты, по 28 дней в каждом, и добавляя к последнему один день. (У моего бывшего работодателя были 20-дневные периоды оплаты, а также бонусный период; отсюда уже не далеко до древних вавилонян.) Котсуорт первоначально предлагал добавить 13-й месяц Сол между июнем и июлем. Конечно, Луна по-прежнему вела бы себя, как ей заблагорассудится, выбиваясь из этого мерного шага, поскольку синодический месяц (от полной луны до полной луны) составляет 29,5 суток.
7
Пер. Г. Кружкова.
8
Джон Китс, «Ода греческой вазе» (Ode on a Grecian Urn, 1819).
9
Один оборот от полудня до полудня.
10
В индуистском календаре также используются планеты, но в другом порядке: Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн, Луна, Меркурий, Венера. В китайском календаре цикл планет выглядит так: Солнце, Луна, Марс, Меркурий, Юпитер, Венера и Сатурн. Предполагаю, что в том, как каждая культура распределяет планеты по дням, есть какой-то внутренний смысл.
11
День – это один оборот Земли вокруг своей оси, но за каждый такой день Земля проходит 1/365 часть пути вокруг Солнца, поэтому солнечный день на крошечную долю длиннее. Подобным же образом существуют синодический и сидерический месяцы. Сидерический месяц – период обращения Луны вокруг Земли относительно небесной сферы, а синодический – период между двумя полнолуниями с учетом того, что стрелка, указывающая на Солнце, поворачивается приблизительно на 1/12 полного оборота за каждый лунный орбитальный период. Поэтому сидерический месяц равен 27,3 суток, а синодический, время между полнолуниями и основа лунного календаря, – 29,5 суток.
12
В оригинале автор использовал английское слово fortnight, которое буквально значит «четырнадцать ночей». Астрономическое понимание понятия «fortnight» – половина лунного цикла, 14,77 суток.
13
Важно, чтобы у идей, которые, вероятно, неверны, были свои защитники – в этом смысл бессрочных профессорских позиций. Например, Ави Лоэб, глава кафедры астрономии Гарвардского университета, является сторонником гипотезы, что объект 1I/Оумуамуа, прилетевший из-за пределов Солнечной системы, в действительности представляет собой фрагмент межзвездного космического корабля или светового паруса. Очень важно, что он это делает. Теперь кто-то еще может проследить выводы из этого предположения, довести их до абсурда и таким образом отбросить гипотезу. Или не отбросить, и в этом случае она будет становиться надежнее после каждой проверки. Либо так, либо гипотеза превращается в заявление, ложность которого невозможно доказать, как это произошло с теориями Бруно.
14
Галилео Галилей, «патриций из Флоренции», как он назвал себя на титульной странице одного из своих самых известных трудов «Звездный вестник» (Siderius Nuncius, 1609), ярко описал, как его 30-кратный телескоп сделал Луну ближе: «В высшей степени прекрасно и приятно для зрения тело Луны, удаленное от нас почти на 60 земных полудиаметров, созерцать в такой близости, как будто оно было удалено всего лишь на две такие единицы измерения, так что диаметр этой Луны как бы увеличился в 30 раз». (Пер. И. Н. Веселовского.)
15
Бытие 1:9.
16
Пер. В. Мамоновой.
17
Edward Tarbuck and Frederick Lutgens, Earth Science (Columbus, OH: C. E. Merrill Publishing Company, 1985).
18
Как мы увидим далее, эта система воззрений была популярна с конца XIX в. до середины 1920-х гг., и еще в 1960-е она находила отклик в сердцах ученых. В то время она называлась гипотезой планетезималей, чтобы отличаться от гипотезы туманностей Канта – Лапласа. Сегодня под планетезималями мы понимаем нечто совершенно иное, так что я называю ее гипотезой звездного столкновения.
19
В 1970-е и в начале 1980-х гг. в Советском Союзе была осуществлена феноменально успешная серия запусков автоматических межпланетных станций «Венера». В 1970 г. «Венера-7» стала первым космическим аппаратом, совершившим посадку на поверхность другой планеты (помимо Луны). Далее последовало еще полдюжины аппаратов, которые изучали атмосферу и химический состав грунта, а также отправляли на Землю детальные фотографии.
20
Это была эпоха первого альбома Мадонны и ротапринтов – небольших печатных машин с цилиндром, которые заправлялись некой летучей жидкостью. Вы вращали ручку, чтобы долго и нудно делать копии с оригинала, на который вы потратили всю предыдущую ночь, стуча одним пальцем по клавишам механической печатной машинки. Чернила должны были равномерно распределиться по 22 листам бумаги. Ручку требовалось крутить в хорошем темпе, один ваш друг в это время ходил пить кофе, другой – в курилку. Все остальные уже сидели в аудитории, потому что вы безнадежно опаздывали.
21
Морской биолог Джон Менке любит учить и вдохновил ряд своих студентов на то, чтобы тоже стать преподавателями. В моем случае он подтолкнул учителя к тому, чтобы стать ученым.
22
Поскольку это была маленькая школа, я также преподавал английский девятиклассникам. В результате я понял, что учителя английского заслуживают более высокого жалованья или более малочисленных классов, поскольку им приходится проверять так много работ и так много общаться с учениками.
23
Такой математический анализ прост; обозначим скорость как v, тогда ускорение записывается как dv/dt, где t – это время, а d – дифференциал. Так что ускорение – это изменение скорости при изменении времени, метры в секунду за секунду.
24
Аспирант – это студент, который сдал все квалификационные экзамены, закончил посещать занятия и теперь работает над тем, чтобы стать экспертом мирового уровня в какой-либо области.
25
Старты пилотируемых «Союзов» с космодрома Байконур были еще более рутинными, но их не показывали по телевидению.
26
Криста Маколифф, учительница из Нью-Гэмпшира, была выбрана из более чем 11 000 кандидатов, чтобы стать первым учителем в космосе.
27
Ожидалось, что провальным будет примерно один запуск на каждые 25, так что катастрофа не была совсем уж ошеломляющей. Участвовавший в расследовании ее причин физик Ричард Фейнман пришел к выводу, что дизайн уплотнительного кольца не соответствовал ожидаемым погодным условиям и это привело к разрыву топливного бака «Челленджера». Ущербным было и общее конструктивное решение, когда носовой конус располагался прямо перед пилотируемым космическим кораблем. Куски теплоизоляции бака, отлетавшие с обтекателя ракеты, повреждали облицовку челнока, что в 2003 г. привело к катастрофе шаттла «Колумбия», который развалился во время входа в атмосферу. Тогда погибли все семь человек, находившиеся на борту.
28
Это также создало интересную геополитическую ситуацию, когда нам пришлось полагаться на русских, чтобы доставлять в космос наших астронавтов. Ракета-носитель «Союз», которая продолжает оставаться одним из самых успешных крупных средств выведения на орбиту, никогда не подвергалась никаким серьезным изменениям в конструкции. Зачем портить хорошую вещь? Соединенным Штатам следовало бы продолжать использовать ракеты «Сатурн-5».
29
Технологии, используемые в программе «Галилео», застыли на уровне 1970-х гг. Такая «техническая заморозка» характерна для всех космических экспедиций, поскольку там используются только сертифицированные для космоса компоненты. Так, например, на «Галилео» для хранения информации использовались катушки магнитной пленки. По мере того как некоторые ее сектора портились, инженеры подгружали на борт программный код, позволявший пропускать каждый новый плохой сектор.
30
Электроэнергию аппарат получал от радиоактивного распада 25 кг диоксида плутония. Поскольку период его полураспада равен 87 годам, на мощности источника энергии задержки почти не сказались.
31
В начале 1980-х гг., когда работа над программным обеспечением для «Галилео» завершилась, такой вещи, как сжатие изображений, еще не существовало. Инженеры, изучавшие новейшие технологии сжатия, основанные на вейвлетах, решили проблему передачи данных с Юпитера и разработали алгоритмы, которые должны были быть подгружены в компьютерную систему космического аппарата и тщательно протестированы на борту. Это был значительный риск для уже и так подвергшейся испытаниям экспедиции, экранированный от радиации компьютер которой равнялся по мощности выпускавшейся в то время машине Apple II.
32
Если у вас есть идея, чем можно час (или даже все утро) заниматься с целым классом школьников, сделайте доброе дело и сообщите в вашу местную школу. Учителя будут вам благодарны. А если у вас есть какое-либо качественное оборудование, например микроскопы и телескопы, которое можно пожертвовать маленькой школе, это тоже будет здорово!
33
Уильям Вордсворт – английский поэт начала XIX в., чей подход к странствиям на природе мне очень нравится. Джеймс Геттон – шотландский геолог середины XVIII в., который первоначально был фермером. Он основал седиментологию и привил западной науке представления о глубоком геологическом времени.
34
Русла пустынных потоков могут быть широкими, как река, но вода по ним течет только в период муссонов.
35
Главное зеркало Большого обзорного телескопа весит 17 тонн и имеет диаметр 8,5 м; его отлили в огромной вращающейся печи, что позволило центробежным силам придать ему почти параболическую форму. Архимед был бы впечатлен.
36
Тело сухопутного млекопитающего имеет размер порядка 1 м, потому что оно должно удерживаться вместе в гравитационном поле планеты, а это требует 10 кг кожи и еще нескольких килограммов расположенных под ней фасций и соединительной ткани, которые вертикально поддерживаются скелетом и длинными сильными мышцами. Более крупные тела требуют гораздо более прочной конструкции, бóльших расходов энергии и более крупной мускулатуры, которая выполняет больше работы. Это приводит к выделению большего количества тепла, которое нужно выводить из более массивного тела. Так что для более крупных тел самое важное – это строение; мы должны быть достаточно велики, чтобы поддерживать работоспособность большого мозга, но достаточно малы, чтобы перемещать его туда, куда нужно. То есть тот наш размер, возможно, является оптимальным для разумных существ, живущих на поверхности планеты с земной гравитацией.
37
Самый простой и недорогой способ создания трехмерных изображений – это анаглиф, где левое изображение стереопары проецируется в красном свете, а правое – в синем. Зритель надевает очки с соответствующими стеклами, которые пропускают в левый глаз только красный свет, а в правый – только синий. Мозг совмещает эти два набора данных как один черно-белый объемный объект.
38
Используя трехмерные данные сейсмической разведки с помощью радаров, мы, в принципе, можем получить для примитивного тела (ядра кометы или маленького объекта пояса Койпера) что-то похожее на КТ или УЗИ в высоком разрешении. Это достаточно простая научная задача. P. Sava and E. Asphaug, «3D Radar Wavefield Tomography of Comet Interiors,» Advances in Space Research 61, 2018.
39
Пер. С. Я. Маршака.
40
Уильям Блейк, «Прорицания невинности» (Auguries of Innocence, 1803).
41
Открытие того, что невозможно ощутить, зависит от достижений физики и инженерных наук: например, от фокусировки ионного луча с точностью до нанометров или от запуска в космос гигантского телескопа. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» должен будет закрепиться в стабильной точке L2 системы Земля – Солнце, где его сегменты соединятся, чтобы сформировать зеркало диаметром 6,5 м, в три раза больше, чем у космического телескопа «Хаббл». Поскольку там не будет никакой силы тяжести, ветра или атмосферы, а температура может быть точно отрегулирована с помощью светозащиты, мы сможем забыть о главных проблемах всех гигантских оптических зеркал. Штука только в том, чтобы доставить все оборудование на место. Это может звучать странно, но оптические телескопы диаметром в несколько километров возможны, и даже вероятны. Используя флот маленьких космических аппаратов, несущих зеркала в строго определенном порядке, мы сможем выяснить скрытые от нас пока характеристики Вселенной и ее планет. Научный прогресс идет в ногу с технологиями фиксации явлений внешнего мира.
42
Основное уравнение фотосинтеза, использующего солнечный свет для производства глюкозы, выглядит так: 6CO2 + 6H2O ⇌ C6H12O6 + 6O2. Эрозия горных пород также связана с углекислым газом, который, растворяясь в воде (например, в океане), создает слабый раствор углекислоты H2CO3, разлагающей минералы до глин и карбонатов. Если бы не фотосинтез, весь свободный кислород уходил бы на создание на морском дне грязи из минералов, смываемых в океан течением рек. Так что присутствие кислорода в атмосфере планеты является указанием на наличие там фотосинтеза, хотя существуют и абиотические пути синтеза свободного кислорода.
43
Масс-спектрометр – одно из самых замечательных изобретений в истории. Основная идея состоит в том, что вы ионизируете (изымаете один электрон) атомы, придавая им единичный заряд. Затем пучок этих ионов проходит через магнитное поле и расщепляется. Чем массивнее атом, тем меньше он отклоняется при одном и том же заряде. Так что по сути вы просто взвешиваете атомы и обнаруживаете, что в некоторых из них на один или два нейтрона больше, чем в других. У большинства элементов есть один или два стабильных изотопа, то есть изотопа, которые не подвергаются радиоактивному распаду, превращаясь в другие элементы. Очень интересен элемент ксенон, у которого стабильных изотопов восемь (132Xe, 129Xe, 131Xe, 134Xe, 130Xe, 128Xe, 124Xe, 126Xe). Поскольку ксенон является благородным газом и не вступает в реакции с другими веществами, соотношение этих изотопов остается постоянным на протяжении геологической эволюции планеты и ее атмосферы, за исключением тех случаев, когда присутствует разделение их по массе. Каждый элемент и его изотопы рассказывают свои истории: ксенон говорит об атмосферах, кислород – об оксидах (горных породах и воде), гафний дает информацию о формировании ядра, а свинец – о кристаллизации.
44
О том, как возникло разнообразие в изотопном составе кислорода, идут бурные споры. Кислород Солнца на 7 % легче (более обогащен 16О) по сравнению с любым метеоритом или с горными породами на Земле, Луне и Марсе. Выходит, что некие процессы в туманности отводили более легкий кислород в значительном количестве. Возможно, это напоминало то, как при замерзании и таянии ледников легкий кислород может вытесняться и накапливаться на Земле. Эти процессы вытеснения шли в разных местах по-разному, создав различные резервуары кислорода на расстояниях орбиты Марса и орбиты Земли. По крайней мере, такова гипотеза.
45
Для полноты картины не будем упускать возможность того, что достаточно крупный фрагмент станет околоземным объектом марсианского происхождения, а затем разрушится, бомбардировав Землю марсианскими метеоритами.
46
А как насчет метеоритов, выброшенных с Земли и снова вернувшихся на нее тысячи или даже миллионы лет спустя? Горные породы легко выбрасываются с поверхности Луны в ходе образования кратеров достаточно скромного размера, и они с большой вероятностью падают на Землю, если им удается вырваться из пут лунного тяготения. С Землей все по-другому. Она обладает мощной атмосферой, так что только очень крупный импактный кратер может извергнуть большое количество осколков, которые смогут преодолеть значительную гравитацию Земли. Почти все они в течение миллиона лет либо столкнутся с Землей, либо будут рассеяны, так что, если только крупный кратер не появился на нашей планете достаточно недавно (а такого не было), метеоритов с Земли будет очень мало, если они вообще будут. Как мы обсудим ниже, порода, изверженная из древних крупных кратеров на Земле, с большей вероятностью может сохраниться на геологически неактивной Луне.
47
Да, такая наука существует. Это то, что случается, когда геолог не может решить, не биолог ли он, но проводит почти все свое время в химической лаборатории, анализируя образцы.
48
«А как же Марс?» – спросите вы. На Марсе так холодно, что его климат определяется не тройной точкой воды, а точкой замерзания углекислого газа. Именно из него состоит марсианская атмосфера, и какая-то часть этого газа затвердевает каждую зиму, образовывая новый слой полярной шапки. Вода на Марсе практически всегда пребывает в твердом состоянии, и ее немного.
49
На латыни слово sapiens означает «разумный», хотя к Homo sapiens это не всегда применимо.
50
Интерфейс просмотра изображений LROC и его домашняя страница на сайте Университета Аризоны находятся здесь: http://lroc.sese.asu.edu.
51
Интерфейс просмотра изображений HiRISE Университета Аризоны находится здесь: https://www.uahirise.org.
52
Масштаб говорит нам, сколько метров укладывается в один пиксель изображения. Это не то же самое, что разрешение снимка, которое в два или три раза больше первой цифры и определяется размером самых мелких различимых деталей изображения.
53
NASA требует, чтобы все научные данные экспедиций архивировались и выкладывались в открытый доступ обычно не позднее чем через шесть месяцев после окончания полета.
54
Примерно тот же объем видеоданных каждый день загружался на YouTube в 2016 г.
55
На самом деле тысячелетие соответствует примерно 30-кратному повторению приставки пра-.
56
Научный руководитель экспедиции Алан Стерн и его соавтор Дэвид Гринспун пишут об этом в книге Chasing New Horizons: Inside the Epic First Mission to Pluto (Picador: New York, 2018). Русский перевод: Стерн А., Гринспун Д. За новыми горизонтами. – М.: Альпина нон-фикшн, 2019.
57
Пер. В. Малявина.
58
Поскольку наука была сферой деятельности почти одних мужчин, эти вехи оставлены практически исключительно ими, и так продолжалось до начала ХХ в. Выдавливание из научного сообщества амбициозных и творческих ученых-женщин ограничивало возможности науки и тормозило ее развитие. Это сейчас меняется, и последствия таких изменений огромны.
59
Николай Коперник избежал суровых последствий, так как его сочинение было опубликовано незадолго до смерти. Трактат «О вращении небесных сфер» (De revolutionibus orbium coelestium) вышел в свет в 1543 г. в Нюрнберге.
60
В те времена, как и сейчас, данные были важнее всего: когда в 1601 г. умер Тихо Браге, Кеплер унаследовал все записи о наблюдениях, проведенных его наставником. Эти записи и стали той основой, на которой Кеплер выстроил свою теорию движения планет.
61
Пер. Я. Емельянова, Ю. Верховского, А. Эфроса.
62
Тридцать лет спустя, когда Галилей подвергся гонениям из-за своего утверждения, что Земля обращается вокруг Солнца, он отрекся от своего учения и обратился к другим сферам деятельности. Труды Галилея были запрещены, и он жил под домашним арестом до самой смерти в 1642 г. Есть мнение, что в частных беседах он продолжал настаивать: «А все-таки она вертится!»
63
Normand Falardeau (MA thesis, Creighton University, 1962). Вот отрывок из «Сна», где Кеплер описывает тех, кто может отправиться в путешествие на Луну (Леванию). Он дает представление, почему Джонатан Свифт был так увлечен сочинениями Кеплера и как они вдохновили его на «Путешествия Гулливера»:
Остров Левания лежит в пятидесяти тысячах германских миль над Землей в эфире. Путь с Земли на Леванию или с Левании на Землю редко бывает открытым. Если путь открыт, то мы, духи, преодолеваем его легко. Переносить же по нему людей чрезвычайно трудно и опасно для их жизни. Мы не допускаем в свою компанию людей вялых, тучных или болезненных, но охотно берем с собой тех, кто проводит время, непрестанно упражняясь в верховой езде, или часто совершает плавания в Индии, кто привык питаться сухарями, чесноком, вяленой рыбой и прочей малоаппетитной провизией. (Здесь и ниже – пер. Ю. А. Данилова.)
Должно быть, это были астронавты. И, показывая, что он понимает, что такое ускорение и инерция, ниже автор описывает их ощущения в начале полета:
Всякий раз отправление действует на человека подобно сильнейшему удару, поскольку он ощущает такой толчок, будто им выстрелили из пушки и он летит через горы и моря. Поэтому, прежде чем отправляться в путешествие, человека необходимо усыпить наркотиками и опиумом. Все члены тела надлежит расположить так, чтобы туловище не оторвалось от зада, а голова от туловища и удар распределился по всем членам. Затем возникает новая трудность: сильный холод и затрудненность дыхания. Холод мы умеряем присущей нам от природы силой, а дыхание облегчаем, прикладывая к ноздрям смоченную водой губку.
64
Из N тождественных правильных многоугольников можно составить только пять правильных многогранников, или платоновых тел (N в данном случае может быть любым числом). Первый – это тетраэдр, четыре треугольника, три из которых сходятся в каждой вершине. Куб состоит из шести квадратов, сходящихся по три в каждой вершине. Октаэдр – восемь треугольников, по четыре в вершине. Додекаэдр – 12 пятиугольников, по три в вершине. Икосаэдр – 20 треугольников, по пять в вершине. Это все, других нет.
65
В древнегреческих и древнекитайских астрономических памятниках есть указания на существование Урана, поскольку его можно разглядеть невооруженным глазом (только иногда и с трудом). Но Кеплер, кажется, об этом не знал.
66
Дома, построенные на граните, следует проверять на наличие радона, который является одним из элементов в цепи ядерного распада от урана до свинца. Также, на случай, если вам интересно: символ Pb происходит от латинского plumbum, отсюда и английское слово plumber (водопроводчик) – человек, который работает со свинцовыми трубами и пайкой.
67
Сила притяжения между двумя телами массой m и M, разделенных расстоянием r: F = GmM/r2, где G – это универсальная гравитационная постоянная, число, которое, по всей видимости, является одинаковым для всей Вселенной. Сила, удерживающая вас на стуле, это ваша масса m, умноженная на массу Земли M, деленная на радиус Земли r в квадрате, и все это умножается на постоянную G = 6,6741 × 10–11 м3 кг-1с-2. Размерность м3 кг-1с-2 – это то, что нужно, чтобы получить силу при умножении постоянной на mM/r2, где масса измеряется в килограммах (кг), а радиус Земли – в метрах (м). Если вы весите 100 кг, то сила, удерживающая вас на стуле, составляет 981 кг м/с2 или 981 ньютон. Разделите эту силу на вашу массу и получится, что каждый килограмм вашего тела испытывает силу в 9,81 ньютона. Второй закон Ньютона гласит, что сила равна массе, умноженной на ускорение, F = ma, иначе говоря, ускорение, которое вы ощущаете на поверхности Земли: а = F/m, то есть 9,81 м/с2. То есть после одной секунды свободного падения яблоко ударит вас по голове со скоростью 9,81 м/с.
68
Перигелий Меркурия (точка, где планета ближе всего к Солнцу) ap = 0,31 а.е., в то время как афелий (самая дальняя точка от Солнца) аа = 0,47, так что эксцентриситет орбиты e = (aa – ap)/(aa + ap) = 0,21. У идеальной круговой орбиты e = 0, а у Земли e = 0,017. Вы можете нарисовать идеальный эллипс с помощью двух кнопок, нитки и листа бумаги. Воткните одну кнопку там, где должно быть Солнце, а другую – на некотором расстоянии, которое представляет собой эксцентриситет. Сделайте между кнопками нитяную петлю с некоторой слабиной, натягивайте ее карандашом и перемещайте его по бумаге так, чтобы нить оставалась натянутой. В итоге вы начертите эллипс.
69
Чертежный прибор с зубчатыми дисками для рисования спиральных узоров. – Прим. науч. ред.
70
Всю жизнь Ньютон был набожным христианином, доказав, что человек может радикально поменять свой взгляд на мир, не поколебав свою веру.
71
Третий закон Кеплера в обозначениях закона всемирного тяготения Ньютона выглядит следующим образом: P2 = 4π2a3/G (M + m), где P – период (время, за которое тело делает оборот по орбите), а – радиус орбиты, G – гравитационная постоянная G = 6,67 × 10–8 см3г–1с–2, М и m – массы, причем массой m можно пренебречь, если M гораздо больше. Чем крупнее планета (то есть больше M), тем короче период (быстрее оборот), наподобие того, как камень в праще вертится быстрее, если вы сильнее тянете за веревку.
72
Philip C. England, Peter Molnar, and Frank M. Richter, «Kelvin, Perry, and the Age of the Earth.» American Scientist 95 (2007): 342–49.
73
Кельвин был правоверным христианином, который стремился буквально читать библейские тексты, одновременно доводя физические рассуждения до их логического завершения.
74
Радиоактивные элементы концентрируются в породах коры, так как в то время, когда затвердевала земная мантия, радиоактивные атомы оказались несовместимыми – то есть они не находили себе места в формирующихся кристаллах. (Более понятный пример – соленая вода: когда вы замораживаете ее, она становится еще солонее, потому что в кристаллической решетке льда не находится места для атомов соли.) В итоге они по большей части оставались в жидкой фазе. Излияния и внедрения, которые приводили к образованию пород коры, были, таким образом, обогащены этими несовместимыми радиоактивными элементами. Подобным образом в лунной магме создался слой повышенной концентрации урана и тория (слой KREEP), что мы обсудим ниже.
75
Он оценивал приливную диссипацию внутри Земли, опираясь на современное состояние континентов и океанов. Чтобы затаскивать эти океаны на побережье и возвращать обратно, требуется много энергии, так что диссипация велика, как и скорость расширения орбиты. Но бóльшую часть геологической истории Земли на ней был только один суперконтинент и один суперокеан (или просто океан без каких-либо континентов), так что диссипация была меньше.
76
Для этих измерений проблему представляло загрязнение свинцом, ведущее к большим погрешностям в рассчитанном возрасте, так что Паттерсон разработал протокол организации чистой комнаты для определения свинца. В результате он стал ведущим специалистом по повсеместному распространению в окружающей среде промышленного свинца, о котором до этого никто и не подозревал. Это привело к тому, что из бензина, красок и муниципальных систем водоснабжения были устранены токсичные свинцовые примеси.
77
Циркон – это силикатный минерал ZrSiO4, в состав которого входит элемент цирконий Zr. Циркон формируется при высокой температуре и сохранился в некоторых самых древних горных породах не только на Земле, но и в лунных образцах и древних метеоритах. Когда циркон кристаллизуется, уран встраивается в его решетку в измеримых количествах, но со свинцом этого не происходит. Таким образом, получается великолепный хронометр. (Уран совместим с этой кристаллической структурой, замещая Zr и, следовательно, оказываясь в кристаллах. Свинец несовместим и не находит себе в них места; таким образом любой свинец, который вы обнаружите в кристалле циркона, образовался в результате ядерного распада.)
78
Еще один подход называется датированием по следам распада. Когда ядра урана внутри силикатного кристалла разрушаются, они испускают частицы, которые повреждают кристаллическую решетку. Следы распада можно увидеть под микроскопом как свидетельства прошедшего времени, миллиардов лет. Также можно поискать следы космического излучения; они могут рассказать, как долго будущий метеорит находился на поверхности астероида, Луны или другого не имеющего атмосферы тела, подвергаясь воздействию быстрых нейтронов и других высокоэнергетических частиц, которые пробивают слой камня на десятки сантиметров вглубь и вызывают радиационные повреждения. Кстати, именно поэтому любому долговременному убежищу для астронавтов нужна защита от излучения, эквивалентная метровому слою камня.
79
Тем не менее забавно, что при этом мы способны восстановить последовательность событий, происходивших в маленькой долине в течение двух часов в тот день, когда упал метеорит, вызвавший событие К/Т!
80
Правило названо в честь опубликовавшего его физика и математика Иоганна Тициуса из Виттенбергского университета, а также человека, который популяризовал эту теорию, – Иоганна Боде, директора Берлинской обсерватории.
81
Когда планеты не разрешены, то есть выглядят просто как точки света, мы можем судить об их размере только по яркости свечения, поскольку чем больше их площадь, тем больше солнечного света они отражают. Но яркость зависит и от их альбедо – от того, насколько светлым или темным является их вещество (то есть снег ли это, грунт или уголь). Церера значительно темнее Луны, а ее диаметр в четыре раза меньше.
82
Мы не видели большинство планет во многих системах. Поскольку информация не полна, при определенной подгонке (подобно тому, как первый ноль без достаточных оснований соединяется с прогрессией 3, 6, 12, …, чтобы включить Меркурий в правило Тициуса – Боде), больших измерительных и других ошибках, а также допуске некоторых исключений (например, астероидов) правило Тициуса – Боде можно применить практически к любой системе. В системе экзопланет, обнаруженной методом прохождений, мы можем и не увидеть планету размером с Нептун, орбита которой наклонена по отношению ко всей системе. В одной статье на основании правила Тициуса – Боде (или его вариантов) были сделаны предсказания положения определенного числа недостающих планет, и в нескольких случаях их там и обнаружили!
83
Однажды ночью мне в голову пришел такой вопрос: существует ли такая вещь, как «сегодня», раз с чьей-то точки зрения мы всегда находимся в прошлом?
84
Словом γᾰλαξίας, «галаксиас», греки называли Млечный Путь. Оно произошло от греческого слова γάλα, «молоко», в честь разлившегося по небу молока Геры.
85
В целом любое газовое облако имеет свою скорость звука – например, скорость звука в воздухе на Земле. Она является функцией от температуры и плотности газа. Если газ «густой», со скоростью звука большей, чем скорость коллапсирования, то морщины будут разглаживаться быстрее, чем происходит образование сгустков. Если установить эти параметры равными друг другу (скорость гравитационного коллапса равна скорости звука), это дает характерный линейный масштаб, определяющий массы капель, которым предстоит стать звездами. Именно так работают астрофизика и планетарная геофизика – сравнивая что-то с чем-то и определяя характерные масштабы размеров и времен.
86
Космический год, один оборот Галактики вокруг своей оси, составляет от 225 до 250 млн лет. Так что за 4,6 млрд лет мы сделали 18–20 оборотов.
87
Магеллановы Облака – наши крупнейшие галактики-спутники. Древние европейские астрономы их не знали. Чтобы их увидеть, до появления астрофотографии приходилось совершать далекое путешествие с дорогостоящим оборудованием.
88
Туманность Андромеды, ближайшая к нам независимая галактика, в три раза массивнее нашей, в ней триллион звезд. Хотя Вселенная расширяется, Туманность Андромеды постепенно движется к нам со скоростью 110 км/с. Это означает, что через 4 млрд лет, как раз перед тем, как Солнце превратится в красного гиганта, она столкнется с нашей Галактикой.
89
Более математически проработанный вариант этой модели, включающий в себя предсказание масс планет, был предложен прославленным французским математиком Пьером-Симоном де Лапласом в 1790-е гг.
90
Ионизированный атом избавлен от одного или более электронов; таким образом он приобретает общий положительный заряд.
91
Хол Левинсон (один из авторов модели Ниццы и научный руководитель полета аппарата «Люси») однажды сказал мне: «Дай человеку молоток, и для него все будет выглядеть как гвоздь». На что я ответил: «А все и является гвоздями».
92
Как обсуждается ниже, свет от звезды представляет собой не непрерывный спектр. Линии поглощения и излучения соответствуют определенным энергетическим переходам в атомах гелия, водорода, кальция, железа и других элементов. Поэтому, чтобы количественно оценить красное смещение, ученые замеряют сдвиг узнаваемых спектральных линий.
93
Согласно современной космологии, пространство со временем расширяется повсюду. Свет не распространяется относительно нас с большей длиной волны, как это происходит, когда вдоль улицы катится вой сирены: ее тон выше, когда машина едет к нам, и ниже, когда от нас. Вместо этого световые волны разрежаются по мере движения, потому что пространство, в котором они движутся, расширяется. Чем дольше они путешествуют сквозь космос, тем сильнее удлиняются. Это и называется красным смещением, которое отличается от эффекта Доплера.
94
По иронии судьбы первая оценка Хаббла для этой постоянной переоценила скорость расширения почти в десять раз. Получалось, что возраст Вселенной составляет менее 2 млрд лет. Это вызывало вопросы, потому что к концу 1920-х гг. радиоизотопное датирование по свинцу уже показало, что самые древние горные породы и метеориты в два раза старше. Другая отрасль астрофизики тоже свидетельствовала, что 2 млрд лет – слишком короткий срок, поскольку по термоядерной модели эволюции звезд самые старые звезды были на десятки миллиардов лет старше! Выяснилось, что Хаббл неверно интерпретировал расстояние до галактик (ошибившись где-то в десять раз), не поняв, что некоторые из объектов в соседних галактиках являются не звездами, а скоплениями из тысяч звезд.
95
Радиоизотопное датирование метеоритов и динамическая модель аккреции, описанная позже, дали согласующиеся результаты – от 1 до 3 млн лет для первых планетных тел вроде Марса и Меркурия и от 10 до 100 млн лет для гигантских столкновений, создавших Землю и Венеру. Самые распространенные древние метеориты, хондриты, сформировались в течении первых 0,3–3 млн лет, а самые древние метеориты, среди которых много железных, а также богатые кальцием и алюминием включения внутри первичных хондритов, образовались за первые 0,3 млн лет.
96
Конечно, если мы не видим их (то есть не получаем разрешенного изображения), тогда мы вынуждены догадываться, что же в действительности означает инфракрасный всплеск. Самый простой ответ – это протопланетный диск. Но для некоторых самых необычных наблюдений выдвигалось даже предположение об «инопланетных мегаструктурах». Тут я настроен скептически. При образовании звезд, как и при образовании планет, возникают кольца вещества, которые подогреваются таким образом, который хорошо согласуется с данными инфракрасных наблюдений. Странные, меняющиеся со временем системы – это вовсе не инопланетные мегаструктуры на разных этапах строительства (хотя, возможно, парочка таких во Вселенной и найдется…), но просто еще одна система в ходе сталкивания своих молодых планет.
97
Телескопы (тарелки диаметром в 7 или 12 м) размещаются оптимальным образом в зависимости от природы наблюдений – например, нужна ли вам максимальная чувствительность или максимальное разрешение снимка. Каждый телескоп на самом деле представляет собой точно откалиброванную радиоантенну гигагерцевого диапазона; полученные ими сигналы складываются в изображения.
98
Спектральные линии йода и других элементов сдвинуты в свете этих звезд относительно спектральных линий аналогичных веществ на Земле.
99
Открыта швейцарскими астрономами Мишелем Майором и Дидье Кело в 1995 г. См.: Michel Mayor and Didier Queloz, «A Jupiter-Mass Companion to a Solar-Type Star,» Nature 378, no. 6555 (1995): 355–59.
100
Область, где огромный вклад внесли астрономы-любители, – это последующие наблюдения предсказанных прохождений. Небольшие вариации во времени прохождений, связанные с гравитационным воздействием других планет системы, могут быть измерены с помощью небольших телескопов.
101
Для того чтобы различить 100-километровые структуры на поверхности планеты, обращающейся вокруг звезды в 30 световых годах от Земли, нам понадобится разрешение в 50 миллиардных угловой секунды. Разрешение телескопа обратно пропорционально его диаметру, так что такой массив телескопов должен иметь линейные размеры как минимум в 20 км, причем отдельные устройства должны быть размещены с погрешностью ниже длины волны, то есть менее одной десятитысячной миллиметра. Более того, поскольку планеты в миллиард раз тусклее, чем звезда, вокруг которой они обращаются, каждый телескоп в массиве должен иметь заслонку или какое-то другое приспособление, блокирующее звездный свет. Все это может показаться невозможным, но то, что сегодня стало рутинными астрономическими наблюдениями, 30 лет назад казалось почти чудом.
102
Или в двойную (или тройную) звезду. Двойные звезды на самом деле более распространены, чем одиночные, такие как наше Солнце; мы видим на небе всего несколько из них, потому что по большей части одна из звезд во много раз тусклее другой или они расположены очень близко друг к другу.
103
По-видимому, у звезд с высокой металличностью есть склонность иметь на близких орбитах газовые гиганты. Возможно, это происходит из-за того, что при наличии большого количества таких элементов твердые тела рано конденсируются и собирают водород и гелий до того, как их развеет звездный ветер.
104
Если внешняя фотосфера звезды хорошо перемешана, тогда ее металличность говорит о составе звезды в целом, за исключением продуктов термоядерного синтеза в ядре. Это, в свою очередь, может указывать и на состав и молекулярного облака, из которого возникла звезда, и системы планет, которая сформировалась вокруг нее.
105
По мнению астронома Джонатана Фортни, у примерно 1 % солнцеподобных звезд соотношение С: О может быть около 0,8–1,0. См.: «On the Carbon-to-Oxygen Ratio Measurement in Nearby Sunlike Stars: Implications for Planet Formation and the Determination of Stellar Abundances,» Astrophysical Journal Letters 747 (2012).
106
В случае с углеродной планетой верхние слои коры могут быть слабее, чем нижние: графит расположился бы там над алмазами. Возможно, эта ситуация аналогична земному ледяному щиту на гранитном основании.
107
По иронии судьбы сегодня к воздействию коронального выброса массы наиболее уязвима наша искусственная сеть, потому что связанный с этим событием электромагнитный импульс может нарушать работу больших участков электросети на срок от нескольких недель до двух лет. В 1859 г. самый крупный за всю современную историю выброс коронального вещества вызвал искры в телеграфных отделениях и великолепные северные сияния. В 2013 г. лондонская страховая компания Lloyd's оценила, что ущерб от подобного коронального выброса в современных США составит от 0,6 до 2,6 трлн долларов.
108
Pierre Kervella et al., «The Close Circumstellar Environment of Betelgeuse V. Rotation Velocity and Molecular Envelope Properties from ALMA,» Astronomy & Astrophysics 609 (2018).
109
Верхний индекс соответствует суммарному количеству протонов и нейтронов в ядре – это называется атомной массой.
110
Возможно, именно благодаря килоновым в космосе появились более тяжелые элементы, такие как золото и молибден.
111
Первая гравитационная волна была зарегистрирована лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) в сентябре 2015 г. Она была вызвана слиянием двух черных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет от Земли.
112
Аристотель, «Вторая аналитика».
113
Подобно Конфуцию и другим классикам ранней античности, Пифагора помнят отчасти как человека, а отчасти – как олицетворение периода или школы мысли. Одна из легенд гласит, что Пифагор был смертным сыном Аполлона.
114
Мы говорим, что такие города, как Асуан, находятся на Тропике Рака, около 23° к северу от экватора, или на противоположном ему Тропике Козерога к югу, где в полдень в день солнцестояния Солнце стоит в зените.
115
В дни своего расцвета в III и II вв. до н. э. Александрийская библиотека насчитывала десятки или сотни тысяч египетских сочинений по математике и естественным наукам, а также тысячи переведенных работ из Вавилона и Африки. Китайские и индийские ученые труды, уходящие вглубь веков на тысячи лет, дошли до нас так же фрагментарно. Вавилоняне, особенно в VIII и VII вв. до н. э., были самым передовым народом своего времени и оставили наиболее подробные астрономические записи: например, они обнаружили, что последовательность лунных затмений имеет периодичность в 223 месяца. Они поставили астрономию на фундамент измерений, введя фиксацию времени и углов. (Когда в 331 г. до н. э. Александр Македонский захватил Вавилон, астронома Кидинну зарубили мечом, видимо за то, что он отказывался переводить астрономические таблицы.) В Западном полушарии до нас дошли только намеки на значительное астрономическое наследие древних майя, ацтеков и инков; эти и другие американские культуры были стерты с лица земли испанцами, которые намеренно уничтожили все их письменные источники; то, что сохранилось, – это в основном курганы. Подобным же образом в Камбодже и Центральной Африке мы можем только гадать о том, что их древние обитатели думали об астрономии и математике, по намекам, которые находим в развалинах храмов, на резных изображениях и в табличках.
116
Оценка Эратосфена основывалась на том, сколько времени требуется пешеходу, чтобы преодолеть определенное расстояние, и, таким образом, была приблизительной. Были возможны и прямые измерения с помощью канатов, но только небольших расстояний. Греческому стадию подобна английская мера длины фурлонг, которая соответствует длине борозды при вспашке – одна восьмая мили или десять чейнов. (Площадь прямоугольника в один чейн на один фурлонг равна одному акру.) Как следует из названия (англ. chain – «цепь»), чейн состоит из 100 линков («звеньев»), которые землемеры носили с собой.
117
Естественная единица измерения углов – это радиан, который определяется как расстояние по дуге вдоль окружности, деленное на радиус этой окружности. Так что 2π радианов – это одна полная окружность, 360°. Размер Луны, деленный на расстояние до нее, равен угловому диаметру Луны в радианах. Луна занимает 0,5°, то есть это половина 1/360 от 2π, примерно 1/110 радиана. Таким образом, диаметр Луны – это 1/110 расстояния до нее.
118
Если Земля – это баскетбольный мяч под кольцом площадки стандартного размера, то в этом же масштабе Луна – это теннисный мячик на трехочковой линии. Солнце – 25-метровый бассейн в 2,8 км к востоку. Крупные астероиды в околоземном пространстве – это крупинки соли, рассыпанные по баскетбольной площадке. Астероиды Главного пояса находятся в нескольких километрах, некоторые из них размером с виноградину или изюмину, но большинство примерно как зерна риса.
119
Владелец ресторанчика, где я часто бываю, по словам официанта, непреклонно верит в то, что Земля плоская. Также он полагает, что мир окружен прозрачным куполом, а радуга появляется, когда солнечные лучи преломляются сквозь него. Возможно, он верит, что Солнце везет по небу Гелиос. (Да, это пиццерия.)
120
В этом коротком письме пересказывается содержание гораздо более объемного труда, который был утерян.
121
Помимо изобретения экспоненциального представления, Архимед придумал, как совершать действия с числами произвольной величины. Деление двух больших чисел состоит в том, чтобы вычесть их степени: 10а/10b = 10a-b. Их произведение можно получить, сложив степени: 10а × 10b = 10a+b. (Заметьте, что между значением, к которому пришел Архимед, и числом, которое получил я, используя предполагаемый им размер Вселенной и диаметр песчинки, есть расхождение, но спорить об этом бессмысленно, потому что труд Архимеда утерян.)
122
Первое равенство вы можете доказать, записав уравнение ½ + ¼ + … = х, затем удвоив его: 1 + ½ + ¼ + … = 2х, а затем следует вычесть уравнения. Вуаля! Все члены сокращаются, и вы получаете х = 1. Во втором случае вы начинаете с квадратного листа бумаги, делите его на четыре равных по размеру квадрата, делите их на равные по размеру квадраты и так далее. Посмотрите, получится ли у вас это доказать.
123
Устаревшая британская и американская единица длины, равная 20,1168 м. – Прим. пер.
124
Неметрическая единица длины, применяемая в США и Великобритании, равная 5,0292 м. – Прим. пер.
125
Британская и американская единица длины, равная 201,168 м. – Прим. пер.
126
Когда активность Солнца велика, солнечные протоны высокой энергии представляют опасность для астронавтов, но они очень ценны для ученых, потому что прощупывают то, что находится в верхнем метре реголита, куда могут проникнуть. Там, где в этом верхнем метре присутствует вода в любой форме (то есть в затененных районах или у полюсов), будет происходить ослабленное отражение солнечных протонов, потому что входящий протон с большей вероятностью столкнется с другим протоном, а именно с атомом водорода в составе воды. Это погасит его скорость, не дав ему отскочить. Столкновение с массивным атомом отразит протон. Именно благодаря тому, что солнечные протоны бьются в лунную поверхность и многие из них внедряются в нее как водород, мы узнали, что кое-где на Луне много подповерхностной воды.
127
Если вы не знакомы с «Микрографией», предлагаю вам почитать ее, а потом вернуться сюда: http://www.gutenberg.org/ebooks/15491.
128
Слово «кратер» происходит от греческого κράτηρ – церемониальный сосуд для вина. Вам нужно знать контекст, чтобы разобраться, является ли данная геологическая особенность вулканическим или импактным кратером.
129
Пусть D будет линейным охватом фотоизображения – сколько метров поверхности вы видите. Площадь изображения составит D2. Теперь, если количество кратеров размера D на единицу площади планеты пропорционально D-2, количество кратеров на любом снимке будет постоянным, неважно, какое расстояние при этом вас отделяет от планеты. Степени сокращаются, так что этот идеальный пейзаж будет казаться одинаковым при любом увеличении.
130
Теперь из результатов компьютерного моделирования мы знаем, что железное ударяющее тело рассеялось бы при взрыве, так что в кратере мало что можно было бы обнаружить.
131
У меня хранятся несколько старых карт различных регионов Луны, оставшихся от естественно-научного семинара программы «Аполлон», проходившего в новом кампусе Калифорнийского университета в Санта-Крус в 1967 г. На картах имеются карандашные пометки, которые были сделаны в тот же период, – например, что цепочка кратеров, отходящая от 93-километрового кратера Коперник, представляет собой «зарождающиеся вулканы». Сегодня мы знаем, что они являются вторичными импактными кратерами, возникшими при падении фрагментов, изверженных из первичного кратера.
132
Первым и пока единственным геологом, шагнувшим на поверхность Луны, стал доктор Харрисон Шмитт с «Аполлона-17».
133
Идею о выживании слабейших в 1970-е и 1980-е гг. отстаивал Дональд Дэвис, астрогеофизик из обсерватории в Тусоне. Помимо прочего, он был соавтором идеи об образовании Луны в результате гигантского столкновения. (Не следует путать его с Доном Дэвисом, художником, чьи работы использованы в этой книге.) Реагируя на открытие мегакратеров на астероиде Матильда, Дэвис ссылался на деревянные ребра прочности в стенах глинобитных фортов Юго-Восточной Аризоны, как на пример того, как пористый астероид может противостоять фатальным на первый взгляд столкновениям. См.: E. Asphaug, «Survival of the Weakest,» Nature 402 (November 11, 1999): 127–28.
134
Margarita Marinova, Oded Aharonson, and Erik Asphaug, «Geophysical Consequences of Planetary-Scale Impacts into a Mars-Like Planet,» Icarus 211, no. 2 (2011): 960–85.
135
Gregor Golabek et al., «Coupling SPH and Thermochemical Models of Planets: Methodology and Example of a Mars-Sized Body,» Icarus 301 (2018): 235–46.
136
Радиолокатор с синтезированным раскрывом антенны создает волновое поле и использует направление движения космического аппарата, чтобы сконструировать «диафрагму», с помощью которой можно сфокусировать отраженные изображения. Да, это сложно, но это работает.
137
Первоначально его идеи высмеивали.
138
Цикл образования океанического бассейна, его закрытия и восстановления единства континента называется циклом Вилсона в честь канадского геофизика Джона Вилсона. Временной масштаб тут составляет от 200 до 300 млн лет, и это в несколько раз больше среднего возраста океанической коры.
139
Все это смесь теории и догадок, но она подкрепляется данными сейсмологии. Визуализация данных о скорости распространения сейсмических волн показывает: теплые (с низкой скоростью) материалы поднимаются под рифтами, подталкивая их вверх, а плотные (с высокой скоростью) мантийные струи погружаются с краями плит. Сейсмология использует данные, полученные во время землетрясений, чтобы создать отображение того, как быстро упругая энергия распространяется внутри различных слоев и регионов Земли. Через холодные твердые плиты и в твердом внутреннем ядре волны движутся быстрее, чем через частично расплавленную мантию или через жидкое внешнее ядро. В результате обработки огромного количества данных от множества станций получается трехмерная модель скорости распространения сейсмических волн. Так что вы можете «видеть» (хоть и очень нечетко) зоны с низкой скоростью, наполненные горячей кашицей из кристаллов, и быстрые зоны, соответствующие холодными, опускающимися вниз плитами. «Кладбище плит», оставшееся от древней тектоники, как предполагается, находится в низкоскоростной зоне сейсмических отражений на границе ядра и мантии.
140
Вариант творческого подхода к геологии катархея можно найти в статье M. Santosh, T. Arai, and S. Maruyama, «Hadean Earth and Primordial Continents: The Cradle of Prebiotic Life,» Geoscience Frontiers 8, no. 2 (2017): 309–27.
141
Чикшулуб образовался одновременно с Деканскими траппами, расположенными там, где сейчас находится Центральная Индия. Это большая магматическая провинция, которая также должна была очень значительно, но более постепенно изменять атмосферу из-за высвобождения больших объемов газов из мантии. Хотя судя по всему определенные экосистемы уже приходили в упадок, мел-палеогеновое вымирание было вызвано столкновением с астероидом.
142
Столкновение оказало особенно значительное влияние на биологию, потому что астероид попал в осадочные отложения, из которых в атмосферу высвободились значительные количества сульфатов в виде аэрозолей и взвеси мелких частиц. Реагируя с водой сульфат-ионы образуют серную кислоту, которая понизила pH океанов до того уровня, при котором растворился известковый планктон в верхней сотне метров океана.
143
Мощные толщи известняка отложились поверх кратера Чикшулуб после столкновения. Сегодня здесь можно обнаружить несколько самых замечательных из всех когда-либо исследованных пещер. Знаменитые мексиканские сеноты – окруженные высокими стенками известняковые озера, которые украшают календари майя в тусонских закусочных, – появились в результате карстовых провалов в третичных известняковых образованиях вокруг Чикшулуба. По мере эрозии верхних слоев километровый слой отложений растягивался, и это приводило к возникновению трещин и лабиринтов пещер. Подозреваю, что подповерхностный океан подверженного приливным силам и испещренного кратерами Ганимеда имеет сеть пещер, протянувшуюся на тысячи километров.
144
В конце концов его обнаружили в данных сейсмологической разведки мексиканской государственной нефтегазовой компании Petróleos Mexicanos (PEMEX). Эта детективная история сама по себе примечательна начиная с первоначальной находки, сделанной в конце 1970-х гг. геологом-нефтяником Гленом Пенфилдом, и заканчивая «открытием открытия» аспиранта-планетолога (в те времена) Алана Хилдебранда.
145
Пер. М. Лозинского.
146
Атомы водорода, в ходе термоядерного синтеза сливаясь в атомы гелия, каждый раз теряют немного массы, потому что структура ядра становится более прочной; согласно уравнению Эйнштейна E = mc2, при этом высвобождается энергия. Из-за термоядерного синтеза Солнце теряет массу со скоростью 4 млн тонн в секунду, но вырабатывает энергию. Наша Галактика теряет в виде mc2 примерно одну солнечную массу каждую тысячу лет.
147
Время образования ударного кратера тем больше, чем крупнее само событие, – это легко понять. Другие физические характеристики также «масштабируются». Анализ «методом размерностей» основан на том факте, что, какое бы уравнение вы ни вывели, размерности величин должны соответствовать. Если это уравнение скорости чего-то, результат должен быть в метрах в секунду. Все на свете можно представить через фундаментальные единицы или размерности: время (секунды, с), расстояние (метры, м) и масса (килограммы, кг). Другие единицы выводятся из них: скорость (расстояние за единицу времени, м/с), плотность (масса на единицу объема, кг/м3), ускорение (скорость на единицу времени, м/с2), сила (кг ∙ м/с2) и так далее. Предположим, вам нужно уравнение для диаметра кратера (м), а все, что вы знаете, – это скорость ударяющего тела (обычно 15 000 м/с), ускорение свободного падения (1,6 м/с2 для Луны) и плотность (2700 кг/м3 для лунной коры). То, что размерность должна соответствовать, оставляет вам очень узкий набор математических уравнений. Затем вы ставите эксперименты в лаборатории, подгоняете уравнения к данным, и в результате появляются законы масштабирования. Именно так ученые используют лабораторные эксперименты и данные, полученные во время испытаний ядерного оружия, чтобы предсказывать физические характеристики ударного кратерообразования с масштабами в сотни и тысячи километров.
148
Именно так работает силовой гироскоп, контролирующий положение космического аппарата: мотор раскручивает маховик, так что аппарат крутится в другую сторону, и вы можете направлять его туда и сюда, ориентируя солнечные панели на Солнце.
149
С помощью небольших геометрических расчетов вы можете доказать, что вероятность такого столкновения пропорциональна sin (2θ), где θ – это угол удара. Пик этой функции приходится на 45°, а вероятность идеального лобового столкновения стремится к нулю, sin (0) = 0, как и столкновения по касательной, sin (2·90°) = 0.
150
Постоянная Ньютона G = 6,672·10–8 кубических сантиметров на грамм в секунду в квадрате. Она вводится в законе всемирного тяготения F = GMm/r2, где F – это сила притяжения между двумя телами, одно из которых имеет массу M, а другое – массу m, которые разделены расстоянием r. Мне кажется, что должна быть причина, по которой все это кажется таким простым или почти простым.
151
Швейцарский астрофизик Александр Эмзенхубер доказал, что цепочки столкновений более вероятны, чем единичные гигантские столкновения с последующим слиянием, и что олигархи могут скакать от цели к цели (иначе говоря, от столкновения с оставлением места происшествия с Венерой к удару о Землю) достаточно продолжительное время. Как бы то ни было, цепочка столкновений рано или поздно прерывается окончательным слиянием, которое приводит к формированию протолунного диска, потому что диск раскручивается в основном благодаря моменту импульса сливающихся ядер. Это означает, что стандартная модель образования Луны, видимо, верна, поскольку для аккреции столкновение должно быть медленным и, скорее всего, происходить под углом от 30° до 60°. Но нужно учитывать, что в предыдущих гигантских столкновениях между Прототейей и Протоземлей оба тела уже могли перемешаться; мы говорим об одном таком событии, или даже двух. На самом деле есть вероятность, что Тейя прилетела от Венеры после столкновения с оставлением места происшествия.
152
Химические свойства водной среды определяются такими факторами, как pH и соленость. Большая часть поверхности Земли – это открытый соленый океан, который является слабоосновным. Его pH = 8,1, и он понижается, тогда как нейтральный показатель – 7.
153
В одних лабораториях изучают физику льдов при низком давлении, а в других – физические и термодинамические свойства воды, льдов, рассолов и других материалов при высоком давлении. Для этого используют ячейки высокого давления с алмазными наковальнями, которые позволяют получать точные температуру и давление, напоминающие условия внутри планет. В таких ячейках применяются алмазы ювелирного качества, которые пропускают лазерные лучи, что позволяет ученым следить за происходящим в ячейке.
154
Помимо фазы чистого льда, существуют клатраты. Там молекулы воды образуют как бы твердые ячейки, в которые заключены молекулы метана или другого вещества. Метановые клатраты стабильны в глубине холодных океанов. Если поднять кусок такого клатрата наверх, он выглядит как лед, но его можно поджечь!
155
Курт Воннегут, «Колыбель для кошки» (Cat's Cradle, 1963). Лед-девять у Воннегута – это фазовое состояние воды, которое в момент соприкосновения с любой другой водой при температуре ниже 45,8 ℃ (не забывайте, мы говорим о художественном вымысле!) запускает кристаллизацию этой воды в лед-девять. Он был изобретен военными, чтобы солдатам не надо было ползать по грязи. Не буду рассказывать вам, как заканчивается книга, но одна из последних глав называется «Великий А-бумм!» (пер. Р. Райт-Ковалевой).
156
Кристаллизация воды высвобождает энергию, удерживая систему у точки замерзания. Подобным же образом тающий лед потребляет энергию без изменения температуры, мешая поднять температуру выше нуля. Если вы опустите термометр в стакан с водой и поставите его в морозилку, через некое время (в зависимости от того, сколько у вас было воды, при какой начальной температуре и насколько холодно в морозилке) термометр станет показывать 0 ℃. В этот момент начнет кристаллизоваться первый лед. Вода продолжает излучать энергию в морозилку, которая гораздо холоднее, чем она, но температура не падает. Что же это означает – потеря тепловой энергии без понижения температуры? В этом и заключается энтропия, в данном случае при фазовом переходе воды в лед: тепловая энергия уходит на затвердевание, а температура не меняется. Вода переходит с более высокого (менее упорядоченного) на более низкий уровень энтропии.
157
Ваше тело не может остыть, если вокруг влажно, потому что пот не может испаряться: воздух и так насыщен влагой и не принимает больше молекул воды.
158
Некоторые районы знамениты частым вымораживанием валунов из почвы – например, Северо-Восток США, Норвегия, а также юг Чили и Аргентины. Это происходит, когда вода в теплое время года скапливается под валунами, которые являются самыми холодными объектами. Ее тянет туда, потому что почва там еще замерзшая, а значит, там сухо. Вода же любит течь туда, где сухо (принцип равновесия). Затем она там замерзает, расширяясь, и выталкивает камень вверх. Когда замерзшая вода тает, грязь и маленькие песчинки заполняют пространство, освободившееся при таянии льда. Так столетие за столетием валуны постепенно выдвигаются на поверхность. Как ни удивительно, но создается впечатление, что этот процесс наблюдается и на Марсе, хотя, казалось бы, он требует наличия жидкой воды или приближенных к этому условий, а это существенно выше температуры марсианского реголита на протяжении последних миллиардов лет. Общий термин, которым обозначаются такие процессы, – криотурбация. Когда почву взрыхляют животные (например, суслики или муравьи) – это биотурбация, которая, как мы полагаем, на Марсе не наблюдается.
159
По имени героини детской сказки о девочке, которая пришла в дом трех медведей и обнаружила, что одна из их кроватей, один из их стульев и одна из их тарелок с кашей ей в самый раз. Астрономы позаимствовали эту историю для описания зоны обитаемости.
160
Чтобы Марс и Венера стали более землеподобными, их можно просто поменять местами. Передвиньте Венеру, изнывающую под 90 барами атмосферного углекислого газа, в два раза дальше, туда, где она будет получать только четверть нынешнего солнечного излучения. Приблизьте Марс с 1,5 а.е. на расстояние 0,7 а.е., и его льды из воды и углекислого газа растают, дав более массивную атмосферу.
161
Один бар примерно равен атмосферному давлению на поверхности Земли, 1 атмосфера = 1,01 бара. В единицах СИ 1 бар = 100 000 Па (паскалей), а, в свою очередь, 1 Па – это 1 ньютон силы, приложенный на один квадратный метр поверхности. В британских единицах измерения нормальное давление на поверхности Земли составляет 14,7 фунта на квадратный дюйм (пси), что соответствует весу 760-миллиметрового столба ртути (Hg) – раньше давление именно так и измеряли, поэтому вы часто получаете информацию о давлении в миллиметрах ртутного столба.
162
В упрощенной форме уравнение фотосинтеза выглядит так: 6CO2 + 6H2O + энергия света = C6H12O6 + 6O2, где самая сложная молекула – это глюкоза.
163
Линейная молекула углекислого газа О-С-О имеет характерные частоты колебаний изгиба и растяжения, которые резонируют с частотами тепловых инфракрасных фотонов, излучаемых поверхностью планеты. Поэтому углекислый газ поглощает эти фотоны, атмосфера разогревается. V-образная молекула воды Н-О-Н имеет еще больше характерных частот в инфракрасной части спектра, так что она еще сильнее мешает астрономам, но они могут почти полностью избежать ее влияния, поднявшись на вершины самых высоких гор.
164
Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере закисляет океаны, что является прямой угрозой коралловым рифам, известковому планктону, а также моллюскам по всему миру.
165
Накипь растворяется в уксусе, слабой кислоте.
166
Но не слишком глубоко – ниже примерно 4000 м растворимость CaCO3 резко повышается. Глубже этой критической глубины карбонатонакопления карбонаты остаются растворенными в океанской воде.
167
Если у Марса когда-то была, но исчезла массивная атмосфера CO2 – как это предполагают для объяснения «теплого, влажного» климата в древности, – тогда там тоже должны быть карбонаты, которые не обнаружены.
168
Эти факты известны более ста лет. Первая работа по углекислому газу и парниковому эффекту была написана шведским химиком Сванте Аррениусом («On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground,» Philosophical Magazine and Journal of Science series 5, 41 (1896): 237–76). Тревожное воздействие промышленных выбросов углекислого газа на климат Земли известно более сорока лет. Почему никто не прислушивается к ученым?
169
Круговая орбита соответствует минимуму энергии при данном орбитальном моменте импульса.
170
Фундаментальная работа, которую рекомендуют по этой теме студентам старших курсов, – «Q in the Solar System» калифорнийских геофизиков Питера Голдрича и Стивена Сотера.
171
Stephen Vance et al., «Ganymede's Internal Structure Including Thermodynamics of Magnesium Sulfate Oceans in Contact with Ice,» Planetary and Space Science 96 (2014).
172
Крупные планеты начинают свое существование с гораздо большего количества аккреционного тепла и получают больше энергии радиоактивного распада. Но, что куда важнее, их теплу требуется больше времени, чтобы добраться наружу. Именно поэтому Юпитер до сих пор остывает, в то время как Луна затвердела за несколько миллионов лет. Суперземле может потребоваться миллиард лет, чтобы растерять свое первоначальное тепло, и при этом она будет постоянно производить радиоактивное тепло, которому придется рассеиваться через ее океаны. Планеты – это гигантские тепловые машины.
173
С сайта ESA (http://sci.esa.int/juice/50074-scenario-operations/):
Космический аппарат JUICE будет запущен в июне 2022 г. ракетой-носителем «Ариан-5» и использует гравитационные маневры у Венеры и Земли, чтобы за 7,6 года добраться до Юпитера. После выхода на орбиту в январе 2030 г. космический аппарат совершит путешествие по системе юпитерианских спутников продолжительностью в 2,5 года. […] Во время этого тура гравитационные маневры у Каллисто и Ганимеда позволят ему поменять траекторию. Два точно спланированных пролета Европы включают в себя изучение состава материалов, отличных от водного льда, и первое подповерхностное зондирование ледяного спутника. […] Кульминацией программы станет специально разработанный восьмимесячный орбитальный тур вокруг Ганимеда, во время которого аппарат проведет детальное обследование спутника и его окрестностей, а в конце концов врежется в Ганимед.
174
Формула кинетической энергии E = mv2/2, где m – это масса капсулы, а v – скорость. Эта энергия должна либо перейти в тепло, либо быть переданной мишени (в реальности отчасти происходит и то и другое). Чем выше скорость, тем больше кинетическая энергия, пока происходящее не начинает выглядеть в точности как взрыв. Вход аппарата в атмосферу – это управляемый атмосферный взрыв. Такой эффект достигается тем, что нижняя (передняя) сторона капсулы окружена специальным абляционным материалом такой формы, чтобы отводить тепловую энергию от капсулы. В то время как тепло может быть рассеяно с помощью абляционного слоя достаточной массы, с вибрацией дело обстоит совсем по-другому. Воздух завихряется, и, совсем как в случае с самолетом, идущим на посадку в жаркий полдень, в нем образуются карманы, где торможение происходит медленно (низкое давление), и карманы, где оно идет быстро. В результате наблюдается изменение ускорения в единицу времени (метры в секунду за секунду за секунду, иначе говоря, рывок), что плохо переносится живыми организмами. Куда лучше оставить такие полеты хорошо защищенным исследовательским роботам и поберечь людей!
175
Аэростат с водородом или гелием не будет работать на Юпитере или Сатурне так, как на Земле, потому что атмосфера там – это и есть водород и гелий. Для того чтобы аэростат парил, его нужно наполнить молекулами легче, чем окружающий газ. Сработал бы воздушный шар с горелкой: вы могли бы использовать баллон кислорода, чтобы сжигать в нем местный водород.
176
Мы не называем такой водород жидким, потому что, хотя он и является плотным и текучим, четкого перехода от газовой фазы к жидкости там уже нет. Он просто становится все плотнее и плотнее.
177
Запуск был осуществлен 30 июня 2020 г., посадка на Марс произведена 18 февраля 2021 г. – Прим. ред.
178
Война в Ираке стоила примерно от 3 до 6 трлн долларов. Согласно отчету генерального инспектора США, только за полгода военной операции в 2003–2004 гг. неизвестно куда пропали 9 млрд. Так что мы вполне можем себе позволить эту экспедицию.
179
E. M. Shoemaker, R. J. Hackman, and R. E. Eggleton, «Interplanetary Correlation of Geologic Time,» Advances in the Astronautical Sciences 8 (1963): 70–89.
180
Обмен веществом между другими планетами гораздо менее распространен, но тоже происходит. Чтобы добраться с Земли до Меркурия или наоборот, требуется огромная скорость выброса. Путь с Венеры на Землю проще, но фрагменту нужно пробить массивную атмосферу, что в последний раз случалось миллиарды лет назад.
181
В ходе одной из первых геофизических экспедиций в эту часть океана немецкий геофизик Райнер Герсонде и специалист по метеоритам Фрэнк Кайт из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе нашли гравийные фрагменты мезосидерита – метеорита, в котором есть много металлических включений. Фрагменты были обнаружены в кернах осадочных отложений, находящихся под слоем ила глубиной 5 км. (Кайт ранее нашел фрагменты, ставшие бесспорным доказательством падения метеорита Чикшулуб.) Это был астероид, причем богатый металлами. Сейсмодатчики, буксируемые за судном, показали изобилие возмущений на морском дне. Все это согласуется с гипотезой о взрыве, который образовал яму глубиной 4–5 км, произошедшем при ударе астероида диаметром примерно 1 км, летящего со скоростью 20 км/с. В воздух поднялись сотни миллионов тонн изверженного вещества – в данном случае морской воды.
182
Эта модель была описана в статье Erik Asphaug, Martin Jutzi, and Naor Movshovitz, «Chondrule Formation During Planetesimal Accretion,» Earth and Planetary Science Letters 308, no. 3–4 (2011): 369–79.
183
Кометы называют в честь их первооткрывателей. Из-за длинных имен, таких как Чурюмов – Герасименко или Швассман – Вахман, кометы часто называют и по номерам, в данном случае – 67P и 29P.
184
Dante Lauretta et al., «The Unexpected Surface of Asteroid (101955) Bennu,» Nature 568 (2019): 55–60.
185
Zoë Leinhardt, Robert Marcus, and Sarah Stewart, «The Formation of the Collisional Family Around the Dwarf Planet Haumea,» Astrophysical Journal 714, no. 2 (2010): 1789–99.
186
Сторонники мнения, что Плутон – это планета, никогда не радовались тому, что еще не открытое далекое тело, по массе в десять раз превышающее Землю и находящееся в тысяче астрономических единиц, называют «Девятой планетой». Поэтому в своей книге я говорю обо всех предсказанных планетах как о «Планете Х».
187
Точно так же как Гаусс получил наиболее вероятную орбиту астероида Церера с помощью изобретенного им метода наименьших квадратов, Элиот Янг и его коллеги получили наиболее вероятные растровые изображения Плутона и Харона, приписывая пикселям на своих пустых картах различные возможные яркости и цветовые характеристики. Они сравнивали смоделированные планеты с фактическим положением вещей в разные моменты времени и уточняли значения пикселей, пока не достигли наилучшего соответствия всем данным телескопических наблюдений планеты (обоих тел).
188
Неожиданно развернув эту идею, Крейг Агнор и Дуг Гамильтон в 1999 г. показали, что сам Тритон мог в действительности быть захваченным объектом пояса Койпера. Прямой захват не срабатывает по многим из тех причин, по которым Луну невозможно объяснить прямым захватом на орбиту Земли. Фокус в том, чтобы приблизившийся к Нептуну объект пояса Койпера представлял собой пару типа системы Плутон – Харон. Подобный двойной объект изредка должен был подходить к Нептуну достаточно близко, чтобы быть «ионизированным», то есть чтобы планета заставила одно тело пойти в одном направлении, а другое – в другом. И уж совсем-совсем изредка один из таких разделенных компонентов мог быть захвачен Нептуном, тогда как другой, более массивный, смог уйти, возможно, чтобы позднее столкнуться с Нептуном (что объяснило бы его исчезновение). Вероятность такого ионизирующего захвата выше, когда встреча происходит с обратным направлением движения.
189
Великая теория может быть и неверной.
190
Ранее Позднюю тяжелую бомбардировку называли Поздним лунным катаклизмом. Эта выражение чуть более объективно, потому что не предполагает широкомасштабной бомбардировки всей Солнечной системы.
191
См.: Barbara Cohen, Tim Swindle, and David Kring, «Support for the Lunar Cataclysm Hypothesis from Lunar Meteorite Impact Melt Ages,» Science 290, no. 5497 (December 1, 2000): 1754–56. Несмотря на название («Аргументы в поддержку гипотезы лунного катаклизма на основании результатов датирования импактных расплавов лунных метеоритов»), в итоге в статье делается вывод, что вместо узкого пика мы видим широкий разброс датировок импактных расплавов лунных метеоритов – от 2,7 до 4,2 млрд лет.
192
Речь идет об оригинальной модели Ниццы. Как и теория гигантских столкновений, модель Ниццы имеет множество вариантов.
193
Пер. А. А. Франковского.
194
Из «Путешествий Гулливера»:
…Ближайший к Марсу удален от центра этой планеты на расстояние, равное трем ее диаметрам, а более отдаленный находится от нее на расстоянии пяти таких же диаметров. Первый совершает свое обращение в течение десяти часов, а второй – в течение двадцати одного с половиной часа, так что квадраты времен их обращения почти пропорциональны кубам их расстояний от центра Марса, каковое обстоятельство с очевидностью показывает, что означенные спутники управляются тем же самым законом тяготения, которому подчинены другие небесные тела. (Пер. А. А. Франковского.)
195
Более поздняя версия этой стратегии – опубликовать в каком-нибудь заштатном журнальчике статью, которую никто не прочитает, пока не придет время на нее сослаться. В эпоху интернета это стало невозможным. Полагаю, самой точной современной аналогией стал бы зашифрованный документ с изложением теории или открытия, который вы размещаете онлайн, а позже выкладываете ключ для его дешифрования.
196
Это классический контрпример для гносеологического спора, является ли знание «истинным и обоснованным мнением». То, что у Марса два спутника, – истинно. И у Кеплера было такое мнение. И это мнение было обосновано. Но знанием оно не было.
197
Kevin Walsh et al., «A Low Mass for Mars from Jupiter's Early Gas-Driven Migration,» Nature 475 (July 14, 2011): 206–9.
198
На нашем семинаре по разбору научных публикаций в области планетологии мы шутили, что обсуждение любой статьи не закончено, пока кто-нибудь не свяжет ее с моделью Ниццы.
199
Тут я суммирую череду великолепных теорий, разработанных Ман Хои Ли, Стэном Пилом, Робин Кэнап, Биллом Уордом и несколькими другими учеными. По поводу деталей они пока не договорились.
200
Дэвид Стивенсон из Калифорнийского технологического института много писал о внутренней структуре планет-гигантов и о том, почему Юпитер так отличается от Сатурна.
201
Adam Showman and Renu Malhotra, «Tidal Evolution into the Laplace Resonance and the Resurfacing of Ganymede,» Icarus 127, no. 1 (1997): 93–111.
202
Соленая вода хорошо проводит электричество благодаря ионам, положительно заряженному натрию и отрицательно заряженному хлору. Когда «Галилео» измерил магнитное поле Юпитера, оно оказалось сильно возмущено вокруг Европы – примерно так, как поле обычного магнита, когда вы подносите его к проводнику, например к гвоздю. Если Европа имеет высокую проводимость, но не состоит из металла, значит, проводник – это жидкий соленый океан.
203
Магнитное поле Юпитера, если смотреть на планету с Земли, откуда он выглядит как яркая точка, простирается на область размером с кулак вытянутой в этом направлении руки. Орбиты всех его спутников окажутся глубоко внутри кулака.
204
Существуют даже проекты исследования Европы с помощью зонда с радиоизотопным термоэлементом. Он протопит себе путь сквозь лед, погрузится вниз, прокладывая коммуникационный кабель и замораживая за собой отверстие. Это еще одна умная, но плохая идея; нам стоит подождать, пока у нас не появятся технологии, которые позволят все сделать правильно.
205
Отсылка к песне «Оctopus's garden» группы The Beatles. – Прим. ред.
206
Так совпало, что это тот срок, после которого типичный участок океанической коры на Земле перерабатывается тектоникой плит.
207
Аспиранты запоминают их последовательность с помощью мнемонического правила Met Dr. Thip (Mimas, Enceladus, Tethys, Dione, Rhea, Titan, Hyperion, Iapetus, Phoebe).
208
Один гигаватт – это примерно половина мощности плотины Гувера.
209
Титан обращается в 20 радиусах Сатурна, тогда как Ио, Европа, Ганимед и Каллисто обращаются в 6, 9, 15 и 26 радиусах Юпитера соответственно.
210
Erik Asphaug and Andreas Reufer, «Late Origin of the Saturn System,» Icarus 223, no. 1 (2013): 544–65.
211
Matija Ćuk, Luke Dones, and David Nesvorný, «Dynamical Evidence for a Late Formation of Saturn's Moons,» Astrophysical Journal 820, no. 2 (2016): 97.
212
Экспедиция, которую возглавляет ученый-планетолог Элизабет Тартл, описана в Dragonfly: A Rotorcraft Lander Concept for Scientific Exploration at Titan (R. Lorenz et al., 2018, Johns Hopkins APL Technical Digest 34) и на сайте dragonfly.jhuapl.edu. Аппарат представляет собой квадрокоптер с четырьмя двойными роторами, энергию которому дают радиоизотопные термоэлектрические генераторы.
213
На сегодняшний день космический туризм на Марсе – это важнейший вопрос, который никому не хочется обсуждать. Соглашение о планетарной защите – это договор между космическими агентствами. Если частная компания хочет полететь на Марс, соблюдать его нормы она не обязана. Возможно, у нас есть лишь краткий период времени, чтобы отыскать на Марсе местную жизнь, пока мы не занесли туда свою.
214
Ионный ракетный двигатель использует электричество, получаемое с помощью солнечных батарей или от маленького ядерного реактора. Оно ионизирует атомы тяжелого нейтрального газа, например ксенона, придавая им заряд. Затем разность потенциалов выбрасывает ионизированные атомы со скоростью в сотни километров в секунду. Большую тягу так не получишь, но постепенно космический аппарат набирает хорошую скорость. Двигатель на химическом топливе работает быстро, а ионный двигатель – эффективно.
215
Экспедиция TiME (Titan Mare Explorer) была предложена в 2009 г. Эллен Стофан и ее командой. Аппарат должен совершить посадку на поверхность Моря Лигеи и дрейфовать под действием течений и ветров. Экспедиция вышла в финал грантового конкурса, но ей требовались такие ядерные источники энергии, которые в итоге оказались недоступными.
216
Австрийский физик Эрвин Шрёдингер в 1935 г. написал в журнал Naturwissenschaften письмо, где выражал свои сомнения по поводу новой «размытой модели» (как он ее назвал) представления реальности, которой являлась квантовая механика. Он предложил мысленный эксперимент: поместите кошку в железный ящик и закройте крышку. «В счётчик Гейгера положена крупинка радиоактивного вещества, столь малая, что за час может распасться один из атомов, но с такой же вероятностью может не распасться ни один. Если атом распадается, счётчик через реле приведёт в действие молоточек, который разобьёт колбу с синильной кислотой». (Пер. под ред. Л. С. Полака.) В течение часа, пока мы (наблюдатели, что бы это ни значило) не откроем крышку, кошка существует в обоих состояниях: она одновременно жива и мертва.
217
Если у вас имеется отдельный телекоммуникационный аппарат на орбите вокруг Титана, ваше судно будет более изящным, а его парусность будет куда ниже. Вероятно, дешевле и проще включить антенну в конструкцию лодки, однако при порывистом ветре вы можете пожалеть об этом решении.
218
Имеющуюся на данный момент информацию по экзопланетам вы можете представлять любым способом на http://www.exoplanets.org. Более полные данные на http://exoplanet.eu.
219
Поверхность астероида горячее всего не в подсолнечной точке, а чуть впереди по ходу вращения, в точке «немного после полудня», как и у нас на Земле. Фотоны более высокой энергии, которые излучаются от горячей послеполуденной поверхности, имеют чуть больший квантово-механического импульс, так что тепло, идущее от Солнца, в конечном счете ведет себя как очень слабый двигатель с соплами, смотрящими в послеполуденном направлении. Это может ускорять или замедлять орбитальное движение астероида в зависимости от ориентации оси вращения. За миллионы лет этот эффект Ярковского способен заставить маленький астероид переместиться даже на несколько астрономических единиц, из-за чего он может либо попасть в разрушительный резонанс с Юпитером или Сатурном, либо перейти из Главного пояса во внутреннюю Солнечную систему, став околоземным объектом. Родственный ЯОРП-эффект определяется теми же физическими явлениями, но еще и тем фактом, что форма астероида всегда имеет некоторую хиральность (они не бывают идеально симметричными, как шары). Если тепловые фотоны отражаются ото всей его поверхности, как крошечные реактивные двигатели, их суммарная тяга придает ему некоторое вращение. Обе эти слабые силы, оказывается, играют огромную роль в долгосрочной динамической эволюции астероидов типичного размера. Эффект Ярковского был предсказан российским железнодорожным инженером Иваном Ярковским в 1901 г.; решение научных задач было его хобби. Однако значение этого эффекта для астероидов не осознавалось до 1990-х гг.
220
На случай, если вам интересно, за все время существования Солнечной системы это температурное раскручивание (ЯОРП-эффект, см. предыдущую сноску) может раскрутить только тело диаметром меньше нескольких километров. Так что оно никак не поможет решить проблему Дарвина – как раскрутить Землю до возможного отрыва от нее Луны.
221
Отсюда и слово «метеоролог» – человек, рассказывающий о погоде по телевидению.
222
Henry Sorby, «On the Structure and Origin of Meteorites,» Nature 15 (1877): 495–98.
223
William Thomson, Lord Kelvin, «On the Age of the Sun's Heat,» Macmillan's Magazine 5 (1862): 388–93.
224
Тут уместно вспомнить знаменитую, хотя, возможно, и выдуманную, цитату из Томаса Джефферсона: «Я скорее поверю в то, что два профессора-янки солгали, чем в то, что камни могут падать с неба».
225
Комета Свифта – Туттля – это 30-километровый монстр, открытый в 1862 г. Комета пересекает орбиту Земли каждые 133 года (перигелий 0,95 а.е.), а бóльшую часть времени проводит за Нептуном и Плутоном (афелий 50 а.е.). Ее следующий близкий подход к Земле (на всего 1 млн километров – 0,01 а.е.) состоится в 3044 г., а когда-нибудь она, видимо, столкнется с Землей. Комета находится в резонансе 1:11 с Юпитером, что с точки зрения планетной инженерии, вероятно, делает ее «эксплуатационно пригодной» для колонизации внешней Солнечной системы, когда мы дойдем до этого этапа.
226
Образцы с Рюгу были доставлены на Землю в декабре 2020 г. – Прим. науч. ред.
227
Была попытка выпускать диетические картофельные чипсы на правосторонних жирах, но их свойство вызывать неудержимый понос привело к катастрофическому падению спроса на подобные продукты.
228
Пер. С. И. Вавилова.
229
Пер. Я. М. Боровского и др.
230
Просеиванием астероидного реголита можно набрать куски размером 10–30 см, их которых соорудить габионную стену метровой толщины – удерживаемую легкими сетками структуру вокруг жилых помещений. Астероида диаметром 50 м (в десять раз меньше Бенну) хватит на метровое покрытие цилиндра длиной 200 м и диаметром 100 м, так что радиационная защита перестает быть проблемой.
231
Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции гласит, что мы не можем уловить разницу между нахождением в капсуле, которая ускоряется с 0,001 g, и в такой же капсуле в состоянии покоя на поверхности небольшого астероида.
232
Метеорит диаметром 30 м, соответствующий тунгусскому взрыву, оставил бы обнаруживаемую аномалию иридия, напоминающую избыток иридия на границе мел-палеогенового вымирания, который, как предположил физик Луис Альварес и его коллеги, стал результатом столкновения с 10-километровым астероидом. Метеорит мог быть ледяным (без иридия) или фрагментом дифференцированной мантии (также без иридия). Кроме того, между огромным взрывом в 1908 г. и первыми исследованиями в 1927 г. в холодной, кишащей комарами болотистой местности могло пройти слишком много времени.
233
В начале 1970-х гг. в своем романе «Свидание с Рамой» Артур Кларк описал Космический патруль, автоматические телескопы которого отслеживают возможность любых событий типа падения Тунгусского метеорита. В конце концов они обнаруживают вторгшийся в нашу часть космоса бездействующий инопланетный корабль. Об этом сюжете вспомнили после того, как телескоп Pan-STARRS, используемый для поиска околоземных объектов, обнаружил межзвездную комету Оумуамуа.
234
Средняя температура внутри кометы во внешней Солнечной системе составляет примерно 30–40 К (кельвинов). Абсолютный ноль (0 К) – это минимальная температура, которая может существовать во Вселенной: атомы при ней перестают вибрировать. Она равна –273 ℃ и на практике недостижима. Это нулевая точка для физиков. В шкале Цельсия нулевая точка связана с водой (холоднее 0 ℃ – и вода замерзает, теплее 100 ℃ – закипает). В шкале Фаренгейта нулевая точка связана с человеческим телом (холоднее 0 ℉ или теплее 100 ℉ – и вы долго не проживете).
235
Тройная система массивных удаленных тел может находиться в состоянии вынужденной либрации многие миллиарды лет, поддерживая жидкое состояние рассола в своих глубинах в отсутствие какого-либо внешнего излучения.
236
Блеск кометных хвостов основан на тех же физических процессах, что и северное сияние – сильно ионизированный газ излучает фотоны. Но они не колышутся, потому что гораздо больше по протяженности и не пребывают в хаотичном магнитном поле Земли. В 1986 г. космический аппарат «Улисс» установил, что прошел сквозь хвост кометы Хякутакэ. Отсюда был сделан поразительный вывод: ее хвост имеет длину в 3,8 а.е. – неплохой результат для ядра диаметром 4 км!
237
Альбедо кометы составляет всего 3 %. Это означает, что из каждых 100 падающих на нее фотонов (определенной частоты) 97 будут поглощены. В видимом свете такие примитивные тела, как кометы и углеродистые астероиды, имеют альбедо 3–5 %, угольно-черный цвет. Альбедо Земли является непостоянной и сложно устроенной (но важной!) характеристикой. В среднем оно составляет около 30 %. Наклон спектра связан с альбедо: астероид является красным, если его альбедо выше в красном свете, чем в синем.
238
30 августа 2019 г. был обнаружен второй межзвездный объект – комета 2I/Borisov, влетевшая в Солнечную систему и открытая сотрудником Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга (МГУ) Геннадием Борисовым. – Прим. науч. ред.
239
В 2015 г. Кэтрин Волк и Бретт Глэдман предположили, что Меркурий является истертым остатком набора массивных планет, обращавшихся внутри орбиты Венеры. В 2016-м Константин Батыгин и Грегори Лафлин выдвинули идею о существовании и последующем разрушении внутренней Солнечной системы. Обе гипотезы включают «великую миграцию» – сдвиг Юпитера и Сатурна внутрь системы, разрушение ими первоначальных планет, а потом возвращение обратно.
240
Уильям Йейтс. «Пасха 1916 года» (Easter, 1916).
241
Nathan Sivin, Cosmos and Computation in Early Chinese Mathematical Astronomy (Leiden, Neth.: E. J. Brill, 1969).
242
Гипотеза Макдуфа: «Так потеряй / Надежду на заклятье! Пусть твой демон, / Которому служил ты, подтвердит: / До срока из утробы материнской / Был вырезан Макдуф, а не рожден». (Уильям Шекспир, «Макбет». Пер. Б. Л. Пастернака).
243
Урбен Леверье в Парижской обсерватории и Джон Куч Адамс в Кембриджском университете выполнили одни и те же расчеты и с разницей в несколько дней, придя к по сути одному и тому же выводу о существовании Нептуна. Леверье закончил работу на несколько дней раньше, и когда его коллеги из Берлинской обсерватории получили письмо с предсказанным местоположением, они направили свой огромный телескоп-рефрактор в нужную точку и открыли новую планету в ту же ночь.
244
«Синоптический» в данном случае значит «тот, кто никогда не закрывает глаза». Телескоп сооружается на горе Серро-Пачон в Чили. С Pan-STARRS на севере и Большим синоптическим обзорным телескопом на юге мы добьемся полного покрытия неба с такой чувствительностью и разрешением, что обнаружить массивную Планету Х будет несложно.
245
Согласно расчетам, которые проделали мы с Робин Кэнап («Origin of the Moon in a Giant Impact Near the End of the Earth's Formation,» Nature 412 [2001]: 708–12), на основе результатов первого моделирования гигантского столкновения, выполненного швейцарским астрономом Вилли Бенцом.
246
В предложенном швейцарским астрофизиком Андреасом Рейфером и его коллегами сценарии «гигантского столкновения с оставлением места происшествия» («A Hit-and-Run Giant Impact Scenario,» Icarus 221, no. 1 [2012]: 296–99) бóльшая часть Тейи продолжает свой путь после гигантского столкновения. Вернулась ли она, чтобы снова ударить Землю, или оказалась внутри Венеры? Мы с Александром Эмзенхубером из Университета Аризоны работаем над второй частью этой задачи. Если Луну породило «столкновение с оставлением места происшествия и возвращением», тогда первое гигантское столкновение придало Земле сильное вращение, а второе было более медленным и потому закончилось аккрецией, в результате чего возник диск, из которого появилась Луна. Такой двойной удар перемешал бы составы планет и создал бы протолунный диск, сильно наклоненный относительно оси вращения Земли.
247
Это тоже вызывает споры. Одно то, что вы можете испарить воду и другие летучие вещества, не означает, что они будут потеряны из облака пара. Это облако будет удерживаться гравитацией, так что потеря летучих веществ так и остается для Луны нерешенной проблемой.
248
Uwe Wiechert, Alex Halliday et al, «Oxygen Isotopes and the Moon-Forming Giant Impact,» Science 294, no. 5541 (2001): 345–48.
249
Эти идеи рассматриваются в статье Asphaug, «Impact Origin of the Moon?» Annual Review of Earth and Planetary Sciences 42 (2014): 551–78.
250
Он писал о более широкой теме – о формировании Солнечной системы, о двух конкурировавших в то время гипотезах и их вариантах. Одной из них была модель диска, а другой – гипотеза о планетах, вырванных из мантии Солнца проходящей мимо звездой. Последнюю в то время называли гипотезой планетезималей. Harold Jeffreys, «The Planetesimal Hypothesis,» Observatory 52 (1929): 173–78.
251
Это гипотеза синестии, которую отстаивает специалист по физике планет Сара Стюарт из Калифорнийского университета в Дейвисе. При высокой скорости столкновения может возникнуть мощное возмущенное состояние, сделавшее взрыв намного более интенсивным. В итоге мы имеем гравитационно нестабильное облако из пара и расплава, которое снова конденсируется, формируя планету. Как язвительно заметил мой аспирант, «если ваша синестия длится дольше четырех часов, вызовите доктора».
252
Этот миф – действительно неплохая аналогия для стандартной модели гигантского столкновения, ибо Афина вышла изо лба Зевса, поскольку он проглотил ее мать Метиду. К несчастью, мы не можем все время переименовывать планеты, чтобы они соответствовали самым подходящим мифам.
253
Он назван в честь французского астрофизика Эдуарда Роша, который в 1848 г. выдвинул идею границы приливного разрыва и предположил, что кольца Сатурна появились, когда его маленький спутник был разрушен приливными силами.
254
Марсианские сутки длятся 24,6 часа, и ненамного изменились, тогда как сутки на Земле значительно удлинились с пяти часов в период ее формирования. То, что сейчас они имеют почти такую же продолжительность, как на Марсе, – чистая случайность. Наклон оси Марса также практически равен земному, так что времена года там примерно такие же. (Мы списываем все это на совпадения, но правильно ли это?) Иногда для операторов марсоходов «марсианское время» очень близко к их местному времени, но через два месяца оно становится совершенно противоположным. Так что, если вы хотите работать в центре управления марсианскими экспедициями, вам пригодится умение перестраивать свое расписание сна и бодрствования.
255
Процесс кратерообразования оказывает не слишком сильное влияние на раскручивание планеты, так что вращение Марса вокруг своей оси, видимо, не особенно изменилось со момента образования Северного Полярного бассейна.
256
Поскольку эта задача требует применения более трудоемких численных методов, исследования диска, возникшего вокруг Марса после гигантского столкновения, относительно редки. Среди них Margarita Marinova et al., «Geophysical Consequences of Planetary-Scale Impacts into a Mars-like Planet,» Icarus 211, no. 2 (2011): 960–85; Robin Canup and Julien Salmon, «Origin of Phobos and Deimos by the Impact of a Vesta-to-Ceres Sized Body with Mars,» Science Advances 4, no. 4 (2018): eaar6887; and Ryuki Hyodo et al., «On the Impact Origin of Phobos and Deimos,» Astrophysical Journal 860 (2018).
257
Возможное существование на древнем Марсе системы океанов или водоносных пластов, как и переход значительной части коры в расплавленное состояние, значительно увеличили бы приливную диссипацию энергии близко находящегося спутника.
258
Сначала приливные силы разрушат его и превратят в кольцо вокруг Марса. Это станет впечатляющим зрелищем для астрономов-любителей, тем более что видимая яркость Марса увеличится в этот период в три раза.
259
Что Протофобос размером с Весту мог отбросить другие спутники на более высокие орбиты, когда снижался по спирали, предположил в 2016 г. французский планетолог Паскаль Розенблат. Впоследствии Дэвид Минтон и Эндрю Хессельброк отметили, что точный момент тут не так важен, и выдвинули идею «цикла колец Марса», в ходе которого крупный спутник сходит вниз по спирали, разбивается и выбрасывает несколько 100-километровых (к примеру) мини-спутников на более далекие орбиты. Они тоже сходят по спирали вниз и разбиваются, создавая спутники размером с Фобос, и так далее, так что через 40 млн лет там будут несколько кусков диаметров в километр, а люди снова будут удивляться: «Как это нам так повезло, что мы видим только эти два последних куска?» A. Hesselbrock and D. Minton, «An Ongoing Satellite-Ring Cycle of Mars and the Origins of Phobos and Deimos,» Nature Geoscience 10, no. 4 (2017): 266–69.
260
С тех пор у Марса мог измениться и полюс вращения; палеоэкваториальным поясом может быть любой большой круг, опоясывающий сегодняшний Марс и проходящий через Северный Полярный бассейн (если он возник в результате импактного события).
261
Актуальное и подробное изложение этой проблемы приводит специалист по планетарной геологии Эдвин Кайт в статье «Geological Constraints on Early Mars Climate,» Space Science Reviews 215 (2019).
262
Вот еще один пример систематической ошибки, связанной с отсевом участников. Однажды я пришел домой, а там была, наверное, тысяча мух. Что-то где-то умерло, и вот результат… Я провел два дня, убивая их: всасывая пылесосом с подоконников, прихлопывая, выдувая из дверей вентилятором. В конце концов мух осталось восемь. Маленькие черные демоны, они были умнее остальных, имели огромную выдержку и выработали великолепную стратегию. Когда я пытался засосать их в пылесос, они садились мне на руки – единственное место, откуда я не мог всосать их в шланг. Как они это узнали? На эти восемь последних мух я потратил еще три дня. Возможно, две сбежали, чтобы положить начало популяции супермух.
263
Среди прочих климатические условия при высоком содержании СО2 моделировала группа Роберта Хаберла в Исследовательском центре Эймса NASA в Калифорнии. Расчеты Джима Кастинга из Университета штата Пенсильвания, однако, испортили весь праздник, показав, что при таком давлении формировались бы углекислые облака, уменьшающие парниковый эффект.
264
Астероид Апофис подойдет к Земле на одну десятую расстояния до Луны в 21:46 по Гринвичу 13 апреля 2029 г. Теперь мы знаем, что столкновения не будет, но встреча с Землей изменит его орбиту сугубо нелинейным образом. Иначе говоря, крошечное изменение при минимальном сближении выльется в огромное изменение дальнейшей орбиты. Так что пока результат этой встречи не будет измерен, мы не можем узнать, куда Апофис направится дальше, разве что в самом общем плане. Конечно, он может попасть в Землю на следующем витке, но на самом деле вероятность того, что за это время случайный околоземный объект того же или большего размера столкнется с Землей, куда выше, чем риск такого попадания. В целом выходит, что никаких опасностей нам пока не грозит. Но на сегодняшний день открыта только половина астероидов размером с Апофис, хотя этот разрыв постоянно сокращается, в основном благодаря усилиям NASA по выполнению поручения Конгресса США. В конечном итоге единственным неизвестным фактором риска останутся астероиды диаметром меньше нескольких сотен метров, а также кометы. («Кометы как кошки. У них есть хвосты, и они делают, что пожелают», говорил астроном Дэвид Леви, один из первооткрывателей кометы Шумейкеров – Леви 9).
265
Среди первых признанных ударных кратеров были те, которые обладали значительным экономическим потенциалом. Аризонский кратер купили ради добычи никеля и железа. В кратере Попигай были обнаружены залежи алмазов. Континентальный шельф у побережья Чикшулуба был распознан как возможная ударная структура геологами из PEMEX, и они много лет хранили эту информацию как промышленную тайну.
266
Частицы космической пыли подразделяются на несколько типов. Среди них и досолнечные зерна – частицы пыли с полностью чуждым изотопным составом, которые начали свое существование до того, как сформировалось Солнце.
267
Примерно шесть тонн космического материала поступает в год на Землю в форме микрометеоритов. Примерно два отчетливых маленьких метеорита приземляются на любой метр поверхности суши за год – это показало организованное в 2017 г. исследование крыш, инициатором которого был джазовый музыкант из Осло Йон Ларсен. M. J. Genge et al., «An Urban Collection of Modern-Day Large Micrometeorites: Evidence for Variations in the Extraterrestrial Dust Flux Through the Quaternary,» Geology 45, no. 2 (2017): 119–22.
268
То, что материал не подвергался дифференциации, не означает, что он ни разу не был расплавлен. При характерной для планетезимали близкой к нулю гравитации внутренние вязкие напряжения на много порядков превышают силу тяжести. Магнитные и термические напряжения тоже больше гравитационных. Так что гравитация просто не стянет ядро, пока тело не разрастется до десятков или более километров в диаметре, даже если оно полностью расплавлено.
269
«К» обозначает меловой период (от немецкого слова Kreide – мел), который был последним периодом мезозойской эры, а «Т» – третичный период, первый период кайнозойской эры, если не считать того, что теперь его называют палеогеном. Так что К/Т – это общепринятый анахронизм; более верным термином был бы К/Pg. Вы также можете называть его вымиранием конца мезозоя или конца мелового периода, но выражение «событие К/Т» широко используется в профессиональном жаргоне.
270
Формируясь на глубине нескольких километров, отложения на морском дне становятся достоверной летописью того, что происходит на поверхности. Что бы ни случилось на суше, следы этого обычно уничтожаются эрозией, так что улик почти не остается.
271
«Земля-снежок» образовывалась по крайней мере несколько раз за геологическое прошлое. Вся планета становилась белой ото льда и снега, за исключением нескольких возвышающихся вулканов. Состояние «Земли-снежка» оставляет четкий след в летописи горных пород: сначала меняется изотопный состав кислорода и углерода, а в конце наблюдается резкий рост отложений карбонатов. Когда океаны снова вскрываются, морская вода вновь начинает растворять углекислый газ и образуется карбонатная покрышка – слои, которые покрывают сверху следы отсутствующих отложений «Земли-снежка». Этих признаков в слое К/Т нет.
272
«Арракис так отличался от Каладана, что голова Пауля шла кругом от обилия новых сведений. Арракис – Дюна – Планета Пустыни». Фрэнк Херберт, «Дюна». (Пер. П. Вязникова.)
273
В качестве сегодняшнего аналога можно привести «изотопный кризис», когда лунные горные породы оказались неотличимыми от земных.
274
Гипотеза о «зажаренных живьем» принадлежит геофизику из Университета Пердью Джею Мелошу.
275
Первые установленные фрагменты импактора мел-палеогенового вымирания были обнаружены и подтверждены космохимиком Фрэнком Кайтом из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который также обнаружил фрагменты метеорита Элтанин, как описано выше. Кажется странным, что фрагменты хоть чего-то могли сохраниться, врезавшись в кору Земли на скорости 20 км/с. Но когда астероид или комета врезаются в планету, какие-то малые доли их объема всегда остаются – небольшие сектора, которые по чистой случайности избежали наиболее сильных воздействий. Ударяющий астероид, как космический аппарат во время литобрейкинга (то есть торможения ударом о поверхность), замедляется путем абляции, защищая какие-то свои внутренние части.
276
Экспедиция GRAIL состояла из двух космических аппаратов – «Эбб» и «Флоу» (Ebb и Flow, в переводе «прилив» и «отлив»). Проект возглавляла геофизик из Массачусетского технологического института Мария Зубер. Аппараты следовали друг за другом по практически идентичной орбите, а расстояние между ними то увеличивалось, то сокращалось, потому что гравитационное поле Луны не является идеально сферическим. Очень точно замерив эти изменения расстояния, команда смогла создать подробную гравитационную модель Луны.
277
Он простирается от кратера Эйткен, который находится у северного края бассейна, до Южного полюса у южного края. Так что это образование не находится на Южном полюсе и у него нет настоящего названия. Приходится говорить: «Бассейн Южный полюс – Эйткен» (South Pole – Aitken, SPA).
278
Martin Jutzi and Erik Asphaug, «The Shape and Structure of Cometary Nuclei as a Result of Low-Velocity Accretion,» Science 348, no. 6241 (2015): 1355–58.
279
Идея об аккреции кометезималей возникла десятью годами ранее в Планетологическом институте, также расположенном в Тусоне, а именно в теоретической работе Стюарта Вайденшиллинга и в физической концепции первоначальных груд щебня, которую отстаивал Пол Вайсман и другие после зрелищного пролета аппаратом «Джотто» вблизи ядра кометы 1P/Галлея в 1986 г.
280
Вместо теоретизирования мы можем ответить на эти вопросы напрямую, используя радиолокационную томографию, напоминающую медицинскую процедуру сканирования в высоком разрешении. Майк Белтон предлагал NASA такую идею в 2004 г. (проект «Дип Интериор»), а потом я предлагал ее в 2009-м и 2014 г. как проект CORE (Comet Radar Explorer). Аппарат использовал бы технологию получения объемных изображений, напоминающую сейсморазведку, УЗИ или КТ, чтобы увидеть то, что находится внутри, с высоким разрешением. Мой проект дважды попадал в категорию 2, что означает «может быть выбрано», но, как говорится, добавьте к этому доллар и купите себе чашечку кофе! Изображение трехмерной структуры кометы или другого примитивного тела в высоком разрешении ответит на ряд вопросов, оставшихся без ответа в этой книге.
281
Главным событием пролета «Дип Импакт» был выстрел 300-килограммовым медным снарядом в поверхность кометы. Он оказался менее информативным, чем мы надеялись, потому что обзор космического аппарата был нарушен плотным пылевым облаком, который он сам и создал. Образовался подсвеченный Солнцем шлейф, а когда он рассеялся, аппарат уже отошел на тысячу километров от места выстрела.
282
Моделирование мелкого гигантского столкновения требует короткого временнóго шага в компьютерных расчетах; таким образом, нужно намного больше циклов, чтобы программа завершила работу. А теперь, со всеми этими новыми физическими соображениями, для каждого интервала требовалось вычислить не только давление, гравитацию и температуру, но и степень разрушения, уплотнение и тензор напряжений. Давление – это скаляр (то есть просто число), который соответствует величине тензора напряжений. Тензор напряжений содержит не лежащие на осях показатели, которые позволяют твердым телам сопротивляться деформации. Сопротивление сдвигу – это сопротивление движению в направлении оси y по плоскости, параллельной оси х (сопротивление скольжению). Такое сопротивление сдвигу обозначают как syx и так далее для других плоскостей. Так что в твердом теле есть девять компонентов напряжения (sxx, sxy, sxz, syx, syy, syz, szx, szy, szz). Давление определяется как все напряжение, приложенное на те же грани (то есть все, кроме сдвигающего усилия), поэтому P = (sxx + syy + szz)/3. Далее нам нужно определить реакцию вещества на напряжение и давление – это реология и уравнение состояния. Вся эта математика относится к элементарной алгебре, но это лишь аппроксимация, и поэтому в коде нарастает вероятность ошибок, а расчеты требуют все больше времени.
283
Варварская практика, когда докладчик остается без обеда, зато все его слушатели жуют, пока он рассказывает о своих исследованиях.
284
Доклад Иэна Гаррика-Бетеля был посвящен его идее, что древняя Луна затвердела, когда была захвачена в резонанс периодов обращения и вращения 3:2 с высоким эксцентриситетом орбиты, что могло бы объяснить ее отклонение от сферической формы. Проблема в том, что в такой резонанс трудно попасть, а выйти из него еще труднее.
285
Некоторые называют обратную сторону Луны «темной», но это верно лишь в том смысле, что она находится вне зоны приема радиоволн с Земли. День и ночь наступают там каждые 29,5 суток, как и в любом другом месте на Луне.
286
Фотографии, полученные спутниками «Лунар орбитер», любовно отсканированы и обработаны Геологической службой США и Институтом изучения планет и Луны. Они доступны здесь: https://www.lpi.usra.edu/resources/lunarorbiter/.
287
Шестидесятимегатонная «Царь-бомба» была взорвана на большой высоте в 1961 г. Одна мегатонна эквивалентна энергии взрыва 1 млн тонн тринитротолуола. Мощность взрыва в Хиросиме составляла 18 килотонн или 0,018 мегатонн. «Царь-бомба» эквивалентна нескольким тысячам взрывов в Хиросиме, а взрыв, приведший к образованию кратера Бруно, эквивалентен нескольким тысячам царь-бомб. Если бы «Царь-бомбу» взорвали под землей, а не на большой высоте, то в результате образовался бы современный близнец Аризонского кратера.
288
Коран 54:1: «Приблизился Час, и раскололся месяц» (пер. Э. Кулиева).
289
Это доказано в Paul Withers, «Meteor Storm Evidence Against the Recent Formation of Lunar Crater Giordano Bruno,» Meteoritics & Planetary Science 36, no. 4 (2001): 525–29.
290
Тут нужно оговориться, что образование кратера такого размера извергло бы на орбиту вокруг Земли большое количество вещества, фрагменты которого через некоторое время начали бы бомбардировать район кратера уже после завершения его формирования. Они могут казаться случайными астероидами, но в действительности являются обратным сбором вещества и соответственно дают ложное представление о возрасте кратера. Так что Бруно может быть гораздо моложе миллиона лет, хотя все равно не относится к историческим временам.
291
Если вам посчастливится попасть в полосу полного солнечного затмения, осмотритесь по сторонам: вдруг рядом окажутся инопланетяне или путешественники во времени. Может, они вынуждены соблюдать Первую директиву, запрещающую Звездному флоту Федерации планет из сериала «Звездный путь» вмешиваться в естественное развитие цивилизаций, которые еще не открыли варп-двигатель. Пожалуйста, свяжите их с властями.
292
Мое любимое видео затмения в высоком разрешении и реальном времени сделано Джунхо О и Ёнгсам Чхои в индейской резервации Уорм-Спрингс в 2017 г.: https://vimeo.com/231484786.
293
Этот черный параллелепипед имел пропорции 1:4:9 – соотношение идеальных квадратов. Однажды ночью на заре человечества он появился в пустыне, где ночевало племя Смотрящего на Луну. Волосатые человекообразные поднимались около него на задние конечности и бурно радовались. В фильме 1968 г. Стэнли Кубрик взял шокирующий финал книги и превратил его в экзистенциальную полноцветную гонку к спутнику Юпитера Европе – психоделическую версию чрезвычайно популярной в то время пилотируемой космической программы, отвлекающую внимание зрителей от расовых беспорядков, политических убийств и войны во Вьетнаме.
294
Смотреть на Солнце в обычный бинокль можно только во время полной фазы затмения. Если вы сделаете это в какое-то другое время, то ослепнете. Вы можете купить специальные фильтры для бинокля или – что я рекомендую – специальный солнечный бинокль, сделанный с одной целью: смотреть на Солнце!
295
В предисловии Шэнь Ко писал: «Поскольку я имел только мою кисть для письма и плитку туши, чтобы поболтать, я назвал свое сочинение „Беседы с кистью“».
296
В одной из своих многочисленных историй Шэнь Ко писал:
Человек из Цзэчжоу копал колодец в своем саду и выкопал нечто, по форме напоминающее извивающуюся змею или дракона. Он был столь испуган своей находкой, что не решался к ней прикоснуться, но через некоторое время, увидев, что она не двигается, осмотрел ее и обнаружил, что она сделана из камня. Невежественные крестьяне разбили эту вещь…
Он описывал этот предмет как один из множества примеров морских существ, чьи скелеты оказались под землей очень давно и стали камнем. Также он упоминал окаменелости бамбука, найденные в районах, где в его времена бамбук не рос из-за климата, и делал вывод, что и климат может меняться. Science and Civilisation in China, Volume 3, Mathematics and the Sciences of the Heavens and the Earth (Taipei: Caves Books, 1985).
297
Mathematics and the Sciences of the Heavens and the Earth (Cambridge: Cambridge University Press, 1959).
298
Эта интерпретация предложена Джоном Льюисом в его книге об околоземных объектах John S. Lewis, Rain of Iron and Ice, rev. ed. (New York: Basic Books, 1997).
299
Хороший научный обзор катархейского ландшафта – если можно вообще говорить о ландшафте в ту эпоху – см. в Kevin Zahnle et al., «Emergence of a Habitable Planet,» Space Science Reviews 129 (2007): 35–78.
300
Matija Ćuk and Sarah Stewart, «Making the Moon from a Fast-Spinning Earth: A Giant Impact Followed by Resonant Despinning,» Science 338, no. 611 (2012): 1047–52. Это спорная статья, так как предполагает, что момент импульса необязательно сохраняется, так что древняя Земля могла вращаться со скоростью на грани разрушения. Авторы склоняются к периоду в 2,4 часа – близкому к тому, который требовался Дарвину.
301
Английские астрономы Алан Джексон и Марк Уайетт проработали идею, что Земля и Луна подверглись массированной бомбардировке материалом, который был извержен в результате изначального гигантского столкновения, причем его количество в сумме превышало по массе Луну.
302
Аппарат назвали «Люси» в честь скелета Australopithecus afarensis, обнаруженного в Эфиопии в 1974 г. и относящегося примерно к тому времени, когда появились самые древние каменные инструменты. Скелет, в свою очередь, получил имя в честь песни The Beatles «Lucy in the Sky with Diamonds» («Люси в небесах с алмазами»), что кажется подходящим и для космического аппарата.
303
Два троянских спутника могли быть и более сопоставимыми по размеру, при этом один из них столкнулся с Луной, а другой – с Землей. Динамически это достаточно вероятно, хотя сценарий с двумя не равными по размеру троянскими лунами, одна из которых в 30–100 раз более массивна, чем другая, согласуется с данными о троянских спутниках в системе Сатурна. В любом случае мини-троянец мог не просуществовать достаточно долго, чтобы оставить след в геологической летописи Луны; если же он сделал это, где-то на Луне может иметься нашлепка поменьше.
304
Когда Луна обращалась по орбите ближе к Земле, бомбардирующие ее тела разгонялись в поле тяготения Земли. Все, что ударяло Луну, летело со скоростью, во много раз превышающей ее скорость убегания, так что наш спутник переживал опасные времена, пока под действием приливных сил не отодвинулся от Земли на десяток земных радиусов. Столкновения, однако, продолжались, причем с очень высокими скоростями по сравнению с лунной скоростью убегания (всего 2,4 км/с). Результатом всего этого был бы эффект пескоструйной обработки, вплоть до потери Луной сотен километров своего первоначального радиуса. Этот фактор пока не учтен ни в одной из теорий образования лунной коры.
305
Для того чтобы быть опубликованным, научный результат должен пройти через рецензирование работы другими учеными. Это означает, что статье необходимо получить одобрение специалиста в той же области или (для лучших журналов) двух специалистов, а также редактора. Этот механизм является основополагающим для науки, и нет никакой тайны, почему он работает. Научная репутация – это как сдавать квартиру на Airbnb. Ваш пятизвездочный рейтинг (надежность и ценность ваших исследований) означает, что вы получите больше грантов и поучаствуете во всяких развлечениях вроде экспедиций. А как клиент вы будете останавливаться только в тех домах (полагаться на те статьи), у которых хороший рейтинг. Вы публикуете хорошие статьи в хороших журналах и добиваетесь репутации справедливого, но критически настроенного рецензента. Проверка работы коллегами гарантирует не правильность публикации, но исключительно ее научную ценность.
306
Область лунной поверхности диаметром в 1300 км уже невозможно считать плоской, поэтому мы используем масштабирование кратера только как первое приближение. Законы масштабирования кратеров разработаны для того, что называют полупространством – это геометрический объем, который бесконечен во всех направлениях ниже одной плоскости. Для ударных кратеров размером с Тихо и меньше Луна – это фактически полупространство.
307
Китайский аппарат «Чанъэ-4» недавно впервые совершил посадку на обратной стороне Луны. Следующий аппарат «Чанъэ-5» должен доставить оттуда первые образцы.
308
Ударная волна возникает, когда скорость столкновения нарастает; энергия волны перегоняет себя, как лодка, несущаяся на гребне собственного следа. Сильная ударная волна создается, когда летящее тело сталкивается с мишенью на скорости, превышающей скорость звука: энергия не может отводиться так же быстро, как прибывает. Для землеподобных планет – это примерно 5 км/с; для ледяных планет – примерно 3 км/с. Вполне реалистично, что карманы с рассолом, трещины в породах и их слоистость становятся причиной того, что ударная волна возникает и при столкновении на более низкой скорости, что ведет к сдавливанию, разрушению и разогреву от трения. Физика, термодинамика и геология столкновений лучше всего описаны в книге H. Jay Melosh, Impact Cratering: A Geologic Process (New York: Oxford University Press, 1989).
309
Из них только Церера относится к группе планет-карликов в понимании Международного астрономического союза. – Прим. науч. ред.
310
Бóльшая часть массы астероидов сосредоточена в самых крупных телах, но бóльшая часть их площади поверхности приходится на самые маленькие тела – на пыль. Именно поэтому мы иногда наблюдаем зодиакальный свет – свечение перемолотой пыли Главного пояса астероидов. Астероиды невооруженным глазом не видны, но иногда видна пыль, хотя ее массой можно пренебречь.
311
Это не вполне льды. Считается, что активность комет отчасти связана с аморфными твердыми телами, которые никогда не кристаллизовались в лед. Но они холодны, как лед, и состоят из тех же веществ (например, воды и метана), что и лед, просто не в кристаллической форме.
312
Прибытие космического аппарата «Психея» на астероид Психея планируется на 2028 г. Аппарат «Люси» прибудет к шести троянским спутникам Юпитера между 2025-м и 2033 г.
313
Гафний-вольфрамовое датирование – один из самых любопытных методов радиоизотопного определения возраста. Гафний – это элемент, который обладает сродством к веществу мантии (литофильный элемент). Один из изотопов гафния 182Hf является радиоактивным и спонтанно распадается на стабильный вольфрам 182W. Период полураспада составляет 9 млн лет. Когда расплавленная планета разделяется на мантию и ядро, гафний останется в мантии, а вольфрам отправляется в ядро вместе с другими металлами. Если планета претерпевает дифференциацию в течение всего нескольких миллионов лет после формирования, в ее горных породах все еще останется нераспавшийся 182Hf, запертый в кристаллах. Когда эти атомы распадаются, в твердых кристаллах накапливается некоторое количество вольфрама, которое ученые (миллиарды лет спустя) читают, как часы. Гафний-182 называют вымершим радиоизотопом, потому что эти часы давно остановились – весь радиоактивный гафний распался. Тем не менее их стрелка указывает на определенное время.
314
Обзор хронологии эволюции мантии и океана см. в статье Linda Elkins-Tanton, «Formation of Early Water Oceans on Rocky Planets,» Astrophysics and Space Science 332, no. 2 (April 2011): 359–64.
315
Viranga Perera et al., «Effect of Re-impacting Debris on the Solidification of the Lunar Magma Ocean,» Journal of Geophysical Research 123 (2018).
316
Окислительно-восстановительный потенциал описывает количество свободного водорода или свободного кислорода относительно воды H2O. Окислительные условия означают, что вокруг есть кислород, ищущий что бы окислить. Поверхность Земли имеет окислительные условия, именно поэтому все ржавеет, но в то же время вы можете дышать. Юпитер имеет ярко выраженную восстановительную атмосферу: любой свободный атом кислорода мгновенно нашел бы там водород.
317
Jeremy Bellucci et al., «Terrestrial-Like Zircon in a Clast from an Apollo 14 Breccia,» Earth and Planetary Science Letters 510 (2019): 173–85.
318
John Armstrong, Llyd Wells, and Guillermo Gonzalez, «Rummaging Through Earth's Attic for Remains of Ancient Life,» Icarus 160, no. 1 (2002): 183–96.
319
Вилли Бенц написал исходную программу для моделирования гигантских столкновений в планетологии, использовав метод гидродинамики сглаженных частиц. Гидрокоды вроде этого подарили современной физике планет новую численную лабораторию, позволив нам изучать проблемы, которые не воспроизведешь ни в одной другой лаборатории. Программируя, мы включаем в наши модели экспериментальные физические уравнения, начиная с фундаментальных ограничений вроде сохранения массы, импульса и энергии.
320
Canup and Asphaug, «Origin of the Moon»: 708–12.
321
TRAPPIST – сокращение от Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (Малый телескоп для наблюдения за транзитными планетами и планетезималями), отсылающее к названию монашеского ордена траппистов, который знаменит своим пивом. Планетная система была открыта с помощью этого телескопа. Наименования планет, обращающихся вокруг других звезд, пока что не систематизированы в той же мере, как наименования комет и астероидов. Существует, например, «Звезда Табби», названная в честь астронома Табеты Бояджан, которая много лет посвятила наблюдению за этой сумасшедшей системой, вспыхивающей и тускнеющей практически случайным образом: возможно, вокруг нее обращаются динамически нестабильные осколки. Если у звезды есть имя, скажем, 51 Пегаса, тогда первая открытая около нее планета обычно получает буквенный индекс b (индекс а обозначает саму звезду), в данном случае 51 Пегаса b. Это первая планета, обнаруженная около звезды главной последовательности.
322
Любители хорошей звуковоспроизводящей аппаратуры называют это соотношением сигнал-шум.
323
На Меркурии есть приполярные регионы, где в десятках метров под поверхностью могут присутствовать слои жидкой воды. Если это так, ее там немного, но она стабильна в течение долгого времени.
324
Пер. И. С. Добронравова и Д. Г. Лахути.
325
Людвиг Витгенштейн, «Логико-философский трактат» (Tractatus Logico-Philosophicus, 1918). «Wovon man nicht sprechen kann, darüber muß man schweigen».
326
Peter Ward and Donald Brownlee, Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe (New York: Copernicus Books, 2000). Несмотря на то что в космосе существуют «миллиарды и миллиарды» планет, авторы считают, что условия для возникновения сложной жизни встречаются крайне редко, хотя микробная жизнь может быть широко распространена.
327
В числе прочего книгу «Редкая Земля» критикуют за то, что авторы смотрят на проблему со слишком земной точки зрения. Нормально утверждать, что такие условия, как на Земле (тектоника плит, спутник, напоминающий Луну, и так далее), встречаются редко. Но отсюда вовсе не следует, что все эти условия необходимы для возникновения сложной жизни. См.: David Darling, Life Everywhere (New York: Basic Books, 2002).
328
Когда-то это было мантрой при разработке небольших аппаратов NASA: «Быстрее, лучше, дешевле». Ответ обычно звучал так: «Выберите два из трех».
329
Назван в честь британского исследователя Антарктиды Эрнеста Шеклтона.
 Вернуться к просмотру книги
|
Читать книгу « Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба »
© 2020 LoveRead.ec - электронная библиотека в которой можно
читать онлайн книги бесплатно
.
Все материалы взяты из открытых источников и представлены исключительно в ознакомительных целях.
Все права на книгу Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба
принадлежат автору Эрик Асфог и издательствам.