Земля кажется куда более простой. Если смотреть на запад с тихоокеанского побережья США, видно только безграничное бурное море. Но благодаря столетию развития современной геологии это можно воспринимать и так: огромная каменная плита толщиной в десятки километров и протяженностью в тысячи, покрытая несколькими километрами воды, движется на вас со скоростью роста ногтей – несколько метров за человеческую жизнь, – катясь на спине мантии, в которой происходит конвекция. У берега эта плита подныривает и опускается под вас; когда она оказывается за вашей спиной, содержащаяся в ней вода провоцирует вулканическую активность, в результате чего вверх начинают подниматься гранитные плутоны. Это неостановимое движение сопровождается трением, что становится причиной землетрясений. Люди, посторонитесь!
Глава 3
Системы внутри систем
Наш мир начался давным-давно, Тут как раз ветер и дождь…
Уильям Шекспир. Двенадцатая ночь
[145]
Самые большие планеты – это не воспламенившиеся звезды, вращающиеся сфероиды, состоящие в основном из водорода и гелия. Из-за огромного внутреннего жара, накопленного в результате аккреции, их атмосферы полны вихрей, размер которых может составлять десятки тысяч километров – больше, чем диаметр Земли. Основная часть материала таких гигантских планет сгустилась непосредственно из туманности газа и пыли, окружавшей центральную звезду, и, таким образом, по своему составу они в целом «подобны звездам». Если говорить о размере, то планета, имеющая пять (или даже десять) масс Юпитера, окажется совсем ненамного больше этого гиганта Солнечной системы, потому что все эти материалы легко подвергаются сжатию: чем больше массы вы добавляете к планете-гиганту, тем сильнее она спрессовывается. Для такого небесного тела существует максимальный теоретически возможный размер – чуть больше Юпитера. При дальнейшей аккреции газа планета не растет, а сжимается. Если газовый гигант накапливает более 17 масс Юпитера, температура и давление в его центре становятся такими огромными, что там начинается термоядерный синтез
[146]. Планета превращается в звезду.
При формировании планеты-гиганта время решает все. В так называемой модели аккреции ядра первый шаг – это скопление большого количества ледяных кометезималей, образующих ядро примерно в десять раз массивнее Земли. Если такое ядро быстро формируется в толще протопланетной туманности, то, как в случае наматывающейся на палочку сахарной ваты, его гравитации хватает, чтобы вокруг него собрались все остатки диска в зоне действия силы притяжения. У первых из подобных ледяных ядер есть все преимущества. В их распоряжении имеется больше газа, который они могут захватить, и чем массивнее они становятся, тем больше гравитация, с помощью которой они притягивают материю. В Солнечной системе таким счастливчиком оказался Юпитер.
Но, хотя на протяжении примерно 10 000 лет Юпитер рос с впечатляющей скоростью, его гравитационное воздействие имело определенные пределы. Дальше от звезды возник промежуток, пространство для еще одной гигантской планеты, схожим образом росшей вокруг другого ядра из скучившихся кометезималей: это был Сатурн. Еще дальше появились Уран и Нептун, которые в соответствии с этой теорией застряли на стадии ядер – именно поэтому мы называем их ледяными гигантами. (Это несколько неточный термин: они срослись изо льда, а внутри состоят в основном из воды и молекулярного водорода, но сейчас температура в их центрах составляет тысячи градусов.)
Если бы протопланетный диск был в 20 раз массивнее, Юпитер стал бы белым карликом, частью двойной системы звезд Солнце А и Солнце В. Хотя, к счастью, он оказался слишком мал для того, чтобы внутри него начался термоядерный синтез, при его аккреции скопилось очень много тепла – той самой энергии гравитационного притяжения, которую Кельвин учитывал в своих расчетах возраста Солнца. (Его вычисления были в принципе верными, но очень неточными, потому что он ничего не знал о термоядерных реакциях.)
Чтобы понять, откуда берется аккреционное тепло, рассмотрим гигантскую планету, формирующуюся из частиц вещества, стягиваемых издалека. Если, к примеру, туфля падает внутрь Юпитера с конечной скоростью 60 км/с, она высвобождает количество энергии, равное тому, которое получается при сжигании полного бака бензина. Повторите это несколько тысяч триллионов триллионов раз (масса Юпитера в туфлях), и в результате аккреции выделится достаточно тепла, чтобы поднять среднюю температуру планеты до десятков тысяч градусов. По геологическим меркам Юпитер вырос в одно мгновение, но его жар с тех пор постепенно пробивается наружу, преодолевая огромный радиус газовой сферы.
Сегодня Юпитер излучает вдвое больше тепловой энергии, чем получает от Солнца. Раньше он был еще жарче и испарил всю воду на своем самом близком спутнике Ио. В небе Ио Юпитер висит подобно гигантскому блюдцу, так что он действовал там как лампа для обогрева. Дальше, на расстоянии Европы, Юпитер давал достаточно тепла, чтобы там существовало пáрящее открытое море, по крайней мере на стороне, обращенной к планете. Но в конце концов Юпитер остыл и океан Европы покрылся ледяным панцирем. С тех пор он миллиарды лет подогревается энергией приливов и радиоактивного распада. Такой цикл формирования ледяных спутников, тепловой инкубации и длительного внутреннего подогрева может наблюдаться везде, где есть внешние планеты-гиганты.
* * *
Формирование Солнечной системы начинается с коллапсирования газа, пыли и льда, из которых возникнет звезда и ее протопланетный диск. Образование планет запускается, когда диск сгущается до твердых частиц, летящих сквозь газ, как рой пчел в тумане. Сколько из него получится планет – зависит от многих факторов: плотности диска и его состава, мощности излучения звезды и ее магнитного поля, а также того, что происходит по соседству, например влияния звезд-сестер или взрывов сверхновых. Но для общего случая существует стандартная модель. Там, где в протопланетном диске много частиц изо льда и пыли, планета может продолжать свой рост, как снежный ком, втягивая лед и пыль, и в конце концов собирая газ, как ненасытный Безликий в мультфильме «Унесенные призраками». Все идет в дело.
Но в районе земной орбиты, на отметке в 1 а.е. от звезды, гравитация Солнца велика, а его излучение сдувает газ прочь. Землеподобные планеты должны формироваться не напрямую, не так, как рисовал в своем воображении Иммануил Кант, но иерархично, начиная с планетезималей, которые собираются в эмбрионы, которые, в свою очередь, вырастают в систему тел размером от Луны до Марса, называемых олигархами. До этого момента происходящее представляет собой упорядоченный, саморегулирующийся процесс: олигархи по большей части не задевают друг друга, строго следуя по круговым орбитам и доминируя каждый в своем регионе.
