100 великих загадок астрономии

Среди астрономов развернулась дискуссия. Одни по-прежнему принимали любые подозрительные пятна на Солнце за таинственную планету, миновавшую солнечный диск, в то время как другие отказывали ей в праве на существование.

Вплоть до своей смерти, последовавшей в 1877 году, Леверье был убежден в том, что планету Вулкан можно найти. Впрочем, после многих лет безуспешных поисков большинство астрономов разуверилось в этом.

Загадка планеты Вулкан была окончательно решена 18 ноября 1915 года. Именно в этот день Альберт Эйнштейн опубликовал свое объяснение странностям в поведении Меркурия. То, что казалось непонятным с точки зрения ньютоновской механики, находило свое истолкование, стоило обратиться к общей теории относительности.

Согласно ей, Солнце «искривляет» пространство и искажает орбиты планет. Если описывать движение Меркурия в евклидовом пространстве по законам механики Ньютона, то кажется, что он перемещается слишком быстро. Однако если обратиться к неевклидовой геометрии и теории Эйнштейна, странности исчезают. Разница в этих расчетах составляет те самые 43 угловые секунды, которые побудили когда-то Леверье придумать планету Вулкан. Теперь ее пришлось списать за ненадобностью.

На короткое время интерес к гипотезе Леверье пробудился в 1970 году, когда во время полного солнечного затмения некоторые исследователи обнаружили по соседству с Солнцем какие-то странные, слабо светящиеся объекты. Позднее астрономы предположили, что это были кометы.

Итак, в XIX и XX веках исследователи не раз наблюдали планету Вулкан, и теперь уже вряд ли удастся установить, что они на самом деле видели. Некоторые «наблюдения» могли объясняться простым дефектом оптики. За планету могли принять даже пролетавшую вдалеке птицу. Однако известен случай, когда в один и тот же день два астронома, жившие в разных городах, заметили независимо друг от друга некий объект, который двигался по диску Солнца. Возможно, это был астероид, хотя до сих пор науке не известно ни одного достоверно подтвержденного случая прохождения астероида по диску Солнца.

Планета Вулкан исчезла из анналов астрономии, чтобы уступить место… целой россыпи планет, которые заслуживают того же названия. Энтузиасты продолжают поиски «вулканоидов» – малых планет, чьи орбиты могут располагаться внутри орбиты Меркурия.

В принципе астрономы не сомневаются в том, что между Меркурием и Солнцем могут обнаружиться какие-то астероиды. Известно, что в далеком прошлом Меркурий подвергался «форменной бомбардировке», – о том времени напоминают многочисленные кратеры, оставшиеся на его поверхности после падения крупных метеоритов. Возможно, причиной такого «обстрела» было соседство с поясом астероидов. С тех пор это скопление малых планет, очевидно, изрядно поредело, но, может быть, несколько таких планет все еще кружат возле Солнца в непосредственной близости от него?

Так что мы знаем о вулканоидах, пусть и не сумели пока обнаружить их? Очевидно, это очень небольшие планетки, не превышающие в поперечнике полусотни километров. Более крупные небесные тела, обращающиеся возле Солнца, непременно заметила бы солнечная обсерватория SOHO. Известно и расстояние, на котором их следует искать. Вероятно, пояс околосолнечных астероидов, если таковые есть, располагается в диапазоне 0,15—0,18 астрономических единиц от Солнца, то есть почти рядом с ним. Ожидается, что температура на их поверхности будет составлять от 700 до 900 кельвинов. Однако, несмотря на упорные поиски, внутри орбиты Меркурия до сих пор удавалось заметить лишь отдельные астероиды, которые, перемещаясь по очень вытянутым траекториям, на какое-то время подбирались к Солнцу ближе, чем эта планета. Туда, где их ждала встреча с вулканоидами? Или же нет?

Новые и старые загадки Меркурия

Меркурий, едва ли не самая загадочная из планет Солнечной системы, до недавнего времени оставался почти не исследованным. Ослепляющий свет Солнца, рядом с которым движется Меркурий, мешает наблюдать за ним в телескоп. Лишь в начале 2011 года межпланетный зонд «Мессенджер» стал первым в истории искусственным спутником этой планеты.

Вот лишь некоторые загадки, связанные с Меркурием.

На первый взгляд, этот каменный шар, похожий на Луну, выглядит невзрачным и безжизненным. У Меркурия практически отсутствует атмосфера – она более разрежена, чем вакуум, создаваемый в научных лабораториях, – и потому его поверхность не подвергается выветриванию, эрозионному процессу, непрестанно формирующему ландшафт.

Вплоть до конца 2008 года – до того, как зонд «Мессенджер» сблизился с Меркурием, – около 60 % его поверхности оставалось «белым пятном» на астрономических картах. Ясно было только, что сформировалась она очень давно. Многочисленные кратеры свидетельствуют о бурном прошлом Меркурия. Некоторым из них – около 4 миллиардов лет.

Так есть ли геологические процессы, меняющие облик Меркурия в наши дни, если не считать падений метеоритов? С самого начала экспедиции «Мессенджера» были сделаны важные открытия. На фотографиях, полученных зондом, проступили не известные прежде детали.

Так, в районе северного полюса Меркурия были обнаружены слои лавы километровой толщины. Очевидно, вулканические процессы играли важную роль в истории этой планеты.

Особое внимание привлекли длинные, обрывистые склоны – эскарпы (уступы), тянувшиеся на сотни километров. Их высота порой достигала двух километров. Во впадинах, образовавшихся после падения крупных метеоритов, замечены многочисленные трещины. Например, на дне бассейна Калорис протяженностью 1550 километров – свыше двух сотен трещин.

На Земле подобные формы рельефа – сдвиги, сбросы – возникают, прежде всего, благодаря движению литосферных плит. А чем вызвано смещение целых участков коры Меркурия?

Меркурий, как каменный шар, похожий на Луну, выглядит невзрачным и безжизненным

Перебирая возможные ответы, ученые пришли к неожиданному решению. Очевидно, на протяжении последних 4 миллиардов лет Меркурий постепенно остывал и усыхал – и его поверхность растрескивалась. Радиус планеты уменьшился примерно на два километра, а общая площадь поверхности, потерянной за счет этой «усушки», составляет около 100 тысяч квадратных километров (по оценке геолога из Аризонского университета Роберта Строма). Из всех планет Солнечной системы подобный феномен наблюдается только на Меркурии.

Следующая загадка – химический состав. В принципе строение всех планет земного типа сходно. Все они состоят из плотного ядра, изобилующего железом и окруженного мантией из силикатов магния и железа. Кора этих планет содержит по большей части силикаты, чья температура плавления ниже, чем силикатов мантии.

Для планет земного типа, а также крупных спутников планет характерна линейная зависимость между радиусом и плотностью. Последний показатель позволяет оценить и химический состав планеты.

Однако Меркурий выбивается из этого ряда. Его радиус в два с лишним раза меньше радиуса Земли, но плотность такая же, как у нашей планеты. В таком случае его ядро должно занимать почти три четверти объема. По размерам оно может сравниться с Луной. А вот толщина мантии Меркурия – всего около 600 километров. Для сравнения: мантия Земли толще почти в 4,5 раза (около 2800 километров).

Почему же строение Меркурия столь необычно? У астрономов имеются три основные гипотезы, объясняющие происхождение этой планеты. Очевидно, по итогам работы зонда «Мессенджер» ученым удастся выбрать одну из теорий, которая будут лучше всего соответствовать фактам.

Первая гипотеза такова. Около 4,5 миллиардов лет назад в той части протопланетного облака, что прилегала к Солнцу, возник мощный газовый поток. Он принес с собой ближе к Солнцу огромное количество металлических частиц. Поэтому Меркурий изначально содержал значительно больше металлов, чем другие планеты. Если эта версия верна, то кора Меркурия по своему составу не должна отличаться от коры других планет земного типа.

По второй гипотезе, из-за страшного пекла, которое царит на поверхности Меркурия, часть его коры испарилась. В таком случае она должна содержать значительно меньше таких легкоплавких элементов, как натрий и калий, нежели кора нашей планеты.

Третья гипотеза предполагает, что вскоре после возникновения Меркурия с ним столкнулась некая крупная планета, которая и срезала большую часть его коры и мантии. Если это и впрямь случилось, то его внешние слои будут бедны такими элементами, как алюминий и кальций.

Итак, узнав химический состав коры Меркурия, мы наверняка разгадаем и тайну его происхождения.

Вот и очередная загадка Меркурия: его магнитное поле. Когда в начале 1970-х годов американский космический зонд «Маринер-10» – единственный зонд, побывавший прежде у этой планеты, – приблизился к ней, его приборы, к удивлению ученых, зафиксировали у Меркурия магнитное поле, которое, пусть и было в сотню раз слабее земного, но все-таки, в отличие от Венеры и Марса, было. Чем это объясняется? Как оно возникло?

Магнитное поле Земли устроено по принципу динамо-машины. Жидкая внешняя оболочка земного ядра вращается вокруг его твердой части. За счет этого возбуждается электрический ток и создается магнитное поле. Возможно, подобным образом оно возникает и у Меркурия, ведь тот обладает металлическим ядром, состоящим, как и ядро Земли, в основном из железа.

И это еще одна загадка Меркурия. Неужели его ядро до сих пор не отвердело? Ведь давление в недрах планеты не так велико, чтобы поддерживать там очень высокие температуры, при которых плавится даже железо. Так по какой причине ядро Меркурия все еще остается частично жидким? Очевидно, оно не может состоять из одного лишь железа. Специалисты полагают, что оно содержит также некоторое количество – несколько процентов – легкоплавких материалов, например, серу, которая и пребывает в жидком виде. Иными словами, магнитное поле Меркурия создается только за счет того, что его ядро содержит примеси. Поэтому и поле это значительно слабее магнитного поля Земли.

Пятая загадка Меркурия: полюса этой жаркой планеты. В 1991 году исследователи из Калифорнийского технологического института, изучая Меркурий методом радиолокации, обратили внимание на необычные отраженные сигналы, приходящие со стороны нескольких глубоких кратеров в районе его северного полюса. Они очень напоминали сигналы, отраженные от полярных шапок Марса. Неужели дно этих кратеров покрыто льдом?

Ничего фантастичного в этой гипотезе нет. Ось вращения Меркурия почти перпендикулярна плоскости его орбиты, а потому Солнце близ его полюсов невысоко поднимается над горизонтом. Его лучи не могут заглянуть на дно самых глубоких кратеров, а значит, там царят вечный холод и мрак. Там и может скопиться водяной лед, перемешанный с пылью. Очевидно, он остался здесь после падения комет.

Есть, впрочем, и другое объяснение. Там, на дне кратеров, лежат залежи серы, принесенной сюда метеоритами или улетучившейся из недр планеты. Какая из двух гипотез верна? Начиная с 2011 года, поисками водяного льда, то бишь воды, также занимается «Мессенджер».

Возможно, ответы на некоторые новые и старые загадки Меркурия мы получим уже в ближайшие годы, когда будут обработаны результаты работы уникальной экспедиции.

Почему на Венере так жарко?

По вечерам Венеру легко отыскать на небосводе: она сверкает ослепительно-белой точкой. Лишь Солнце и Луна ярче ее. Увидеть Венеру легко, но наблюдать за ней трудно. Она окутана пеленой облаков, отражающих солнечный свет. Вот почему долгое время можно было лишь гадать, что скрывается за этой завесой.

На протяжении столетий ученые лелеяли мысль о том, что Венера является настоящей «сестрой» Земли: ее атмосфера содержит большое количество кислорода и азота; здесь простираются океаны, омывающие континенты, на которых зеленеет пышная тропическая растительность. Земля и Венера казались двумя голубыми планетами, двумя зелеными планетами, двумя живыми планетами, дружно кружившими возле Солнца.

В 1686 году в своей книге «Беседы о множественности миров» французский писатель и ученый-популяризатор Бернар ле Бовье де Фонтенель рассказывал про обитателей соседней планеты следующее: «Я могу описать здесь, каковы жители Венеры: они выглядят, подобно маврам из Гранады, маленькие, чернявые люди, обожженные солнцем, исполненные пыла и остроумия, вечно влюбленные, сочиняющие стихи, одержимые музыкой и устраивающие изо дня в день праздники, балы и турниры». Подобная картина, изображавшая «загадочных дикарей» с соседней планеты, была, пожалуй, довольно смелой, но отнюдь не наивной. Еще сто лет назад, в году 1900, появлялись рисунки и гравюры, на которых были запечатлены пейзажи Венеры: тропические леса и болота, причудливые доисторические ландшафты, оживляемые давно вымершими на Земле животными, например гигантскими стрекозами.

Прекрасный мир мечты превратился теперь, после полетов межпланетных зондов, побывавших на Венере, в раскаленную пустыню, оживляемую лишь легким ветерком. Похоже, в Солнечной системе нет более непригодной для жизни каменистой планеты, чем Венера. Даже в ледяных далях на периферии нашей планетной системы жизнь могла бы найти хоть какое-то спасительное прибежище на спутниках планет-гигантов. Здесь ей нет места. «Адская планета»! Что же произошло с этим загадочным миром, которым взялась править богиня любви и красоты?

Панорамное изображение поверхности Венеры, сделанное советской межпланетной станцией «Венера-14»?в 1982?г.

Когда-то Венера и впрямь изобиловала водой, хотя общее ее количество, по различным оценкам, было заметно меньше, чем в Мировом океане нашей планеты. Со временем здесь стало слишком жарко для того, чтобы вода могла существовать в жидком виде. Концентрация водяных паров в атмосфере планеты непрестанно росла. Океаны испарились, а содержавшийся в них углекислый газ, как и водяной пар, укрыл планету плотным пологом. Венера превратилась в парник. В конце концов температура достигла такой величины, что в атмосферу начал выделяться углекислый газ, который содержался в связанном виде в горных породах, что привело к дальнейшему повышению температуры. Все это продолжалось до тех пор, пока атмосфера не насытилась до предела углекислым газом. Так из-за парникового эффекта, как полагают многие исследователи, эта планета превратилась в пустыню.

Теперь атмосфера Венеры состоит главным образом из углекислого газа и небольшого количества азота (3,5 %). Ее масса примерно в 90 раз превышает массу воздушной оболочки Земли и всего лишь в три раза уступает массе Мирового океана нашей планеты. Давление на поверхности Венеры примерно такое же, как в Мировом океане на глубине 910 метров, ведь плотность нижних слоев атмосферы в 50 раз выше, чем на Земле.

Итак, с геологической точки зрения, Венера мало чем отличается от планет земного типа. Она почти не уступает по размерам Земле (ее масса составляет примерно 80 % от массы нашей планеты). По своему минералогическому составу она тоже очень схожа с Землей. Почему же так разительно отличается состав воздушной оболочки Венеры от атмосферы Земли? Почему эта планета превратилась в громадную, нет, не теплицу, скорее даже «душегубку», где поддерживается средняя температура 460 °C? Только ли парниковый эффект тому виной?

Целый ряд астрономов, например, Фред Тейлор из Оксфордского университета, уверены в том, что главной причиной, которая раз и навсегда изменила климат Венеры, стала вулканическая активность этой планеты. Именно регулярные выбросы вулканического пепла затягивали поверхность планеты пеленой и не давали ей охладиться. По мнению Тейлора, если бы вулканическая деятельность на Венере прекратилась, то в течение миллиарда лет планета бы остыла примерно до той же температуры, что и Земля.

Справедливо и обратное. Обнародованные несколько лет назад результаты исследований Венеры европейским зондом «Венера-Экспресс» навевают неутешительные мысли. Для Земли не исключена та же модель развития, что превратила Венеру в безжизненный мирок, ведь общее количество парниковых газов, содержащихся на нашей планете в связанном состоянии, примерно такое же, как и в атмосфере Венеры. Если глобальное потепление на Земле будет продолжаться теми же темпами еще несколько столетий, то может начаться спонтанный процесс выброса углекислоты и метана в атмосферу, считает, например, российский ученый А.В. Карнаухов.

В модели, предложенной им, результатом этого станет необратимое изменение климата Земли и повышение средней температуры на планете до 100–150 градусов и более, причем в относительно недалеком будущем, через 200–300 лет. Это сделает невозможным существование жизни на нашей планете (по крайней мере, в ее нынешней форме).

Условия, царящие на поверхности Венеры, напоминают, повторюсь, ад. И все-таки даже здесь, возможно, есть биологические ниши, где могла укрыться жизнь, возникшая еще в те времена, когда поверхность Венеры покрывали океаны. Например, микроорганизмы могли спрятаться в недрах планеты, ведь и у нас, на Земле, на километровой глубине обитает множество микробов. Спасительным прибежищем для них стали бы и верхние слои атмосферы. Ведь всего в 50 километрах от поверхности планеты сложились вполне сносные условия для микроорганизмов: там не так жарко, температура порядка 70 °C вполне терпима для многих бактерий; кроме того, величина атмосферного давления там не слишком высока, и даже есть вода в виде капель, парящих в облаках.

Как подчеркивает работающий в Техасском университете астроном Дирк Шульце-Макух, «с астробиологической точки зрения, Венера вовсе не представляет собой безнадежный случай». Просто не нужно ограничиваться поисками жизни лишь на поверхности планеты. Подобные заявления кажутся смелой фантазией, но, может быть, колонии бактерий все же будут найдены в венерианских облаках?

Смущает то, что кислотность этих облаков чрезвычайно высока, ведь они содержат капельки серной кислоты. На Земле очень мало примеров, когда микроорганизмы могут выжить при водородном показателе pH = 0, да и в известных нам случаях (например, Ferroplasma acidarmanus) эти земные микробы не уцелели бы на Венере. Однако Шульце-Макух замечает, что древние океаны Венеры были вовсе не такими кислыми. Постепенно водородный показатель стал снижаться, но это происходило так медленно, что у бактерий была возможность приспособиться к меняющимся условиям обитания.