Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба

Гигантский спутник Сатурна Титан открыли в 1655 г., когда Ньютону исполнилось 12 лет. Движение галилеевых спутников Юпитера было описано за полвека до этого, то есть мальчик рос, зная о количественных характеристиках обращения спутников вокруг планет и обращения планет вокруг Солнца. Он заметил, что спутники следуют законам, аналогичным законам Кеплера: чем ближе их орбита к планете, тем короче период обращения, если, конечно, принять во внимание, что Юпитер и Сатурн менее массивны, чем Солнце, и, следовательно, притягивают свои спутники слабее. Материя является причиной гравитации – в этом заключается теория Ньютона. И материя претерпевает ускорение под действием гравитации, отчего спутники обращаются вокруг планет.

Приложив свой закон всемирного тяготения к периодам планет и спутников, Ньютон вычислил относительные массы Юпитера, Сатурна, Земли, Луны и Солнца. Третий закон Кеплера гласит, что период обращения пропорционален радиусу орбиты в степени 3/2 (по более отдаленным орбитам тело движется гораздо дольше), деленному на квадратный корень из общей массы[71]. Измерьте период и расстояние от светила до орбиты, и получите из этого уравнения массу планеты. (Вы можете проверить это по таблице в начале книги.)

Далее из масс планет и спутников, а также из их размеров Ньютон вычислил их плотности, таким образом охарактеризовав материалы, из которого они состоят. Поскольку галилеевы спутники обращаются вокруг Юпитера значительно быстрее, чем Титан вокруг Сатурна, принимая во внимание радиус орбиты, Ньютон смог оценить, что Юпитер в полтора раза плотнее Сатурна и, таким образом, состоит из более тяжелого или более сжатого вещества. Также он взвесил Землю, доказав, что она в 3,5 раза плотнее Юпитера и, по всей видимости, состоит из горных пород и металлов. Далее он попытался определить массу Луны, оценивая силу ее притяжения, выражающуюся в океанских приливах на поверхности Земли, но эти расчеты оказались слишком сложными, чтобы с ними можно было справиться на тот момент. Итак, за несколько вдохновенных лет он доказал, что планеты значительно отличаются одна от другой по составу – загадка, которую мы все еще пытаемся разгадать.

Геофизика, другая половина науки о планетах, отстала от Кеплера и Ньютона на целый век. Долгое время мы больше знали о механизмах работы пустынного космоса и траекториях блуждающих звезд, чем о Земле под нашими ногами. Это произошло потому, что небо видно всегда, тогда как основная часть Земли скрыта от глаз. Самые глубокие океанские впадины составляют только 0,2 % от радиуса планеты – это даже не царапина на кожуре яблока. Мы очень мало знаем о составе и структуре того, что находится внутри.

Одна из улик состоит в том, что при движении вглубь Земли температура постоянно растет – примерно на 25 ℃ на километр. В конце XIX в. Уильям Томсон, также известный как лорд Кельвин, пришел к выводу, что этот геотермический градиент связан с жаром, идущим изнутри наружу. Показатель этого градиента (то есть 25 ℃/км) соответствует тому, как долго уже остывает Земля – примерно так же, как если переложить запеченную индейку из духовки в морозилку[72]. Спустя бесконечно долгое время система станет изотермической (с одинаковой температурой), так что температурный градиент будет равняться нулю. Таким образом, он может служить своеобразными часами.

Предположив, что «в начале»[73] Земля была едва затвердевшим шаром, Кельвин оценил, что она затвердела где-то от 20 до 400 млн лет назад. Затем он независимо показал, что возраст Солнца также составляет от 30 до 60 млн лет, исходя из того, сколько энергии оно выделяет (то есть из его светимости) и сколько энергии ему теоретически доступно. Все встало на свои места.

Почему Кельвин так сильно ошибся? В обеих своих теориях он не учел ядерных процессов. При формировании земной коры уран, торий и другие радиоактивные элементы скапливаются в гранитах и иных глубинных породах коры[74]. Там они претерпевают спонтанный распад, выделяя тепло. Мы судим об этом по распространенности дочерних элементов, которые возникают в коре благодаря цепочкам распада, к примеру, радона и свинца. Это важный источник тепла, о котором Кельвин не знал. Кроме того, тепло распространяется в недрах Земли благодаря не только теплопроводности, но и конвекции (тектонике), поэтому исходные данные для этих расчетов были неверными. Что же касается Солнца, на самом деле его тепло производится в термоядерных реакциях атомов водорода, которые могут идти миллиарды лет.