«Гигантское столкновение», которое привело к Земле, возможно, не было таким гигантским, в конце концов.
Чуть более 4,5 миллиардов лет назад начала формироваться наша Солнечная система. Где-то в Млечном Пути коллапсировало большое облако газа, породив тысячи новых звезд и звездных систем, каждая из которых уникальна среди всех остальных. Некоторые звезды были намного массивнее нашего Солнца; большинство из них были намного меньше. Некоторые пришли с несколькими звездами в своих системах; примерно половина звезд сформировалась в одиночестве, как и наша.
Но практически вокруг всех них большое количество материи слилось в диск. Известные как протопланетные диски, они должны были стать отправной точкой для всех планет, которые сформировались вокруг этих звезд. Благодаря достижениям в области телескопических технологий, которые сопровождали последние несколько десятилетий, мы начали получать изображения этих дисков и их деталей из первых рук. Впервые мы узнаем, как возникли планетарные системы, подобные нашей.
В теории процесс формирования планет невероятно прост. Всякий раз, когда у вас есть большая масса, такая как газовое облако, вы можете ожидать, что произойдут следующие шаги:
- масса втягивается в центральную область,
- где будет расти один или несколько больших скоплений,
- пока окружающий газ коллапсирует,
- с первым схлопыванием одного измерения (создание диска),
- и тогда несовершенства диска растут,
- преимущественно притягивая материю и формируя семена планет.
Теперь мы можем посмотреть прямо на эти протопланетные диски и найти доказательства того, что эти планетарные семена существовали с очень раннего времени.
Но долго эти диски не прослужат. Мы рассматриваем шкалу времени, которая обычно составляет всего лишь десятки миллионов лет для образования планет, и это связано не только с гравитацией, но и с тем фактом, что у нас также есть по крайней мере одна сияющая центральная звезда.
Облако газа, которое сформирует наши планеты, состоит из смеси элементов: водорода, гелия и всех более тяжелых элементов, идущих вверх по таблице Менделеева. Когда вы находитесь близко к звезде, самые легкие элементы легко сдуваются и испаряются. Вскоре в молодой Солнечной системе разовьются три разных региона:
- центральный регион, где только металлы и минералы могут конденсироваться в планеты,
- промежуточный регион, где могут образовываться каменистые и гигантские миры с соединениями углерода,
- и внешний регион, где могут сохраняться летучие молекулы, такие как вода, аммиак и метан.
Граница между двумя внутренними областями известна как линия сажи, где внутри нее разрушаются сложные соединения углерода, известные как полициклические ароматические углеводороды. Точно так же граница между двумя внешними областями известна как Линия Мороза, где, находясь внутри нее, вы не сможете образовать устойчивый твердый лед. Обе линии движимы теплом звезды и со временем будут мигрировать наружу.
Тем временем эти протопланетные сгустки будут расти, накапливать дополнительную материю и иметь возможность гравитационно возмущать друг друга. Со временем они могут сливаться вместе, гравитационно взаимодействовать, выбрасывать друг друга или даже швырять друг друга на Солнце. Когда мы запускаем симуляции, которые позволяют планетам расти и развиваться, мы обнаруживаем необычайно хаотичную историю, уникальную для каждой солнечной системы.
Когда дело доходит до нашей собственной Солнечной системы, развернувшаяся космическая история была не только впечатляющей, но и во многом неожиданной. Весьма вероятно, что во внутренней области у нас изначально был относительно большой мир, который, возможно, был поглощен нашим Солнцем в нашей космической юности. Ничто не препятствует формированию гигантского мира внутри Солнечной системы; тот факт, что у нас есть только каменистые миры, близкие к нашему Солнцу, говорит нам о том, что что-то еще, вероятно, присутствовало раньше.
Самые большие планеты, вероятно, рано образовались из семян, и их могло быть больше четырех. Чтобы получить нынешнюю конфигурацию газовых гигантов, проведенное нами моделирование показало, что существовала по крайней мере пятая планета-гигант, которая была выброшена в какой-то момент давным-давно.
Пояс астероидов между Марсом и Юпитером, скорее всего, является остатками нашей первоначальной линии льда. Граница между тем, где вы можете иметь устойчивые льды, должна была привести к большому количеству тел, которые представляли собой смесь льда и камня, где льды в основном сублимировались за прошедшие миллиарды лет.
Тем временем за пределами нашего последнего газового гиганта сохраняются оставшиеся планетезимали с самых ранних стадий Солнечной системы. Хотя они могут сливаться, сталкиваться, взаимодействовать и иногда выбрасываться внутрь Солнечной системы гравитационными пращами, они в основном остаются за пределами Нептуна как реликт самых молодых стадий нашей Солнечной системы. Во многих отношениях это нетронутые остатки нашего космического заднего двора.
Но самым интересным местом для наших целей является внутренняя часть Солнечной системы. Возможно, когда-то была большая внутренняя планета, которая была поглощена, или, возможно, газовые гиганты когда-то занимали внутренние области и мигрировали наружу. В любом случае, что-то задержало формирование планет внутри Солнечной системы, что позволило четырем сформировавшимся мирам - Меркурию, Венере, Земле и Марсу - быть намного меньше всех остальных.
Из тех элементов, которые остались, и мы знаем, что они были в основном тяжелыми из измерений планетарной плотности, которые у нас есть сегодня, сформировались эти каменистые миры. Каждый из них имеет ядро из тяжелых металлов, сопровождаемое менее плотной мантией из материала, который попал на ядро позже, из-за Линии Мороза. Всего через несколько миллионов лет такого рода эволюции и формирования планеты по размеру и орбите стали такими же, как сегодня.
Но была огромная разница: на этих ранних стадиях у Земли не было нашей Луны. На самом деле у Марса тоже не было ни одной из его лун. Для того, чтобы это произошло, что-то должно было их создать. Это потребовало бы какого-то гигантского удара, когда большая масса столкнулась бы с одним из этих ранних миров, подняв обломки, которые в конечном итоге слились в одну или несколько лун.
Для Земли к этой идее не относились особенно серьезно, пока мы не отправились на Луну и не исследовали камни, которые нашли на лунной поверхности. Довольно удивительно, что Луна имеет такое же соотношение стабильных изотопов, что и Земля, в то время как на всех других планетах Солнечной системы они разные. Кроме того, вращение Земли и орбита Луны вокруг Земли имеют схожую ориентацию, а Луна имеет железное ядро, и все это указывает на общее происхождение Земли и Луны.
Первоначально эта теория называлась Гипотезой Гигантского Столкновения, и предполагалось, что она включала раннее столкновение между прото-Землей и миром размером с Марс, называемым Тейей. Система Плутона с ее пятью спутниками и марсианская система с двумя спутниками (вероятно, раньше их было три) - все они свидетельствуют о том, что они были созданы давным-давно в результате гигантских столкновений.
Но теперь ученые замечают проблемы с гипотезой гигантского удара, первоначально сформулированной для создания земной Луны. Вместо этого похоже, что меньшее (но все же очень сильное) воздействие объекта, возникшего намного дальше в нашей Солнечной системе, могло быть ответственно за создание нашей Луны. Вместо того, что мы называем гигантским столкновением, высокоэнергетическое столкновение с протоземлей могло сформировать вокруг нашего мира диск обломков, создав новый тип структуры, известный как синестия..
Есть четыре важных свойства нашей Луны, которые должна объяснять любая успешная теория ее происхождения: почему существует только одна большая луна, а не несколько лун, почему соотношение изотопов для элементов так похоже на Земле и Луна, почему на Луне мало летучих элементов и почему Луна наклонена по отношению к плоскости Земля-Солнце.
Соотношения изотопов особенно интересны для гипотезы гигантского удара. Сходные изотопные свойства Земли и Луны предполагают, что ударник (Тейя) и Земля, если они оба были большими, должны были образоваться на одном и том же радиусе от Солнца. Это возможно, но модели, формирующие Луну с помощью этого механизма, не дают правильных характеристик углового момента. Точно так же скользящие столкновения с правильным угловым моментом приводят к изотопному содержанию, отличному от того, что мы видим.
Вот почему альтернатива - синестия - так привлекательна. Если у вас произойдет быстрое, энергичное столкновение между меньшим телом, которое менее массивно, и нашей прото-Землей, вы сформируете большую структуру в форме тора вокруг Земли. Эта структура, называемая синестией, состоит из испарившегося материала, который образовался из смеси протоземли и столкнувшегося с ней объекта.
Со временем эти материалы будут смешиваться, образуя множество мини-спутников (называемых лунками), которые могут слипаться и притягиваться друг к другу, что приведет к появлению Луны, которую мы наблюдаем сегодня. Между тем, большая часть материала синестии, особенно внутренней части, упадет обратно на Землю. Теперь мы можем говорить не об одном надуманном гигантском столкновении, а об обобщенных структурах и сценариях, которые приводят к возникновению больших спутников, подобных нашей.
Почти наверняка имело место высокоэнергетическое столкновение с инопланетным внеорбитальным объектом, который столкнулся с нашей молодой Землей на ранних стадиях Солнечной системы, и это столкновение было необходимо, чтобы вызвать наша Луна. Но вполне вероятно, что он был намного меньше размеров Марса, и почти наверняка это был сильный удар, а не скользящее столкновение. Вместо облака каменных фрагментов образовалась структура нового типа расширенного испарившегося диска, известного как синестия. И со временем он сформировал наши Землю и Луну, какими мы их знаем сегодня.
В конце ранних стадий нашей Солнечной системы это было настолько многообещающе, насколько это возможно для жизни. С центральной звездой, тремя богатыми атмосферой каменистыми мирами, сырыми ингредиентами для жизни и газовыми гигантами, существующими намного дальше, все части были на месте. Мы знаем, что нам повезло, что появились люди. Но с этим новым пониманием мы также думаем, что возможность жизни, подобной нашей, уже существовала миллионы раз по всему Млечному Пути.
Дополнительная информация о том, какой была Вселенная, когда:
- Каково было, когда Вселенная раздувалась?
- Как это было, когда начался Большой Взрыв?
- Каково было, когда Вселенная была самой горячей?
- Как это было, когда Вселенная впервые создала больше материи, чем антиматерии?
- Как это было, когда бозон Хиггса придал Вселенной массу?
- Как это было, когда мы впервые создали протоны и нейтроны?
- Как это было, когда мы потеряли последнюю часть нашей антиматерии?
- Как это было, когда Вселенная создала свои первые элементы?
- Как это было, когда Вселенная впервые создала атомы?
- Каково было, когда во Вселенной не было звезд?
- Как это было, когда первые звезды начали освещать Вселенную?
- Как это было, когда погибли первые звезды?
- Как это было, когда во Вселенной образовалось второе поколение звезд?
- Как это было, когда Вселенная создала самые первые галактики?
- Как это было, когда звездный свет впервые прорвался сквозь нейтральные атомы Вселенной?
- Как это было, когда образовались первые сверхмассивные черные дыры?
- Что было, когда жизнь во Вселенной впервые стала возможной?
- Как это было, когда галактики образовывали наибольшее количество звезд?
- Как это было, когда формировались первые обитаемые планеты?
- Как это было, когда космическая паутина сформировалась?
- Как это было, когда сформировался Млечный Путь?
- Как это было, когда темная энергия впервые захватила Вселенную?
- Как это было, когда наша Солнечная система только сформировалась?