Александр Волков
100 великих загадок астрономии
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.
Окончательный ответ на этот вопрос должна дать экспедиция по поиску живых организмов в облачной толще Венеры. Земные мифы непрестанно твердят нам, что всякий ад непременно бывает кем-нибудь да населен. Возможно, что и Венера – не исключение. Ведь любой ад – это просто образ жизни. Или, как сказал философ, ад – это другие.
Тайна вулканического ада Венеры
Еще пару десятилетий назад астрономы с удивлением обратили внимание на то, как молода поверхность Венеры. Дело в том, что во время экспедиции американского зонда «Магеллан», который в 1990–1994 годах составил карту планеты, здесь было обнаружено гораздо меньше кратеров, чем обычно встречается на планетах земного типа, подвергшихся в ранний период своей истории ожесточенной метеоритной бомбардировке. На Венере известно всего около 1000 метеоритных кратеров. Они почти равномерно распределены по всей планете. Нет ни одной области, где наблюдалось бы скопление кратеров, что указывало бы на ее древний возраст.
Исследователям оставалось лишь предположить, что на Венере время от времени наблюдаются какие-то бурные геологические процессы, которые полностью сглаживают ее поверхность. Тот же зонд «Магеллан» отыскал на этой планете более 50 тысяч вулканов. Это – и небольшие вулканические конусы диаметром всего несколько километров, и громадные щитовые вулканы, такие, как Идунн-Монс, расположенный в южном полушарии Венеры. Его высота, впрочем, не так уж велика – около 2500 метров, – зато в поперечнике он достигает двухсот километров. Не вулкан, а просто настоящая «царь-пушка», которая когда-то выстреливала целыми морями лавы. Всего на Венере насчитывается не менее 167 вулканов, основание которых достигает в диаметре 100 и более километров. Самый высокий вулкан – Маат-Монс высотой более 8 километров – располагается прямо на экваторе.
Одна из главных загадок Венеры заключается в следующем. Планета усеяна вулканами, но их активность, похоже, давно прекратилась. Или же нет? Венера ведь мало изучена. Возможно, извержения вулканов происходят здесь и в наше время, – только нам еще ни разу не довелось воочию видеть хотя бы одно. Правда, и у нас на Земле такие события наблюдаются не каждый месяц и даже не каждый год. Во всяком случае, весной 2008 года европейский зонд «Венера-Экспресс» обнаружил в атмосфере Венеры, на высоте 70–90 километров, большое количество диоксида серы – сернистого газа. Это ли не признак вулканизма?
Топографическая карта Венеры, созданная на основе данных, полученных с американского космического зонда «Магеллан» в 1990–1994 гг.
И, может быть, именно из-за вулканов поверхность Венеры так омолодилась? Планета словно искупалась в «кипящем молоке» лавы. Пытаясь представить себе, как это произошло, астрономы выдвинули две принципиально разные гипотезы. Одна – катастрофическая. Примерно 500 миллионов лет назад Венера пережила грандиозный катаклизм. К этому времени в недрах планеты, близ ее поверхности, скопилось громадное количество тепла, выделявшегося при распаде радиоактивных элементов – урана, тория, калия-40. Большая часть мантии расплавилась, а затем разогрелась и расплавилась кора планеты. Вся она превратилась в огненное море, в котором исчезли всякие следы прежнего рельефа. Высота слоев лавы достигала 1–3 километров. Когда около 300 миллионов лет назад планета наконец остыла, ее поверхность представляла собой однообразную каменистую гладь. Катастрофа полностью стерла все прошлое Венеры. С этого времени вулканы умолкли навсегда. Или нет? Может быть, через каждые несколько сотен миллионов лет Венера погружается в этот пылающий ад?
Вторая гипотеза предполагала постоянную активность здешних вулканов. Вновь и вновь на Венере происходят вулканические извержения. Изливающаяся лава затопляет окрестности, стирая возникшие когда-то кратеры и впадины.
Сведения, собранные в последние годы зондом «Венера-Экспресс», говорят в пользу второй гипотезы. В конце 2000-х годов группа астрономов НАСА во главе со Сьюзен Смрекар, обработав результаты наблюдений зонда, убедилась, что вулканические извержения происходили на Венере не только в далеком прошлом, но и, возможно, совсем недавно.
Внимание ученых привлекли, прежде всего, три так называемые «горячие точки», «Hot Spots», расположенные в южном полушарии Венеры: Имдр, Фемида и Диона (всего, по данным на 2010 год, на Венере известно 9 таких «точек»). Они представляют собой округлые области, составляющие от 1400 до 2700 километров в поперечнике. Это своего рода небольшие плато, которые вздымаются над окружающей местностью на высоту от 500 до 1600 метров.
Речь идет об участках, где раскаленные породы мантии залегают слишком близко к поверхности планеты. Это приводит к регулярным вулканическим извержениям, которые, судя по анализу лавовых потоков, происходили от 2,5 миллионов до 250 тысяч лет назад. Совсем недавно по космическим меркам! Астрономы нашли даже следы извержений, состоявшихся всего несколько столетий назад. Вот какие факты заставили их сделать этот вывод.
Используя результаты измерений, проведенных зондом «Венера-Экспресс», группа Сьюзен Смрекар убедилась в том, что застывшие лавовые потоки в окрестности «горячих точек» излучают примерно на 12 % больше тепла, нежели другие участки поверхности Венеры. Интенсивное излучение тепла связано с тем, что отвердевшие потоки лавы пока еще не подверглись столь же сильному выветриванию, как остальные области планеты. Лабораторные исследования показали, что при высокой температуре и громадном давлении в атмосфере, состоящей из углекислого газа, такие железосодержащие минералы, как пироксены и пирит, превращаются в гематит и кварц, которые выделяют гораздо меньше тепла, чем исходные материалы. Итак, те области Венеры, которые особенно интенсивно излучают тепло, очень молоды с геологической точки зрения. Еще сравнительно недавно здесь происходили вулканические извержения, и породы, выброшенные на поверхность планеты, пока не превратились во вторичные минералы (скорость подобной метаморфозы на Венере оценивается в несколько микрометров в год).
Очевидно, поверхность Венеры постоянно «омолаживается», покрываясь все новыми и новыми слоями лавы, изливающейся из недр планеты. Облик современной Венеры – это вовсе не результат одной-единственной катастрофы, превратившей планету в пылающий ад.
А можем ли мы узнать, как выглядела Венера в далеком прошлом? Похоже, миллиарды лет назад она и впрямь напоминала нашу планету. Громадные континенты, океаны и моря, действующие вулканы… Это доказывают инфракрасные снимки, сделанные тем же зондом «Венера-Экспресс».
Обширные плато, обнаруженные на Венере, например, Земля Иштар (по размерам она сравнима с Австралией), – это остатки континентов, омывавшихся когда-то океанами. Судя по результатам спектрального анализа, проведенного зондом, на Венере – например, на плато Альфа-Регио – имеются скалы из гранита. Этот материал образуется при медленном застывании лавовых (базальтовых) потоков, унесенных в глубь планеты в результате тектонических процессов и там вступивших в химическую реакцию с водой. Если на Венере действительно есть гранитные породы, это может служить косвенным доказательством того, что в далеком прошлом там, как и на Земле, тоже наблюдалось движение литосферных плит, полагает астроном Нильс Мюллер из Мюнстерского университета. Неужели это так?
Венера и Земля сходны по своим размерам. Однако процессы, протекающие в коре обеих планет, разительно отличаются. Облик земной поверхности определяет тектоника плит. Вновь и вновь на Земле происходят землетрясения, исподволь движутся континенты, вздымаются молодые горы. Поверхность Венеры, наоборот, поразительно неподвижна. Так, может быть, все было когда-то иначе? И если эта догадка верна, то почему движение плит на Венере прекратилось?
