Будущее солнечной системы - возвращение хаоса древних времен?

Без катастроф в нашем мире не обходится. Падения комет и астероидов, головоломная жизнь далеких планет, гибель галактик — в последние годы эти события стали темой серьезных научных исследований. Ученые не обошли стороной и судьбу нашей космической родины — Солнечной системы. Вообще-то во многих отношениях она являет собой пример поразительного согласия всех своих частей. Ее охотно сравнивают с карточным домиком: ведь стоило бы одной планете сдвинуться с привычной орбиты, как равновесие непоправимо нарушилось бы. Так постройка из карт падает, если выдернуть лишь одну. 

Когда на часах законы Кеплера 

Вот уже четыре с половиной миллиарда лет планеты обращаются вокруг Солнца. Мы привыкли к их размеренному ходу; они движутся, как заведенные часы — из века в век, из тысячелетия в тысячелетие. Кажется, что небесная машинерия — самый надежный механизм мироздания. Мы знаем, где окажутся стрелки часов через сорок минут, через десять дней… Да и движение планет вроде бы предсказуемо на миллионы лет вперед: пророчества Кеплера отлились в монументальную форму законов. Так ли это? Ведь не раз в этой отлаженной системе грозил воцариться хаос. 

Восемь больших планет и огромная свита, собранная из астероидов, карликовых планет и прочих плутиносов, церемонно кружат по небу, сохраняя заведенный порядок, но стоит кому-то выбиться из строя, как "карточный домик" валится. Изменившуюся силу притяжения ощущают на себе соседние планеты. Все это напоминает — другое сравнение — игру в бильярд, затеянную на космических просторах. Свернувший в сторону шар планеты заставляет катиться иначе и другие, соседние с ним шары. 

"Стабильность Солнечной системы не вытекает ни из каких математических расчетов. Это одна из эмпирически обоснованных научных догм. Так как на протяжении последних трех-четырех веков люди не наблюдали никакого серьезного отклонения траекторий планет от их наблюдавшихся ранее орбит, в науке утвердилось представление о стабильности движения планет вокруг Солнца, — пишет в своей работе "История под знаком вопроса" математик Е.Я. Габович, эмигрировавший из СССР в 1980 году. 

Стабильность Солнечной системы — это лишь некий постулат веры, восходящий ко времени Ньютона, когда загипнотизированные возможностью теоретического описания поведения динамических систем в небесной механике великие ученые узрели в математике новое божество". 

Видимый покой обманчив. Еще в 1889 году французский математик Анри Пуанкаре показал, что невозможно раз и навсегда рассчитать, как поведут себя хотя бы три тела, связанные друг с другом силами взаимного притяжения. Конечно, можно составить уравнения, которые описывают их перемещения, но решить оные не представляется возможным. Ответы получатся приблизительными. У всех этих тел (в нашем случае — планет) останется толика свободы. 

Итак, эта система уравнений имеет лишь приближенное решение. Впрочем, данное слово не должно обманывать. Это решение позволяет с точностью до секунды предсказать солнечное или лунное затмение, а также безошибочно вывести автоматический аппарат на орбиту Юпитера или Сатурна. Однако оценить далекое будущее планет можно лишь с долей вероятности. На них, как и на мир электронов, распространяется свой "принцип неопределенности". 

Планируя, повторюсь, космические экспедиции, которые продлятся несколько лет (и даже десятилетий, столетий), мы получим результат поразительной точности. Если мы захотим узнать, что произойдет с планетами через пару миллионов лет, то и здесь мало в чем ошибемся. На оси Времени наша пара миллионов — лишь неприметная точка. Таким образом, если в микромире "точность, с которой известно положение частицы, зависит от ее состояния движения" ("Берклеевский курс физики"), то в космосе она зависит от времени. В момент t = 0 место планеты на карте небес достоверно ведомо, когда же космическое время будет немного отлично от нуля (на Земле пройдут десятки миллионов лет!), тогда и судьба планеты, — прежде всего земного типа, — станет неопределенной. Мы лишь будем строить догадки, говоря, что случится с ней (так физики микромира предсказывают поведение электрона: "С вероятностью 50 процентов он пересек барьер, с вероятностью 50 процентов остался по эту сторону барьера"). 

Вот и теперь астрономы, решив заглянуть в будущее, подсчитывают шансы планеты занять то или иное место на своде небес. Ее траектория через длительный промежуток времени уже не укладывается в рамки науки Кеплера и Ньютона, ее нельзя вычислить, а можно только предугадать. Что ожидается? Что состоится? 

Итак, крупным планом — Солнечная система. Время громадным кораблем мчится по своей реке. Планеты пловцами подрагивают в набежавших волнах, хаотично уплывая во все стороны. Кто с кем столкнется, кто куда денется, когда — миллиарды лет спустя — этих "купальщиков" перемешают нахлынувшие на них волны? Ответа не даст никакая точная наука. "Вероятно, они останутся…", "возможно, они сместятся…", "наверное, столкнутся" — этот набор формулировок разделяет силу и слабость современной астрономии. Здесь оканчивается мир, поддающийся счету с использованием классических приемов механики XVIII века, и мир постклассический, где вероятность возводит случай в квадрат, а к полученному результату прибавляет недопустимую погрешность. Имя этому произволу — хаос, высший порядок мироздания. 

Неисповедимы судьбы планет 

Используя все более мощные вычислительные машины, астрономы вот уже четверть века пытаются угадать облик Солнечной системы в далеком будущем. Еще в 1980-е годы Джек Уисдом и Джеральд Зуссман из Массачусетсского технологического института решили проверить, так ли прочны скрепы планетного царства? Они стали изучать орбиты планет, пользуясь специально созданным компьютером. 

В ту пору машине понадобилось пять месяцев, чтобы проследить траектории четырех гигантских планет и Плутона на протяжении 845 миллионов лет. Что же открылось на небесах? Планеты-гиганты, как и подобает сильным мира сего, невозмутимо кружили по раз и навсегда заведенным орбитам. Ничто не могло выбить их из колеи. А вот Плутон вел себя иначе; поведение его было хаотическим. Что в данном случае подразумевают под этим словом? 

Попробуем поместить планету в какой-либо точке А ее траектории; она начнет двигаться по орбите, совершая оборот за оборотом. К концу нашего расчета она окажется в точке В. Повторим опыт, но теперь планета начнет движение из точки А1, отстоящей от точки А на бесконечно малую величину. Планета окажется почти в той же самой точке В, в которой финишировала в прошлый раз. Таким образом, ее поведение является величиной предсказуемой. Дело обстоит по-другому, когда планета ведет себя "хаотически". 

В этом случае окружающие ее небесные тела оказывают на планету столь сильное воздействие, что стоит только чуть-чуть — на бесконечно малую величину — изменить условия проведения расчета, как результат получится самым неожиданным, и планета окажется вовсе не там, где вы надеялись ее застать. В одних случаях разница составит небольшую величину, в других будет весьма значительной. 

Теперь признаем, что астрономы пока не могут определить координаты любой из планет Солнечной системы с точностью до метра. В таком случае — делаем неутешительный вывод, — начиная с какого-то момента предсказать положение планеты, движущейся хаотически, нельзя. Куда занесет ее судьба, нам остается только гадать. Наука смиренно молчит. Зуссман и Уисдом констатировали, что по прошествии 20 миллионов лет движение Плутона станет непредсказуемым. Вскоре выяснилось, что и ближайшие к Солнцу планеты тоже движутся хаотически. Уже через пять миллионов лет судьбы их покрываются мраком, и сказать что-либо об их 
будущем невозможно. 

Меркурий и "космический гололед" 

В начале 2008 года французский астроном Жак Ласкар опубликовал результаты исследования, которое с некоторой долей вероятности обещает нашей планетной системе немалые трудности — возвращение хаоса древних времен. Когда-то в окрестности Солнца было, как в Москве в гололед. Планеты сталкивались друг с другом, с астероидами, с кометами. 

После подобной катастрофы, пережитой Землей, у нее появился спутник — Луна, буквально сотворенный "из ее ребра" (см. "З-С", 8/05). Меркурий, испытав удар, лишился "скальпа" — покрывавшей его коры см. "З-С", 6/07). Венера, быть может, свернула с привычной орбиты и стала вращаться в обратную сторону (см. "З-С", 9/08). Нептун разогнал мельтешившую вокруг толпу астероидов: удалившиеся от Солнца, они образовали так называемый пояс Койпера (см. "З-С", 3/07). Далекое прошлое было временем непредсказуемых коллизий. В этой реке времени, как в зеркале вод, грозит отразиться далекое будущее. 

Конечно, вероятность такого развития событий невелика. И все же этот кошмар случается в научных расчетах, когда астрономы пытаются моделировать, что произойдет с Землей, например, через 40 миллионов лет. В одном-двух случаях из ста Земля оказывается на пути Меркурия или Марса. Следует удар, выжигающий все, что останется живого на нашей планете. 

…В начале девяностых годов Ласкар уже привлек внимание, опубликовав сенсационную работу под названием "Хаотические процессы в Солнечной системе". Ему удалось рассчитать, как будут меняться орбиты планет (за исключением Плутона) на протяжении 25 миллиардов лет. Период этот в пять раз длиннее того промежутка времени, в течение которого существует наша Солнечная система. Уже через пять миллионов лет поведение ряда планет становилось непредсказуемым. Поэтому Ласкар не стал скрупулезно, шаг за шагом, высчитывать координаты небесных тел. Он изменил метод вычислений. Его интересовало другое: каким образом в далеком будущем станут меняться формы орбит, по которым движутся планеты. 

И на этот раз оказалось, что орбиты планет-гигантов (Юпитер, Нептун и иже с ними) являются чрезвычайно стабильными. Поведение этих небесных тел и через миллиарды лет будет напоминать надежную работу курантов. Как заведенные, они продолжат кружить близ Солнца. А вот другие планеты то и дело сбивались с верного пути. Плоскость орбиты Марса наклонялась на 10 градусов по отношению к эклиптике. Сегодня этот показатель составляет всего два градуса. У Меркурия же он и вовсе достигал 20 градусов. 

…Новая работа Ласкара подводила итог многолетним расчетам. Она содержала 1001 модель, описывавшую перспективы Солнечной системы. Кажется, все случаи жизни были явлены в этом калейдоскопе предначертанного бытия. Так вот, примерно в 20 случаях орбита Меркурия со временем все менее напоминала круговую. Эту планету притягивал к себе Юпитер — она спешила к нему, бросаясь наперерез другим небесным телам. Так иной пешеход, не замечая опасного движения машин, спешит на другую сторону улицы. В этих моделях "под колеса" Земле и Марсу бросался Меркурий. Эксцентриситет его орбиты превышал 0,6 (при эксцентриситете, равном нулю, планета движется по круговой орбите, а равном единице — по параболе). 

20 случаев — 2 процента. Много это или мало? В мире астрономических событий, где все подолгу идет своим чередом, эта пара процентов настораживает. От них веет более ощутимой угрозой, нежели от "одного шанса из ста тысяч", которые обещают столкновение астероида Х с Землей в каком-нибудь 2666 году. 

Меркурий вообще оказался горазд на "подвиги" — лишь бы пожертвовать чьим-то покоем. В одном сценарии он через 1,3 миллиарда лет отчаянно бросался на Солнце и сгорал в нем, как щепка, брошенная в огонь. В другом, опрокидывая давнюю систему сдержек и противовесов, силился смешать все в доме планет, "перессорить" Землю и Марс, столкнуть их. В третьем — через 820 миллионов лет — Марс покидал Солнечную систему, выброшенный из нее, как из окна. Без него другие планеты земной группы теряли былую солидность. Так обрушился бы дом, сумей мы выдернуть из-под него фундамент. После этого не прошло бы и сорока миллионов лет, как Венера столкнулась бы с Меркурием. "Головоломная жизнь" последнего завершалась стычкой, дробившей обе планеты, как орехи. Еще выше у него вероятность ничего не менять в налаженном ходе планет, но в эту счастливую возможность остается только верить. 

В обнародованных в 2008 году работах Ласкара и его коллег из Калифорнийского университета Грегори Лофлина и Константина Батыгина было порой достаточно небольшого изменения орбиты Меркурия, чтобы тот сблизился с Венерой. Ведь есть так называемые "зоны хаоса": стоит планете туда попасть, как любые внешние воздействия будут усиливаться, пока не наступит резонанс. Тогда форма орбиты заметно меняется. Начинают действовать совсем иные силы притяжения, передаваясь ближайшим небесным телам. Что творится с небесной механикой! Словно в отлаженную машину, все поршни, кривошипы и штоки которой совершали свои поступательные и вращательные движения, попадает контргайка, ломая врезавшиеся в нее детали. Слабым звеном оказываются Меркурий и Марс. Их легче всего вывести из равновесия. 

Итак, лишь поведение планет-гигантов расписано на века... точнее, на миллионы веков вперед. Все другие ведут себя хаотически. Хаос в хороводе планет! Кажется, что может быть страшнее? 

"Дважды два — стеариновая свечка" 

Ранее Ласкара не раз критиковали за его расчеты. Ведь даже с использованием лучших компьютеров мира трудно моделировать судьбу Солнечной системы на миллиарды лет вперед, а потому он несколько упростил уравнения движения планет, что совершенно никак не сказывается, пока их эксцентриситеты орбит малы, зато ощущается по мере того, как траектория все больше напоминает овал. Поэтому оппоненты не берутся судить, насколько точны расчеты Ласкара. 

Кроме того, он "делал поправку" на погрешность в координатах планеты, то есть в результатах наших измерений. Для этого он вычислял траекторию не только "настоящего" Меркурия, но и четырех его "клонов", каждый из которых находился в 150 метрах от того положения планеты, которое мы считаем истинным. Затем он определял, что произойдет с планетой и ее "клонами", допустим, через миллион лет. Из полученных результатов выбирал тот, где эксцентриситет был особенно велик. Теперь он считал "Меркурием" данный объект. Снова создавал четыре "клона" и вычислял, что произойдет с новым семейством планет еще через миллион лет. Опять сортировал ответы. Выбирал наиболее тревожный результат — там, где орбита планеты особенно сильно искажалась. Называл этот объект "Меркурием"… 

В итоге Ласкар подсчитывал, каким будет максимально возможное отклонение траектории планеты от нынешней. Он устремлялся туда, где рождается хаос, игнорируя заурядный ход событий, их скучное повторение. В своей новой работе он придерживался прежнего алгоритма и все так же прибегал к упрощенным расчетам. 

Его коллеги из Японии, Ито и Таникава, попробовали не поступаться трудностями, и их расчеты оказались более оптимистичны. Орбита Меркурия, и верно, изменится, но не так сильно. Ее эксцентриситет останется меньше 0,35, а в таком случае опасности столкновения с Венерой нет. 

Казалось бы, мир в нашей части космоса спасен, и на небесах во веки вечные воцарился покой. Но у специалистов есть претензии и к этому расчету. В нем не учтены эффекты общей теории относительности, а также гравитационное воздействие Луны (справедливости ради, обе величины очень-очень малы, и обычно их не принимают в расчет). Ласкар же настаивает на том, что при таких больших промежутках времени, как пять миллиардов лет, надо учитывать и эту "мельчайшую погрешность". Его ответ японским коллегам был достоин математика. Он повторил их расчет, приняв во внимание и факторы, которыми те пренебрегли. В этой модели эксцентриситет Меркурия возрастал до 0,8. 

Вернувшись же к своей излюбленной — упрощенной — схеме, он показал, насколько важно учитывать релятивистские эффекты, планируя судьбы планет на несколько геологических эпох вперед. Без их учета Меркурий вел себя… хаотичнее. 

Последний пример довершал печальную картину. Хаос и смятение царили не только в семействе планет, но и в умах астрономов, их изучавших. Если в модели Ито и Таникавы теория относительности подстегивала беднягу Меркурия как бичом, заставляя его метаться с одной орбиты на другую, то в модели Ласкара — неожиданно усмиряла его. Где же правда грядущей жизни? Где польза, а где вред от теории относительности? Что она губит, что спасает? 

Впрочем, кто бы ни брался обсуждать судьбу Солнечной системы со страниц научно-популярных изданий, книги этих пророков должны смущать публику куда меньше, чем когда-то стенания Иеремии или Иезекииля. Расчеты показывают, что мрачные примеры редки. В остальном хаос не подрывает порядок в нашей планетной системе. В подавляющем большинстве вариантов обитатели нашей планеты останутся счастливыми зрителями бурь, разыгравшихся в небесном театре. В 98 процентах случаев Земля, кто бы ее ни населял к тому времени, и через пять миллиардов лет избежит жестоких ударов. Да и потом, что значат эти миллиарды лет для миллиардов людей? Это какое-то "дважды два — стеариновая свечка" (И.С. Тургенев). И пусть неудачник (sic: Меркурий) трепещет. Да еще астрономы жалуются, что никак не исчислить будущего. Судьбы планет оказываются неисповедимы, как и судьбы людей. 

(Использованы материалы www.astronews.com, "Р. М.", Spiegel и Bild der Wissenschaft.) 

От взрыва или от "ветра"? 

Многие астрономы утверждают, что Солнечная система возникла в результате взрыва сверхновой звезды, выбросившей в космос тяжелые элементы, вроде углерода и кислорода. По этой гипотезе, в древнейших метеоритах должно быть повышенное содержание определенного изотопа железа, который выбрасывают обычно сверхновые звезды. Недавно датский астроном Биззаро показал, что такого изотопа в метеоритах нет, зато имеется изотоп алюминия, который образуется только в сверхтяжелых звездах. Такие звезды излучают сильный "звездный ветер", а этот ветер, полагает Биззаро, мог сжать уже существовавшее облако газа таким образом, что он дал начало Солнечной системе. Если так, то мы не от взрыва родились, а нас "ветром надуло". 

Как образуются Земли? 

Исследование 309 очень молодых, подобных Солнцу, звезд, проведенное с помощью космического телескопа Спитцера, привело к выводу, что твердые планеты, напоминающие нашу Землю, составляют от 20 до 60% всех возможных планет, обращающихся вокруг этих звезд. В исследовании измерялось количество пыли, находящейся от этих звезд примерно на том же расстоянии, что и Земля. Со временем из этой пыли могли образоваться планеты земного типа. НАСА планирует запустить в феврале этого года космический телескоп Кеплер для поиска планет размером с Землю.