Характерное время формирования планет было довольно коротким. Нужно помнить, что 50 млн лет — это всего лишь 1 % от возраста Солнечной системы. Как мы далее увидим, образование планетной системы было почти мгновенным, по крайней мере, в астрономическом и геологическом смыслах. Хотя еще не все детали изучены, но считается, что в целом формирование планет происходило так.
Частицы пыли начали слипаться в экваториальной плоскости протопланетного аккреционного диска. Эти конгломераты в течение нескольких тысяч лет выросли в большие рыхлые пылевые комья размером до 1 км. Двигаясь по орбитам внутри протопланетного диска, они собирали все больше пыли и сталкивались с другими подобными им комьями. Их гравитация усиливалась и делала их более компактными, освобождая таким образом пространство. Когда размер этих планетезималей достиг примерно 800 км, их собственное тяготение стало таким сильным, что они приняли сферическую форму. Это превращение не было внезапным, а происходило постепенно по мере роста тела. Примерно в это же время планета достаточно увеличилась, чтобы своим тяготением начать собирать из окружающего пространства пыль и газ и от этого расти еще быстрее.
На расстоянии современной орбиты Юпитера температура протопланетного диска настолько низкая, что лед остается замерзшим. Это означает, что там было больше твердого вещества для образования планеты. Юпитер продолжал расти и достиг массы в 30 раз большей, чем у Земли. При этом он обрел новое качество: формирующаяся планета стала настолько массивной, что ее тяготение способно было удерживать даже самые летучие элементы — водород и гелий. С ростом массы гигантская планета сгребает все вещество из окрестностей своей орбиты. Пыль, лед, камни и газ — все это увеличивает ее массу, пока не очистится пространство вдоль ее орбиты. От начала слипания пылинок и до окончания роста планеты проходит около 30 млн лет. То же самое, но медленнее, происходило и при формировании трех других планет-гигантов — Сатурна, Урана и Нептуна. А за орбитой Нептуна еще сохранилось оставшееся от образования планет вещество: пыль, астероиды, кометы и объекты пояса Койпера («плутоиды») размером до 1000 км.
Пока планеты росли и формировались, температура в центре Протосолнца продолжала повышаться. Когда она достигла примерно 4 млн градусов, начались ядерные реакции, и родилось Солнце. Определить точную дату этого события трудно. Возможно, оно произошло через несколько миллионов лет после оседания пыли к плоскости аккреционного диска. Мощное излучение Солнца, особенно сильное в ультрафиолетовом диапазоне, как у всех звезд типа T Тельца, а также солнечный ветер, представляющий быстрый поток вылетающих из Солнца частиц, очистили от остатков газа Солнечную систему.
Молодая Земля и происхождение Луны.
По мере роста Земли она все реже сталкивалась со своими конкурентами, но все же несколько раз испытала весьма сильные столкновения с телами крупного размера. Земля почти полностью сформировалась всего через 50 млн лет после того, как ее исходное вещество (пыль) осело к экваториальной плоскости протопланетного диска. На этой стадии она уже собрала 95 % своей массы, но редкие сильные столкновения еще происходили. В результате одного из таких столкновений, как мы полагаем, возникла Луна.
До полетов «Аполлонов» обсуждалось несколько теорий происхождения Луны. Еще в 1909 году американский астроном со сложной и неоднозначной биографией Томас Си (Thomas J. J. See) предположил, что Луна была захвачена Землей. Другую теорию выдвинул в 1878 году Джордж Дарвин, сын Чарлза Дарвина. Он считал, что Луна оторвалась от расплавленной Земли в результате ее быстрого вращения. В 1892 году священник Осмонд Фишер предположил, что следы этого события сохранились в виде Тихого и Атлантического океанов. Но позже тщательные расчеты Ф. Р. Мультона и X. Джефриса показали, что с точки зрения физики эта теория неверна (хотя она сохранялась в учебниках до 1960-х годов). Согласно третьей теории, оба тела — Земля и Луна — сформировались в протопланетном диске в одно и то же время практически в одном и том же месте. Эту теорию развил в 1943–1946 годах академик Отго Юльевич Шмидт, а затем разрабатывали Виктор Сергеевич Сафронов и Евгения Леонидовна Рускол, которая и сейчас продолжает эту работу в Институте физики Земли имени О. Ю. Шмидта.
Полеты «Аполлонов» в начале 1970-х годов изменили взгляды на происхождение Луны, поскольку астронавты доставили образцы ее вещества. К всеобщему удивлению, породы из темных лунных морей оказались похожи на земные базальты, а из более светлых материковых областей — на земные анортозиты. Напомним, что анортозиты — это горные породы, преимущественно состоящие из одного из подвидов полевого шпата — плагиоклаза, наиболее часто встречающегося в земной коре. Большинство других лунных минералов тоже оказались похожими на те, которые встречаются в земной коре. Средняя плотность Луны равна 3,3 г/см3, что совпадает с плотностью океанской коры Земли. Это указывает, что Луна не может иметь большое и плотное железо-никелевое ядро, какое есть у Земли. Это подтверждается и отсутствием у Луны магнитного поля. В лучшем случае, железное ядро может составлять четверть массы Луны, тогда как в железном ядре Земли заключена половина массы планеты. Это указывает, что формирование Луны не могло происходить независимо от формирования Земли.
На этих фактах развилась новая теория, предполагающая, что Луна образовалась при почти касательном столкновении Протоземли с телом в десять раз менее массивным, размером с Марс (рис. 29.5). Столкновение было таким сильным, что оба тела расплавились, их ядра в конце концов слились, а выброшенное при ударе вещество частично упало обратно на Землю, а частично оказалось на орбите вокруг Земли и, собравшись вместе, образовало Луну. Совершенно очевидно, что это столкновение испарило любую атмосферу, которая могла сформироваться до столкновения. Лунные образцы показывают, что столкновение могло произойти 4,527 ± 0,010 млрд лет назад, то есть через 40 млн лет после начала формирования Земли.
Происходили и другие мощные столкновения. Хотя древняя атмосфера, вероятно, сначала была довольно толстой, ее разрушали неоднократные удары и окончательно уничтожил «последний сорвавший атмосферу удар». При этом он, похоже, расплавил и часть Земли.
Время этого столкновения измеряется по отношению изотопов благородных газов, таких как 129Хе и 130Хе (изотоп 129Хе образуется при распаде 129I, а 130Хе стабилен). Этот удар случился 4,45 млрд лет назад, через 120 млн лет после того, как из осевшей к экваториальной плоскости протопланетного диска пыли начала формироваться Земля, и через 80 млн лет после удара, приведшего к образованию Луны.
Рис. 29.5. Схема, иллюстрирующая гипотезу рождения Луны в результате гигантского столкновения. Эту идею впервые опубликовали в 1975 году Уильям Хартман и Дональд Дэвис, а также независимо от них разработали Аластер Камерон (1925–2005) и Уильям Уод.
Описанные выше столкновения должны были происходить с объектами, двигавшимися по орбитам, близким к орбите Земли. Но в следующие примерно 800 млн лет во внутреннюю область Солнечной системы стало попадать огромное количество комет и астероидов, многие из которых сталкивались с Землей и Луной. Эту интенсивную бомбардировку производили малые тела, которые случайно сближались с планетами-гигантами, и те своим притяжением изменяли орбиты малых тел, направляя примерно половину из них во внутреннюю область Солнечной системы, а вторую половину выбрасывая за ее пределы. Эта очистительная акция, в основном произведенная Юпитером, повысила интенсивность столкновений в древности, но зато снизила ее в последующие эпохи, обеспечив благоприятную эволюцию для Земли и жизни на ней.
Эволюция Земли и соответствующие шкалы времени.
Трудно представить, как выглядела молодая Земля. Главные причины в ее высокой геологической активности, мощной эрозии и циклической переработке земной коры. Описанные выше методы радиохронологии в последнее время были усовершенствованы, и теперь с поразительной точностью можно датировать самые ранние процессы в эволюции Земли. Сейчас точность датировки геологических эпох составляет 1 млн лет и даже лучше на протяжении всей истории Земли. В табл. 29.2 представлена геологическая шкала времени (заметим, что два или более периодов составляют эру, а две или более эры — зон).
Таблица 29.2. Геохронологическая шкала (в миллионах лет).
Вспомним наше описание радиохронологического метода, использующего очень прочные кристаллы циркона (врезка 29.1). Самый старый на Земле кристалл циркона, возраст которого 4,2 млрд лет, был найден в области Джек-Хиллс в Западной Австралии, но он был в породах, уже претерпевших метаморфозы. Циркон сформировался еще до того, как эти породы частично расплавились и подверглись переработке. Древнейшие коренные породы возрастом 3,9 млрд лет обнаружены в Западной Гренландии. А в Южной Африке и Западной Австралии есть коренные породы возрастом 3,5 млрд лет. Большая часть континентов значительно моложе миллиарда лет, а возраст глубоководного дна океанов нигде не превышает 250 млн лет. Все это означает, что если вы хотите исследовать Землю в эпоху ее молодости, то количество мест, откуда можно взять геологические образцы, весьма ограничено. Как уже говорилось, датирование важных событий прошлого, основанное на соотношениях изотопов, дает нам очень надежную систему измерения. Комбинируя данные по метеоритам, астрономическим туманностям, динамическим исследованиям Земли и изотопным исследованиям земных минералов, мы получаем приведенную ниже картину.
