Ми настільки звикли до вигляду Місяця на нашому нічному (а часом і денному) небі, що практично ніколи не замислюємося над тим, як нам пощастило мати такого «космічного сусіда». Земля та її супутник є унікальним явищем у Сонячній системі, а останні дослідження свідчать, що й у цілому Всесвіті подібні «поєднання» зустрічаються не так уже й часто. Як же з’явилася ця дивна пара і що мали дізнатися вчені, щоб відповісти на це питання?
Перший із відомих супутників
Місяць, мабуть, — єдине тіло Сонячної системи, яке вже на ранніх етапах розвитку астрономії вчені правильно «поставили на місце»: наші предки давно вже усвідомили, що він обертається навколо Землі. Щоправда, їх трохи збивав із пантелику майже незмінний вигляд нашого супутника, тому їм нескладно було уявити, що він «приколочений» до прозорої кришталевої сфери (яка, власне, й обертається навколо нас). Також у давні часи помітили, що Місяць, як і Сонце з відомими тоді планетами, рухається по небу поблизу екліптики — площини земної орбіти. Але незвичність цього факту усвідомили значно пізніше, коли зрозуміли, що природні супутники має не лише Земля. Це революційне на той момент відкриття зробив у 1610 році Галілео Галілей, коли зумів розгледіти в один із перших своїх телескопів чотири найбільших супутники Юпітера.
Згодом природні супутники були відкриті у Сатурна, Урана та Нептуна (причому у двох останніх — практично одночасно з відкриттям самих планет). Врешті цей перелік поповнив і Марс, біля якого в 1877 році вдалося розгледіти два крихітних супутнички, що отримали назви Фобос і Деймос. Отже, виявилося, що з усіх «несамотніх» великих планет Сонячної системи найближчою до Сонця є Земля, і в цьому полягає один із проявів її унікальності. Це вплинуло, між іншим, на те, що наш Місяць обертається недалеко від площини екліптики, а не земного екватора. Переважна більшість інших великих супутників якраз «тяжіють» до екваторіальної площини своїх планет.
Ще у II столітті нової ери давньогрецький астроном Птолемей зробив досить точні оцінки розміру Місяця та відстані до нього (звичайно, не в кілометрах, а у величинах земного радіуса). Майже 1700 років потому людство спромоглося виміряти інші великі супутники планет, і стало зрозуміло, що наш Місяць належить до семи найбільших із них, причому в цій «великій сімці» він навіть не на останньому місці: за розміром йому поступаються Європа (найменший із чотирьох галілеєвих супутників Юпітера) та нептуніанський супутник Тритон. Складніше було визначити масу цих об’єктів, і тут на вчених чекав новий сюрприз: виявилося, що Місяць лише у 81,3 раза легший за Землю. Це найменше співвідношення між масами планети та її сателіта у Сонячній системі — наступним за цим показником іде Титан, який у 4200 разів легший від Сатурна.
Нарешті, ще однією особливістю Місяця є його середня густина (3344 кг/м³), що складає 60% густини Землі. У всіх великих супутників газових гігантів цей показник більший, ніж у «материнських» планет. Лише марсіанські сателіти Фобос і Деймос виявилися менш «щільними», ніж тіло, навколо якого вони обертаються. Можна назвати лише одну рису, спільну для всіх великих супутників — це рівність періодів орбітального та осьового обертання (тобто всі вони постійно обернені до своїх планет одним і тим же боком).
Таємниці народження
Перелічені «місячні аномалії» вимагали якогось пояснення, і наукова спільнота поступово почала схилятися до того, що у їхній основі лежить механізм виникнення Місяця. Ще у XVIII столітті шведський теолог Емануель Сведенборг, німецький філософ Іммануїл Кант і французький математик П’єр-Симон Лаплас (Emanuel Swedenborg, Immanuel Kant, Pierre-Simon Laplace) сформулювали так звану «небулярну гіпотезу» походження Сонячної системи, яка з певними уточненнями збереглася до нашого часу та вважається базовою. Вона пояснює головні фізичні властивості планет: усі вони обертаються навколо центрального світила в одному напрямку, їхні орбіти лежать приблизно в одній площині, а орбітальні ексцентриситети не сильно відрізняються від нуля («рекордсменами» тут є дві найменші планети — Марс і Меркурій).
Сутність гіпотези полягає в тому, що спочатку на місці Сонячної системи існувала газопилова туманність, основними компонентами якої були водень, гелій і міжзоряний пил — дрібні частинки льоду, сполук вуглецю, а також оксидів кремнію, алюмінію та більш важких металів. Майже 99% відсотків її речовини на першій стадії еволюції під дією власної гравітації «стягнулися» до її центру, утворивши Сонце, а залишки були поступово втягнуті в орбітальний рух і утворили протопланетний диск. У ньому виникли свої локальні концентрації маси — «зародки» майбутніх планет. Навколо наймасивніших із них теж утворилися своєрідні «вихори», які дали початок супутниковим системам. Вчені припустили, що подібний «локальний диск» існував і на місці прото-Землі, а Місяць пізніше виник у результаті «збирання» речовини його зовнішніх областей. Суперечили цьому припущенню дві важливі місячні характеристики: велика маса та порівняно низька густина.
Тоді з’явилась альтернативна гіпотеза. Вона стверджувала, що Місяць сформувався далі від Сонця, ніж наша планета (наприклад, у Головному поясі астероїдів, де середня густина деяких тіл справді близька до місячної), а потім унаслідок зіткнення з іншим астероїдом чи гравітаційних збурень поміняв орбіту, наблизився до Землі й був захоплений її силою тяжіння. Проблема цієї гіпотези полягала в тому, що механізм такого «захоплення» достатньо добре «працює» у випадку газових гігантів, але для менш масивних тіл вимагає присутності великої кількості додаткових сприятливих обставин, що насправді дуже малоймовірно. Проте такий варіант вважався цілком припустимим аж до 60-х років минулого століття — точніше, до появи в лабораторіях перших зразків місячної речовини, привезених астронавтами місій Apollo.
Тут варто повернутися до початку XX століття, коли англійський хімік Фредерік Содді (Frederick Soddy), який займався вивченням продуктів радіоактивного розпаду, висловив припущення про існування різновидів атомів одного й того ж хімічного елементу, що мають різну атомну масу. Вже через чотири роки його здогадка підтвердилась, а в науковому обігу з’явився термін «ізотопи». Переважна більшість елементів у природі зустрічається у формі кількох ізотопів у певному співвідношенні. Вивчаючи позаземну речовину, яка потрапляє на поверхню нашої планети у складі метеоритів, учені помітили, що у них це співвідношення виявилося іншим і залежало від зони Сонячної системи, де сформувався «космічний прибулець». Пізніше вдалося виявити характерні «ізотопні підписи» Марса, Меркурія, Поясу астероїдів… Частина тіл, хоч і мала безумовні ознаки перебування в космосі, практично не відрізнялася за складом від зразків земних порід. Деякі фахівці висловили припущення, що це «місячне каміння». Перші експедиції на Місяць остаточно підтвердили: так, він має той самий ізотопний склад, що й Земля. А отже, сформувався в тій самій області простору і, найімовірніше, практично в той самий час.
Втім, існувала й зовсім екзотична можливість пояснити особливості хімічного складу Місяця та його орбіти. Він міг утворитися при зіткненні Землі зі ще одним величезним протопланетним об’єктом, приблизно вдесятеро меншим за масою та вдвічі меншим за розміром. Причому це сталося після того, як наша планета пройшла часткову гравітаційну диференціацію речовини: важкі породи опустилися до центру й утворили ядро, а легші — сконцентрувалися на поверхні. Зіткнення «зірвало» частину цих поверхневих мінералів, які спочатку утворили навколоземне кільце (частина з них узагалі розсіялася по Сонячній системі), а потім із них сформувався Місяць. Головним запереченням цього припущення — так званої імпактної гіпотези — було те, що після такої катастрофи форма земної орбіти відрізнялася би від «правильного кола» набагато сильніше, ніж зараз. І, звичайно, якщо тіло-імпактор «прилетіло» до нас із іншої області нашої планетної системи, геологи мали би знайти в земній корі його залишки — ділянки з незвичними «ізотопними підписами». Але нічого подібного ми досі не спостерігаємо.
Лагранж приходить на допомогу
А тепер повернімося ще раз ненадовго до XVIII століття. В 1772 році французький математик італійського походження Жозе-Луї Лагранж (Joseph-Louis Lagrange) опублікував статтю, присвячену аналітичному розв’язанню так званої задачі трьох тіл — тобто можливості розрахунку взаємного положення трьох об’єктів, що впливають один на одного гравітаційно, на будь-який момент часу (аналогічна задача для двох тіл була успішно розв’язана Ньютоном сотнею років раніше). Вчений дійшов висновку, що розв’язати таку задачу математичними методами можливо лише за декількох дуже жорстких обмежень: перше тіло системи має бути набагато масивнішим за друге, яке, у свою чергу, має рухатися по коловій орбіті. Тоді в такій системі існує п’ять точок, де третє тіло — набагато легше за друге — може перебувати досить довго фактично нерухомим відносно двох перших.
Три з цих точок розташовані на прямій, що проходить через центри двох масивніших тіл, і вони є нестабільними: якщо об’єкт, який у них потрапив, зазнає впливу якоїсь додаткової зовнішньої сили, він залишить свою позицію й ніколи вже до неї не повернеться (якщо його не повернути туди «силоміць»).
Але дві останні точки — зараз їх прийнято позначати індексами L₄ та L₅ — виявилися цікавішими. Вони розташовані на орбіті другого за масою тіла системи в 60° попереду та позаду відносно його орбітального руху і є позиціями стійкої рівноваги. Потрапивши туди, об’єкт порівняно малої маси залишиться там надовго, і потрібен досить потужний зовнішній вплив, щоб «вибити» його звідти. Стосовно Сонячної системи ці розрахунки лишалися суто теоретичними до 1906 року, коли в точках L₄ та L₅ на орбіті Юпітера були знайдені перші астероїди, що потім отримали назву «троянців» (їм почали присвоювати імена міфічних героїв Троянської війни). Зараз відомо вже понад 8 тисяч таких об’єктів. Кілька десятків «лагранжевих астероїдів» відкрили на орбіті Нептуна, чотири — на орбіті Марса, по одному мають Уран, Земля та Венера, й лише Меркурій і Сатурн позбавлені подібних «орбітальних попутників», але астрономи певні, що їх відкриття — лише питання часу.
У 1975 році американський планетолог Вільям Гартман і астроном Дональд Девіс (William Hartmann, Donald Davis) висловили припущення, що на ранніх етапах еволюції Сонячної системи густина пилу в протопланетному диску була достатньою, щоб в одній із точок Лагранжа на земній орбіті внаслідок нагромадження пилових частинок у «гравітаційній пастці» утворилося ще одне планетоподібне тіло меншого розміру. Воно продовжувало «збирати» навколишню речовину, і коли його маса стала приблизно вдесятеро меншою від маси прото-Землі, рівновага системи порушилася — зіткнення з нашою планетою стало практично неминучим. Це зіткнення було не «лобовим», а відбулося по дотичній, тому воно «розкрутило» Землю до великої швидкості (вона й досі обертається навколо осі швидше за всі інші планети земної групи) та позбавило її частини легкої силікатної кори, з уламків якої пізніше сформувався наш природний супутник.
Ця версія пояснювала практично всі феномени пари «Земля-Місяць» — від ізотопного складу до порівняно невеликого ексцентриситету земної орбіти й дефіциту на Місяці легких елементів (вони майже повністю випарувалися на стадії його формування й «утекли» в космічний простір або до більш масивного центрального тіла). Гіпотеза ставала дедалі популярнішою в науковій спільноті. У 2000 році Александр Голлідей (Alexander Halliday) запропонував назвати об’єкт, що сформувався в точці Лагранжа, на честь титанесси Теї (Θεία) з давньогрецької міфології — доньки богині Землі Геї та бога неба Урана, матері місячної богині Селени.
Останніми роками представники різних наук знаходять все більше доказів імпактної гіпотези (безвідносно до походження тіла, з яким відбулося зіткнення). Наприклад, сейсмічні дослідження показали, що западина Тихого океану разом із вулканічним «вогняним кільцем», що її оточує, має трохи відмінні фізичні характеристики, причому в глибину ці відмінності «простягаються» практично до межі земного ядра. Схоже, ця западина являє собою величезний «шрам», що залишився на Землі після грандіозної космічної катастрофи.
Подарунок небес
Звідки б не взявся Місяць, треба визнати, що нам із ним дуже пощастило. Завдяки своїй великій масі він створює в тілі Землі потужні припливи та відпливи, що сприяють тектонічним процесам і підтриманню в рідкому стані зовнішніх шарів земного ядра. Це, у свою чергу, допомагає нашій планеті генерувати магнітне поле, яке захищає її атмосферу від «здування» сонячним вітром. Місячна гравітація стабілізує положення земної осі, не дозволяючи нашому екватору занадто сильно відхилятися від площини екліптики, а це сприяє стабілізації кліматичних умов. І майже щороку наш супутник влаштовує величне небесне шоу — повне сонячне затемнення (щоправда, спостерігати його можна лише у досить вузькій смузі повної фази).
Така унікальність Місяця змусила деяких учених висловлювати думки про «неповторність» Землі, зокрема, як місця, де могли виникнути й еволюціонувати живі організми. Йдеться про те, що ймовірність появи пари «Земля-Місяць» у зоні, де кількість енергії, отримуваної від центральної зірки, якраз достатня для існування на земній поверхні рідкої води, насправді дуже невелика, і не факт, що на всю нашу Галактику знайдеться ще одна подібна пара. Тож якщо наявність великого супутника є важливою умовою для існування життя на планеті — цілком можливо, що наші намагання знайти «братів по розуму» є марними. Так чи інакше, більша частина наукової спільноти й ентузіастів пошуків позаземних цивілізацій продовжують залишатися оптимістами, а співробітники обсерваторій і груп супроводу космічних телескопів винаходять способи реєстрації супутників екзопланет. Лише відкривши достатню кількість таких об’єктів, ми зможемо з’ясувати, наскільки насправді унікальний наш Місяць.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
