Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир

Хладни вдохновила беседа с Георгом Кристофом Лихтенбергом, выдающимся натурфилософом, которому в 1791 году случилось наблюдать великолепный болид над Геттингеном, на севере Германии. Хладни спросил, что его собеседник думает об увеличивающемся списке сообщений о болидах и о звучащих то там, то здесь рассказах о странных камнях и кусках металла, падающих с неба. Лихтенберг отвечал, что, по его мнению, болиды не атмосферное, но космическое явление, рождающееся в глубинах пространства. Он предположил, что свидетельства о камнях и кусках железа, падающих с неба, могут оказаться и правдой, хоть сам-то он в это не очень-то верит.

Этот разговор воспламенил воображение Хладни. Последовавшие несколько недель он провел в Геттингене, составляя список из двадцати четырех хорошо задокументированных болидов, наблюдавшихся между 1676 и 1783 годами. В восемнадцати случаях явления якобы сопровождались падением с неба кусков камня, хотя большинство ученых сомневались в правдивости этих заявлений. Упавшие тела, по всей видимости, отличались друг от друга по своей природе: некоторые были каменистые, некоторые металлические, а некоторые казались смесью тех и других. Хладни записал свидетельства об их скорости, видимых размерах, траекториях полета и о других мелких подробностях, таких как количество и сила видимых взрывов или громоподобные звуки во время падения. Все описания выглядели удивительно похожими. Несмотря на то что отчеты были разбросаны внутри временного интервала более чем в столетие, а события, описанные в них, происходили на разных континентах, они обладали поразительным сходством друг с другом. Благодаря своей юридической практике Хладни был мастером добиваться правды от свидетелей в судебных делах. Он видел, что собранные им свидетельства правдивы – слишком они были похожи друг на друга, чтобы это могло оказаться совпадением. И чего ради очевидцы стали бы лгать? А если бы они не говорили правду, как могли бы их показания оказаться настолько похожими?

В 1794 году Хладни поделился этими мыслями с научным миром в своем сочинении Über den Ursprung der von Pallas gefundenen und anderer ihr änlicher Eisenmassen und über einige damit in Verbindung stehende Naturerscheinungen – это длинное название обычно сокращают до «Железных масс». Он доказывал, что «небесные камни» – и собственно камни, и металлические тела – действительно падают с неба и настолько же реальны, как земля, на которой мы стоим. Он утверждал, что и болиды, и падающие огни меньшего масштаба, которые испещряют ночное небо и называются метеорами, есть твердые объекты, летящие сквозь атмосферу с необычайно большой скоростью.

Впервые кто-то осмелился явно и недвусмысленно заявить, что болиды и метеоры («падающие звезды») есть твердые объекты. Это противоречило всем общепринятым представлениям того времени. Но Хладни пошел еще дальше – он заключил, что невероятная скорость, с которой болиды и метеоры несутся по небу, исключает возможность их атмосферного происхождения: чтобы двигаться с такой скоростью, метеорные тела, или метеориты, должны рождаться в космических сферах, далеко за пределами атмосферы. Они не с этой планеты. И еще Хладни утверждал, что странные камни с обугленными и почерневшими поверхностями, имеющие сходство с наблюдавшимися метеоритами, но не найденные непосредственно на месте падения болидов, тоже имеют космическое происхождение.

Радикальное расхождение с установившейся картиной мира не встретило в научном сообществе теплого приема. Даже Лихтенберг вначале не мог с ним согласиться. Но в следующем году очевидцы снова узрели летящий по небу камень – и на этот раз он упал как раз в подходящем месте, в подходящее время и во владениях идеально подходящего человека.

Ист Райдинг в Йоркшире. Зеленые холмистые угодья, привольно раскинувшиеся вокруг, перемежаются живописными селениями. Но однажды в декабре 1795 года мирная тишина этих мест была нарушена взрывами, прогремевшими с неба. Их грохот был слышен даже в поселках на морском побережье, за пятнадцать километров отсюда. Под раскаты этого грохота трое крестьян, раскрыв рты от изумления, смотрели, как с неба на поле с глухим стуком обрушился большой камень. Один из крестьян, Джон Шипли, стоял всего метрах в восьми от места его падения. В воздух взлетели влажные комья земли. Двадцатипятикилограммовый камень размером с каравай хлеба летел с такой скоростью, что врезался в почву на полметра вглубь и остановился, наткнувшись на каменистый слой, скрытый под дерном.

Эдвард Топхэм, владелец соседнего поместья Уолд Коттедж, в день падения метеорита был в отъезде по делам. Драматург, основатель скандальной газеты «The World», Топхэм был яркой фигурой позднегеоргианского Лондона. Его знаменитые бакенбарды фасона «каре барашка», необычное чувство стиля и харизма создали ему репутацию весьма эксцентричной личности; он частенько становился мишенью для карикатуристов. При этом все считали его человеком честным и справедливым. За несколько лет до описываемого события он удалился на покой в свой Уолд Коттедж, где жил с тремя дочерьми (считавшимися «лучшими наездницами в Йоркшире»). Ходили слухи, что он собирается провести остаток жизни, занимаясь фермерством, разведением борзых и написанием истории своей жизни. Его псарня давно уже считалась лучшей во всей Англии, а борзая по кличке Снежок – «одной из самых быстрых борзых, каких только видел свет». Но метеорит разрушил все его планы. Мемуары так и не были написаны.

Вернувшись домой, Топхэм обнаружил, что упавший с неба камень, который крестьяне притащили в усадьбу, произвел невиданный ажиотаж: на протяжении трех недель каждый день по тридцать-сорок человек приходили посмотреть на эту диковину, а самого хозяина дожидается груда писем, авторы которых требуют подробностей. Топхэм записал показания каждого из крестьян-очевидцев и опубликовал их вместе с собственными соображениями об этом странном событии в журнале Gentleman»s Magazine.2 Решающую роль сыграло то, что Топхэм поверил свидетелям происшествия – а все остальные поверили Топхэму. Но тайна самого явления оставалась нераскрытой – как мог камень свалиться с неба, было непонятно. Сумасшедшая идея Хладни, что такие тела образуются в космическом пространстве, еще не успела овладеть умами.

Метеорит Уолд Коттедж уверенно становился общенациональной достопримечательностью. В томе «Йоркшир» иллюстрированной энциклопедической серии «Красоты Англии и Уэльса», издававшейся между 1801 и 1815 годами, событию в Уолд Коттедж было уделено большое внимание. Использовав свои связи в столице, Топхэм добился отправки метеорита в Лондон, где он был выставлен на всеобщее обозрение в центре города. Выставку широко освещали газеты, включая «Таймс».

За скромную плату в один шиллинг (по нынешним ценам почти 4 фунта) посетитель мог увидеть странный объект своими глазами. За те же деньги он получал брошюру с рассказами троих поселян и маленьким изображением метеорита. Когда сэр Джозеф Бэнкс, президент Королевского общества, заплатил свой шиллинг, чтобы самолично увидеть знаменитый камень, он заметил, что экспонат выставки выглядит удивительно похожим на камень, по рассказам, упавший с неба во время пролета болида в Италии больше года назад. Оба камня выглядели почти одинаково, хотя упали в разных странах с интервалом между событиями больше восемнадцати месяцев.

Бэнкс, однако, твердо придерживался мнения, что эти камни образовались в атмосфере посредством метеоров, а не были причиной их появления. Остро заинтересованный, он привлек к исследованию молодого талантливого британского химика Эдварда Ховарда, попросив его сделать химический анализ обоих камней.

Член Королевского общества, Ховард был известен своими работами по синтезу новых взрывчатых веществ для огнестрельного оружия (причем в ходе своих опытов он получил множество травм). Ховард сумел раздобыть обломки еще шести метеоритов – таким образом, в его распоряжении оказалось целых восемь образцов. Они отличались своими геологическими характеристиками: четыре были действительно каменными, два – чисто металлическими и еще два состояли из смеси камня и металла.

Один из железных метеоритов предоставил Музей естественной истории в Лондоне: это был метеорит из Кампо дель Сьело. Объект, упавший с неба около 4 000 лет назад в Южной Америке, теперь исследовался в химической лаборатории викторианского Лондона: в этот момент духовное и научное значение метеоритов необратимо слилось.

Ховард опубликовал результаты своих изысканий в 1802 году, и его статья до сих пор остается одной из самых важных в истории метеоритики.3 Она была первым систематическим описанием химического и геологического строения метеоритов. Прежде некоторые химики уже пытались раскрыть химическую природу этих камней, но работа Ховарда была выполнена на гораздо более высоком уровне. Особое внимание он уделил каменным метеоритам. Он понял, что они состоят из бесчисленных отдельных зерен, которые он методично разделил на четыре различных вида: странные округлые глобулы, желтые пириты, маленькие металлические пузырьки и «сэндвичи» из комковатой породы, скрепленные тонким слоем землистой субстанции. Это была, вероятно, кропотливая работа: зерна каменных метеоритов крохотные. Все равно что вручную выбрать все маковые зернышки из мешка со смешанным птичьим кормом.

Ховард обнаружил, что маленькие металлические пузырьки в каменных метеоритах содержат никель. Прежде никель в изобилии находили в железных метеоритах французские химики; Ховард воспроизвел и подтвердил их выводы на своей выборке железных и железокаменных образцов. Для камней земного происхождения высокое содержание никеля крайне необычно – таким образом, Ховард впервые показал химическую связь каменных метеоритов с железными и железокаменными. Эти камни были непохожи ни на какие из описанных ранее.

«Неземное» обилие никеля в химическом составе небесных камней, огромные расстояния во времени и пространстве между их падениями при удивительном сходстве характеристик – все это подтверждало идею, над которой прежде смеялись: их небесное происхождение. Ховард не только нашел первое физическое свидетельство, подтверждающее гипотезу Хладни, но и создал новую отрасль науки – космохимию, химический анализ вещества космических тел.

И хотя это все еще выглядело невероятным, но, как прекрасно выразился сам Ховард, «не верить просто по причине непонимания значило бы ставить под сомнение большую часть творений природы».

Медленно и поначалу неохотно научный мир начал привыкать к идее, что метеоры и болиды и в самом деле вызваны тем, что на Землю из космического пространства падают камни и что иногда эти камни достигают земной поверхности. Можно считать счастливой случайностью, что метеорит Уолд Коттедж упал на земли Топхэма – ведь случись это на земле, принадлежащей кому-то другому, не наделенному таким даром создавать шумиху, и этот камень вполне могли бы приспособить для подпирания дверей. (Именно это произошло с метеоритом Лейк Хаус: он почти сто лет попросту валялся на крыльце одноименного елизаветинского поместья в Уилтшире, на юго-западе Англии, пока его небесное происхождение не было подтверждено учеными из Музея естественной истории в Лондоне.) А сегодня точное место падения метеорита Уолд Коттедж отмечено высоким обелиском из красновато-коричневого кирпича, воздвигнутым по указанию самого Топхэма. У его подножия лежит фигурная каменная плита, на которой вырезана следующая надпись:

Здесь,

На этом месте,

13 декабря 1795 года

Упал из Атмосферы

НЕОБЫКНОВЕННЫЙ КАМЕНЬ

Шириной 28 дюймов,

Длиной 30 дюймов,

и Весом 56 фунтов

КОЛОННА

В Память

об этом воздвигнута

ЭДВАРДОМ ТОПХЭМОМ

1799.

К середине XIX века разве только самые непробиваемые упрямцы все еще не приняли гипотезу Хладни. Но одна серьезная проблема оставалась нерешенной: откуда именно брались в космическом пространстве метеориты?

Хладни предполагал, что метеориты образовывались не просто за пределами земной атмосферы, но и вообще вне Солнечной системы. На межзвездное («между звезд») происхождение метеоритов, по его мнению, указывала огромная скорость, с которой они врывались в земную атмосферу Другая теория Хладни состояла в том, что метеориты могут быть остатками разрушенной планеты – правда, наблюдения ночного неба в телескоп не давали никаких свидетельств существования крупных обломков планет. Очень скоро, однако, была предложена еще одна гипотеза происхождения метеоритов.

В 1802 году, тогда же, когда Ховард опубликовал свою работу о химической природе метеоритов, Пьер-Симон Лаплас, французский математик и астроном, выдвинул свою гипотезу о том, что метеориты все же рождаются поближе к нашему дому Он предположил, что они прилетают с Луны. О своих наблюдениях извержений лунных вулканов в 1787 году уже сообщал немецко-британский астроном Уильям Гершель (впоследствии оказалось, что эти визуальные наблюдения были ошибкой). Лаплас предположил, что если на Луне действуют столь же могучие вулканические силы, какие мы видим на Земле, то продукты извержений могут выбрасываться из лунных вулканов в космическое пространство и долетать до Земли. Это выглядело вполне обоснованно. Гипотеза была так популярна, что в посвященном Йоркширу томе справочника «Красоты Англии и Уэльса» метеорит Уолд Коттедж и описывался как кусочек Луны.

Тем временем перечень известных метеоритов пополнялся. К середине XIX века в музейных коллекциях и кунсткамерах богатых собирателей хранилось более 150 небесных камней. Примерно как раз в это время гипотезе лунного происхождения был нанесен смертельный удар. В 1859 году американский астроном Бенджамин Апторп Гулд опубликовал свои расчеты вероятности того, что камень, выброшенный из жерла лунного вулкана, долетит до Земли: шансов оказалось меньше, чем один из миллиона. Вычисления Гулда показали, что на каждый кусок лунной лавы, попавший на Землю, должно приходиться более полутора миллионов кусков, выброшенных в глубокий космос. Так что, если бы 150 или близкое к этому число метеоритов, упавших на Землю за последние несколько столетий, действительно прилетели с лунной поверхности, размеры Луны должны были бы видимым образом уменьшаться из-за потери огромного количества вещества, извергаемого лунными вулканами. Однако на Луне не было заметно никакой потери вещества. Оказалось, что ответ на загадку происхождения метеоритов скрывался внутри другой проблемы, стоявшей перед астрономами того времени: проблемы «недостающей планеты».

В астрономии расстояния измеряют в «астрономических единицах», сокращенно – а.е. Эта величина примерно равна расстоянию между Солнцем и Землей, которое составляет около 150 миллионов километров. Астрономическая единица – большое расстояние. Свет, быстрее которого во Вселенной ничто не может двигаться, проходит 1 а.е. за восемь минут и девятнадцать секунд: для сравнения, чтобы проехать это расстояние на автомобиле, вам понадобилось бы более 150 лет. Меркурий, самая близкая к Солнцу планета, находится от него на расстоянии в 0,4 а.е. Следующая по удалению от Солнца планета, Венера, отстоит от нашего светила на 0,7 а.е.; Земля – на 1 а.е.; Красная планета, Марс – более чем на 1,5 а.е. Затем идет полоса пустого пространства, и только на расстоянии 5,2 а.е. от Солнца проходит орбита Юпитера. Провал между Марсом и Юпитером беспокоил астрономов на протяжении столетий. Многие считали, что в нем притаилась неоткрытая планета.

В новогоднюю ночь 1801 года итальянский астроном Джузеппе Пьяцци, работая у своего телескопа на Сицилии над составлением каталога звездных положений, заметил на небе нечто странное. Это была яркая точка необычного цвета, непохожая на звезду. (Надо сказать, что Пьяцци был опытным астрономом – он уже девять лет работал над своим звездным каталогом.) Заинтригованный, на следующую ночь он снова навел телескоп на нетипично выглядящую звезду и заметил, что ее положение немного изменилось. Это уж было совсем странно. Звезды не могут менять свое положение от ночи к ночи.[1] Пьяцци повторил наблюдения и в третью ночь – объект снова сдвинулся! Тут Пьяцци понял, что это ни в коем случае не звезда. Перед нами прекрасный пример того, как крупнейшие научные открытия начинаются с фразы «хм, как-то это странно выглядит».

Сначала Пьяцци принял новый объект за комету. Для планеты он был слишком мал – выглядел в телескоп крохотной светлой точкой даже при самом большом увеличении. Но последующие наблюдения, выполненные как самим Пьяцци, так и его коллегами-астрономами, не выявили характерного туманного пятнышка, облачка, которое обычно окружает ядро кометы. Орбита, по которой это тело обращалось вокруг Солнца, тоже была совсем не похожа на кометную. Орбиты комет имеют форму очень вытянутого эллипса: они обращаются вокруг Солнца по траекториям, напоминающим вытянутую или сплющенную окружность, а орбита нового объекта была почти круговой, что характерно для планет. Более того, тело обращалось вокруг Солнца как раз в «провале» между Марсом и Юпитером. Таким образом, Пьяцци случайно открыл «недостающую планету». Следуя давней традиции называть небесные тела именами богов – практика, в которой отразилась архаическая вера в сверхъестественную природу ночного неба, – он назвал новооткрытую планету Церерой в честь древнеримской богини плодородия.

Спустя всего год немецкий астроном Генрих Вильгельм Маттиас Ольберс нашел на небе еще один объект с похожими характеристиками. Он тоже перемещался по небу от ночи к ночи, и его орбита тоже была слишком близка к круговой, чтобы это могла быть комета. Туманный ореол, окружающий все кометы, у этого тела тоже отсутствовал, и орбита его лежала в той же области Солнечной системы, что и орбита Цереры – как раз между Марсом и Юпитером. Ольберс назвал новую планету Палладой в честь греческой богини мудрости. Как и Церера, Паллада была крохотной – выглядела просто искоркой света на черном фоне космического пространства. Было, однако, странно, что Церера и Паллада обращались вокруг Солнца примерно на одном и том же расстоянии. Астрономы предсказывали существование только одной «недостающей планеты», и никто из них не предвидел, что планет окажется две. Все остальные известные планеты на участках своих орбит доминировали – Церера и Паллада, казалось, были исключением из этого правила. Ольберс предположил, что это уцелевшие фрагменты большой планеты, развалившейся на куски, – возможно, из-за катастрофического столкновения с кометой или внутреннего взрыва. Он предсказал, что вскоре будут найдены и другие фрагменты.

Гершель подытожил результаты этих открытий и привел характеристики двух новых «планет» в своей публикации, выпущенной Королевским обществом.4 Итак, эти тела в телескоп были видны, как звезды; по размерам они напоминали кометы, но не имели характерной для комет туманной оболочки и обращались вокруг Солнца по орбитам, типичным для планет. Так как эти объекты имели что-то общее и со звездами, и с кометами, и с планетами, но одновременно и отличались от них всех, Гершель предположил, что они могут относиться к новому классу астрономических объектов. Он придумал для них новое название: «астероиды», образовав его из греческих корней ἀστήρ- (астер) и -εἶδος (эйдос), что вместе значило «похожие на звезды». Это слово, впрочем, прижилось не сразу, и многие астрономы еще долго называли новые тела «планетами» или «фрагментами планет».

Третий астероид, названный Юноной, открыл в 1805 году немецкий астроном Карл Людвиг Хардинг. А в 1807 году Ольберс обнаружил и четвертый (для него самого он был уже вторым) – Весту. То, что в промежутке между орбитами Марса и Юпитера оказалось уже четыре малых «планеты», говорило в пользу гипотезы Ольберса о развалившейся на куски планете. Становилось ясно, что между орбитами Марса и Юпитера происходило что-то странное.

Хладни ликовал. Ведь в своем труде «Железные массы» (Jronmasses) он давно уже высказал тогда еще ни на чем не основанную догадку, что метеориты могут быть малыми фрагментами разрушившейся планеты. Астероиды были физическим свидетельством того, что эта гипотеза вполне может оказаться верной. Возможно, метеориты были чем-то вроде шрапнели, образовавшейся в ходе планетарного катаклизма и долетевшей до Земли. Впридачу некоторые астрономы, оказывается, уже сообщали об изменениях в яркости астероидов: эти изменения могли свидетельствовать о том, что у малых планет неправильная форма. Если они и вправду были кусками разрушенной планеты, то вполне естественно, что они представляли собой обломки, которые, беспорядочно вертясь в процессе орбитального движения, неравномерно отражают падающий на них солнечный свет.

Новых астероидов не открывали почти сорок лет. Но между 1845 и 1855 годами произошел настоящий бум: в каталоги было внесено еще тридцать три астероида. Теперь их общее число составляло тридцать семь. Еще через десять лет их стало уже восемьдесят пять. Теперь большинство людей понимают, что такого количества обычных планет существовать не может. Термин «астероид» стал общепринятым и проник в разговорную речь. Пространство между орбитами Марса и Юпитера стали называть «поясом астероидов»: оказалось, что астероиды образуют обширную зону каменных обломков, обращающихся вокруг Солнца. Пояс астероидов расположен на расстоянии примерно от 2 до 4 а.е. от Солнца, а его ширина – почти 300 миллионов километров – вдвое больше расстояния между Солнцем и Землей. Так орбита «недостающей планеты» превратилась в обширное межпланетное поле, населенное астероидами.

По мере того как открывались все новые и новые астероиды и вычислялись их орбиты, появилась возможность исследовать структурные детали пояса астероидов. Американский астроном Дэниэл Кирквуд в 1866 году описал «примечательные разрывы» – замеченные им концентрические зоны, в которых астероиды не появлялись. Эти промежутки были в его честь названы «люками Кирквуда». Таким образом, пояс астероидов был не просто хаотическим кольцом обломков, обращающихся вокруг Солнца: он состоял из ряда концентрических колец. Кирквуд правильно объяснил природу этих промежутков гравитационными взаимодействиями астероидов с крупнейшей планетой Солнечной системы – Юпитером. В процессе сложного «танца» астероидов вокруг Солнца в сочетании с «танцами» планет, определенные области пояса оказываются в «орбитальном резонансе» с Юпитером. Согласно открытому Ньютоном закону всемирного тяготения, скорость, с которой движется по своей орбите вокруг Солнца планета, астероид или комета, зависит от расстояния между этим небесным телом и Солнцем. Чем дальше от Солнца находится орбита, тем медленнее движется по ней тело. Орбитальные резонансы в поясе астероидов возникают, когда отношение периодов обращения астероида и Юпитера может быть выражено целым числом.

Представьте себе Солнечную систему в виде циферблата, в центре которого находится Солнце, а планеты и астероиды обращаются вокруг него на разных расстояниях. И пусть орбита Юпитера очерчивает внешний край нашего циферблата. Теперь представьте астероид, орбита которого пролегает ближе к центру циферблата (то есть ближе к Солнцу): этот астероид будет совершать один оборот быстрее, чем Юпитер, расположенный дальше. Допустим, мы установили, что этот астероид совершает оборот вокруг центра часов (то есть один оборот по орбите вокруг Солнца) вдвое быстрее Юпитера. За один оборот Юпитера происходит два оборота астероида. Эта ситуация называется орбитальным резонансом 2:1. Тогда на каждом втором орбитальном обороте астероида и Юпитер, и астероид будут на циферблате одновременно на двенадцати часах. В этом положении мощное гравитационное поле Юпитера будет слегка подтаскивать астероид к планете, из-за чего его орбита будет становиться более эллиптической. За сотни тысяч оборотов влияние этих малых гравитационных толчков на двенадцати часах будет накапливаться, и резонанс выбросит астероид на хаотическую орбиту. Подобные резонансы (и, следовательно, разрывы в положениях орбит) образуются при отношениях периодов обращения 3:1, 5:2, 7:2 и 7:3.

Хаотические орбиты могут привести астероид в безопасное положение в более гравитационно устойчивой части пояса. А некоторые астероиды могут быть вообще выброшены из пояса – либо в сторону Солнца, во внутреннюю часть Солнечной системы, либо вовне, в ее ледяные периферийные области. В результате изменения орбит между астероидами могут происходить и катастрофические столкновения с образованием роев мелких обломков – «шрапнели». Но какова бы ни была их дальнейшая судьба, все астероиды, обнаруживаемые внутри областей орбитального резонанса, обречены на то, чтобы быстро эту область покинуть. Поэтому в поясе и образуются разрывы, пустоты, в которых астероидов почти не встречается.

Орбитальные резонансы, создающие пустоты в астероидном поясе, обеспечивают условия, при которых астероиды и их мелкие обломки могут сталкиваться и уходить в другие области Солнечной системы. И если в результате этих возмущений орбита астероида или обломка пересекает орбиту Земли, появляется потенциальная возможность захвата этого тела Землей при ее движении вокруг Солнца. Ученые XIX века не сбрасывали со счетов заманчивое предположение, что метеориты могут оказаться именно такими фрагментами пояса астероидов.