Удивительная Солнечная система

От автора

Несколько лет назад была издана книга «Вселенная. Вопросов больше, чем ответов»[1], написанная мною в соавторстве с астрофизиком и космологом А. Малиновским. Поскольку книга была тепло встречена читателями, уже тогда возникла мысль написать еще одну популярную книгу, посвященную не «астрономии вообще», а какому-либо ее разделу. Ведь втиснуть всю информацию о Вселенной в книгу конечного объема попросту невозможно, и тем более это немыслимо в рамках объема книги, пригодной для сложившейся книжной серии. Некогда теме «астрономии вообще» были посвящены замечательные, но, увы, устаревшие книги Фламмариона и Воронцова-Вельяминова – так вот, объем нашей книги поневоле оказался в два с лишним раза меньше, хотя объем астрономических знаний человечества вырос с той поры колоссально. При этом перед нами стояла задача рассказать о сложном просто и по возможности живым языком, что тоже требует места на страницах. Выход был только один: «рубить хвосты» и говорить о многом вкратце, а кое-что и вовсе опускать. Нам пришлось пожертвовать переменными и вспыхивающими звездами, экзопланетами, резонансными явлениями в Солнечной системе, развенчиванием некоторых лженаучных сенсаций и так далее. «Нельзя объять необъятное», – справедливо утверждал Козьма Прутков. Он же дал дельный совет насчет фонтана, и мы ему последовали.

Теперь попробуем разобраться с нашим космическим домом, понимая под ним не только Землю, но и всю Солнечную систему.

Должен сразу предупредить: автор этой книги не профессиональный астроном, а любитель астрономии, по основной же профессии – писатель-фантаст. Из этого не следует, что я намерен выдумывать небылицы, вместо того чтобы излагать реально имеющиеся сведения о Вселенной, – тут просто другой жанр. Поверьте, и фантасту иногда хочется отдохнуть от необходимости выдумывать странное, благо, в астрономии странных явлений навалом. Часто они обнаруживаются там, где никто их не ждет.

Ну вот и вся преамбула. Перейдем теперь к теме книги.

Солнечная система? А что, это так уж жгуче интересно?

Вопрос законный. Он наверняка возникнет у многих читателей, особенно тех, кто более или менее в курсе недавних открытий, сделанных в астрофизике и космологии и перевернувших старые представления о том глобальном мире, в котором нам выпало жить. Наша Вселенная странна и завораживает умы пытливых землян именно странностью. В течение всего двух-трех десятилетий выяснилось, что мы попросту не знаем глобальных законов Вселенной, законов, куда Общая теория относительности Эйнштейна входит лишь как частный случай – подобно тому как механика Ньютона годится лишь для описания процессов, протекающих при небольших скоростях и в достаточно слабых гравитационных полях. Еще не созданы разделы физики, позволяющие описать процессы, происходившие в первые мгновения после Большого взрыва; ничего нельзя сказать о породивших его причинах; сохраняется пока полная неясность относительно физической природы темной материи и темной энергии; не вполне понятны процессы внутри черных дыр; не установлено, сколько же все-таки пространственных измерений существует во Вселенной, верна ли теория суперсгрун и так далее. По сравнению с невообразимо грандиозными масштабами процессов, породивших нашу Вселенную и продолжающихся в ней по сей день, – ну что такое наша старая добрая Солнечная система? Казалось бы, мелочь, пустяк. В масштабах только нашей Вселенной (при том, что существуют, по-видимому, и другие вселенные, причем в количестве колоссальном) Солнце с окружающей его семьей планет, со всеми астероидами и кометами – даже не микроб на коже слона, а нечто неизмеримо более ничтожное. Как упомянутому микробу безразличны ландшафты вокруг слона и отношения в слоновьем стаде, так и нам в общем-то не жизненно важны космологические процессы – ведь они не проявляют себя грубо и зримо в ничтожных масштабах окрестностей заурядной желтой звездочки, чьей энергией имеет удовольствие пользоваться все живое на Земле. Вот и остается по сути лишь одно – зато существенное – соображение: Солнечная система – наш дом, и это достаточная причина для того, чтобы интересоваться его архитектурой, изучать закоулки и любопытствовать насчет его истории и перспектив.

Пусть так. Но существует еще одна проблема, грозящая отравить жизнь популяризатору: считается, что Солнечная система к настоящему времени довольно хорошо изучена и уже лишена сколько-нибудь серьезных тайн. И хотя я надеюсь показать, что это, мягко говоря, немного не так (а кое в чем совсем не так!), проблема остается: книга о Солнечной системе грозит превратиться в чисто описательный курс, унылый до зевоты. Притом «еще один», ибо сведений о том или ином космическом теле предостаточно как в учебниках и справочниках, так и в Интернете.

Незачем плодить то, чего и без того много, – эту установку автор данной книги принял и намерен ее придерживаться. Чересчур въедливую детальность без целостности картины я полагаю безусловным злом. Разумеется, нельзя обойтись вовсе без конкретики, но я постараюсь не злоупотреблять ею. Главная же цель этой книги – создать у читателя общее и по возможности целостное представление о нашем галактическом доме, Солнечной системе.

О галактическом доме сказано не для красного словца. Я глубоко убежден, что нельзя рассматривать Солнечную систему, так сказать, изолированно – вне связи с Галактикой и вообще Вселенной. Замкнуться внутри орбиты Плутона – примерно то же самое, что внимательно изучать в очень большой гостиной один лишь камин, принципиально игнорируя все остальное. К сожалению, именно этим грешат некоторые популярные книги по астрономии. А ведь Солнечная система не обнесена никаким забором – она открыта в Галактику. Из нее к нам приходят заряженные космические частицы, разогнанные до релятивистских скоростей, свет звезд и туманностей, нейтрино, межзвездные газ и пыль и, возможно, более крупные тела. Сквозь нее идут пока еще достоверно не обнаруженные, но несомненно существующие гравитационные волны, порождаемые катастрофическими процессами во Вселенной. В свою очередь, Солнечная система отдает вовне свет, порой «отпускает на волю» кометы, а также вносит свою скромную лепту в гравитационное и магнитное поле Галактики. Более того, уже несколько запущенных людьми космических аппаратов имеют такие скорости, что должны со временем выйти из преобладающего гравитационного влияния Солнца и продолжить вольный полет уже как самостоятельные галактические тела. Это ли не достаточная причина для того, чтобы не считать Солнечную систему чем-то замкнутым вроде устричной раковины?

Наконец, сами границы Солнечной системы точно не определены, их можно провести лишь условно, и они мало-помалу меняются в связи с движением Солнца в Галактике. Можно ли в таком случае рассматривать Солнце и находящиеся под его гравитационным воздействием тела как некую изолированную систему? То есть, разумеется, можно, но такой подход кажется автору устаревшим и малопродуктивным. Он приведет лишь к повторению сведений, уже опубликованных тысячи раз, и доля новых открытий не сделает погоды. В мою же задачу входит сделать книгу по возможности интересной.

Поверьте пока на слово: есть научная поэтика и в областях астрономии, прямо не связанных с квазарами, великими аттракторами и темной материей. Интересное есть везде, «имеющий глаза да увидит».

Говоря о предшествующей литературе, я, разумеется, имел в виду достойные книги, в какой-то мере отражающие установленные факты и предлагающие вниманию читателя разумные гипотезы, а не расплодившуюся в последние десятилетия лженаучную писанину а-ля «Земля налетит на небесную ось». Серьезные популяризаторы астрономии обычно брезгуют не только вступать в полемику с изобретателями глупых сенсаций, но и упоминать их выдумки. Я не побрезгую.

Почему?

Потому что надеюсь показать: развенчивание выдумок чьего-то воспаленного ума – тоже подчас увлекательная задача, притом, полагаю, небесполезная. Например, совершенно удручает количество людей, подчас неглупых, но далеких от науки, которые с подачи СМИ на полном серьезе рассуждают, например, о страшном катаклизме, грозящем нам, когда ось вращения Земли внезапно сместится на десятки градусов – или когда выдуманная планета Нибиру учинит на Земле еще какой-нибудь катаклизм. Понимаю, тяжело муравью сдвинуть гору (а глубокомысленное невежество – еще какая гора!), но вовсе отказаться от этой задачи я не намерен. Будем же понемногу толкать упомянутую гору – или разгребать авгиевы конюшни, кому какая аналогия больше нравится.

Я также не намерен детально останавливаться на космических программах и описывать, какая АМС (автоматическая межпланетная станция) несет какую аппаратуру. Это привело бы к загромождению книги материалом, не слишком необходимым для основной ее цели. Читатели, интересующиеся технической стороной вопроса, должны будут поискать иные источники информации на книжных полках или в Интернете.

Материал этой книги будет частично пересекаться с соответствующими главами книги «Вселенная. Вопросов больше, чем ответов». Это неизбежно. Однако о многом будет рассказано более подробно, и притом с привлечением сведений, добытых наукой лишь в самое последнее время.

Часть материала будет подана не в той последовательности, в какой она обычно излагается в научно-популярных книгах. Иногда это способствует лучшему пониманию.

Ну что ж, поле деятельности определено, методы работы намечены. Начали?

1. От истоков

Прежде чем начать рассказ об истории и предыстории Солнечной системы, полезно сказать несколько слов о развитии человеческих представлений о ней. Едва ли не для каждого народа древности понятие «Солнечная система» вообще отсутствовало как таковое за полной его ненадобностью. Существовала Земля – плоский или чуть выпуклый диск, окруженный прозрачной (чаще всего хрустальной) полусферой с нанесенными на ее поверхность небесными светилами, или системой из нескольких полусфер, вложенных друг в друга. Омывался ли диск Океаном, стоял ли на спинах слонов или иных животных – тут разные народы допускали всевозможные фантазии[2]. Для древних – скажем, времен Гомера – греков такая конструкция Вселенной, напоминающая тарелку, накрытую миской, казалась вполне достаточной. Земной диск считался большей и главнейшей частью Вселенной, остальное шло к нему приложением. Но каковы размеры диска и где его центр?

Западный край диска был известен: Геркулесовы Столпы, то есть Гибралтар. До финикийцев, совершивших по приказу фараона Нехо плавание вокруг Африки, до фокейских мореплавателей, достигших западного побережья Пиренейского полуострова, и уж тем более до знаменитого мореплавателя Пифея, добравшегося как минимум до Балтики и Скандинавии, еще оставалось несколько веков. Противоположным краем Земли считался Кавказ. Не зря Зевс приказал приковать строптивого титана Прометея именно к кавказской скале – подальше с глаз долой. О том, что Кавказ достаточно протяжен, греки, видимо, не очень задумывались.

Царь олимпийских богов Зевс не обладал всеведением и подчас был вынужден добывать сведения через эксперимент. Известен миф: однажды Зевс, томимый желанием узнать, где находится центр земного диска, приказал двум орлам лететь с противоположных его краев навстречу друг другу. С таким начальством, как Зевс, особо не поспоришь – орлам можно посочувствовать. Естественно, они должны были стартовать одновременно и выдерживать одинаковую скорость, но не это было главной проблемой. Откуда стартовать? Принять спущенные сверху «вводные» насчет Геркулесовых Столпов и Кавказа (вероятно, какой-либо его точки на побережье Каспия) – или попытаться открыть глаза на истинное положение вещей недалекому, но вспыльчивому громовержцу? В конце концов орлы поступили так, как часто и ныне поступают подчиненные, выполняя приказ могущественного, но некомпетентного босса, – сделали работу скрупулезно, а там хоть трава не расти. Встреча произошла над дельфийским святилищем Аполлона, и Зевс торжественно объявил, что центр Земли найден. Хихикали ли втихомолку орлы, о том миф умалчивает.

Уже во времена греко-персидских войн, а тем паче походов Александра Македонского эллинам пришлось свыкнуться с мыслью о том, что даже Ойкумена (под которой подразумевалась обитаемая часть мира) гораздо более обширна, чем представлялось прадедам. Вселенная, естественно, получалась еще больше. Общение некоторых греческих философов с египетскими жрецами привело к распространению идеи о шарообразности Земли. Существенно более древняя, нежели греческая, древнеегипетская цивилизация прилежно собирала и хранила знания, в том числе географические и астрономические, чему способствовали как многочисленность и ученость жреческой касты, так и многие столетия относительно спокойного развития страны. Наблюдения затмений Луны, а также принципиальная схожесть затмений солнечных и лунных неминуемо должны были подвигнуть внимательного наблюдателя (имеющего перед собой к тому же описания многих предшествующих аналогичных явлений) именно к представлению о том, что Земля – шар.

Великому географу Эратосфену Киренскому на рубеже III–II веков до н. э. удалось даже измерить его размеры. Как он это сделал? Слово автору интересной книги «Занимательная Греция» М.Л. Гаспарову:

«На юге Египта был город Сиена – ныне Асуан, где стоит большая нильская плотина. Сиена лежала как раз на северном тропике: раз в году, 22 июня, солнце в полдень стояло там в зените, и предметы не отбрасывали тени. (Путешественники нарочно приезжали в Сиену посмотреть на такую диковину.) Этим и воспользовался Эратосфен. Александрия была севернее, там от предметов и в этот день падали тени. Эратосфен измерил, под каким углом они падают, – получилось семь с лишним градусов, одна пятидесятая часть окружности. Следовательно, заключил Эратосфен, расстояние по суше между Сиеной и Александрией равняется одной пятидесятой части всей окружности земного шара. Расстояние это у египтян считалось равным 5 тысячам стадиев, то есть около 800 км (египетский стадий был немного короче обычного). Следовательно, окружность Земли была в 50 раз больше – около 40 тыс. км.

Точно это или неточно? Две тысячи лет спустя, накануне французской революции, французские астрономы сделали такое же измерение у себя во Франции и получили окружность Земли ровно в 40 тыс. км. (говорю «ровно», потому что именно от этого измерения пошла наша нынешняя единица «метр»: она равна «одной сорокамиллионной парижского меридиана».) Точность Эратосфенова измерения изумительна. Это одна из самых славных побед античной науки».

Трудно, впрочем, быть уверенным в том, что измерение земного шара, выполненное Эратосфеном, было хронологически первым. Скорее нет, чем да. Во всяком случае, великий астроном античности Евдокс Книдский в начале IV века до н. э. уже не сомневался в шарообразности Земли, а раз не сомневался, то, вероятно, пытался вычислить ее размеры тем или иным путем[3].

В сцене из «Тайс Афинской» И.А. Ефремова, где Лисипп рассказывает Тайс о Евдоксе и его вычислениях, куда больше реализма, чем фантастики. Также кажется правдоподобной сцена из романа «Фараон» Б. Пруса, где выдуманный автором жрец сообщает о шарообразности Земли выдуманному фараону. Персонажи-то вымышленные, зато в высоком (по тем временам) уровне их знаний нет ничего удивительного.

Тем не менее вплоть до Коперника во взглядах астрономов торжествовал наивный геоцентризм. Плоская или шарообразная, Земля все равно помещалась в центре Вселенной и была окружена некоторым количеством концентрических прозрачных сфер. Неизвестно, был ли Евдокс Книдский первым, кто предложил систему эпициклов для объяснения движения Солнца, Луны и планет, но идея прижилась. Суть ее проста. Какие бы зигзаги и петли ни выписывало какое-либо светило на небе, основное его (светила) движение все-таки круговое, а зигзаги и петли можно представить опять-таки как круговые движения, накладывающиеся на основное. Представим себе колесо, на ободе которого расположена ось другого, меньшего колеса, а на ободе этого меньшего колеса – светило. Колес может быть больше, к тому же в реальности это не колеса, а сферы – сути простейшей модели это не меняет. Для объяснения всех видимых движений Евдоксу понадобилось 27 сфер: одна для «неподвижных» звезд, по три для Солнца и Луны и по четыре для каждой из планет.

В целом получилось удовлетворительно – для первого раза. Калиппу, ученику Евдокса, для объяснения тех же самых движений понадобились уже 33 сферы, а Аристотелю – аж 56. Причем Аристотель считал сферы не фиктивными, как Евдокс и Калипп, а вполне реальными, сделанными из идеально прозрачного хрусталя. Так умозрительная модель, придуманная для удобства интерпретации, может обрести «вещественность», а позднее на многие столетия стать аксиомой, спорить с которой опасно.

К счастью для античной науки, служители разнообразных культов в то время не стремились к столь тотальному контролю над мировоззрением людей, каковой был характерен для Средневековья. Так, например, замечательный римский писатель Лукиан Самосатский (II век н. э.) отправлял своих героев на Луну и Венеру – такие же шарообразные тела, какова и наша Земля. Персонажам Лукиана не приходилось дырявить хрустальные сферы во время космических путешествий. Как видим, воззрения Аристотеля в дохристианском мире еще не считались обязательными для всех.

Большего античные мыслители, предпочитавшие изучать мир лишь с той «аппаратурой», которой человека снабдила природа, предложить, пожалуй, и не могли. А когда в какой бы то ни было области знания не наблюдается «вертикального прогресса», остается и даже интенсифицируется «горизонтальный прогресс», то есть античные ученые, не в силах совершить прорыв, принялись дотошно описывать то, что можно было исследовать доступными средствами – глазами и простейшими угломерными инструментами.

Фалес Милетский, переняв опыт египтян, в 585 году до н. э. предсказал солнечное затмение. Гиппарх составил первый звездный каталог, включив в него около 3000 звезд. Он же разделил звезды по блеску на 6 звездных величин, присвоив ярчайшим звездам первую величину, а еле-еле видимым невооруженным глазом – шестую. Евдокс определил угол наклона земной оси к эклиптике и (довольно неточно) максимальное угловое удаление Венеры от Солнца. Грекам, всегда тесно связанным с морем, требовались определенные астрономические знания хотя бы для морской навигации – и античные кормчие вполне сносно вычисляли географическую широту места (с долготой дело обстояло много хуже). Что до прочего, то домыслы в астрономии не просто допускались – они властвовали. Достаточно сказать, что великий Аристотель считал кометы не астрономическими объектами, а земными испарениями. Анаксагор же полагал Солнце сгустком огня, оторвавшимся от Земли вследствие ее вращения. Таковыми же он считал и звезды, а Луну полагал населенной живыми существами, за что был изгнан из Афин как безбожник и подрыватель основ.

В IV веке до н. э. Гераклид Понтийский заявил, что Земля вращается вокруг своей оси, а столетием позже Аристарх Самосский доказывал, что Солнце гораздо дальше от нас, чем Луна, и что оно больше Земли в 300 раз. А раз так, то вовсе не Земля, а Солнце является центром Вселенной, Земля же занимает подчиненное положение. Доказать это так, чтобы ни у кого не осталось сомнений, он не смог, но примечательно, что эти мысли высказывались за 1800 лет до Коперника. Большего античная наука предложить, видимо, и не могла, но отдельные взлеты мысли греческих ученых, право же, впечатляют.

Отдельная песня – «практическое применение» астрономии к бытовым нуждам людей, издревле известное под именем астрологии. Как только люди начали улавливать закономерности в движении небесных тел (29,5-суточный период обращения Луны, 2,1-летний цикл противостояний Марса, 12-летний цикл движения Юпитера по эклиптике и т. д.), у них возникло подозрение: за этими цифрами скрывается нечто большее и, вероятно, насущно важное. «Это «ж-ж-ж» неспроста», – примерно с таким же основанием утверждал Винни-Пух.

Уже упомянутый Лукиан Самосатский, писатель, весьма острый на язык, никогда не стеснявшийся морально уничтожать тех, кто, по его мнению, того заслуживал, в сочинении «Об астрологии» неожиданно отозвался о ней похвально и даже почти восторженно. Одно только «но»: он не разделял астрологию и астрономию. Предсказания, сделанные на основе анализа движения небесных тел, казались ему важными, но и «просто открытия» заслуживали, по Лукиану, всяческого внимания, а труд наблюдателей – уважения. Даже в том случае, если нет и в ближайшем будущем не предвидится практического применения этим открытиям. Почему? Да просто потому, что Лукиан понимал: лишнего знания не бывает.

Этого понимания был лишен император Тиберий, который изгнал из Рима астрологов, но простил тех из них, кто раскаивался и обещал оставить свое ремесло. Изгоняли астрологов и другие римские императоры: Клавдий, Вителлий и т. д. Конечно, изгнать жуликов, наживающихся на доверии простодушных обывателей, дело благое, но этак можно выплеснуть с водой и ребенка. В известном смысле астрономия выросла из астрологии, как прорастает крепенький шампиньон на навозном субстрате. Странно, что сам Тиберий верил пророчествам, гаданиям и гороскопам, но пусть мотивы поступков этого мрачного упыря исследуют историки – у нас другая тема[4].

И все же даже невеликий (по меркам нашей современности) уровень астрономических знаний античности был бы потерян в раннем Средневековье, если бы не Альмагест – под этим арабским именем известен 13-томный текст II века н. э., суммировавший астрономические знания прошлых веков и переведенный на арабский язык в IX веке. Слишком уж в те времена люди были заняты в Европе: варвары – грабежом и созданием раннефеодальных королевств, греки и римляне – попытками выжить, византийцы же тщились отвоевать утраченные империей территории, пока не истощились в этих попытках настолько, что в серьезный упадок пришла даже традиционно любимая учеными греко-римской цивилизации история, не то что астрономия.

Многие считают, что астрономия как наука до XIV–XV веков развивалась (если не считать Китая) практически только в мусульманском мире. Это не совсем так, хотя надо признать, что подавляющее большинство названий звезд – арабские, не говоря уже о звездных каталогах ас-Суфи, Абу Рейхана ал-Бируни и других ученых. Астрономия развивалась и в Индии, и в Армении, и даже в доколумбовой Америке. Хотя, говоря о Старом Свете, пожалуй, правильнее будет сказать, что она не столько развивалась, сколько поддерживалась на неком уровне, достигнутом еще в античности. Если прогресс и наблюдался, то был преимущественно «горизонтальным» – вширь, а не ввысь.

Но характерно, что в средневековую Европу, ученые которой были заняты чрезвычайно интересными и, главное, полезными спорами о том, например, сколько ангелов может поместиться на острие иглы, новые веяния пришли с Востока. На поверку они были довольно старыми – просто основательно забытыми в Европе. Скажем, Роджер Бэкон почерпнул идею о вечности и несотворимости материи у арабского философа Аверроэса, а никак не у античных авторов. По-настоящему же астрономические знания, сбереженные на Востоке, стали востребованными в Европе несколько позже – с началом Ренессанса и (особенно) Реформации. Отсюда лежит прямая дорога к осторожному Копернику, неистовому Джордано Бруно, любознательному Галилею, кропотливому Тихо Браге, гениальному Кеплеру, великому Ньютону и т. д. Рационализм европейцев оказался той благодатной почвой, на которой наконец-то взошли семена, посеянные еще в античности. Во многом умозрительные построения древних уступили место знаниям, полученным на основе точных наблюдений и измерений.

Так и хочется автоматически дописать «а также экспериментов». Увы, увы – с экспериментами в астрономии всегда было туго. Пожалуй, лишь метеориты можно было изучать экспериментально, но они были признаны гостями из космоса лишь в конце XVIII века. Только с наступлением космической эры астрономия понемногу начала превращаться в науку экспериментальную. Стукнуть ядро кометы специальным снарядом и посмотреть, что из этого получится, – типичный эксперимент. Предложить гипотетическим марсианским бактериям питательную среду для их бурного размножения – тоже эксперимент. Пока, правда, такие эксперименты немногочисленны и ограничены рамками Солнечной системы.

Еще хуже с космологией – эта структурная часть астрономии в принципе ограничена в области методологии, так как имеет дело с одним объектом – Вселенной, в которой мы живем и часть которой наблюдаем. Да и нет пока у человечества возможностей экспериментировать даже с одним объектом этаких масштабов…

Как изменялись со временем взгляды европейских ученых на Вселенную – тема интереснейшая, но не для этой книги. Здесь мы ограничимся современным состоянием научных знаний, причем не обо всей Вселенной, а лишь о невообразимо крошечной ее части – Солнечной системе.