Луна — ближайший космический сосед Земли. Пытаясь определить, как она возникла, мы должны прежде всего спросить, а могла ли она быть создана так же, как и луны трех крупнейших планет — Юпитера, Сатурна и Урана: т. е. в результате астрофизического процесса, описанного в в статье про «планеты и спутники«.
Ответ вполне определенный — нет, потому что Земля слишком мала, а Луна слишком велика для этого. Самый крупный из спутников Юпитера, например, равен одной десятитысячной массы Юпитера, в то время как масса Луны составляет более одной сотой массы Земли. Процесс, в результате которого гигантские планеты приобрели спутников, вероятно, не может произойти вокруг таких малых тел, как Земля. Следовательно, Землю и Луну нельзя рассматривать как планету и ее спутника, скорее их можно считать планетами-двойниками, хотя они и не равны по массе.
Наши знания о приливах оказались весьма важными для понимания истории Луны. Дважды в день Луна заставляет океанские воды подниматься, а затем вновь опускаться. Но, согласно закону о действии и противодействии, приливы и отливы также должны отражаться на Луне и изменять ее орбиту. Этот эффект очень мал, но с течением миллионов лет приливы заставляют Луну удаляться от Земли, в то же время замедляя вращение Земли вокруг своей оси. Таким образом, сутки удлиняются — однако всего лишь на несколько тысячных секунды в столетие.
Если Луна сейчас удаляется от Земли, то в прошлом она, совершенно очевидно, была ближе к ней. Вполне вероятно и то, что в очень отдаленные времена, около миллиарда лет назад, Луна находилась в непосредственной близости от Земли. Не была ли Луна в один прекрасный момент извергнута из земных недр, и, в таком случае, русские и американцы не были ли первыми, кто запускал в космос свои миниатюрные луны?
Около ста лет тому назад английский астроном Дарвин выдвинул гипотезу, согласно которой до появления Луны Солнце вызывало на Земле огромные приливные волны. Эти волны достигли таких чудовищных размеров, что значительная часть Земли оторвалась от нее и позднее превратилась в Луну. Со временем эта гипотеза была дополнена предположением, что после отделения Луны на Земле осталась впадина, которую мы называем Тихий океан.
Хотя эта гипотеза широко распространена в трудах безответственных популяризаторов, ее давным-давно опровергли, и профессиональные астрономы просто не принимают ее всерьез.
Мы уже давно совершенно уверены в том, что Луна никоим образом не могла быть извергнута Землей, так как на отделение такой большой массы потребовалась бы необыкновенно большая затрата энергии. Но если мы рассчитаем изменения, которые произошли в лунной орбите, то придем к выводу, что когда-то Луна, по всей вероятности, находилась очень близко от Земли. Откуда же она тогда взялась?
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте рассмотрим четыре ближайшие к Солнцу планеты — Меркурий, Венеру, Землю и Марс. На первый взгляд они образуют однородную семью малых планет в отличие от больших планет — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Но если мы внимательнее изучим малые планеты, мы увидим, что Марс отличается от остальных трех планет. Во-первых, можно было бы ожидать, что четвертая планета этого семейства будет гораздо больше Земли; но масса Марса составляет лишь одну десятую земной. Более того, плотность Марса 4,1, в то время как плотность остальных трех планет колеблется между 5 и 6. Оглядываясь вокруг в поисках близких родственников Марса, мы убеждаемся, что больше всего для этой роли подходит Луна. Подобно Марсу, у Луны низкая плотность (3,3), и ее масса, составляющая примерно одну десятую массы Марса, как раз соответствовала бы массе планеты, вращающейся между Марсом и Землей. В результате считают, что Луна могла образоваться как планета в то же самое время, что и Марс, и что она двигалась по орбите, которая случайно сильно приблизила ее к Земле. Земля же образовалась независимо как от Марса, так и от Луны, и фактически является членом семейства трех планет — Меркурия, Венеры и Земли.
На этом основании вполне разумно заключить, что Земля случайно захватила Луну, превратив ее из независимой планеты в своего спутника. Однако, несмотря на привлекательность этой теории, возникает существенная трудность: если Луна действительно была захвачена, она должна была вращаться по отдаленной орбите вокруг Земли, так как любое захваченное тело всегда вращается на большом расстоянии от Земли; однако расчеты приливов указывают, что в древнейшие времена Луна находилась на очень близком расстоянии от Земли.
Мы можем разрешить эту трудность, изучая расчеты, связанные с приливами и отливами, сделанные немецким астрономом Герштенкорном. С величайшей точностью он вычислил изменения, которые произошли с лунной орбитой. Сейчас Луна вращается вокруг Земли на расстоянии, равном шестидесяти земным радиусам, и направление ее движения совпадает с направлением земного вращения. Ее орбита наклонена под углом в 23 градуса к плоскости земного экватора. Герштенкорн доказал, что около миллиарда лет назад Луна находилась на гораздо более близком расстоянии от Земли, но он также вычислил, что в то время лунная орбита была наклонена к плоскости экватора под еще большим углом. В еще более ранний период угол наклонения лунной орбиты был настолько велик, что Луна вращалась непосредственно над земными полюсами, а еще дальше в глубину веков Луна вращалась в направлении, противоположном земному вращению, и эффект приливов действовал в направлении, противоположном современному. Поэтому когда Герштенкорн продолжил свои вычисления еще дальше в прошлое, он нашел, что однажды Луна, должно быть, двигалась на таком далеком расстоянии от Земли, что являлась независимой планетой.
Возможно, что эта теория дала нам не только решение вопроса о древней истории Луны, но явилась ключом к решению ряда других проблем. Сухие строки математических формул поведали нам о серии катастроф и драматических событий, происшедших с Землей и Луной в древности.
Луна, первоначально независимая планета, движущаяся вблизи земной орбиты, случайно настолько приблизилась к Земле, что была захвачена ею и стала вращаться вокруг Земли, сойдя с околосолнечной орбиты. Но вследствие того, что ее орбита была ретроградной, т. е. она двигалась в направлении, обратном земному вращению, явление приливов также проявлялось в направлении, обратном нынешнему. Лунная орбита все время уменьшалась в радиусе, но в то же время возрастал ее угол наклона к плоскости земного экватора. В конце концов Луна стала вращаться непосредственно над земными полюсами. В это время Луна находилась на расстоянии всего около трех земных радиусов от Земли, и ее орбита продолжала уменьшаться.
Окажись в то время на Земле люди, наблюдающие за Луной и ее изменениями, они бы сначала видели ее светящейся в виде планеты, очень похожей на современную Венеру или Юпитер. Будучи захваченной, Луна бы выглядела примерно так же, как сейчас. Но с течением миллионов лет наблюдатель бы видел, как она растет по мере своего приближения к Земле, пока, наконец, она не выглядела бы диском, диаметром в 20 раз больше, чем диаметр полной Луны, видимой сейчас. С приближением Луны к Земле возрастает и сила приливов, и когда Луна оказалась в ближайшей точке от Земли, высота приливной волны достигала свыше полутора километров. И если Луна была причиной мощных приливов на Земле, то приливный эффект массивной Земли на маленькую Луну был гораздо больше. Влияние земного притяжения на лунную поверхность стало так велико, что оно фактически превосходило притяжение самой Луны. Уже давно известно, что именно это и происходит, как только спутник начинает вращаться внутри так называемого предела Роша, который равен примерно 2,9 земного радиуса.
Согласно расчетам Герштенкорна, Луна вошла в пределы Роша, когда она начала разрушаться. Обломки различных размеров величиной с камни или гравий были подняты земной силой притяжения с лунной поверхности и заполнили все космическое пространство вокруг Земли и Луны. Но когда Луна вошла в предел Роша, она максимально приблизилась к Земле и начала медленно удаляться. Часть лунных осколков, возможно, упала на Землю. Другая часть постепенно падала снова на Луну, и вполне возможно, что лунные кратеры возникли именно таким путем. Нам хорошо известно, что изрезанная шрамами современная поверхность Луны — результат жесткого столкновения с превосходящей силой земного притяжения. Но стоило Луне удалиться за предел Роша, как ее единственным значительным изменением было увеличение расстояния от Земли, как результат действия приливов.
А как эта катастрофическая схватка отразилась на Земле? Огромная приливная волна, длительное время распространявшаяся по Земле, по-видимому, тщательно «отполировала» Землю. Впоследствии некоторые лунные осколки упали на Землю, но мы не можем определить, как велико было их количество: возможно, их число было незначительным, и искать их остатки просто бесполезно. Теория Герштенкорна вызвала большую дискуссию, и геологи до сих пор пытаются найти следы подобных событий в геологической истории Земли. Свидетельство геологической катастрофы, происшедшей 700 миллионов лет назад, дает основания предполагать, что в то время Луна подошла на самое близкое расстояние к Земле. Однако потребуется еще целый ряд исследований, прежде чем мы сможем подтвердить теорию Герштенкорна и с точностью восстановить историю.