Великие тайны вселенной часто вращаются вокруг далеких, невидимых явлений. Ученые ломают голову над необъяснимыми вспышками радиоволн, неуловимой природой гравитации и тем, пронизывает ли темная энергия космос. Но другие загадки можно найти в нашем собственном уголке галактики, глядя нам прямо в лицо - как, например, Земля стала планетой, которой она является сегодня.
Этот вопрос продолжает очаровывать исследователей, работающих над пониманием того, как образовалась Земля и почему она так хорошо подходит для жизни. Все могло сложиться иначе - просто посмотрите на нашего ближайшего соседа и почти близнеца, Венеру, у которой нет жидкой воды, и поверхность которой составляет душный 870 градусов по Фаренгейту. «Венера и Земля являются своего рода основным контрольным случаем», - говорит Сью Смрекар из Лаборатории реактивного движения НАСА. «Мы не до конца понимаем, как Земля оказалась такой обитаемой, а Венера - необитаемой».
Это немного удивительно, учитывая, что Земля является самой изученной планетой во вселенной. Но геологические процессы, такие как тектоника плит, постоянно перезаписывают свидетельства прошлого, и большая часть важной информации о строении Земли скрыта в ее огромных недоступных глубинах. «Вы пытаетесь понять планету, которую вы можете получить только на поверхности», - говорит Джеймс Бадро, геофизик из Института физики Земли в Париже. Несмотря на то, что ученые получили множество знаний от изучения земли под нашими ногами, полная история строительства и эволюции Земли остается неизвестной.
Поэтому исследователи обратились к небесам за помощью. Они изучали другие звездные системы в поисках улик и искали строительные блоки Земли среди детрита солнечной системы. Теперь набор запланированных и предлагаемых космических миссий может помочь ученым заполнить еще недостающие фрагменты.
Исследователи надеются определить процессы формирования планет, которые создали Землю, от изучения новых аспектов протопланетных тел до выяснения, откуда они пришли и как они смешались друг с другом. Для многих это как философский поиск, так и научный. «Это вопрос нашего происхождения», - говорит Бадро.
Впечатление художника о предполагаемой миссии в Психее, астероид, который считается полностью металлическим. (NASA / JPL-Калифорнийский технологический институт) Большинство исследователей в настоящее время согласны с общей историей нашей солнечной системы. Это началось 4, 6 миллиарда лет назад, когда огромное облако газа и пыли, плавающее в космосе, обрушилось на себя, возможно, вызванное ударной волной соседней сверхновой. Затем сплющенное облако закрутилось в вращающийся диск, из которого - примерно через 100 миллионов лет - наша солнечная система вышла в более или менее своем нынешнем состоянии: солнце окружено восемью планетами и бесчисленными меньшими телами, рассеянными повсюду.
Однако, более тонкие детали того, как образовалась наша космическая окрестность, остаются спорными. Например, ученые до сих пор спорят, из чего состоят планеты. «Мы знаем, как выглядит торт, - говорит Линди Элкинс-Тантон из Университета штата Аризона, - но мы хотели бы знать, как выглядят все эти отдельные ингредиенты», - говорит она.
Ученые считают, что земные планеты росли, поглощая меньшие планетезималы - объекты диаметром до десятков миль, скопившиеся из протопланетной пыли. Но состав и структуру этих планетезималей было сложно определить. Изучение нашей коллекции метеоритов - фрагментов астероидов, упавших на Землю, - хорошее место для начала, говорит Фрэнсис Ниммо, ученый-планетолог из Калифорнийского университета в Санта-Крус. Но этого недостаточно.
Это потому, что у нас не обязательно есть образцы всего, что попало на планеты - некоторые компоненты могут отсутствовать или могут вообще не существовать. Некоторые метеориты, похоже, вполне соответствуют Земле, но ученые не могут придумать какую-либо комбинацию типов метеоритов, которая полностью объясняет химический состав Земли. «Это немного неудобно, потому что это означает, что мы действительно не знаем, как Земля была собрана», - говорит Ниммо.
Элкинс-Тантон надеется, что предложенная будущая миссия - один из пяти финалистов программы НАСА «Дискавери» - сможет помочь. Проект, которым руководил Элкинс-Тантон, отправит беспилотный космический корабль посетить объект под названием Психея, который находится в поясе астероидов между Марсом и Юпитером. Психея имеет ширину около 150 миль и, судя по отдаленным наблюдениям ее плотности и состава поверхности, кажется, сделана из твердого металла. Это может также напоминать строительные блоки Земли.
«Это может быть маленькое ядро тела, которое сформировалось в области формирования планет земной группы и попало под удар многих других вещей, а его скалистая внешность была сорвана», - говорит Элкинс-Тантон. На миссии НАСА «Рассвет» ученые изучили астероид Веста, протопланету, которая, вероятно, также сформировалась вблизи Земли, а затем была выброшена в пояс астероидов. Тем не менее, это уникальная возможность увидеть, что лежит под поверхностью таких объектов, как Веста, что вызывает возбуждение Элкинса-Тантона.
«Психея - это единственное тело в солнечной системе, которое позволяет нам непосредственно наблюдать металлическое ядро», - говорит она. «Это может быть наш единственный шанс взглянуть на этот тип ингредиентов». Вместе с другими финалистами Discovery Элкинс-Тантон и ее коллеги узнают в сентябре, будет ли миссия удачной.
Согласно классической модели формирования планет, как только планетезимали достигли размера Психеи - в поперечнике от десятков до сотен миль - они начали каннибализировать своих соседей, говорит Кевин Уолш, ученый-планетолог из Юго-западного исследовательского института в Боулдере, штат Колорадо. «Самые большие растут очень быстро», - говорит он, благодаря их возрастающему гравитационному влиянию.
Этот процесс безудержной аккреции мог бы привести к тому, что число тел в Солнечной системе может составить, возможно, сотню планетарных зародышей размером с Луну и Марс и немного мелких частиц. Со временем эти зародыши медленно объединяются, образуя планеты.
Но хотя это объяснение хорошо работает для планет земной группы, что, как показывают геологические данные, сформировалось в течение 30–100 миллионов лет, оно представляет проблему для газовых гигантов, таких как Юпитер. Ученые считают, что ядра этих тел должны были расти гораздо быстрее - достаточно быстро, чтобы захватить их огромные атмосферы из газа, присутствующего в ранней солнечной системе, которая рассеивалась всего за несколько миллионов лет.
За последнее десятилетие исследователи разработали альтернативный механизм выращивания планет, известный как наращивание галькой. Он представляет собой резкое отклонение от традиционной модели аккреции, в которой объекты объединяются, образуя постепенно увеличивающиеся частицы. Или, как говорит Хэл Левисон, коллега Уолша: «Галька делает валуны, а валуны делают горы - все время». С другой стороны, прирост гальки предсказывает, что объекты растут от комочков размером с кулак до тел размером с Плутон почти сразу, а затем продолжают набирать массу, говорит Левисон, который помог разработать гипотезу.
Процесс начался бы вскоре после формирования протопланетного диска, когда частицы пыли, кружащие вокруг молодого солнца, начали сталкиваться и слипаться, как синхронизированные фигуристы, соединяющие руки во время катания на катке. В конце концов, аэродинамические и гравитационные силы могли бы объединить большие скопления этих камешков, образуя планетезимали. Затем планетезимали продолжали сметать оставшуюся гальку вокруг них, быстро увеличиваясь, пока они не образовали планеты.
В дополнение к решению вопроса о том, как газовые гиганты росли так быстро, модель также предоставляет способ преодолеть нечто, называемое барьером размером в метр, который преследует модели роста планет с тех пор, как это было впервые намечено в 1970-х годах. Это относится к тому факту, что, как только объекты достигают около трех футов в диаметре, трение, создаваемое окружающим газом, привело бы их к спирали на солнце. Аккреция галькой помогает отбрасывать мелкие частицы через порог, делая их достаточно большими, чтобы удерживать свои собственные.
Ученые до сих пор пытаются понять, происходил ли этот процесс во всей солнечной системе, и был бы он одинаковым для внутренней и внешней планет. (Хотя это работает для газовых гигантов, более поздние стадии быстрого роста не соответствуют тому, что мы знаем о формировании земных планет). Но исследователи могут найти некоторые подсказки позже в этом году, когда миссия НАСА «Юнона», которая успешно достигла Юпитера в прошлом месяце, начинает собирать информацию о составе и ядре планеты.
Уолш говорит, что выяснение того, сколько материала находится в центре газового гиганта, поможет исследователям ограничить различные модели аккреции планет. Если бы у Юпитера было небольшое ядро, классическая аккреция могла бы построить его достаточно быстро; если он большой, это может означать, что вместо этого произошло что-то вроде гальки, говорит он.
Юпитер и его спутники Ио, Европа и Ганимед, сфотографированные миссией Юноны вскоре после того, как космический корабль вышел на орбиту вокруг газового гиганта. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Понимание того, как образовался Юпитер, также поможет исследователям понять происхождение других планет, включая Землю. Это потому, что Юпитер был обвинен во вмешательстве в строительство внутренних каменистых планет, по крайней мере, в соответствии с новой идеей, разработанной Уолшем и другими, которая получила развитие в последние годы.
Гипотеза, известная как модель Grand Tack, предполагает, что, когда Юпитер закончил формироваться, он очистил бы весь материал на своем пути вокруг Солнца, эффективно вырезав зазор в протопланетном диске. Диск, однако, все еще содержал много газа и пыли, которые прижимались к солнцу, поскольку диск сжимался и растягивался, говорит Уолш.
Разрыв Юпитера эффективно заблокировал поток этого материала, и планета «попала в паводковые воды», говорит Уолш. Он приблизился к орбите Марса с Сатурном на пятках. Но, следуя Сатурну, он тянул за собой достаточно материала, чтобы заново подключить диск. Это ослабило давление на Юпитер, позволив обеим планетам снова мигрировать, и все это за несколько сотен тысяч лет. По словам Уолша, эта модель была вдохновлена наблюдениями странно упорядоченных планет в других солнечных системах, которые позволяют предположить, что такие миграции являются обычным явлением.
Для остальной части солнечной системы это было бы что-то вроде пары быков в космическом фарфоровом магазине. Куски мусора из внутренней солнечной системы были бы выброшены, в то время как беспорядок из внешней системы был бы втянут, говорит Уолш. Эта модель помогает объяснить размеры Марса, а также количество и разнообразие тел, найденных сегодня в поясе астероидов.
Это также дает возможное объяснение того, как земные планеты получили свою воду. Согласно Grand Tack, миграция газовых планет произошла бы, пока планеты земной группы еще формировались, и могла бы выбросить в смесь богатый водой материал из внешней солнечной системы. Уолш и многие другие ученые считают, что углеродистые астероиды, которые могли образоваться за пределами Юпитера, были основными транспортными средствами для доставки воды на Землю.
В сентябре этого года НАСА начнет миссию посетить один такой астероид по имени Бенну. Уолш является соавтором проекта OSIRIS-REx, который изучит тело издалека, прежде чем взять образец для возвращения на Землю. Аналогичная миссия японского космического агентства под названием «Хаябуса-2» находится на пути к отбору другого углеродистого астероида в 2018 году.
Ученые надеются узнать больше о том, откуда появились эти астероиды и действительно ли они являются источником класса метеоритов, известных как углеродистые хондриты. Они также надеются, что изучение первичного образца, а не фрагмента метеорита, поможет выяснить, доставляли ли эти объекты не только воду на Землю, но и органические соединения, которые могли служить предшественниками для жизни.
Поскольку OSIRIS-REx возвращается на Землю, он может пересекаться с Люси, еще одной предлагаемой миссией, которая, как и Психея, является финалистом в программе Discovery. Во главе с Левисоном Люси стремится исследовать последнюю серьезную встряску, которая потрясла нашу солнечную систему - планетарное танго, которое началось примерно через 500 миллионов лет после Великой Тэкс. Именно тогда, согласно гипотезе Левисона и других, Плутон спровоцировал нестабильность, из-за которой Нептун сделал классики вне Урана, а внешние газовые гиганты ушли от Солнца в свои нынешние позиции.
Это возмущение, известное как модель Ниццы, вызвало бы дождь осколков, проникающих во внутреннюю солнечную систему, возможно, объясняя группу ударов, сформировавшихся в период, известный как поздняя тяжелая бомбардировка. Планеты земного шара, такие как Земля, в основном сформировались к этому моменту, поэтому событие существенно не повлияло на их состав. Но это, возможно, привело к тому, что ученые пытаются понять, как эволюционировала Солнечная система. По словам Уолша, разрушение могло привести к тому, что объекты во внутреннюю солнечную систему не были связаны с материалами, из которых состоит основная масса планет земной группы.
Люси могла бы помочь ученым выяснить, что на самом деле произошло, и позволить им распутать то, что смешалось и где. Это могло бы быть достигнуто путем исследования группы астероидов, запертых на орбите Юпитера. Эти объекты, известные как Jovian Trojans, представляют собой смесь тел, которые образовались во всей солнечной системе, а затем были объединены во время миграции.
В середине 2020-х годов, когда миссия достигнет их, троянцы будут ориентированы в правильной конфигурации, чтобы космический корабль совершил большой тур по шести телам. «Всю свою карьеру я поклонялся богам небесной механики», - говорит Левисон, планетарный динамик. «Они решили заплатить мне, потому что планеты в буквальном смысле выравниваются».
Левисон говорит, что изучение троянов вблизи даст исследователям более четкое представление о том, как происходило смешивание модели Ниццы, а также может дать тест на аккрецию галькой. Гипотеза предсказывает, что все, что меньше, чем около 60 миль в поперечнике, на самом деле должно быть фрагментом более крупного тела. Это предсказание, которое Люси должна проверить.
Художник производит впечатление поверхности Венеры, где температура воздуха составляет 870 градусов по Фаренгейту. (ESA / AOES Medialab) Вместе эти миссии кажутся готовыми к дальнейшему пониманию учеными происхождения Земли, вероятно, так, как исследователи даже не могут себе представить. В конце концов, построение надежной картины формирования планет требует объединения данных из разных источников, говорит Дэвид Стивенсон, ученый-планетолог из Калифорнийского технологического института.
Однако нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы поймем, что отличает Землю и Венеру от других. «Почти стыдно, что вот мы здесь, сидя на Земле, и у нас есть эта большая ближайшая к нам планета, о которой мы настолько невежественны», - говорит Стивенсон. «Причина, по которой мы так невежественны, в том, что чертовски жарко!»
Действительно, адские условия на поверхности Венеры блокировали попытки детально изучить планету. России удалось высадить серию космических кораблей на поверхность между 1960-ми и 80-ми годами. Они выжили только в течение нескольких часов и передавали краткие вспышки данных, прежде чем поддаться жаре. Но эти и другие миссии, такие как НАСА «Пионер» и «Магеллан», которые изучали планету издалека, действительно дали представление о работе планеты.
Например, мы знаем, что на Венере интенсивная парниковая атмосфера, почти полностью состоящая из углекислого газа, и, похоже, она потеряла большую часть поверхностных вод. Это может быть тем, что препятствует возникновению тектоники плит - считается, что вода смазывает колеса субдуктивных плит. Это также может объяснить, почему на Венере отсутствует геомагнитное поле, которое многие ученые считают необходимым для жизни, потому что оно защищает планету от разрушительного действия солнечного ветра. Ниммо говорит, что геомагнитные поля создаются конвекцией в ядре тела и полагаются на мантийную циркуляцию - часто связанную с тектоникой плит - для отвода тепла.
Что ученые хотят больше всего, так это образцы поверхностных пород Венеры, но это остается отдаленной целью. В обозримом будущем исследователям придется довольствоваться более отдаленными наблюдениями, такими как наблюдения из нынешней японской миссии. В начале этого года космический корабль Акацуки наконец начал передавать данные со своей орбиты вокруг Венеры после незапланированного пятилетнего обхода вокруг Солнца.
Кроме того, НАСА рассматривает еще две собственные миссии на Венере, которые также являются финалистами Discovery. Один из проектов, называемый VERITAS, возглавляется Смрекаром и предполагает участие орбитального аппарата, способного изучать геологию планеты в высоком разрешении. Вторая предлагаемая миссия, которую возглавляет Лори Глэйз из Центра космических полетов Годдарда, будет анализировать уникальную атмосферу Венеры с использованием зонда под названием DAVINCI.
Надежда состоит в том, что эти усилия покажут, почему Венера эволюционировала так, как она это сделала, и, следовательно, что отличает Землю. В настоящее время многие исследователи полагают, что Земля и Венера, вероятно, образовались из примерно одного и того же материала, а затем со временем разошлись благодаря нескольким факторам. К ним относятся их различная близость к солнцу и тот факт, что Земля столкнулась с серьезным столкновением относительно поздно в своей истории - воздействием, которое сформировало Луну - которое могло бы растопить большую часть планеты и потенциально изменить ее динамику.
Но пока мы не узнаем больше о том, как образовались планеты в нашей солнечной системе и какие процессы сформировали их эволюцию, мы не будем знать, что отличает гостеприимную планету от бесплодной, говорит Уолш. «У нас есть космические телескопы, которые охотятся на планеты размером с Землю вокруг других звезд, но мы не имеем ни малейшего понятия, эволюционирует ли планета в Венеру или в Землю», - говорит он. «И это целая игра с мячом, на каком-то уровне».
