Юпитер – главный обвиняемый в деле о вымирании динозавров
На КДПВ вы можете видеть кратер Чикшулуб — один из древнейших ударных кратеров диаметром 180 км. Падение метеорита (кстати, попробуйте в десктопной версии Google поискать «метеорит») в это место океана, где глубина была небольшой, вызвало массовое вымирание на Земле. Кратер Поль на Марсе мог образоваться сходным образом 3,4 млрд лет назад. Скорее всего, два этих события были вызваны воздействием на крупный астероид массивной планеты — и вряд ли это могли быть простые случайности…
Одна из самых страшных угроз жизни на Земле — столкновение с крупным космическим телом. Будь то астероид, комета, какой-нибудь ещё межзвёздный странник — если у него будет достаточно энергии, если он будет хотя бы несколько километров в диаметре — такое столкновение может вызывать массовое вымирание или даже стерилизовать живую планету, закончив цепочку жизни, развивавшуюся миллиарды лет. Подобные столкновения происходят по всей Вселенной и даже в Солнечной системе постоянно. Одно из самых знаменитых случилось около 65 млн лет назад — на Землю упал крупный астероид, вызвавший 5-е массовое вымирание с момента кембрийского взрыва (мел-палеогеновое вымирание или «K-T вымирание») и очистивший землю от 70% всех видов, включая всех нептичьих динозавров.
Долгое время было принято считать, что Солнечная система хорошо приспособлена для жизни, потому что у нас есть свой космический щит, защищающий нас от подобных объектов: Юпитер. На самую массивную планету нашей системы падает в 10 000 раз больше объектов, чем на Землю, чем она нас и защищает. Однако всё немного не так. На самом деле, присутствие Юпитера в системе увеличивает вероятность падения подобных объектов на Землю. Считается, что есть 70-процентная вероятность того, что K-T вымирание не случилось бы, если бы у нас не было Юпитера. В каком-то смысле, именно Юпитер можно обвинить в вымирании динозавров.
Вообще из всех массивных тел, вращающихся вокруг Солнца, ни одно не собирает столько ударов, как Юпитер. Телескоп для астрономических наблюдений появился лишь в XVII веке, и несмотря на примитивное его состояние, уже в 1690 году удалось зафиксировать попадание тела в Юпитер. Джованни Доменико Кассини оставил запись о том, как небольшой участок на планете потемнел и оставался таким в течение 18 дней. Учитывая, что поверхность Юпитера в 125 раз больше, чем у Земли, а гравитационное поле в 318 раз сильнее, кажется естественным, что на него падает больше объектов.
За последние 45 лет активных наблюдений за Юпитером этот вывод был подтверждён неоднократно. Началось всё с пролёта «Вояджера-1» в 1979 году. На одном из кадров, сделанных камерой корабля, был запечатлён штришок в атмосфере — первый болид, который мы сняли в процессе удара. Через 15 лет комета Шумейкеров — Леви 9 произвела революцию в понимании столкновений тел Солнечной системы. Объект диаметром в 2,5 км приблизился к Юпитеру и был разорван на 21 кусочек приливными силами планеты. Эти обломки затем упали и оставили следы, сохранявшиеся месяцами. С тех пор было зафиксировано ещё 10 столкновений разных тел с Юпитером.
Только благодаря одним кометам Юпитер должен испытывать значительные столкновения каждые 500–1000 лет притом, что Земля сталкивается со значительными объектами один раз в несколько миллионов лет. Однако динозавров убила не комета — это определённо был астероид. В пользу этого говорит тонкий слой материала, богатого иридием и покрывшего всю планету в то самое время, судя по датировкам. Судя по энергии удара, размеру ударного кратера Чикшулуб и изобилию элементов в месте удара, это однозначно был объект, богатый минералами, а не льдом.
Так что же со всеми этими астероидами (внутри орбиты Юпитера), кентаврами (между орбитами Юпитера и Нептуна), троянцами (в точках Лагранжа L4 и L5 Юпитера) и всеми другими телами Солнечной системы? Защищает ли нас от них Юпитер — или, наоборот, увеличивает вероятность столкновения?
Для ответа на этот вопрос можно, например, попытаться изучить существующие ныне в Солнечной системе объекты. Ведь в отсутствии других массивных тел кажется, что эти небольшие тела будут просто продолжать вращаться по своим псевдослучайным эллиптическим траекториям, пока их взаимодействие с другими телами не нарушит их орбиты и не сделает их потенциально опасными для Земли.
Мы обнаружим, что существует значительное количество тел, которые Юпитер действительно удерживает от столкновения с Землёй. Каждый объект, упавший на Юпитер — это объект, который больше не представляет опасности для Земли. Каждый троянец, убегающий или догоняющий Юпитер, надёжно удерживается от посещения Земли. Многочисленное семейство Хильды — группа тёмных углеродных астероидов, расположенных за главным поясом между орбитами Марса и Юпитера числом более 5000 — пасётся под руководством Юпитера в точке резонанса 3:2, находясь на стабильно безопасном расстоянии в 600 млн км от Солнца.
Вроде бы Юпитер действительно частично защищает Землю от угроз. Но достаточно ли этого для того, чтобы уравновесить все эти усилия тем опасностям, которым подвергает нас само присутствие Юпитера?
Веками считалось, что Юпитер пасёт большую часть астероидов и оберегает Землю от столкновения с ними. Многие даже предполагали, что подобные Юпитеру миры просто необходимы для того, чтобы биологическая активность могла стабильно развиваться на землеподобных планетах. И, следовательно, настолько сложные, разные и разумные существа, как люди, никогда не смогли бы появиться на мирах, более часто подвергающихся катаклизмическим бомбардировкам из космоса. Казалось, что без защиты Юпитера нас бы просто не было.
На самом же деле, любой объект, оказывающий гравитационное воздействие, может возмущать стабильную орбиту других объектов — планет, лун, астероидов и мелких тел — и перенаправлять их траекторию движения, которая не собиралась пересекаться с траекторией Земли, так, чтобы эти траектории в итоге пересеклись. Вопрос не в том, возможно ли существование жизни на мелких планетах без наличия в системе крупных — вопрос в том, защищает ли нас Юпитер, или же наоборот, представляет опасность для внутренних планет. Друг он нам или враг?
Рассматривая этот вопрос с научной точки зрения, необходимо смоделировать движение различных объектов, находящихся в разных местах Солнечной системы, а потом смотреть, как меняются их траектории, если мы поместим или уберём массивную планету, или будем подкручивать такие её параметры, как масса, эксцентриситет, местоположение внутри Солнечной системы. После этого мы сможем увидеть, как всё это влияет на количество столкновений с планетой, находящейся на месте Земли.
Впервые за эту работу взялись Джонти Хорнер и Барри Джоунс в 2008 году. Они симулировали множество столкновений с Землёй объектов из пояса астероидов. Они меняли массу Юпитера в симуляторе, а также рассмотрели вариант, когда его вообще нет в системе.
Развили они эту идею в следующей своей работе 2009 года, где рассматривали то, как все эти подстройки влияют на популяцию кентавров, а потом в ещё одном исследовании от 2011 года, где уже игрались не только с массой Юпитера, но и с эксцентриситетом его орбиты и её наклоном. В результате они пришли к примечательному выводу, перевернувшему наши представления о Юпитере с ног на голову.
Выше вы видите результаты симуляции количества ударов тел из пояса астероидов о Землю в зависимости от разной массы Юпитера (ось х) и орбитального эксцентриситета (0,01 — зелёный; 0,0488 — чёрный, это у реального Юпитера; 0,1 — красный). Наличие планеты с массой Юпитера приводит к гораздо большему количеству столкновений объектов с Землёй, чем отсутствие Юпитера (нулевая масса) — на 350%.
Интересно, что могло бы быть и хуже. Максимизация количества столкновений происходит при массе Юпитера в 20–30% от текущей. Если поиграться с эксцентриситетом, выяснится, что лучшие результаты достигаются при нулевом его значении, а если его увеличивать, то катастрофическим сценарием будет тот, где и эксцентриситет, и масса Юпитера большие.
Если вместо этого мы будем менять наклон орбиты Юпитера вокруг Солнца, мы получим такой график. Получится, что минимальное количество столкновений будет соответствовать нахождению орбиты в плоскости Солнечной системы. Если поднять наклон орбиты от 1,3° (чёрный) — такого, какой есть у орбиты реального Юпитера — до 5° (зелёный) или до 25° (красный), то количество столкновений будет расти вместе с углом наклона. У больших углов всё гораздо хуже, чем у больших масс и эксцентриситетов. С такой скоростью за несколько миллиардов лет весь пояс астероидов полностью очистится от тел.
То есть существуют сценарии, при которых в сумме гигантская планета оказывает защитный эффект, однако существует ещё больше сценариев, где гигантская планета приводит к появлению более опасных условий по сравнению с её полным отсутствием.
Что же все эти факты — масса, эксцентриситет, наклон орбиты Юпитера, и прочее — из нашей, реальной Солнечной системы, говорят нам о реальном положении вещей и количестве астероидов, падающих на Землю?
А получается следующее — более 70% астероидов, орбиты которых пересеклись с Землёй, и в частности тех, что упали на Землю, вообще бы не появились тут в отсутствии Юпитера. Получается, что Сатурн, расположенный в два раза дальше от Солнца, выполняет гораздо более важную работу в плане перегона кентавров и всяких комет с внешних краёв Солнечной системы во внутреннюю её часть и, возможно, более других возмущает орбиты объектов из пояса астероидов. А также получается, что газовый гигант практически с любыми характеристиками, отличными от Юпитера, в среднем будет привлекать больше астероидов на Землю, чем отводить от неё.
Иначе говоря, Юпитер — это не щит. Подобные планеты не защищают миры, орбиты которых находятся внутри орбит таких газовых гигантов — их воздействие оказывается прямо противоположным. Наличие в нашей системе Юпитера является угрозой для Земли и увеличивает количество столкновений с объектами из пояса астероидов более чем в три раза по сравнению со сценарием, в котором такая планета отсутствовала бы. И все эти наши газовые гиганты подтягивают материал с задворков Солнечной системы — правда, потенциально это могло привести к накоплению воды и органических молекул на поверхности молодой Земли.
Исходя из упомянутых исследований, разумно предположить, что порядка 72% всех астероидов, падавших когда-либо на Землю — включая, вероятно, и тот, что вызвал массовое вымирание — не упали бы сюда без участия Юпитера. Несмотря на его большой размер и склонность притягивать к себе объекты, его суммарный деструктивный эффект оказывается большим, и количество столкновений Земли с астероидами растёт. Кроме того, все внешние планеты, в особенности Сатурн, увеличивают количество столкновений с кометами и кентаврами, что ещё больше усугубляет ситуацию. Суммарный защитный эффект Юпитера — это миф, разрушенный тщательным научным расследованием.
Однако это не означает, что наличие в системе газового гиганта не вносит свой вклад в формирование и эволюцию жизни на внутренних планетах. Такие планеты на ранних этапах формирования получают воду и органические материалы. Периодические падения астероидов, вызывающих вымирания, открывают новые экологические ниши. Потенциально также газовые гиганты уменьшают количество столкновений с астероидами на поздних этапах жизни планеты.
В принципе, всё это может привести к появлению продвинутой и разумной жизни на планетах, схожих с нашей. И хотя Юпитер, скорее всего, стоит обвинить в наступлении события, приведшего к гибели динозавров, наш эгоистичный интерес связан с расцветом млекопитающих и в конечном итоге появлением нас с вами. Получается, что мы должны благодарить его за наше существование.
Играй в наш скролл-шутер прямо в Telegram и получай призы!
