БУДУЩЕЕ ЛУНЫ И КОЛЬЦО САТУРНА

В научно-фантастической повести Алексея Толстого «Союз пяти» описывается необыкновенная авантюра, предпринятая биржевыми дельцами. Эти энергичные «герои», для достижения богатства не стесняющиеся в средствах, решили не более, не менее, как… взорвать Луну!
По их расчетам, паника, неизбежная во время гибели Луны, поможет им совершить такие финансовые спекуляции, в результате которых они станут владыками всей Земли.
И вот на уединенном острове, затерявшемся среди просторов Тихого океана, готовится чудовищное преступление. Ракетные снаряды, начиненные сильнейшим взрывчатым веществом, должны в намеченный срок направиться к Луне и, вонзившись в нашего спутника, разорвать его на части.


Наконец наступает «неделя ужаса». Ракетные снаряды брошены в Луну. Ко всеобщему ужасу они достигают цели.
Вот как описывает Алексей Толстой гибель Луны:
«Вдалеке из-за безобразной островерхой башни восьмиэтажного дома выплыла Луна. Она была медного и мутного цвета. Она казалась больше обычного размером, и вся словно окутана дымом. Самое страшное в ней было то, что диск ее колебался подобно медузе.
Прошло много минут молчания. Стоявший на столе высокий тучный человек во фраке, в шелковом цилиндре набекрень, зашатался и повалился навзничь. После этого началось бегство, давка, дикие крики. Люди с поднятыми тростями наскакивали на кучу мужчин и женщин и били по головам и плечам. Пролетели стулья в воздухе. Захлопали револьверные выстрелы.
Луна, — это ясно теперь было видно, — развалилась на несколько кусков…
… Это зрелище разбитого на осколки мира было так страшно, что в первые часы много людей сошло с ума, — бросились с мостов в каналы, накладывали на себя руки, не в силах подавить ужаса».
Картина, которую нарисовал знаменитый писатель, действительно ужасна. Но, вероятно, большинство читателей «Союза пяти» и не подозревало, что с Луной на самом деле может произойти подобная катастрофа.
Правда, биржевые спекуляции здесь ни при чем, а роль «взрывателя Луны» выполнят силы тяготения.
Речь идет о том весьма отдаленном будущем, которое, возможно, ждет нашего спутника в результате так называемой приливной эволюции системы Земля — Луна.
Дважды в сутки в морях и океанах наступают приливы, и с той же регулярностью дважды в сутки они сменяются отливами. Причиной этих общеизвестных явлений служит Луна, точнее — то притяжение, которое испытывают с ее стороны все части нашей планеты.
Разобраться, в чем тут дело, достаточно просто. Взгляните на рисунок. В левой его части схематически изображена Земля с покрывающей ее твердую поверхность водной оболочкой. Для простоты дальнейших рассуждений последняя изображена сплошной.
Обратите внимание: водная оболочка Земли имеет сферическую форму. Так было бы (в первом приближении), если бы Луна вовсе не существовала.

Допустим теперь, что внезапно появилась Луна. Она притянет к себе как твердое тело Земли, так и различные части ее водной оболочки. Все эти части Земли сместятся в направлении к Луне. Причем смещения будут зависеть исключительно от расстояния той или иной части Земли до центра Луны. Наибольшим ускорением и потому наибольшим смещением будет обладать часть водной оболочки, обращенная к Луне. Несколько меньшее смещение произойдет у твердого тела Земли, массу которого можно мыслить сосредоточенной в ее центре. Наконец, еще меньше сместится «задняя» часть водной оболочки.
В результате этих неодинаковых смещений водная оболочка вытянется в направлении к Луне. Так как смещение твердого тела Земли больше, чем смещение, испытанное «задней» частью водной оболочки, то на «тыловой» части Земли образуется второй приливной горб.
Ось приливных горбов всегда направлена к Луне. Но Земля вращается вокруг своей оси гораздо быстрее, чем Луна вокруг Земли. В результате жителям Земли кажется, что приливные горбы бегут в виде исполинских волн по поверхности Земли, порождая периодически повторяющиеся приливы.
Есть некоторое сходство между твердым телом Земли, вращающимся как бы внутри ее водной оболочки, и колесом, сжимаемым с боков тормозными колодками. И в том и в другом случае происходит торможение вращающегося тела. Тормозится колесо, тормозится и Земля. Если тормоза действуют безотказно, обязательно наступит момент, когда колесо, перестав вращаться, остановится.
То же произойдет и с нашей Землей. Трение приливных волн о твердую поверхность земного шара постепенно замедляет его вращение. Пройдут «какие-нибудь» пятьдесят миллиардов лет, и Земля, как показывают расчеты, как бы остановится.
Не подумайте, что при этом наша планета перестанет вращаться вокруг своей оси. Нет, просто сутки сравняются с месяцем, точнее — Земля будет постоянно обращена к Луне одной и той же стороной, и полный оборот вокруг своей оси она станет совершать за то же время, за которое Луна обернется вокруг Земли.
Спешим подчеркнуть, что в те времена месяц будет иметь иную продолжительность, чем в наши дни. Оказывается, с замедлением вращения Земли вокруг оси, то есть с увеличением суток, Луна станет постепенно удаляться от Земли. В этом проявится один из основных законов природы — закон сохранения момента количества движения.
Для тех, кто не боится математических расчетов (а ведь астрономия — наука точная), мы можем несколько уточнить сказанное.
Моментом количества движения материальной точки с массой т, обращающейся по круговой орбите вокруг центра О, называется произведение массы, скорости и радиуса траектории точки, то есть mvr. Будем этот момент количества движения называть орбитальным моментом.
Нетрудно видеть, что орбитальный момент можно записать в иной форме, а именно:
mvr = тr2 Ω
где Ω — угловая скорость движения точки.
Произведение тr2 называется моментом инерции обращающейся точки.
Представим себе шар, вращающийся вокруг некоторой оси. Он также обладает некоторым запасом движения, который выражается вращательным моментом количества движения. Методами высшей математики можно доказать, что этот момент равен
2/5 MR2 Ω,
где М — масса шара, R — его радиус, Ω —угловая скорость его вращения.
В системе Земля — Луна общий момент количества движения остается постоянным, но он складывается из вращательных моментов Земли и Луны и орбитального момента Луны.
Если Земля станет вращаться медленно, то ее вращательный момент уменьшится. Для того чтобы общий момент остался неизменным, необходимо должен увеличиться орбитальный момент Луны (так как ее вращение происходит с постоянной угловой скоростью). Но этот орбитальный момент увеличится тогда, когда возрастет расстояние от Земли до Луны.
Вот почему, когда сутки станут равными месяцу, Луна удалится от Земли и станет обращаться вокруг Земли с периодом в сорок семь теперешних суток.
На этом, однако, история системы Земля — Луна не окончится. Земля не будет постоянно «смотреть» в «лицо» Луне, подобно зачарованному кролику, следящему за удавом.
Когда сутки сравняются с месяцем, начнет медленно, но верно действовать фактор, который в настоящее время играет второстепенную роль. Это приливы, вызываемые Солнцем в водной оболочке Земли. Солнечные приливы почти вдвое меньше лунных. Сейчас они полностью как бы скрываются за. действием лунных сил. Но тогда, в ту отдаленную эпоху, будет иначе. Солнечные приливы станут единственной силой, изменяющей скорость вращения Земли. Любопытно, что их действие в сочетании с лунными приливами приведет к ускорению вращения Земли.
Сутки, достигнув максимальной продолжительности, станут укорачиваться, и, как следствие, Луна начнет приближаться к Земле.
Можно подумать, что это катастрофическое приближение нашего спутника закончится его падением на Землю. Однако, по исследованиям французского астронома Роша, гибель Луны может произойти иначе.
Приливные силы действуют не только на воду, но и на твердые и на газообразные тела. Существуют атмосферные приливы, есть приливы и в твердом теле Земли. Но приливные силы со стороны Луны не настолько велики, чтобы разорвать Землю. Они вызывают лишь упругие колебания в ее твердом теле.
Иначе сложится обстановка, когда Луна подойдет к Земле ближе чем на 2,4 радиуса Земли. В этом случае приливные силы, вызванные Землей в твердом теле Луны, станут так велики, что, как доказал Рош, наш спутник может быть разорван на части.
Осколки Луны, обращаясь вокруг Земли, будут сталкиваться друг с другом и при этом дробиться на все меньшие и меньшие куски, так что в конце концов погибшая Луна должна превратиться в огромный плоский' рой мельчайших, несущихся вокруг Земли частиц, кольцом охватывающих нашу планету.
Какими удивительными станут тогда ночи! Огромная светящаяся дуга перекинется через небосвод. Свет от лунного кольца во много раз превзойдет освещение, создаваемое в наше время полной Луной.
Правда, все это случится не ранее чем через сотни миллиардов лет! Таковы астрономические сроки, в течение которых полностью завершится приливная эволюция системы Земля — Луна.
Действие приливных сил заметно в различных уголках солнечной системы. Вот, например, ближайшая к Солнцу планета Меркурий. Общеизвестно, что Меркурий постоянно обращен к Солнцу одной и той же стороной. Видимо, когда-то мощные приливы, вызванные Солнцем, затормозили Меркурий. Сутки теперь на нем равны меркуриальному году, то есть восьмидесяти восьми нашим суткам.
Подражая Солнцу, и Земля «остановила» Луну, заставив лунное «лицо» постоянно смотреть в свою сторону. И Луна и Меркурий никогда не имели водных оболочек, хотя бы отдаленно напоминающих земную. Поэтому тормозящие приливные волны могли возникать только тогда, когда значительные части этих небесных тел находились в огненно-жидком состоянии.

По-видимому, многие из спутников других планет так же постоянно повернуты в сторону этих планет, как Луна к Земле. Но, быть может, наиболее ярким проявлением приливной эволюции в нашей солнечной системе является знаменитое кольцо Сатурна.
Как известно, оно образовано мириадами крошечных лун, обращающихся сплошным плоским роем вокруг гигантской планеты. Размеры кольца весьма внушительны — его толщина, по новейшим исследованиям московского астронома М. С. Боброва, близка к 10 километрам, а ширина превосходит 66 тысяч километров.
Уточним, что Сатурн окружен не одним, а, по крайней мере, двумя концентрическими кольцами, щель между которыми, открытая еще в 1675 году французским астрономом Кассини, имеет ширину 5 тысяч километров и потому доступна для наблюдения даже в небольшие телескопы. Несколько менее уверенно наблюдается вторая щель, именуемая щелью Энке. В крупнейший современный телескоп — 5-метровый рефлектор обсерватории Маунт-Паломар (США) — она не кажется таким черным зияющим провалом, как щель Кассини. Здесь просто наблюдается некоторое разрежение кольца, область пониженной яркости. То же Ложно сказать и о других щелях в кольце.
Различают еще полупрозрачное, «муаровое» кольцо, резко отграниченное от наиболее яркой части В кольца Сатурна.
По недавним исследованиям, проведенным на Харьковской обсерватории Η. П. Барабашовым, промежуток между Сатурном и его кольцами сплошь заполнен мелкими частицами, сильно рассеивающими лучи с короткой длиной волны. По-видимому, кольца Сатурна простираются до границы атмосферы — вывод, еще нуждающийся в подтверждении.
Много остроумных и тонких методов было применено для выяснения вопроса о природе и размерах частиц, образующих кольца Сатурна. По последним данным, полученным М. С. Бобровым, поперечники твердых, похожих на метеориты частиц колец заключены з пределах от 10 сантиметров до 10 метров. Недавно с помощью спектрального анализа было установлено, что к твердым частицам колец примешаны льды, процентное содержание которых, возможно, весьма значительно. Иначе говоря, в большинстве случаев твердые частицы, вероятно, покрыты толстой оболочкой изо льда.
Частицы, входящие в кольца Сатурна, обращаются вокруг него в несколько десятков рядов. Их так много, что столкновения между частицами неизбежны. При этих столкновениях часть энергии переходит в тепло, которое безвозвратно излучается в пространство. В результате такого процесса общая энергия движения частиц уменьшается, а это, в свою очередь, приводит к тому, что некоторые из частиц начинают по спиралеобразным орбитам приближаться к Сатурну. Конец их ясен — рано или поздно, врезавшись в мощную и плотную атмосферу Сатурна, они распылятся в ней, подобно тем «падающим звездам», которые наблюдаются в каждую безоблачную ночь на Земле.
Отсюда можно сделать естественный вывод: кольца Сатурна хотя и долговечны, но не вечны. Наступит время, когда они исчезнут, «упав» на Сатурн. Точнее — они постепенно поредеют и со временем как бы растают на черном фоне звездного неба. Разумеется, это произойдет не скоро — и здесь процесс разрушения измеряется астрономическими промежутками времени.
Откуда появились кольца Сатурна?
После того как Джордж Дарвин, сын великого создателя теории эволюции органического мира Чарлза Дарвина, разработал теорию приливной эволюции небесных тел, а Рош указал тот опасный предел, вступив в который крупный спутник будет разорван планетой, происхождение колец Сатурна стало как будто ясным. Большинство современных астрономов считает, что это «украшение» Сатурна, выделяющее его среди других планет, есть осколки одного из его спутников. Когда-то этот спутник, подчиняясь законам приливной эволюции, подошел к Сатурну ближе предела Роша и был разорван на части приливными силами планеты.
Соответствует ли это объяснение действительности или нет, мы не знаем. Рош в процессе своих исследований вместо реальных небесных тел брал их упрощенные, идеализированные «модели». Он, например, считал спутник состоящим из однородной, несжимаемой жидкости. Так было удобнее при математических вычислениях — ведь для реальных тел математическое решение задачи необыкновенно сложно.
В некоторой степени «модель» Роша похожа на реальный спутник. Но все же идеализация, введенная им, оставляет некоторую неуверенность в его конечных выводах.
Предпринимались попытки иначе объяснить происхождение колец Сатурна.
По мнению Канта, Сатурн в начале образования солнечной системы был похож на комету: окруженный густой атмосферой, он «летал» вокруг Солнца по сильно вытянутой, эллиптической орбите. Потом благодаря сопротивлению частиц, которые в те времена почти сплошным облаком заполняли пространство солнечной системы, орбита Сатурна приняла круговую форму. Что же касается атмосферы Сатурна, то она, сгустившись, повисла кольцом вокруг планеты.
С современных позиций это объяснение выглядит крайне наивным. Но ведь во времена Канта еще никто не знал, из чего состоят кольца Сатурна.
Несколько позже Лаплас рассматривал кольца Сатурна как одно из опытных подтверждений своей гипотезы происхождения планет. Как известно, по гипотезе Лапласа, планеты сгустились из тех газовых раскаленных колец, которые когда-то окружали Солнце. Так же, по его мнению, возникли и спутники планет. Но один из спутников почему-то «застрял» на первоначальной стадии развития — он так и остался кольцом, кольцом Сатурна.
Ленинградский астроном профессор В. А. Крат считает, что кольца Сатурна представляют собой остаток той первичной материи, из которой когда-то возникла и сама планета.
Таким образом, вопрос о происхождении колец Сатурна еще не решен. Споры, разумеется, прекратились бы, если бы какой-нибудь из спутников был на наших глазах разорван планетой. Может быть, такое зрелище и увидят наши потомки — ведь ближайший к Марсу его спутник Фобос уже сейчас весьма близок к роковому пределу Роша. Кто знает, не произойдет ли его гибель на наших глазах? Впрочем, возможно, прочность Фобоса достаточна для того, чтобы противостоять приливным силам. Тогда, перейдя роковой предел, он будет продолжать приближаться к Марсу, пока не упадет на его поверхность.
Превращение Земли в уменьшенное подобие Сатурна вовсе не неизбежно. За миллиарды лет могут произойти такие изменения в солнечной системе, о которых мы не имеем и представления. Конец системы Земля — Луна может быть совсем не таким, каким изображает его теория приливной эволюции.