Удар «плутона» расколол Марс надвое

Считается, что около 4 миллиардов лет назад, когда Земля была, по астрономическим меркам, ещё очень молодой, в неё врезался гигантский объект размером с Марс, практически полностью растопив земную кору и выбросив в окружающее пространство большое количество вещества, из которого впоследствии сформировался наш естественный спутник — Луна. Хотя ударил Землю не сам Марс, а просто похожий на него размерами объект, теперь нам должно стать не так обидно: и Марсу в его молодости пришлось не сладко. Удар огромного тела размером с Плутон изменил всю дальнейшую судьбу соседней с нами планеты, навсегда разделив Марс на непохожие друг на друга северную и южную половинки.

Дихотомия марсианских полусфер известна астрономам уже давно. Южные районы Марса покрыты многочисленными горными массивами, хребтами и полуразрушенными древними кратерами. В то же время северные области представляют собой более или менее пологое «море», в котором практически отсутствуют детали такого рода за одним, но весьма примечательным исключением — вулканическим районом Тарсис, или Фарсида, равного которому нет во всей Солнечной системе.

В среднем северное полушарие Марса на 4 км ниже южного, а местами ниже и на 8 км. С отправкой к Марсу исследовательских космических аппаратов, которые смогли точно промерить гравитационное поле планеты, стало ясно, что и сама планетарная кора на севере на 25 км тоньше, чем на юге. Из-за этого, собственно, северное полушарие и ниже: кора плавает в мантии планеты, а архимедова сила, действующая на большей глубине под южной корой, перебарывает силу, держащую на плаву более лёгкую северную кору.

Планетологи пока догадались всего до двух возможных причин такого разделения: они могут быть внутренними и внешними. Первый вариант, пока практически не проработанный, предполагает, что каким-то образом так сложились геологические процессы в ранней истории Марса, что могучие, аналоги земных континентальных, литосферные плиты все скопились в южном полушарии, вытеснив «океан» на север. В принципе, ничего невероятного в этом сценарии нет: на Земле, например, ещё совсем недавно, по геологическим меркам, вся континентальная масса была объединена в суперматерик Пангею, и такое объединение могло происходить не раз в истории Земли. Возможно, Марс просто «застыл» в таком положении, уверены сторонники «внутренней» версии.

Вторая теория предполагает, что «северный бассейн» (Basin Borealis), по сути, представляет собой гигантский ударный кратер, которому несколько миллиардов лет.

Предполагалось, что в месте удара древняя кора расплавилась и нынешняя поверхность представляет второе поколение марсианской коры в отличие от первого, сохранившегося на юге. Возраст того или иного участка поверхности Марса, лишённого плотной атмосферы, несложно определить по внешнему виду и плотности кратеров, появившихся на каждом участке с момента образования до наших дней. Этот тест показывал, что север и впрямь немного моложе юга.

Ударную гипотезу обычно связывают с именами ныне полных профессоров Дона Уилхелмса и Стивена Сквайриза (имя последнего не зря кажется знакомым — именно он руководит программой научной работы американских марсоходов Spirit и Opportunity). Однако, по признанию самого Сквайриза, когда в середине 1980-х годов они высказали ударную гипотезу, это было не более чем ощущение, интуиция, основанная на немалом опыте исследования ударных кратеров на Земле и на других планетах; никаких вычислений американцы не проводили.

У ударной гипотезы нашлось немало противников, контраргументы которых сводились к двум основным положениям.

Во-первых, форма «кратера» далека от круглой или эллиптической — вместо этого он напоминает гигантскую «запятую» вокруг северного полюса Марса.

А во-вторых, грандиозный удар, который оставил по себе воронку диаметром 10 тысяч километров, наверняка расплавил бы марсианскую кору не только в месте удара, но и по всей поверхности планеты. Примерно так, скорее всего, происходили события на Земле, когда образовывалась Луна, потому об этом событии не осталось геологических свидетельств (иногда указывают на Тихий океан, но эта версия сомнительна по многим причинам).

Однако как сторонники, так и противники ударной гипотезы, по большому счёту, вели безосновательный, а потому весьма вялый спор.

Теперь у противников ударной гипотезы отобрали их основные аргументы.

Это не значит, что ударная теория подтверждена, а внутренняя опровергнута, так как последняя от контраргументов к первой не зависит. Однако ударная теория теперь является куда более проработанной, чем её конкурентка. Используя спортивную аналогию, можно сказать, что ударная теория перешла в другую весовую категорию и, чтобы тягаться с ней, гипотезе внутренних причин придётся поднабрать научного веса.

В последнем номере Nature появились сразу три статьи, посвящённые детальной проработке ударной гипотезы. Две из них описывают результаты компьютерного моделирования удара, который мог оставить на поверхности Марса такой след, который был бы похож на то, что мы видим. Третья же основана на экспериментальных данных, собранных в последние годы обращающимися вокруг Марса космическими станциями Mars Reconnaissance Orbiter и Mars Global Surveyor, и достаточно убедительно опровергает возражения против ударной гипотезы, основанные на форме «кратера».

Джеффри Эндрюз-Ханна и его коллеги из Массачусетского технологического института (MIT) и Лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом (Калтехе) смогли показать, что

если исключить из рассмотрения вулканический Тарсис, находящийся прямо на краю северного бассейна, то район с необычно тонкой корой оказывается практически идеальным эллипсом.

Чтобы отличить, где под Тарсисом заканчивается тонкая кора и где начинается толстая, учёные воспользовались тем обстоятельством, что Марс со времени своего образования (после быстрого распада основных радиоактивных элементов в первые десятки миллионов лет) непрерывно остывает, а значит, толщина наружной, упругой литосферы со временем увеличивается. Учёные предположили, что Тарсис держится силой упругости прогнувшихся под его весом нижних слоёв литосферы, оставшихся ещё со времени образования тонкой и толстой коры; молодость вулканического района относительно древних северной и южной половинок также можно определить по покрытию его кратерами.

Объединив данные с точных спутниковых высотомеров и гравиметров, измеряющих местную напряжённость поля тяготения, учёные с помощью математики смогли «углубиться» более чем на 100 км под поверхность Марса и показать, где проходит граница между тонкой и толстой корой. Эта граница плавно продолжает внешнюю, образуя ровный эллипс размером примерно 8 500 км на 10 600 км (с точностью до нескольких сот километров). Кроме того, учёные заметили, что очерченная горной цепью южная граница района Arabia Terra напоминает протяжённый сектор вторичного вала, часто образующегося из вещества, выброшенного из основного кратера при ударе; впрочем, это наблюдение существенно более спекулятивное.

Вопрос о возможности расплавить кору в одном полушарии Марса, не затронув другое, изучен в паре модельных работ, сопровождающих работу Эндрюз-Ханны. Фрэнсис Ниммо и его коллеги из Университета Калифорнии в Санта-Крузе и лондонского Университета имени королевы Марии провели моделирование удара крупного тела по молодому Марсу. Их компьютерная модель обладает хорошим пространственным разрешением (элемент разрешения около 25 км), но у неё есть один существенный недостаток: обсчёт ведётся в двух измерениях, что позволяет изучить лишь очень симметричные удары, приходящиеся точно вертикально по поверхности планеты.

По результатам Ниммо, удар, породивший северный бассейн, был настолько силён, что пробил не только кору и мантию Марса, но даже затронул его ядро.

Энергия удара составила около сотни триллионов мегатонн в тротиловом эквиваленте, что в триллионы раз больше, чем энергия взрывов самых мощных водородных бомб, когда-либо испытанных человечеством.

При этом расчёты показывают, что кора с обратной стороны планеты вполне могла уцелеть и сейчас её покрывает вещество, выброшенное на поверхность при ударе. По мнению учёных, удар должен был произойти в первые 100 миллионов лет после образования планеты — примерно в то же время, когда Землю ударил объект, породивший в итоге Луну. Правда, двумерное моделирование позволяет получить в итоге лишь идеально круглый кратер: «астероид-убийца» из соображений цилиндрической симметрии, которую принимают для расчётов, должен падать сверху.

Маргарита Маринова и её коллеги из Калтеха и Университета Калифорнии в Сан-Диего в дополнение к этому провели трёхмерное моделирование удара. За трёхмерность модели пришлось заплатить примерно впятеро меньшим пространственным разрешением, которое даже меньше толщины всей коры. Зато удалось просчитать различные варианты ударов, в том числе и удар под углом к отвесной линии.

По мнению Мариновой, лучше всего подходит вариант, при котором объект размером от 1 600 км до 2 700 км врезался в Марс под углом от 30^o до 60^o (к горизонту или к отвесной линии — здесь всё равно).

Учёные даже создали видеоролик, показывающий последствия удара.

Этот удар, безусловно, изменил всю дальнейшую судьбу планеты. Из-за меньшей высоты северного полушария там до сих пор больше давление, сильнее ветра и вызванные ими пылевые бури, которые разносят верхние слои грунта по всей планете. Зато подъём южного полушария означает, что потоки жидкой воды, если она когда-либо существовала на Марсе, преимущественно стекали в сторону северного полушария. Возможно, благодаря, в частности, и этому находящемуся у северного полюса Марса аппарату Phoenix на прошлой неделе удалось наконец прикоснуться к марсианской воде.