Гравитационный ресурс: как планеты собирают (или теряют) свои спутники

Почему у Земли есть Луна, а у Венеры и Меркурия нет ни одного спутника? И почему газовые гиганты вроде Юпитера обзаводятся целыми семьями лун, а планеты земной группы довольствуются одиночеством? Ответ на этот вопрос попытались найти российские астрофизики, смоделировав на суперкомпьютере поведение тысяч небольших небесных тел — астероидов, комет и малых планет — в окрестностях двух разных миров.

Учёные построили численную модель, в которой вокруг звезды движется облако из десяти тысяч мелких объектов — так называемый коорбитальный тор, то есть кольцо тел, летящих примерно по той же орбите, что и планета. Часть этих объектов при сближении попадает в зону гравитационного влияния планеты — сферу Хилла. Задача состояла в том, чтобы проследить на протяжении ста тысяч лет, что произойдёт с этим облаком в двух случаях: если в центре событий окажется планета-гигант, подобная Юпитеру, и если там будет планета земной группы, подобная нашей Земле.

Разница оказалась разительной. Юпитер за отведённое время буквально перекроил окружающее пространство: он прочертил в кольце астероидов два заметных разрыва, захватил в свою сферу Хилла более семидесяти объектов, сформировал вокруг себя устойчивую систему спутников, а часть мелких тел разметал по всей планетной системе. Именно эти выброшенные объекты, по расчётам, пополняют облако Оорта — далёкий резервуар комет на окраине Солнечной системы — и даже превращаются в свободные планеты, блуждающие в межзвёздном пространстве без родительской звезды. Земля же оказалась куда скромнее: она удерживала возле себя не более пяти-шести астероидов, которые вскоре падали на её поверхность, а самые далёкие «забросы» дотягивались лишь до орбит Марса и Венеры. Ни облака Оорта, ни собственной стабильной свиты спутников у планеты земной группы не возникло.

Из этих расчётов авторы вывели и теоретическое условие: чтобы вокруг планеты вообще мог сформироваться аккреционный диск из захваченного вещества — а значит, и зачатки собственных спутников, — планета должна находиться от звезды не ближе определённого расстояния, зависящего от её массы. Для планеты средней плотности порядка четырёх граммов на кубический сантиметр это расстояние составляет примерно полтора на десять в тринадцатой степени сантиметров, умноженных на корень из отношения массы звезды к массе Солнца. Все внутренние планеты Солнечной системы в это условие не укладываются — их гравитационного ресурса не хватает, чтобы собрать вокруг себя диск из пролетающих астероидов.

Отсюда следует неожиданный вывод. Раз Земля физически не способна была собрать Луну из окружающего роя астероидов, значит, наш естественный спутник появился каким-то совсем другим путём. Скорее всего, речь идёт о грандиозном столкновении с крупным небесным телом или о гравитационном захвате уже готовой планеты. Более того, та же логика объясняет, почему у так называемых горячих юпитеров — газовых гигантов, расположенных вплотную к своим звёздам, — спутников практически не встречается: близость к светилу лишает их возможности удержать вокруг себя строительный материал.

Отдельно авторы сравнили свои модельные спутники Юпитера с реально наблюдаемыми. Выяснилось, что настоящие ретроградные луны газового гиганта — те, что движутся в обратном направлении относительно вращения планеты, — заметно отличаются от смоделированных по вытянутости орбит и удалённости. Это говорит о том, что в реальной истории Юпитера, вероятно, случались столкновения спутников друг с другом, приводившие к их разрушению. Следы таких катастроф — например, семейства лун со схожими орбитами — астрономы действительно наблюдают. Не исключено и участие в этом процессе межзвёздных объектов: к 2025 году известно уже три таких гостя, промчавшихся через Солнечную систему по гиперболическим орбитам.

Работа интересна не только академически. Понимание того, как планеты обзаводятся спутниками, напрямую связано с поиском жизни за пределами Солнечной системы: крупная луна способна стабилизировать климат планеты и влиять на приливы, а значит, и на условия для возникновения живых организмов. Кроме того, исследование показывает, что деление планет на гиганты и планеты земной группы имеет глубокий физический смысл — оно определяется не только размерами и составом, но и самой способностью этих миров перестраивать пространство вокруг себя.

Результаты работы опубликованы в журнале «Научные труды Института астрономии РАН.

Изображение на обложке: разработано Magnific