От того, могут ли образовываться крупные экзолуны у суперземель в конечном счете зависит стабильность климата на них. А значит, и обитаемость? / ©Wikimedia Commons

Новая научная работа показала, что при столкновении гигантских планет их вещество испаряется и не может образовать спутник типа земной Луны, как это когда-то сделала гипотетическая планета Тейя. В таком случае ни обитаемые спутники, ни даже «лунный защитный эффект для земной жизни» для суперземель невозможны. Получается, все это реально только для небольших планет вроде нашей Земли. Однако часть ученых придерживаются прямо противоположной точки зрения: никакой Тейи не было, а суперземли вполне способны образовать крупные спутники. Кто прав?

Тридцать лет назад многие астрономы пришли к выводу, что спутник в небе нашей планеты — не просто самый массовый источник серьезного ночного освещения, но нечто намного большее. Например, земной Луне приписывают такую важную роль, как стабилизация наклона оси вращения Земли. От него зависит, в частности, насколько летние температуры отличаются от зимних, и важность стабилизации этого наклона трудно переоценить.

Если бы Луны не было, гравитационное воздействие Юпитера изменяло бы наклон земной оси в широком диапазоне — от нуля до 85 градусов вместо нынешних стабильных 22,5 градуса. Земля то лишалась бы смены сезонов, то «ложилась на бок», из-за чего серьезные летне-зимние колебания начались бы даже на экваторе, а в высоких широтах вовсе творилось бы неизвестно что. Конечно, «земная ось» колебалась бы далеко не мгновенно, но в любом случае развитие биосферы при этом шло бы не так, как в реальной истории нашей планеты.

Из этого вытекает вывод, что в других планетных системах обитаемость тех или иных экзопланет может быть связана с наличием — или отсутствием — у них крупных спутников. Тем более что три четверти планетных систем во Вселенной, скорее всего, расположены у красных карликов. А там расстояния между планетами зачастую намного меньше, чем в системах вокруг ярких звезд. И колебания наклона оси вращения под действием крупных «соседей» могут быть довольно динамичными. Так как же обстоит дело с лунами у планет вокруг других звезд?

Без Тейи устойчивый климат невозможен?

Чтобы прояснить вопрос, группа астрономов из Японии и США решила рассчитать, насколько реально образование экзолун — спутников экзопланет — вокруг наиболее распространенных типов небесных тел «планетного» калибра. В особенности их интересовали суперземли — «твердые» планеты по размерам и массе заметно больше Земли (но меньше газовых гигантов). На сегодня подавляющее большинство твердых планет вне Солнечной системы именно суперземли, и они же — пока самый массовый кандидат в обитаемые тела.

Увы, выводы, изложенные в работе, которая опубликована в Nature Communications, неутешительны. Авторы исходят из гипотезы Тейи, согласно которой Луна сформировалось из обломочного диска с некоторым количеством паров. Если речь идет о столкновении двух твердых планет, то пары там будут в основном испаренными силикатами (и другими твердыми породами).

Один из авторов работы Мики Накадзима (Miki Nakajima) / ©University of Rochester / J. Adam Fenster, Один из авторов работы Мики Накадзима (Miki Nakajima) / ©University of Rochester / J. Adam Fenster,

Подобный диск, как считается, возник и после столкновения гипотетической планеты Тейя и нашей Земли. Так вот: чем больше масса сталкивающихся планет, тем больше в этом диске будет испаренных веществ и тем меньше фрагментов магмы (жидких или — позднее — затвердевших). А чем больше в диске пара, тем сильнее торможение, которое он придает жидким и твердым частицам диска.

Поэтому такие куски обломочного диска после породившего его мегаимпакта (гигантского столкновения) будут быстро тормозиться. И упадут обратно на планету, примерно как 40 спутников Starlink, недавно заторможенных земной атмосферой по причине геомагнитной бури.

Для суперземель с массой в шесть земных и выше доля испаренных веществ в общей массе протолунного диска должна быть, по расчетам авторов работы, выше 96%. Фактически там будет почти один только пар, а тот быстро рассеивается в космос и не успеет образовать действительно массивную Луну.

По расчетам ученых, серьезные шансы на образование крупных лун — а значит, и на стабильную ось вращения — есть для планет диаметром не более 1,3 земного. Это серьезно ограничивает возможную встречаемость экзолун и потенциально плохо влияет на стабильность климата крупных экзопланет.

«…Или нет»

Как уже не раз писал Naked Science (например, вот тут и тут), у гипотезы Тейи есть серьезные, практически неразрешимые проблемы. Кстати, упоминают их и сами авторы новой работы в Nature Comminications.

Они честно пишут: если Тейя была небольшой, как Марс, то Луна и Земля по соотношению изотопов разных элементов должны быть разными. Поскольку вещество обеих планет не смогло бы эффективно смешаться: энергия столкновения была бы недостаточной для их полного «распыления» в облако с последующим перемешиванием и «конденсацией» уже в виде Земли и Луны.

Система спутников у гигантской экзопланеты в представлении художника / ©Wikimedia Commons

Если же размер Тейи был примерно как у прото-Земли, получается классическое «голову вытащили — хвост увяз». Действительно, у такого столкновения энергия намного выше, чем в варианте с малой Тейей. Но вот угловой момент в системе Земля — Луна получился бы намного выше, чем тот, который мы видим сейчас. Ведь они бы тогда вращались совсем с другими скоростями.

В связи с этим авторы новой работы осторожно упоминают мультиимпактную теорию, выдвинутую в 2017 году израильской исследовательницей Ралукой Руфу. Правда, Руфу выдвинула эту гипотезу на десять лет позже ее публикации российским ученым Николаем Горькавым (в «Известиях Крымской астрофизической обсерватории», еще в 2007 году). И на 13 лет позже публикации основ гипотезы в англоязычном мире (в Bulletin of the American Astronomical Society). Но поскольку она западный ученый, узнать о публикации в русскоязычном научном журнале ей, конечно, неоткуда (бюллетени же и на английском читают далеко не все ученые).

Точнее, не совсем так: уже после публикации своей работы в 2017 году она об этом узнала из письма автора российской статьи, в котором был вопрос, почему в своей работе она не упоминает, что гипотеза мультиимпакта была опубликована на десяток лет раньше. Однако ответа мы не получили, да особо и не ожидали.

Суть гипотезы мультиимпакта проста: никакого столкновения планет не было. Крупные астероиды, падавшие на Землю, выбивали из ее поверхности крупные обломки, которые образовывали разреженный обломочный диск. Затем эти обломки соударялись, тормозя друг друга и постепенно образовывая все более крупные тела. В конце концов осталось одно-единственное тело, вобравшее их всех, — Луна. На видео ниже показана упрощенная картина такого процессе (в реальности столкновений было значительно больше, а тела, падавшие на Землю, в среднем были значительно меньше):

ВИДЕО

Но вернемся к японо-американской группе ученых с их моделью образования экзолун. Упомянув Руфу, они тем не менее не рассматривали вариант с образованием экзолун по мультиимпактному сценарию.

Почему? Наиболее вероятный ответ: они считают гипотезу Тейи «канонической» и так прямо и называют ее в тексте своей работы. Когда у вас есть «канонические» гипотезы, легко понять, почему вы не рассматриваете «неканонические». «Каноническим» бывает, например, текст Библии — много ли вы видели попыток его ревизии? Правда, в теории наука — не совсем про «каноническое»: она требует периодического обновления теорий.

А канонический статус гипотеза Тейи получила в США довольно давно. Автор мультиимпактной гипотезы Николай Горькавый, директор Гринвичского научно-технологического института (США), прямо говорит об этом:

«Ведь в США теория «мегаимпакта» была предметом национальной гордости, парадигмой, в рамках которой работали множество ученых. Поставить их работу под сомнение какой-то другой теории никто бы не дал. И создатель такой теории был бы изгнан из науки. Я не шучу: в свое время мой соавтор, знаменитый американский академик, прямо и сочувственно предупредил меня, что выступление против популярного мегаимпакта разрушит любую научную репутацию».

Однако мы живем не в США, поэтому можем сделать то, что японо-американская команда не сделала: задаться вопросом, будут ли возникать крупные экзолуны, если в реальности такие тела формируются именно мультиимпактом. Тем более что авторы работы любезно оценили, какой будет доля пара в протолунном диске в случае мультиимпактного, «астероидного» сценария ее образования. Расчеты показывают, что лишь на 10-50% он будет состоять из испаренных веществ.

Это означает возможность образования довольно крупных спутников — согласно исследователям, этому особенно способствуют ситуации, когда пара в диске по массе не более 30%. К сожалению, на наш запрос исследователи пока не ответили, поэтому мы обратились за комментариями к автору мультиимпактной теории Николаю Горькавому.

Примерная последовательность образования Луны в рамках мультиимипактной модели / ©wis-wander.weizmann.ac.il/

На вопрос Naked Science он ответил вот что: «Это моделирование исходит из морально устаревшей, с моей точки зрения, мегаимпактной модели и концепции Тейи. Как уже показано в ряде работ российских и израильских ученых, более правдоподобна мультиимпактная теория образования Луны, которая применима и для всех спутников астероидов, Марса, Плутона и транснептунов. В мультиимпактной теории перенос вещества из мантии планеты в протоспутниковый диск идет гораздо более умеренными ударами и сравнительно небольшими порциями, при этом существование околопланетного диска играет важную роль.

Можно этот сценарий описать ракетным языком, по аналогии с запуском искусственных спутников: если удар крупного астероида о поверхность Земли служит «первой ступенью ракеты», который выбрасывает куски мантии в космос, то околопланетный диск служит «второй ступенью», которая, взаимодействуя с этими кусками [передавая им энергию при попутных сооударениях], обеспечивает их выход на стабильную орбиту вокруг Земли и дальнейший рост диска вокруг планеты. Естественно, при мультиимпактном сценарии нет речи ни о глобальном катастрофическом ударе, который все испаряет, ни о формировании газового кольца, поэтому все выводы обсуждаемой работы повисают в воздухе».

Действительно: если обломки выбрасываются на орбиту в результате падения тела диаметром в 10-100 километров, энергия столкновения будет просто недостаточной, чтобы выбросить в космос заметное количество паров силикатов (да и других твердых соединений). Нет паров — нет торможения ими обломков, как и факторов, мешающих образоваться крупному спутнику.

Как на самом деле обстоит дело с экзолунами в других планетных системах

Горькавый также отмечает, что пока над мультиимпактными моделями для других планетных систем практически никто не работал: доминирует «каноническая», хотя и неспособная непротиворечиво описать реальность мегаимпактная модель.

Однако некоторые общие соображения об экзолунах мультиимпактная теория дает уже сейчас: «Полагаю, вероятность появления спутников размером с Луну возле экзопланет с твердой поверхностью остается примерно такой же, как в Солнечной системе».

Для формирования спутников у планет земного типа большую угрозу могут представлять близкие планеты-гиганты. Например, Юпитер в Солнечной системе не только лишил Марс крупных спутников, но еще и сделал его в десять раз легче Земли. Без этого фактора четвертая планета нашей системы вполне могла бы сохранить водоемы на поверхности и быть обитаемой на земном уровне / ©FL

В системах красных карликов — а это три четверти всех звезд Вселенной — расстояния между планетами, исходя из наблюдений астрономов, часто намного меньше, чем в Солнечной системе. Поэтому возникает вопрос: не мешает ли гравитация других планет поблизости образованию крупных лун у суперземель?

Горькавый комментирует это так: большое количество планет в системе — вовсе не проблема для образования крупных экзолун. Ведь спутники типа Луны формируются глубоко в потенциальной яме, буквально на расстоянии нескольких планетных радиусов от самой планеты, поэтому их орбиты крайне трудно дестабилизировать внешними гравитационными воздействиями.

Сейчас наша Луна, например, намного дальше от Земли, чем была в начале своего формирования. Аналогичным образом и луны у планет красных карликов со временем могут отодвигаться от планеты-хозяина».

Но ученый продолжает: «Это процесс очень небыстрый и необязательный, он зависит от вращения основной планеты. А вот наличие планет-гигантов в системе может быть минусом: они вызывают много возмущений, повышенную потерю массы и так далее. Юпитер, например, здорово уменьшил массы спутников Марса, да и сам Марс изрядно «обгрыз».

В этом смысле плюсом для систем вроде Проксимы Центавра может быть отсутствие в системе [насколько известно на сегодня] планеты-гиганта, которая отрицательно влияет на рост спутников у более мелких планет».

Крупные луны — они повсюду?

Как уже писал Naked Science, раньше астрономы считали, что Луна уникальна: до 1970-х она была единственным известным примером спутника, настолько крупного в сравнении с его планетой-хозяином. Но затем ситуация изменилась: сначала открыли Харон, крупный спутник Плутона. В девяностые были зафиксированы и спутники у астероидов — и, как мы знаем сегодня, их множество. Причем есть ситуации, когда у астероида больше одного спутника, сравнимого с ним по размерам.

На самих гигантских планетах мультиимпактный сценарий напрямую не работает: обломки от столкновений не могут покинуть такое место из-за его огромного тяготения. Однако из-за гигантской массы планеты-хозяина даже спутники, небольшие относительно планеты-гиганта, потенциально вполне могут быть крупными. И не исключено, что даже обитаемыми? / ©Wikimedia Commons

Все это достаточно логично: если сравнительно крупный спутник образуется мультиимпактно, то есть за счет регулярных столкновений его «родительского тела» с астероидами, то это должно быть массовое и регулярное явление. Работа японских и американских астрономов высветила новое важное отличие мультиимпактной теории от гипотезы Тейи: последняя, по сути, предсказывает малое число экзолун, поскольку получить их в процессе гигантских столкновений крупных планет будет практически нереально. Слишком много энергии, слишком много пара «уйдет в свисток», а точнее — заблокирует рост крупных спутников. Все это означает, что по мере неизбежного открытия экзолун у суперземель — в том числе благодаря наблюдениям «Джеймса Уэбба» — мультиимпактная теория образования земной Луны приобретет еще одно хорошее наблюдательное подтверждение.

источник