Согласно недавнему научному исследованию, столкновение гигантских планет приводит к испарению их вещества, препятствуя образованию спутников, подобных земной Луне, что ранее предполагалось для гипотетической планеты Тейя. В результате, обитаемые спутники и «лунный защитный эффект» для земной жизни на суперземельях невозможны. Таким образом, такая картина событий реалистична только для небольших планет, подобных Земле. Тем не менее, некоторые ученые отстаивают противоположную точку зрения, утверждая, что планеты типа Тейя не существовали, и суперземли вполне способны формировать крупные спутники. Кто же прав?
Тридцать лет назад многие астрономы пришли к выводу, спутник, вращающийся вокруг нашей планеты, является не только самым распространенным источником ночного освещения, но и играет гораздо более значимую роль. Так, земной Луне приписывают важную функцию – стабилизацию угла наклона оси вращения Земли. От этого угла зависит разница между летними и зимними температурами, и значение этой стабилизации трудно переоценить.
Без Луны гравитационное влияние Юпитера привело бы к значительным изменениям наклона земной оси – от 0 до 85 градусов, в отличие от нынешних устойчильных 22,5 градуса. В таком случае, Земля либо потеряла бы сезонные изменения, либо наклонилась бы набок, что вызвало бы существенные летне-зимние колебания даже вблизи экватора, а в более высоких широтах произошли бы непредсказуемые изменения. Земная ось, безусловно, испытывала бы колебания далеко не мгновенно, но в любом случае развитие биосферы при этом протекало бы иным образом, отличным от того, как оно происходило в реальной истории нашей планеты.
Это указывает на то, что обитаемость экзопланет в других планетных системах может зависеть от того, есть у них крупные спутники или нет. Особенно учитывая, что большинство планетных систем во Вселенной, вероятно, вращаются вокруг красных карликов. В таких системах расстояния между планетами часто значительно меньше, чем в системах с более яркими звездами. Кроме того, крупные планеты-«соседи» могут вызывать значительные колебания наклона оси вращения. Какова же ситуация с лунами у планет, обращающихся вокруг других звезд?
Без Тейи устойчивый климат невозможен?
Для выяснения этого вопроса, японские и американские астрономы провели расчеты, оценивающие вероятность формирования экзолун – спутников экзопланет – вокруг наиболее часто встречающихся объектов планетарного типа. Особый интерес представляли суперземли – планеты, по размерам и массе превосходящие Землю, но уступающие газовым гигантам. В настоящее время большая часть твердых планет, обнаруженных за пределами Солнечной системы, как раз и являются суперземлями, и именно они на данный момент являются наиболее перспективными кандидатами в обитаемые тела.
Увы, выводы, изложенные в работе, которая опубликована в Nature Communications, неутешительны. Авторы исходят из гипотезы Тейи, согласно этой теории, Луна образовалась из обломочного диска, содержащего некоторое количество паров. В случае столкновения двух массивных планет, эти пары будут в основном состоять из испаренных силикатов (и других твердых пород).
Считается, что подобный диск образовался в результате столкновения гипотетической планеты Тейя и Земли. При этом, чем больше масса сталкивающихся планет, тем больше испаряющихся веществ будет в диске и тем меньше фрагментов магмы (жидких или, впоследствии, затвердевших). Увеличение количества пара в диске усиливает торможение, оказываемое им на жидкие и твердые частицы.
В связи с этим, фрагменты обломочного диска, образовавшиеся в результате мощного мегаимпакта, будут быстро замедляться. И упадут обратно на планету, подобно 40 спутникам Starlink, недавно заторможенные земной атмосферой из-за геомагнитной бури.
Согласно расчетам, представленным в работе, на суперземель с массой, равной или превышающей шесть земных масс, доля испаренных веществ в общей массе протолунного диска должна составлять более 96%. По сути, это будет практически чистый пар, который оперативно рассеется в космосе, не позволив сформироваться массивной Луне.
Согласно расчетам ученых, для планет диаметром не более 1,3 земного возможен благоприятный сценарий формирования крупных лун, что, в свою очередь, способствует стабилизации оси вращения. Это значительно сужает вероятность обнаружения экзолун и может негативно сказаться на климатической стабильности крупных экзопланет.
«…Или нет»
Как уже не раз писал Naked Science (например, вот тут и тут), у гипотезы Тейи существуют серьезные проблемы, которые сложно разрешить. Кстати, сами авторы новой работы также упоминают их Nature Comminications.
Согласно их заявлению, если Тейя была небольшим по размеру объектом, сопоставимым с Марсом, то соотношение изотопов различных элементов на Луне и Земле должно отличаться. Это объясняется тем, что вещество обеих планет не смогло бы достаточно эффективно перемешаться: энергия столкновения оказалась бы недостаточной для полного «распыления» в облако, необходимое для последующего перемешивания и «конденсации» в виде Земли и Луны.
Если Тейя была сопоставима по размеру с прото-Землей, то возникла бы типичная ситуация: при извлечении верхней части тела, нижняя осталась бы запутавшейся. Безусловно, энергия подобного столкновения значительно превысила бы энергию варианта с меньшей Тейей. Однако угловой момент системы Земля — Луна оказался бы существенно выше современного. Это привело бы к иному вращению планет.
В связи с этим авторы новой работы лишь вскользь затрагивают 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). Поскольку она — западный ученый, ей, разумеется, сложно узнать о публикациях в русскоязычных научных журналах, поскольку далеко не все ученые читают бюллетени и на английском языке).
Фактически, ситуация сложилась иначе: об этом она узнала уже после выхода её работы в 2017 году. Информация поступила в письме от автора российской статьи, который спросил, почему в своей работе не было упомянуто о публикации гипотезы мультиимпакта на десять лет ранее. Однако мы не получили ответа, и особо на это не рассчитывали.
Гипотеза мультиимпакта предполагает, что столкновения планет не происходили. Вместо этого, крупные астероиды, достигавшие Земли, выбрасывали с ее поверхности значительные фрагменты, формируя разряженное обломочный диск. Эти обломки впоследствии сталкивались, замедляя друг друга и постепенно аккрецируя в более крупные тела. В конечном итоге образовалось единственное массивное тело, поглотившее все предыдущие — Луна. На представленном ниже видео показана упрощенная модель этого процесса (в действительности столкновений было гораздо больше, а тела, падавшие на Землю, в среднем были меньше):
Японско-американская группа ученых, разрабатывая модель формирования экзолун, не учитывала гипотезу об их образовании в результате мультиимпактных процессов, несмотря на упоминание Руфу.
Почему? Наиболее распространенный ответ заключается в том, что они воспринимают гипотезу Тейи как общепринятую и поэтому открыто 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.
Гипотеза Тейи получила признание в США достаточно давно. Николай Горькавый, директор Гринвичского научно-технологического института (США) и автор мультиимпактной гипотезы, заявил прямо говорит об этом:
«В Соединенных Штатах теория «мегаимпакта» вызывала национальную гордость и служила основополагающей парадигмой для многих ученых. Критиковать эту работу с позиций альтернативной теории было бы немыслимо, и автор подобной теории столкнулся бы с исключением из научного сообщества. Я говорю это серьезно: мой соавтор, известный американский ученый, предостерег меня с пониманием, что критика популярной концепции «мегаимпакта» может уничтожить любую научную репутацию».
Мы находимся не в США, поэтому имеем возможность поднять вопрос, который не поставила перед собой японо-американская команда: возникнут ли крупные экзолуны, если мультиимпакт является основным механизмом их формирования. Особенно учитывая, что авторы исследования предоставили оценку доли водяного пара в протолунном диске при мультиимпактном, «астероидном» сценарии его создания. Согласно расчетам, доля испаренных веществ в нем составит всего 10-50.
Это указывает на возможность формирования значительных по размеру спутников. По мнению исследователей, этому особенно благоприятствуют условия, при которых масса пары в диске не превышает 30%. На наш запрос исследователи пока не предоставили ответ, поэтому мы обратились за разъяснениями к Николаю Горькавому, автору мультиимпактной теории.
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 представить этот сценарий, используя терминологию, применяемую при запуске искусственных спутников: если столкновение крупного астероида с поверхностью Земли выступает в качестве «первой ступени ракеты», выбрасывающей фрагменты мантии в космос, то околопланетный диск функционирует как «вторая ступень», которая, взаимодействуя с этими фрагментами [передавая им энергию при попутных столкновениях], обеспечивает их выход на устойчивую орбиту вокруг Земли и дальнейшее увеличение диска вокруг планеты. Естественно, в случае множественных столкновений исключается глобальный катастрофический удар, приводящий к полному испарению, а также формирование газового кольца, поэтому все выводы обсуждаемой работы представляются недостаточно обоснованными».
При столкновении с телом диаметром 10-100 километров, энергия окажется недостаточной для выброса в космос значительного количества паров силикатов и других твердых веществ. Отсутствие паров исключает торможение обломков и препятствует формированию крупного спутника.
Каким образом организована ситуация с экзопланетами в других звездных системах
По мнению Горькавого, исследования мультиимпактных моделей для других планетных систем проводились крайне редко: в настоящее время в качестве основного используется мегаимпактная модель, которая, однако, не позволяет последовательно и достоверно отразить действительность.
По мнению ученых, мультиимпактная теория позволяет сделать некоторые общие выводы об экзолунах: вероятность формирования спутников, сопоставимых по размеру с Луной, вблизи экзопланет с твердой поверхностью, вероятно, не отличается от ситуации в Солнечной системе».
В системах красных карликов, которые составляют три четверти всех звезд во Вселенной, расстояния между планетами, как показывают наблюдения астрономов, обычно значительно меньше, чем в Солнечной системе. В связи с этим возникает вопрос о том, не препятствует ли гравитационное воздействие расположенных поблизости планет формированию крупных лун у суперземель?
Горькавый объясняет это следующим образом: обилие планет в системе не препятствует формированию крупных экзолун. Спутники, подобные Луне, возникают глубоко в потенциальной яме, они располагаются на значительном удалении, буквально на расстоянии нескольких планетных радиусов от планеты, что делает их орбиты чрезвычайно устойчивыми к внешним гравитационным воздействиям.
В настоящее время расстояние до нашей Луны значительно больше, чем в момент ее образования. Подобная же тенденция может наблюдаться и с лунами, вращающимися вокруг планет красных карликов, которые со временем могут удаляться от своей планеты».
Ученый продолжает: «Этот процесс протекает медленно и не всегда происходит, так как он связан с вращением основной планеты. Однако, наличие планет-гигантов в системе может оказаться неблагоприятным фактором: они вызывают значительные возмущения, приводят к повышенной потере массы и другим негативным последствиям. Юпитер, к примеру, существенно сократил массы спутников Марса, а сам Марс испытал заметное уменьшение из-за его гравитационного воздействия».
Отсутствие в системе, подобной Проксиме Центавра, планет-гигантов, оказывающих негативное воздействие на формирование спутников у небольших планет, может быть преимуществом, по имеющимся на текущий момент данным».
Крупные луны — они повсюду?
Как уже писал Ранее астрономы полагали, что Луна является уникальным небесным телом: до 1970-х годов она считалась единственным известным спутником, значительно превосходящим планету-хозяина по размерам. Однако это представление изменилось: сначала был открыт Харон, крупный спутник Плутона. В 1990-х годах зафиксировали спутники у астероидов — и, как показывает современный опыт, их существует в изобилии. Встречаются случаи, когда у астероида обнаруживается несколько спутников, сопоставимых с ним по размерам.
Если сравнительно крупный спутник формируется в результате множественных столкновений «родительского тела» с астероидами, то это указывает на то, что такое образование – распространенный и повторяющийся процесс.
Исследование, проведенное японскими и американскими астрономами, выявило ключевое различие между мультиимпактной теорией и гипотезой Тейи: последняя предполагает небольшое количество экзолун, так как их формирование в результате гигантских столкновений крупных планет представляется маловероятным. Огромное количество высвобождаемой энергии приведет к тому, что большая ее часть будет рассеяна, препятствуя образованию крупных спутников.
Это указывает на то, что с обнаружением экзолун у суперземель, что вероятно произойдет в будущем благодаря наблюдениям, проводимым телескопом «Джеймс Уэбб», мультиимпактная теория формирования Земли и Луны получит дополнительное подтверждение.