Американо-швейцарская научная группа, в которую вошли сотрудники Колорадского университета в Боулдере и Цюрихского университета, рассчитала вероятность появления массивных спутников вроде Луны у экзопланет, аналогичных Земле.
Данные о частоте образования крупных лун помогают с большей точностью оценивать шансы на зарождение внеземной жизни. Конечно, пригодной для эволюции жизни можно было бы называть любую планету, которая вращается в обитаемой зоне своей звезды и поддерживает воду в жидком состоянии на поверхности, обеспечивая благоприятный температурный режим, но в таком определении не учитываются требования к климату: он должен быть достаточно стабильным на длительных (превышающих один миллиард лет) временных промежутках. Характеристики глобального климата во многом зависят от распределения энергии излучения звезды, которое падает на планету, по поверхности, а оно, в свою очередь, связано с тем, как ось вращения планеты расположена относительно нормали, проведённой к её орбите. Если угол между осью и нормалью близок к 0˚, температура на полюсах становится чрезвычайно низкой, а с увеличением угла холода приходят в экваториальную область.
На ориентацию оси вращения Земли и других планет земной группы, находящихся в Солнечной системе, влияют спутники. Сейчас наклон оси Земли, к примеру, изменяется на ±1,3˚ с периодом в 41 000 лет и центральным значением в 23,3˚, а при отсутствии Луны он совершал бы хаотические и более выраженные колебания. У Марса, лишённого массивных лун, наклон изменяется уже на ±10˚ с периодом в несколько сотен тысяч лет; на бóльших временных интервалах — в последние 50 млн лет — он и вовсе принимал значения от ~0˚ до 60˚.
Столкновение, инициирующее появление спутника (иллюстрация Michael Elser, University of Zurich).
Появление Луны, напомним, принято считать следствием столкновения Протоземли и объекта, по размерам сходного с Марсом. Сначала Луна находилась на небольшом расстоянии от Земли, но затем начала отходить на свои нынешние позиции.
Авторы новой работы попытались отследить аналогичные столкновения, приводящие к образованию массивного спутника, при моделировании формирования планет. В «стандартной» схеме формирования, применимой в случае Земли и других каменистых планет, рост начинается с гравитационных взаимодействий и столкновений относительно небольших объектов, которые постепенно набирают массу и скапливаются в диске планетезималей. В дальнейшем эти крупные протопланеты сталкиваются и объединяются друг с другом, в результате чего и зарождаются планеты.
Столкновения, происходящие на последней стадии процесса, могут разогревать значительную часть объёма протопланет до нескольких тысяч кельвинов и отправлять расплав на орбиту, после чего будущая планета приобретает опоясывающий её диск с выброшенным веществом. При остывании и отвердевании последнего образуется спутник.
Мощное столкновение, которое инициировало формирование крупной Луны, имело совершенно особые характеристики. Чтобы выделить похожие события, астрофизики оценивали модельные столкновения по отношению массы налетающего объекта к общей массе тел, участвующих в столкновении, скорости налетающего объекта, общему угловому моменту и параметру соударения, определяющему тип столкновения (прямое или скользящее). Все эти параметры рассчитывались для соударений в 64 различных вариантах модели, имеющих разные начальные условия (исходная масса диска планетезималей, скажем, могла составлять либо пять, либо десять земных, а его поверхностная плотность зависела от радиуса, взятого в степени –1 или –2).
Результаты моделирования: примеры цепочек объединений, формирующих планеты массой в 1,1 (слева) и 0,7 земной. Каждому изгибу «ветвей» соответствует столкновение двух тел, масса которых кодируется толщиной линий. Длительность временного интервала, разделяющего соударения, пропорциональна длине отрезков. Красным выделена та «ветвь» столкновений, которая приводит к появлению спутника. (Иллюстрация из журнала Icarus.)
Проведя моделирование 64 раза, учёные отметили 88 столкновений, приводящих к образованию спутников. Поскольку в каждом смоделированном случае появлялось в среднем по три планеты с разными массами и орбитальными характеристиками, общее их число можно оценить в 180. Следовательно, каждая вторая получала в своё распоряжение луну, стабилизирующую наклон оси вращения относительно нормали к орбите.
Если рассматривать только те модельные планеты, масса которых превышает половину земной, и спутники, по массе не уступающие Луне более чем в два раза, отбор пройдут только 15 столкновений; отсюда можно сделать вывод о том, что массивная луна достаётся 8,3% планет земной группы, или каждой двенадцатой. Эта оценка, разумеется, не слишком точна и может варьироваться в диапазоне от 2,2% до 25%. Снизить погрешность авторы надеются в будущих, более сложных расчётах.
Результаты 88 упомянутых выше столкновений. Расчётные параметры планет и спутников указаны в единицах земной массы. Кружком обозначена система «Земля — Луна». (Иллюстрация из журнала Icarus.)
Полная версия отчета опубликована в журнале Icarus; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.
Подготовлено по материалам Цюрихского университета.
