Существуют ли бинарные планеты земной группы?

Возможность существования похожих на Землю бинарных планет была описана Американским астрономическим сообществом во время встречи в Тусоне, штат Аризона. Два тела, масса каждого из которых похожа на земную, могут образовывать тесную орбитальную пару при определенных условиях во время образования планетарной системы. Это теоретическое предположение вовсе не похоже на систему Земля-Луна или Плутон-Харон, когда два тела различны по массе, и возникает при некоторых условиях «поцелуя», когда два тела с похожей массой встречают друг друга и становятся связанной системой из-за потери энергий.

Такая бинарная система может сохраняться миллиарды лет при условии, что сформировалась достаточно далеко от центральной звезды, примерно в половину а. е. (расстояние от Земли до Солнца) или дальше.

Работа была представлена Киганом Райаном и Дэвидом Стивенсоном из Калифорнийского технологического института в Пасадене. Результаты не противоречат действующим критериям существования планет, вращающихся вокруг звезд, однако предполагают, что в будущем данные могут раскрыть такие системы. Это первое исследование, посвященное возможному существованию бинарных планет земного типа.

В процессе формирования землеподобных планет, крупные каменистые тела, вращающиеся вокруг звезды, иногда могут оказаться достаточно близко, чтобы взаимодействовать друг с другом. Если два тела сталкиваются в лобовую или под углом, это взаимодействие, как правило, приводит к аккреции, когда два тела, сливаясь, образуют большое, иногда с диском пыли и обломков, из которого может образоваться луна. Так образовалась земная Луна и, возможно, луна Плутона — Харон. Если два тела сталкиваются по касательной, но на высокой скорости, они отталкиваются друг от друга, не образуя связанную пару.

Представленное исследование рассматривает усредненный вариант двух сценариев — когда взаимодействие приводит к тому, что два крупных тела не сливаются, а остаются в ловушке на орбите. Такая конфигурация — бинарная планетарная система земного типа — обязательно должна прийти к состоянию, когда два тела будут приливно заблокированы (орбитальный период будет равен длине суток на каждой планете). Центр двух планет будет примерно в трех радиусах планет. Примерно так:

Есть веская причина полагать, что бинарные планеты земного типа могут быть возможны. При столкновении по касательной угловой момент слишком высок, чтобы его выдержало одно вращающееся тело (тогда оно разделится), и если тела едва коснутся друг друга, они могут сохранить свою идентичность. Тем не менее такой сценарий подразумевает, что тела изначально приближаются друг к другу с достаточно небольшой скоростью.

Чтобы проверить эту возможность, была использована техника имитационного моделирования под названием «гидродинамика сглаженных частиц» (SPH). SPH представляет тело как коллекцию десятков или сотен частиц и используется для изучения протопланетарных столкновений, в том числе и проверки ударной гипотезы образования Луны.

С помощью SPH были смоделированы столкновения между двумя каменистыми телами размером с Землю, рассматривались разные ударные скорости и другие параметры столкновения. В случаях, когда тела претерпевали серьезное столкновение, ученые приходили к предыдущим результатам, в которых не образовывалась бинарная система, но возникала луна. Однако в случае взаимодействий, когда тела были достаточно близко, чтобы испытать большое приливное искажение, были найдены условия, которые приводили к появлению бинарной системы планет.

Несмотря на специализированное компьютерное оборудование, которое использовалось для ускорения вычислений, каждое моделирование занимало примерно неделю. Большая часть этого времени тратилась на моделирование сближения двух тел. Однако этот вопрос можно было решить аналитически, и поэтому ученые ввели новый метод в код SPH, который динамически переключался между методами моделирования, сокращая время до одного дня. В конечном итоге ученым удалось определить критерии, при которых планеты образовывали бы бинарную систему.

Бинарные астероиды хорошо известны; известны также системы, образующие нечто вроде «гантель» или других форм. Бинарные звезды тоже хорошо известны. Однако двойные (бинарные) планеты с участием крупных тел встречались только в научной фантастике. Возможно, новое исследование поможет астрономам определить их в реально существующем космосе.