Открытие крупных экзолун способно уничтожить гипотезу Тейи

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,

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 диск 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). 

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.