В чем сила приливов Луны

01.11.2017 20:05

В Солнечной системе есть Солнце — в центре — много планет, астероидов, объекты пояса Койпера и спутники, они же луны. Хотя у большинства планет есть спутники, а у некоторых объектов пояса Койпера и даже астероидов тоже есть собственные спутники, известных «спутников спутников» среди них нет. То ли нам не повезло, то ли фундаментальные и крайне важные правила астрофизики усложняют их образование и существование.

Когда все, что вам нужно иметь в виду, это один массивный объект в пространстве, все кажется довольно простым. Гравитация будет единственной рабочей силой, и вы сможете разместить любой объект на стабильной эллиптической или круговой орбите вокруг него. По такому сценарию, вроде бы, он будет находиться на своей позиции вечно. Но здесь в игру вступают прочие факторы:

* у объекта может быть в некоем роде атмосфера или диффузное «гало» частиц вокруг;
* объект не обязательно будет стационарным, а будет вращаться — вероятно, быстро — вокруг оси;
* этот объект не обязательно будет изолирован, как вы думали изначально.

Приливных сил, которые действуют на спутник Сатурна Энцелад, достаточно, чтобы вытягивать его ледяную корку и нагревать недра, так что подповерхностный океан извергается на сотни километров в космос

Первый фактор, атмосфера, имеет смысл только в самом крайнем случае. Обычно объекту, который вращается вокруг массивного и твердого мира без атмосферы, будет достаточно избегать поверхности этого объекты, и он будет держаться рядом бесконечно долго. Но если прирастить атмосферу, даже невероятно диффузную, любому телу на орбите придется иметь дело с атомами и частицами, окружающими центральную массу.

Несмотря на то, что мы обычно считаем, что у нашей атмосферы есть «конец» и на определенной высоте начинается космос, реальность такова, что атмосфера просто истощается, когда вы поднимаетесь все выше и выше. Атмосфера Земли простирается на много сотен километров; даже Международная космическая станция сойдет с орбиты и сгорит, если мы не будем ее постоянно подгонять. По меркам Солнечной системы, тело на орбите должно находиться на определенном расстоянии от какой бы то ни было массы, чтобы оставаться в «безопасности».

Будь то искусственный спутник или естественный, не имеет большого значения; если он будет находиться на орбите мира с существенной атмосферой, он сойдет с орбиты и упадет на ближайший мир. Все спутники на низкой околоземной орбите так сделают, как и спутник Марса Фобос

Кроме того, объект может вращаться. Это касается как большой массы, так и меньшей, вращающейся вокруг первой. Существует «стабильная» точка, в которой обе массы приливно заблокированы (то есть всегда обращены друг к другу одной стороной), но при любой другой конфигурации возникнет «крутящий момент». Это кручение либо закрутит обе массы по спирали внутрь (если вращение медленное) либо наружу (если вращение быстрое). В других мирах большинство спутников не рождаются в идеальных условиях. Но есть еще один фактор, который нам нужно учитывать, прежде чем с головой нырнуть в проблему «спутника спутников».

Модель системы Плутон — Харон демонстрирует две главных массы, вращающиеся одна вокруг другой. Облет «Новых горизонтов» показал, что у Плутона или Харона нет внутренних спутников относительно их взаимных орбит

Тот факт, что объект не изолирован, имеет большое значение. Гораздо проще удержать объект на орбите возле единой массы — вроде луны возле планеты, небольшого астероида возле большого или Харона возле Плутона — чем удержать объект на орбите возле массы, которая сама вращается вокруг другой массы. Это важный фактор, и мы о нем мало задумываемся. Но давайте на секунду рассмотрим его с перспективы нашей самой близкой к Солнцу, безлунной планеты Меркурий.

Меркурий вращается вокруг нашего Солнца относительно быстро, и поэтому гравитационные и приливные силы, действующие на него, очень велики. Если бы что-то еще вращалось вокруг Меркурия, было бы гораздо больше дополнительных факторов.

1. «Ветер» от Солнца (поток исходящих частиц) врезался бы в Меркурий и объект возле него, сбивая их с орбиты.
2. Тепло, которым Солнце одаривает поверхность Меркурия, может приводить к расширению атмосферы Меркурия. Несмотря на то, что Меркурий безвоздушный, частицы на поверхности нагреваются и выбрасываются в космос, создавая хоть и слабую, но атмосферу.
3. Наконец, есть третья масса, которая хочет привести к окончательной приливной блокировке: не только между малой массой и Меркурием, но и между Меркурием и Солнцем.

Следовательно, для любого спутника Меркурия существует два предельных местоположения.

Каждая планета, которая вращается вокруг звезды, будет наиболее стабильной, когда приливно с ней заблокирована: когда ее орбитальный и вращательный периоды совпадают. Если добавить еще один объект на орбиту к планете, ее самая стабильная орбита будет взаимно приливно заблокирована с планетой и звездой вблизи точки L2

Если спутник будет слишком близко к Меркурию по ряду причин:

* вращается недостаточно быстро для своей дистанции;
* Меркурий вращается недостаточно быстро, чтобы быть приливно заблокированным с Солнцем;
* восприимчив к замедлению от солнечного ветра;
* будет подвержен существенному трению меркурианской атмосферы,

в конечном итоге он упадет на поверхность Меркурия.

Когда объект сталкивается с планетой, он может поднять обломки и привести к формированию лун неподалеку. Так появилась земная Луна и так же появились спутники Марса и Плутона

И напротив, он рискует быть выброшенным с орбиты Меркурия, если спутник будет слишком далеко и будут применимы другие соображения:

* спутник вращается слишком быстро для своей дистанции;
* Меркурий вращается слишком быстро, чтобы оказаться приливно заблокированным с Солнцем;
* солнечный ветер придает дополнительную скорость спутнику;
* помехи от других планет выталкивают спутник;
* нагрев Солнца придает дополнительную кинетическую энергию определенно маленькому спутнику.

С учетом всего сказанного, не стоит забывать, что у многих планет есть свои спутники. Хотя система из трех тел никогда не будет стабильной, если вы только не подгоните ее конфигурацию под идеальные критерии, мы будем стабильны в течение миллиардов лет при нужных условиях. Вот несколько условий, которые упростят задачу:

1. Взять планету/астероид так, чтобы основная масса системы была значительно удалена от Солнца, чтобы солнечный ветер, вспышки света и приливные силы Солнца были несущественными.
2. Чтобы спутник этой планеты/астероида был достаточно близок к основному телу, чтобы не сильно болтался гравитационно и не был случайно вытолкнут в процессе других гравитационных или механических взаимодействий.
3. Чтобы спутник этой планеты/астероида был достаточно удален от основного тела, чтобы приливные силы, трение или другие эффекты не привели к сближению и слиянию с родительским телом.

Как вы, возможно, догадались, существует «сладкое яблочко», в котором луна может существовать возле планеты: в несколько раз дальше радиуса планеты, но достаточно близко, чтобы орбитальный период был не слишком длинным и все еще значительно короче орбитального периода планеты относительно звезды. Итак, если взять все это вкупе, где же спутники спутников в нашей Солнечной системе?

У астероидов в основном поясе и троянцев возле Юпитера могут быть собственные спутники, но сами они не считают себя таковыми.

Самое близкое, что у нас есть, это троянские астероиды с собственными спутниками. Но поскольку они не являются «спутниками» Юпитера, это не совсем подходит. Что тогда?

Короткий ответ: вряд ли мы найдем что-то подобное, но надежда есть. Газовые гигантские миры относительно стабильны и достаточно удалены от Солнца. У них много спутников, многие из которых приливно заблокированы со своим родительским миром. Крупнейшие луны будут лучшими кандидатами для размещения спутников. Они должны быть:

* максимально массивны;
* относительно удалены от родительского тела для минимизации риска столкновения;
* не слишком удалены, чтобы не оказаться вытолкнутыми;
* и — это новое — хорошо отделены от других лун, колец или спутников, которые могут нарушить систему.

Какие же луны в нашей Солнечной системе лучше всего подходят, чтобы обзавестись собственными спутниками?

* Спутник Юпитера Каллисто: самый внешний из всех крупных спутников Юпитера. Каллисто, который находится на расстоянии 1 883 000 километров, также имеет радиус в 2410 километров. Вокруг Юпитера он проходит за 16,7 дня и имеет значительную скорость убегания в 2,44 км/с.
* Спутник Юпитера Ганимед: крупнейшая луна в Солнечной системе (2634 км радиусом). Ганимед весьма далек от Юпитера (1 070 000 километров), но недостаточно. У него самая высокая скорость убегания из всех спутников в Солнечной системе (2,74 км/с), но густонаселенная система гигантской планеты крайне усложняет процесс приобретения спутников спутниками Юпитера.
* Спутник Сатурна Япет: не особо большой (734 километра в радиусе), но достаточно удаленный от Сатурна — на 3 561 000 километров средней дистанции. Он хорошо отделен от колец Сатурна и от прочих крупных лун планеты. Проблема лишь в его малой массе и размерах: скорость убегания составляет всего 573 метра в секунду.
* Спутник Урана Титания: с радиусом в 788 километров, крупнейший спутник Урана находится в 436 000 километров от Урана и завершает орбиту за 8,7 дня.
* Спутник Урана Оберон: вторая по размерам (761 километр), но самая удаленная (584 000 километра) большая луна завершает орбиту вокруг Урана за 13,5 дня. Оберон и Титания, впрочем, опасно близки друг к другу, поэтому «луна луны» между ними вряд ли появится.
* Спутник Нептуна Тритон: этот захваченный объект пояса Койпера огромен (1355 км в радиусе), далек от Нептуна (355 000 км) и массивен; объекту нужно двигаться на скорости более 1,4 км/с, чтобы покинуть поле притяжения Тритона. Возможно, это наш лучший кандидат на право владения собственным спутником.
* Тритон, крупнейшая луна Нептуна и захваченный объект пояса Койпера, может быть нашей лучшей ставкой на луну с собственной луной. Но «Вояджер-2» ничего не увидел.

При всем этом, насколько нам известно, в нашей Солнечной системе нет спутников с собственными спутниками. Возможно, мы ошибаемся и найдем их в дальнем конце пояса Койпера или даже в облаке Оорта, где объектов пруд пруди.

Теория говорит, что такие объекты могут существовать. Это возможно, но требует крайне специфических условий. Что касается наших наблюдений, в нашей Солнечной системе таковые пока не возникали. Но кто знает: Вселенная полна сюрпризов. И чем лучше будут становиться наши возможности поиска, тем больше сюрпризов мы будем находить. Никто не удивится, если следующая грандиозная миссия к Юпитеру (или другим газовым гигантам) обнаружит спутник возле спутника. Время покажет.