- Луна – планета или спутник?
Луна – первый космический объект, которого достиг Человек и собрал лунные породы для исследования. Также это самый древний объект наблюдений, который сразу выделяется своей яркостью на ночном небе, приковывая к себе внимание. За минувшие тысячелетия наблюдений и изучения Луны вопросов стало только больше.
Почему она оказалась в статусе спутника Земли, имея соразмерную с ней массу? Это расходится с данными о других спутниках планет Солнечной системы, массы которых в тысячи и более раз меньше массы родительских планет. А также расходится с тем, что у планет земной группы вообще нет спутников. Анализ общего углового момента системы Земля – Луна показывает, что 80% от него приходится на орбитальное движение Луны. К тому же Солнце в два раза сильнее притягивает Луну, чем Земля. Эти три фактора заставляют считать Землю и Луну двойной планетой. То есть Луна, как и Земля, обращается вокруг Солнца, на движение которой накладывается приливное возмущение со стороны Земли. Такой же вариант рассматривается для пары Плутон-Харон с отношением масс 9, которая имеет к тому же четыре ретроградных спутника. В мире звезд двойственность – распространенное явление, как, впрочем, и для астероидов в отличие от планет. Причина – в разных механизмах образования: глубокий коллапс протозвезды в первом случае, столкновения и YORP-эффект – во втором и аккумуляционная сборка в диске, в третьем. Но диски оказываются слишком маломассивными и обладающими столь высоким моментом, что консервативная аккумуляция редко справляется с задачей «построить» двойную планету с соразмерными компонентами, чаще – одиночную планету с семейством малых спутников. Так как же появилась Луна на нашем небосклоне?
- Эволюция сценариев образования Луны
В древних культурах сохранилось немало оригинальных версий происхождения Луны, но все они имеют мифологическое толкование. Первая научная теория происхождения Солнечной системы и всех ее планет была предложена в 1735 году Сведенборгом, шведским философом. Затем, в 1750 году выходит трактат Томаса Райта «Теория Вселенной», вдохновившись которым Иммануил Кант (1755) высказывает эволюционную гипотезу происхождения Солнечной системы из газопылевого облака. Независимо к этим же идеям пришел Пьер Лаплас (1796 г), облачив их в строгую математическую теорию, объясняющую образование звезд и планет путем конденсации (сжатия) газопылевого облака и последующей совместной аккреции на «центры конденсации». Таким образом, в теории Канта-Лапласа образование Луны происходило совместно с Землей и остальными телами Солнечной системы. В XXвеке последователями этой теории стали Отто Юльевич Шмидт и его ученики – Рускол, Сафронов и другие. Сегодня общепризнана теория формирования планет, основанная на гипотезе планетезималей, впервые предложенная советским астрономом Сафроновым.
Но еще XIXвек привнес свежие идеи: Эразм Дарвин (дед Чарльза Дарвина, основоположника эволюционного учения) предложил модель Луны как сброшенной с Земли массы вследствие ее тогда быстрого вращения, о чем напоминает Мариинская впадина в Тихом океане. Сын Ч.Дарвина, Джордж Говард Дарвин, анализируя приливное взаимодействие Земли и Луны и ее современную орбиту, воспроизвел наблюдаемое вековое удаление Луны ~4 см/год от Земли. Семья Дарвиных предложила таким образом новый сценарий образования Луны – «деление» быстровращающейся Земли. Это вызвало бурные дискуссии геологов, которые указывали на неравнозначность объемов бассейна всего Тихого океана и Луны.
В начале XXвека (1909 г) появился альтернативный сценарий, предложенный Томасом Джефферсоном Си – гравитационный захват Землей независимой планеты, орбита которой в ходе возмущений пересекла орбиту Земли. В середине XXвека эта теория была доработана Юри и Гестернкорном в предположении, что раньше Луна была на близкой к Земле орбите, благоприятной для медленного захвата из-за малой относительной скорости. Джерард Койпер выдвинул идею вулканического происхождения Луны. «Модернизируется» сценарий Дарвиных: Биркгоф и его коллеги заменили быстрое вращение молодой Земли на мощный удар астероида (импакт), в результате чего мог быть вырван кусок Земли, из которого позже сформировалась Луна.
Четыре сценария: Канта-Лапласа с совместным образованием пары Земля-Луна, деление быстровращающейся Земли согласно теории Дарвиных, гравитационный захват Луны Землей (Си-Юри-Гестернкорн) и импактное событие (Дейли, Биркгоф). Какой же из них реализовался в действительности? В ожидании «Лунной Программы» в СССР и США, запусков луноходов и «Аполлон» таились надежды в разрешении этого вопроса.
- Анализ лунного грунта: импакт versusзахват
Первое инструментальное определение плотности и прочности поверхностного слоя лунного грунта, риголита, было проведено советской автоматической станцией «Луна-13» в 1966 году. Начиная с 1969 года были осуществлены шесть успешных прилунений миссий «Аполлон». Доставка лунного грунта на Землю позволила определить его химический состав методом масс-спектроскопии. Оказалось, что Луна заметно отличается от Земли, в которой больше железа и никеля. Лунные базальты оказались похожими на земные, но с более высокой концентрацией тугоплавких веществ как титан, иттрий, цирконий, при этом в них почти нет летучих элементов типа натрия, калия, свинца, никеля, кобальта. На этом фоне особенно парадоксальной оказывается изотопическая неразличимость Луны и Земли по ряду литофильных элементов (кислород, вольфрам). Совокупный анализ минералогического состава и орбитальных параметров Луны «расставил приоритеты» в выборе сценария ее происхождения.
Сценарий Дарвиных разделения протоземли прекрасно объясняет мантийное сходство Земли и Луны, а также синхронизацию осевого и орбитального движения Луны, но законы физики не позволяют разделиться Земли из-за быстрого вращения – препятствует Гравитация! По этим же причинам несостоятельна теория Койпера происхождения Луны вследствие вулканической активности Земли. Гипотеза Канта-Лапласа совместного образования Земли и Луны не поддерживается различием в химическом составе и не может объяснить орбитальное наклонение. Остаются теории захвата и столкновения с астероидом. Но по сути это один сценарий в двух режимах: «мягком» при гравитационном захвате Луны Землей и «жестком» - при их столкновении.
В обоих сценариях рассматриваются близкие орбиты Луны и Земли, удобные для захвата или касательного удара. В рамках этих сценариев снимается парадокс изотопической тождественности, но сохраняется общее различие в химическом составе – два разных объекта. Также хорошо объясняются наклон оси вращения Земли и орбиты Луны, а также синхронизация ее осевого и орбитального движения. Теория импакта стала общепризнанной после Гавайской конференции в 1984 году. Компьютерные модели смогли воспроизвести рождение Луны в ходе касательного низкоскоростного столкновения протоземли с крупной планетезималью, названной Тейей. Но открытие воды в лунных минералах опровергает фазу полного расплавления протолуны, которая неизбежна при импакте. Тогда, может не импакт, а гравитационный захват Тейи с последующим ее торможением в обломках околопланетного строительного материала?
- Сценарий гравитационного захвата
В ходе «большой сборки» Солнечной системы орбиты протопланет неустойчивы. Мы задались отбором «перспективных» орбит околосолнечной Луны для ее гравитационного захвата Землей. Поиск таких орбит, пересекающих сферу Хилла Земли, осуществлялся в рамках задачи трех тел, Солнце, Земля и Луна, (Рис.1, слева). Во второй части численного эксперимента проводился анализ транзиентных околоземных орбит в постановке задачи N-тел – N-структурных элементов, из которых состоят Луна и Земля – для учета их взаимной приливной гравитации. Численная оценка осевого «раскручивания» Луны только за счет приливного трения составила ~50 суток на оборот, что не соответствует «быстрому» захвату, а занимает миллионы лет.
В расчетах в модели N-тел были найдены врменные околоземные орбиты Луны, которая совершала от одного до 14 оборотов вокруг Земли (Рис.1, справа), с неизменным возвращением на околосолнечную орбиту, близкую к начальной. Это закономерно в классической задаче трех тел, иначе обратное интегрирование привело бы к противоречию. Луна может попасть на врменную околоземную орбиту, но вот удержать ее там, отняв избыток орбитального момента, может, например, диссипативное трение в межпланетной среде, заполненной строительным протопланетным материалом.
Учет диссипативного трения производился «искусственно», когда в момент наибольшего сближения с Землей скорость Луны принудительно уменьшалась на 0.001-0.5% от ее начального значения. Если перевести уменьшение скорости (на 0.05%) в импульс удара, это будет 1024 кг×м/с, что эквивалентно удару тела с массой в сто раз меньше Луны и с относительной скоростью ~1.3 км/с. Одномоментное выделение такой энергии соответствует событию импакта. Но если она выделяется за время тех 14 оборотов, когда околосолнечная Луна стала на время спутником Земли, вот тогда торможение распределяется на интервале времени около 100 лет, а импульс удара составит 1015 кг×м/с. Это эквивалентно «бомбардировке» декаметровых астероидов с дисперсией скоростей ~6-9 км/с. Расчеты, проведенные с эффектом «притормаживания» Луны, продемонстрировали возможность ее гравитационного захвата Землей.
- Образование естественных спутников планет
Проблема образования спутников планет – это проблема избытка углового момента околозвездного газопылевого диска, из которого уже образовались планеты. Может оказаться, что запаса момента хватает на следующий уровень планетной иерархии – формирование планетных спутников из так называемых «вторичных дисков». Из сохранения угловых моментов собственного вращения звезды и коротирующего с ней диска выводится условие содержания звездой диска: отношение масс звезды Mи диска md должны быть обратно пропорциональны их размерам M/md=(a/R)1/2, где R – радиус звезды, a– радиус диска. Сформулируем условие образования дисков вокруг планет.
В качестве простой модели рассмотрим на орбите радиуса a околосолнечные АКП-тела (астероиды, кометы, малые планетные тела), пересекающие сферу Хилла планеты. Часть из них «пересаживается» на орбиту вокруг планеты массы m, если выполняется условие коротации, т.е. их околопланетная орбитальная скорость vdпорядка орбитальной скорости самой планеты √(GM/a). Запишем сохранение углового момента захваченных АКП-тел в сферу Хилла планеты:
r_H∙σ_V=r_d∙v_d (*),
здесь r_H = a∛(m⁄3M) – радиус сферы Хилла планеты, σ_V = √(GM/a) ∙ r_H/a – дисперсия скоростей АКП-тел внутри сферы Хилла планеты. Подставив все эти выражения в (*) и выразив из него радиус диска rd = 0.01a× (для всех внутренних планет rH/a»0.01), условием образования диска будет требование rd> rp, где rp = (3m/(4pr))1/3 – радиус планеты, r - ее плотность. Если подставить r = 3-4 г/см3 и сделать преобразования с размерностью, получится условие вида a> 1a.e.. То есть, чтобы планета сформировала вторичный диск для образования своих спутников, она должна быть дальше 1 a.e. от родительской звезды. Интересно, что это ограничение оказывается справедливым и за пределами Солнечной системы: довольно большая статистика наблюдаемых экзопланет показывает отсутствием спутников у «горячих Юпитеров».
- Неразгаданная Луна
Луну часто называют «седьмым континентом» за ее близость, яркость, видимые невооруженным глазом ландшафты, просто потому что она чувствуется родной Земле. А что с научной точки зрения? Суммируя рассмотренные гипотезы и сценарии, Луна и Земля, вероятней всего, образовались из одного газопылевого облака, но из разных его частей, чтобы объяснить различие в их химическом составе. Эти части были на одном расстоянии от Солнца, чтобы объяснить схожий изотопный состав. Сначала обе околосолнечные планеты кружились на соседних орбитах, близость которых оказалась неустойчивой и произошло событие, стоящее особняком в истории Земли. Мегаимпакт с режимом синестии (когда разогретое вращающееся тело выходит за свои тепловые пределы) или без него? Или случился гравитационный захват с последующим торможением в вязко-диффузионной среде из обломков строительного мусора? А может появление Луны не результат одного события, а итог долгого эволюционного процесса сборки Солнечной системы с множественными макро- и микроударами планетезималей с ко-аккрецией планет и спутников. Важно, что все внутренние планеты Солнечной системы не имеют спутников в отличие от Земли, что указывает все-таки на принципиально другой механизм происхождения спутника в отличие от аккумуляционной сборки аккрецируемого вещества в диске.
Возможно, эти выводы можно будет проверить по результатам выполнения готовящейся миссии научно-исследовательской лунной программы NASA Endurance. В ее программе научных задач как раз стоит вопрос образования гигантского кратера Эйткен на Южном полюсе Луны. Не отпечаток ли он той бурной эпохи планетной сборки, когда пояс Койпера-Эджворта был на уровне орбит околосолнечных планет Земли и Луны? Возраст этого кратера возможно уточнит момент соединения в двойную планету некогда независимых друг от друга Земли и Луны.
Литература
1.А. Г. Масевич, А. В.Тутуков, Эволюция звезд: теория и наблюдения, Наука, Москва 1988
- NASA Exoplanet Archive, https://science.nasa.gov/exoplanets/discoveries-dashboard
3. М. Я. Маров, Космос от солнечной системы вглубь Вселенной, Физматлит, Москва 2016
- М. Я. Маров, И. И. Шевченко, УФН, 190, 9 2021
5. J. T. Keane, B. Cohen, C. Crow et al., Endurance Science Workshop 2023, astro-ph/2502.07831
6. A. V. Tutukov, G. N. Dremova, V. V. Dremov, Astron. Rep, 67, 1236, 2023
7. A. V. Tutukov, G. N. Dremova, V. V. Dremov, Astron. Rep, 70, 383, 2026
Поделиться с друзьями: