Открытие крупных экзолун способно уничтожить гипотезу Тейи

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).

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 диска 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.

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). 

Точнее, не совсем так: уже после публикации своей работы в 2017 году она об этом узнала из письма автора российской статьи, в котором был вопрос, почему в своей работе она не упоминает, что гипотеза мультиимпакта была опубликована на десяток лет раньше. Однако ответа мы не получили, да особо и не ожидали.

Суть гипотезы мультиимпакта проста: никакого столкновения планет не было. Крупные астероиды, падавшие на Землю, выбивали из ее поверхности крупные обломки, которые образовывали разреженный обломочный диск. Затем эти обломки соударялись, тормозя друг друга и постепенно образовывая все более крупные тела. В конце концов осталось одно-единственное тело, вобравшее их всех, — Луна. На видео ниже показана упрощенная картина такого процессе (в реальности столкновений было значительно больше, а тела, падавшие на Землю, в среднем были значительно меньше):

Но вернемся к японо-американской группе ученых с их моделью образования экзолун. Упомянув Руфу, они тем не менее не рассматривали вариант с образованием экзолун по мультиимпактному сценарию.

Почему? Наиболее вероятный ответ: они считают гипотезу Тейи «канонической» и так прямо и называют ее в тексте своей работы. Когда у вас есть «канонические» гипотезы, легко понять, почему вы не рассматриваете «неканонические». «Каноническим» бывает, например, текст Библии — много ли вы видели попыток его ревизии? Правда, в теории наука — не совсем про «каноническое»: она требует периодического обновления теорий. 

А канонический статус гипотеза Тейи получила в США довольно давно. Автор мультиимпактной гипотезы Николай Горькавый, директор Гринвичского научно-технологического института (США), прямо говорит об этом:

«Ведь в США теория «мегаимпакта» была предметом национальной гордости, парадигмой, в рамках которой работали множество ученых. Поставить их работу под сомнение какой-то другой теории никто бы не дал. И создатель такой теории был бы изгнан из науки. Я не шучу: в свое время мой соавтор, знаменитый американский академик, прямо и сочувственно предупредил меня, что выступление против популярного мегаимпакта разрушит любую научную репутацию».

Однако мы живем не в США, поэтому можем сделать то, что японо-американская команда не сделала: задаться вопросом, будут ли возникать крупные экзолуны, если в реальности такие тела формируются именно мультиимпактом. Тем более что авторы работы любезно оценили, какой будет доля пара в протолунном диске в случае мультиимпактного, «астероидного» сценария ее образования. Расчеты показывают, что лишь на 10-50% он будет состоять из испаренных веществ.

Это означает возможность образования довольно крупных спутников — согласно исследователям, этому особенно способствуют ситуации, когда пара в диске по массе не более 30%. К сожалению, на наш запрос исследователи пока не ответили, поэтому мы обратились за комментариями к автору мультиимпактной теории Николаю Горькавому.

На вопрос Naked Science он ответил вот что: «Это моделирование исходит из морально устаревшей, с моей точки зрения, мегаимпактной модели и концепции Тейи. Как уже показано в ряде работ российских и израильских ученых, более правдоподобна мультиимпактная теория образования Луны, которая применима и для всех спутников астероидов, Марса, Плутона и транснептунов. В мультиимпактной теории перенос вещества из мантии планеты в протоспутниковый диск идет гораздо более умеренными ударами и сравнительно небольшими порциями, при этом существование околопланетного диска играет важную роль.

Можно этот сценарий описать ракетным языком, по аналогии с запуском искусственных спутников: если удар крупного астероида о поверхность Земли служит «первой ступенью ракеты», который выбрасывает куски мантии в космос, то околопланетный диск служит «второй ступенью», которая, взаимодействуя с этими кусками [передавая им энергию при попутных сооударениях], обеспечивает их выход на стабильную орбиту вокруг Земли и дальнейший рост диска вокруг планеты. Естественно, при мультиимпактном сценарии нет речи ни о глобальном катастрофическом ударе, который все испаряет, ни о формировании газового кольца, поэтому все выводы обсуждаемой работы повисают в воздухе».

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».

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.

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.