Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Съеденные спутники, или упавшие звезды

Когда бы не алчность Юпитера, Медицейских звезд могло быть и больше

Монтаж двух снимков, сделанных космическим аппаратом «New Horizons» во время пролета Юпитера в начале 2007 года, представляет газовый гигант Юпитер и на нем как на фоне ближайший к нему галилеевский спутник Ио. Иллюстрация: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

На протяжении последних полутора десятилетий та часть человечества, которой есть ещё дело до происходящего на небесах, наблюдала за довольно странной гонкой: Сатурн и Юпитер состязались в количестве спутников. Победа в промежуточном этапе этой гонки за Юпитером: у него 63 спутника против 61 у Сатурна, хотя последний располагает значительно более внушительным кольцом — точнее, системой колец. Но если кольца Сатурна видел ещё Галилей (Galileo Galilei, 1564–1642) в один из своих несовершенных телескопов, то разглядеть кольца Юпитера удалось, лишь к нему слетав.

О четырех самых крупных спутниках Юпитера мир также узнал от Галилея ровно 399 лет назад — его книга «Звездный вестник» увидела свет в марте 1610 года. Это были первые космические тела, по поводу которых не возникало сомнений, что они обращаются не вокруг Земли. Со временем обнаружилась ещё одна их особенность — это самые крупные (и, одновременно, массивные) объекты солнечной системы за исключением самого Солнца и восьми обращающихся вокруг него планет. Однако если во времена Галилея, да и ещё долго после него, удивлялись самому факту их существования, то сейчас пришло время удивляться прямо противоположным обстоятельствам. Спутников, как выясняется, слишком мало, да и не так уж они велики.

В самом деле, можно сказать, что Галилей обнаружил подавляющее большинство спутников Юпитера, если иметь в виду их массу. Взятые совокупно, галилеевские спутники лишь немного недотягивают до 4.1026 г, что составляет около двух сотых процента от массы Юпитера, которая в 318 раз превышает массу Земли. Совокупная масса всех остальных спутников на два порядка меньше, и, говоря о массе планетной системы в целом, ею можно было бы пренебречь.

Тем самым, в сравнении с земной, юпитерианская система неожиданно легка: ведь масса Луны составляет целый процент от массы Земли. Заметим, что и в системе Сатурна спутникам тоже досталось немного — всего около двадцати пяти тысячных процента от массы самой планеты (о массе его красивых колец тоже можно даже не вспоминать: она не дотягивает и до тысячной доли процента).

Возможно, что процессы образования газовых гигантов каким-то образом ограничивали формирование спутников. Остатков того вещества, из которого строилась Земля, оказалось достаточно, чтобы построить ещё и Луну, а вещества, из которого строился Юпитер, не хватило на спутник массой не то что с Марс, но даже с Меркурий. Хотя Ганимед и Титан (самый крупный спутник Сатурна) немного превосходят Меркурий по радиусу, но масса каждого из них вдвое меньше массы Меркурия.

Некоторые современные исследования показывают, что околопланетного вещества вблизи Юпитера не только могло хватить, но и хватило на значительно большее количество значительно больших спутников. Этих спутников, вероятно, было несколько десятков, но со временем они прекратили свое существование, упав на поверхность Юпитера. Как выясняется, не только Сатурн ел своих детей!

Откуда берутся планеты?

Тайна происхождения планет в Солнечной системе была когда-то так же велика, как тайна зачатия и рождения нового человека. Проще всего было бы предположить, что планеты существовали всегда, но неприемлемость такого объяснения слишком очевидна. Оставляя в стороне плодотворный период классической физики, когда бурно развивалась механика, но химический состав звезд и планет, равно как и природа происходящих внутри них процессов, оставались загадочными осколками одной большой тайны, можно сказать, что космогония как наука формировалась в годы Второй мировой войны и сразу после нее. Медленно остывающая в советских заморозках российская наука была ещё богата идеями, и некоторые космогонические проблемы были сформулированы именно в её рамках.

Доставшуюся в наследство от классической эпохи гипотезу Джинса (James Jeans, 1877–1946), согласно которой планеты образуются из вещества, выбитого из Солнца в результате неизвестного катастрофического события, подверг убедительной критике советский геофизик Николай Николаевич Парийский (1900–1996). А немного погодя известный математик Отто Юльевич Шмидт (1891–1956) предложил и конструктивную критику гипотезы Джинса. Вполне вероятно, что его к этому подтолкнули, с одной стороны, публикации Парийского 1942 года, а с другой — именно в 1942 году изданный указ об отстранении его от должности вице-президента АН СССР. Нередко случается, что сложности в административной карьере способствуют научной работе, если не влекут за собой репрессий.

Газопылевые диски, состоящие в основном из мельчайших кристаллов льда, были обнаружены вокруг коричневых карликов космической обсерваторией NASA Spitzer в 2006 году. Конечно, так их сфотографировать было невозможно, но тут помогла фантазия художника. Иллюстрация:  NASA/JPL-Caltech

Шмидт ставил проблему так: существующие космогонические гипотезы подразделяются «на три класса по тому, откуда берется материал для планет». Во-первых, Солнце и планеты могли возникнуть из общей массы. Во-вторых, материя планет могла выделиться из уже существующего Солнца. В-третьих, материя планет могла возникнуть «из межзвездной материи уже после образования Солнца». Поскольку второй вариант отвергался, выбор надо было сделать между первым и третьим.

В силу личных пристрастий Шмидт склонялся к третьей гипотезе. Пристрастия эти объясняются довольно просто: Шмидт надеялся найти земное вещество в метеоритах, отчего его гипотеза поначалу получила название метеоритной. Но от такого простого решения пришлось очень быстро отказаться, а понятные и уже ставшие привычными метеориты заменить абстрактными и таинственными планетозималями.

Впрочем, от проблемы происхождения протопланетного диска можно было на время отстраниться. Не меньший интерес представлял и такой вопрос: если Солнце уже окружено быстро вращающимся облаком, в составе которого есть горячий газ (преимущественно водород и гелий) и твердые частицы, какие процессы могут привести к превращению этого газопылевого облака в планетарную систему? При этом вовсе необязательно думать, что к появлению газопылевого облака вокруг звезды привел именно захват. С этим соглашался и сам Шмидт:

…При образовании звезд существовали и условия, которые давали и другие, кроме захвата, способы возникновения облака […] Сегодня ещё нет достаточных данных для того, чтобы окончательно сказать, произошла ли именно наша планетная система из облака, возникшего путем захвата или иным, ещё неизвестным путем.

Однако до конца жизни он оставался при убеждении, что это самое облако вокруг Солнца возникло при его прохождении сквозь нашу галактику. Он писал:

…Кометы, как и новые наблюдаемые метеориты, — остатки метеоритного роя, образовавшегося вокруг Солнца при захвате темной материи во время прохождения Солнца через облако в центральной области Галактики. Основная масса этого слоя пошла на образование планет, часть сохранилась, продолжая обращение вокруг Солнца.

Надо сказать, что все эти гипотезы вызвали почти немедленную и очень негативную реакцию многих астрономов. Будущий академик, а в те годы всего лишь завкафедрой астрофизики в ЛГУ Виктор Викторович Соболев (1915–1999) не без ехидства замечал, что, во-первых, никто никогда не видел звезд с дисками, а во-вторых, если уж на то пошло, то проще представить себе сразу звезду с планетами.

Ещё более резким критиком выступил директор Горной астрофизической обсерватории и Института физики и астрономии АН КазССР академик Василий Григорьевич Фесенков (1889–1972). В частности, он говорил:

Итак, о захвате Солнцем части темного пылевого облака вообще не может быть никакой речи […] При одновременном прохождении двух звезд через одно и то же пылевое облако гравитационный захват невозможен, так как само облако не может, как совершенно очевидно, играть роль третьего тела.

Безусловно, Фесенков был прав. Но, как показало будущее, и Шмидт тоже был не менее прав.

Большие и малые спутники

Особый интерес к Юпитеру и его спутникам в разные времена имел разные причины. Сам Галилей немедленно увидел две: новую возможность прославления династии великого герцога Тосканы, избравшей Юпитера своим небесным покровителем, и точное измерение географической долготы места.

Король Франции Генрих IV с открытием новых (Медицейских) звезд обрел надежду, что ещё есть неизвестные звезды и что какую-то из них ещё назовут его именем…

Иоганн Кеплер (Johannes Kepler, 1571–1630) заключил, что раз у Юпитера четыре спутника, а у Земли всего один, то у Марса их должно быть два, а у Сатурна — восемь (число спутников образует геометрическую прогрессию).

Возможно, именно так выглядят галилеевские спутники Юпитера в разрезе: Ио (слева вверху), Европа (справа вверху), Ганимед (слева внизу), Каллисто (справа внизу). У каждого из них, кроме Каллисто, есть металлическое ядро, покрытое оболочкой из горных пород. У Ио оболочка доходит до самой поверхности, у Ганимеда и Европы она покрыта слоем воды — в жидком виде или в виде льда, а у Каллисто горные породы и кристаллы льда равномерно (и почти в равных пропорциях) перемешаны. Иллюстрация:  NASA/JPL

В ХХ веке характер интереса был уже совсем иной. После того как выяснилось, что Солнце состоит в основном из водорода и гелия, встал вопрос и о неравномерности распределения химических элементов в Солнечной системе. Почему планеты земной группы практически лишены водорода, а вот Юпитер почти исключительно из него и состоит?

Рост числа открываемых спутников, и среди них спутников с нерегулярными орбитами — вроде астероидов на околосолнечных орбитах — сделал актуальной аналогию между солнечной системой и планетарной — Юпитер плюс всё, что движется вокруг него. Ведь сам Юпитер многим подобен Солнцу: он не только притягивает, но и согревает обращающиеся вокруг него спутники. Известно, что самый близкий к нему спутник Ио имеет и самую большую плотность — 3,53 г/см3. Следующей идет Европа — её плотность 2,99 г/см3. Плотность самых далеких Ганимеда и Каллисто всего 1,94 и 1,83 г/см3 соответственно. Интерпретируется это изменение разным количеством воды: на Ио её практически нет, на Европе её уже 8%, а Ганимед и Каллисто состоят из нее почти наполовину. Тепла Юпитера не хватает на её испарение.

Формирование спутников у Юпитера происходило в большой степени так же, как формирование планет у самого Солнца. После того как в солнечном газопылевом диске возникают зародыши будущих планет, может происходить и происходит распределение вещества между дисками различной природы. Часть его может остаться на солнечных орбитах, а часть перейти на орбиту вокруг рождающейся планеты. Вообще-то такой «захват» невозможен с точки зрения классической механики, однако если трение внутри допланетного облака достаточно сильно, то потери энергии могут существенно сказаться на перераспределении вещества.

Теоретический анализ тут едва ли возможен, однако появление достаточно мощных компьютеров в 1980-е годы позволило решать сложные задачи газовой динамики методами численного моделирования. Для уравнений движения пишется разностная схема и с ней проводится численный эксперимент в условиях, близких к тем, которые сложились в Солнечной системе на стадии появления планет.

Процессы, ответственные за формирование разных планет, с очевидностью должны сильно различаться. Так, в истории Луны и Земли важную роль должно было сыграть столкновение с каким-то крупным небесным телом. Этого, однако, не было в случае газовых гигантов: их формирование шло без подобных катастроф.

Ценой двадцатилетних усилий удалось построить примерно такую картину. На первой стадии стекающий к планете газ стремится заполнить всю область, где сила притяжения планеты превосходит солнечную гравитацию. Для Юпитера радиус этой области (её называют сферой Хилла) в 700 раз превосходит радиус самой планеты. На второй стадии газ внутри сферы Хилла начинает стекать к центру и происходит сжатие планеты, которая из-за этого все начинает быстрее и быстрее раскручиваться. Происходит в точности то самое, что бывает с вращающимся фигуристом, когда он прижимает к груди вытянутые до того в стороны руки.

Из-за быстрого вращения часть газа начинает срываться с поверхности планеты, образуя кольцо. Кроме того, и газ околосолнечного протопланетного диска не может упасть прямо на поверхность растущей планеты, а все больше закручивается вокруг нее. Происходит своеобразный «захват» — это, конечно, не совсем то, о чем говорил Шмидт, но представить себе нечто подобное в системе двух или даже трех тел, описываемой системой уравнений классической механики, невозможно.

Но что происходит потом, сказать довольно трудно, потому что появление спутников может начаться на разных стадиях и соответственно проходить по-разному. Детали зависят от конкретных параметров — скорости вращения диска, его плотности, вязкости и т. п. Единственный способ, известный на сегодняшний день, определить, каковы они были во времена рождения Юпитера, — действовать методом подбора. Взяв их более или менее произвольно, посмотреть, насколько окончательная картина будет отличаться от действительной. За прошедшее десятилетие в разных странах было обсчитано несколько десятков подобных моделей.

Появившиеся в последнее время методы компьютерной анимации позволяют эффектно иллюстрировать процесс рождения газового гиганта из газопылевого облака. При этом весьма эффектно выглядит взаимодействие околопланетного аккреционного диска с околозвездным. Иллюстрация: Frédéric Masset

Один из последних опытов оказался на редкость удачным. Его результаты в конце прошлого года опубликовали два американских исследователя — Робин Кенап (Robin M. Canup) и Уильям Уорд (William R. Ward) из Юго-западного исследовательского института (Southwest Research Institute). В их модели первоначальное сжатие Юпитера проходило довольно быстро и заканчивается, когда поток вещества на поверхность планеты ещё велик. Первые спутники тогда должны были формироваться ещё в начальном облаке, до того как появился вторичный диск, сорванный с поверхности раскрутившейся планеты газа (spin-off disk).

К этому времени ещё не могло окончиться и формирование остальных планет Солнечной системы, и поэтому плотность протопланетного околосолнечного диска была ещё велика. Рождающиеся довольно массивные, хотя и не очень плотные спутники оказывались в круговороте падающего на поверхность планеты газа. Итог понятен: их уносило к поверхности планеты, где они и гибли. По пути они могли ещё дополнительно терять энергию в неупругих столкновениях друг с другом.

Галилеевские спутники — последние среди тех, кто родился ещё на стадии формирования планеты. Они «выжили» потому, что поток вещества на поверхность уже был не таким интенсивным. А в братской могиле предыдущих поколений оказались по крайней мере двадцать их предшественников, возможно, даже большего размера.

Дмитрий Баюк, 09.04.2009

 

Новости партнёров