Двойные астероиды и одиночество Луны

Снимки Плутона и Харона, сделанные в июле 2015 года с помощью межпланетной станции «Новые горизонты». Фото: NASA/JHUAPL/SWRI.

Размещаю полный текст статьи, посланной в «Науку и жизнь» (при редактировании возникли небольшие отличия), с убиранием большинства иллюстраций. Оставляю, конечно, вот это космическое фото – совершенно потрясающее:

Фото двойного кратера на Марсе. Прямая перемычка между кратерами доказывает строгую одновременность удара обоих компонент астероида. Фото: NASA/JPL

История двух оставленных рисунков забавна: зная, что у «Науки и жизни» есть свои художники, я предложил главному редактору сделать две иллюстрации – про образование Луны и падение спутника Весты. Она согласилась и предложила мне изготовить наброски для художника. Я послал пару набросков – и был очень удивлен, увидев их в окончательном варианте статьи. Оказывается, художник рассмотрел их и сказал, что они вполне годятся в печать. Так я начал карьеру художника-оформителя!
А на саму статью в популярной «Науке и жизни» я буду смело ссылаться в своих научных публикациях. Не часто предлагаются модели, которые могут одновременно объяснить происхождение Луны, двойных астероидов и самого астероидного пояса.

Двойные астероиды и одиночество Луны

Н.Н. Горькавый (SSAI/GSFC/NASA),
В.В. Прокофьева-Михайловская (Крымская астрофизическая обсерватория)

За последние пятьсот лет представление людей о Солнечной системе кардинально изменялось четыре раза. Формула мира по древнему греку Птолемею была: Земля+Солнце+Луна+5 планет. Птолемеевскую парадигму перевернул Николай Коперник, опубликовав в 1543 году сочинение о гелиоцентрической системе мира и перестроив формулу мироздания: Солнце+6 планет+Луна. Коперниканская парадигма лишила исключительности Землю, у которой осталась единственное преимущество перед другими планетами – спутник Луна. Несмотря на столь радикальное изменение взгляда на Солнечную систему, число её обитателей – спутников и планет – осталось неизменным. Семь ярких объектов, двигающихся по земному небу с незапамятных времен, даже стали причиной появления семидневной недели.

В 1609 году Галилео Галилей навёл первый телескоп на небо и открыл четыре крупных спутника Юпитера, нанеся ещё один удар по антропоцентризму землян. Луна оказалась не уникальным явлением, а Юпитер со свитой из четырёх спутников превзошёл Землю с одинокой Луной – эта сенсационная новость облетела всю Европу. Другие спутники, которые астрономы стали открывать возле Юпитера и Сатурна, уже не вызывали такой реакции – они были лишь расширением новой парадигмы. Формула мира по Галилею (опуская постоянную Солнца): 6 планет+N_спутников, где под N понимается большое и возможно неограниченное число.

В 1781 году представления людей о Солнечной системе снова драматически изменилось: музыкант и астроном-любитель Вильям Гершель открыл новую планету – Уран, расширив размеры Солнечной системы вдвое. Мысль о том, что число планет не ограничивается шестью, ошеломила астрономов. Они бросились искать новые планеты в пустом пространстве между Юпитером и Марсом, где и обнаружили целое семейство мелких планетоидов, названных астероидами. Впоследствии были открыты заурановые планеты Нептун и Плутон, а также второй пояс астероидов-транснептунов, расположенных за орбитой Нептуна. Новая формула мира продержалась до конца 20 века: 8 (или 9) планет +N_астероидов +N_спутников.

Только планеты обладали спутниками. Планеты-гиганты были окружены обширной свитой, а внутренние планеты имели три спутника на четверых: кроме Земли с её огромной Луной, лишь у Марса была пара крохотных спутников. Луна выглядела по абсолютной массе исключительной среди спутников планет земной группы, а по относительной массе (отношению к массе планеты) в десятки раз опережала все остальные спутники Солнечной системы. В рамках всех четырёх парадигм, система Луна-Земля была планетологически одинока – у неё не было аналогов. Осознавать исключительность системы Земля-Луна приятно сердцу любого землянина: все хотят жить в эксклюзивном месте.

В конце 20 века началась новая научная революция в планетологии, которая привела к возникновению пятой парадигмы строения Солнечной системы. В 1978 году был открыт Харон – спутник Плутона, маленькой заледенелой планетки на окраине нашей планетной системы. По своей относительной массе (12% от массы Плутона) Харон далеко обогнал Луну (1.2% от массы Земли), лишив её последнего признака уникальности (по абсолютной массе Луну уже давно обогнали несколько спутников планет-гигантов). В 2006 году международное собрание астрономов проголосовало за лишение Плутона статуса «настоящей» планеты, тем самым формально вернув чемпионство по относительной массе Луне, но демократическим голосованием факты природы не отменяются – и прецедент сверхмассивного Харона никуда не исчез.

Ключевым пунктом новой планетологической революции стало открытие спутников астероидов. Важнейшую роль в этом сыграли наблюдения крымских астрономов. В Симеизской обсерватории, организованной в 1908 году на берегу Черного моря, велись активные наблюдения астероидов, которые продолжились и в Крымской астрофизической обсерватории, возникшей в поселке Научном в начале 50-х годов. Всемирно знаменитой стала группа крымских астрономов во главе с Н.С. Черных, открывшая многие сотни крупных астероидов. Эти наблюдения были в основном позиционными, но в 1988 году в Крымской астрофизической обсерватории появилось новое научное направление: под руководством доктора физико-математических наук В.В. Прокофьевой-Михайловской начались астрофизические наблюдения астероидов и переменных звёзд, в частности, телевизионные наблюдения блеска астероидов. Телевизионный комплекс был смонтирован на телескопе с диаметром зеркала 0.5 метра. Необходимость во внедрении телевизионной техники наблюдений была вызвана и тем, что в конце 80-х возникли перебои с поставками астрономических фотопластинок из Германии и США.

В новую группу вошли Л.Г. Карачкина, опытнейший наблюдатель, открывший более 130 новых астероидов; А.Н. Абраменко, энтузиаст телевизионных наблюдений, высококвалифицированный инженер, на котором держалась вся материальная часть аппаратуры; В.В. Бочков, отвечавший за программирование, Л.В. Журавлева, Е.П. Павленко, Л.М. Шарипова, а также В.П. Таращук. В наблюдениях и обработке данных участвовали М.И. Демчик и студенты, приезжавшие на практику.

Для первых наблюдений были выбраны астероиды (87) Сильвия и (423) Диотима. Фотометрические измерения велись одновременно в трёх областях спектра. Для определения экстинкции (коэффициента поглощения) земной атмосферы каждую ночь наблюдались звёзды-стандарты, расположенных вблизи траектории исследуемого астероида. Время экспозиции обычно составляло 1–5 минут для ярких астероидов. Точность фотометрических измерений колебалась от одного до нескольких процентов в зависимости от блеска астероидов и погодных условий.

Наличие мультипериодичности в изменениях блеска астероидов могло свидетельствовать о двойственной или более сложной структуре астероида. Частотный анализ фотометрических данных астероидов проводился с помощью алгоритмов В.В. Прокофьевой-Михайловской. Отметим, что большое значение имела регистрация показателей цвета астероида. Изменение со временем показателей цвета несло информацию о цветовых пятнах на поверхности астероида или его спутника. Частотный анализ показателей цвета давал возможность выделения периодов вращения компонентов.

Характерная переменность, зарегистрированная у астероида (87) Сильвия, доказывала, что этот астероид имеет спутник – что и было объявлено в статье 1992 года в «Астрономический журнал»: «Астероид 87 Сильвия – двойной» (Прокофьева В.В., Демчик М.И.). Признаки двойственности крымские астрономы нашли и у Диотимы, блеск которой менялся с периодом 14.89 часа и 4.56 часа. Последний период связан с собственным вращением Диотимы, а период около 15 часов должен соответствовать периоду орбитального обращения спутника Диотимы.

Никто из крымских астрономов не рассчитывал на обнаружение спутников астероидов. Но кропотливые наблюдения с хорошим телескопом и качественной аппаратурой, вместе с аккуратной обработкой полученных данных, принесли свои результаты. Л.Г. Карачкина отметила: «Открытие двойных астероидов именно у нас в телевизионной группе было той случайностью, которая зиждется на десятке железных закономерностей».

Крымским астрономам мало кто поверил, потому что их наблюдения противоречили существующей планетологической парадигме. Астероиды считались обломками или строительным мусором на месте несформировавшейся планеты. Какие у них могут быть спутники?

Недоверие сразу исчезло, когда в 1994-м году межпланетная станция «Галилео» неожиданно сфотографировала у астероида Иды спутник Дактиль. К июлю 2015 года открыто 277 спутников астероидов и транснептунов (крупных тел за Нептуном, к которым относят сейчас и Плутон). Возле Сильвии тоже нашли спутник. Группа Прокофьевой-Михайловской сделала из своих наблюдений дополнительное заключение – астероид Сильвия должен быть тройным телом. Позже у Сильвии был открыт и второй спутник. Сейчас известно одиннадцать тройных астероидных систем, а у Плутона, кроме Харона, открыли ещё 4 спутника – и Плутон стал первой шестикратной системой астероидного типа.

Работы крымских астрономов получили должное внимание: в самом престижном российском журнале «Успехи физических наук» в июне 1995 года был опубликован обзор «Спутники астероидов» (В.В. Прокофьева, В.П. Таращук и Н.Н. Горькавый), где были описаны наблюдательные данные крымских астрономов, а также была показана динамическая стабильность орбит спутников астероидов.

По оценкам астрономов-наблюдателей, около 15% процентов астероидов имеют спутники. В статье Н.М. Гафтонюк и Н.Н. Горькавого, опубликованной в 2013 году в «Астрономическом вестнике», были изучены закономерности уже довольно богатой базы данных по двойным астероидам. Было показано, что вероятность наличия спутника уверенно растет с увеличением скорости вращения астероида, а также зависит от его размера: велика для маленьких и крупных астероидов – и минимальна для астероидов среднего размера. При этом, все открытые спутники астероидов регулярны, как большинство спутников обычных планет: обращаются в том же направлении, что и центральное тело, и их орбиты расположены вблизи от плоскости его экватора. По относительной массе Луна находится в середине распределения относительных масс спутников твердых тел. Существуют двойные астероиды – например, (90) Антиопа – компоненты которых практически равны по массе. Признаки падения таких двойных астероидов, с относительной массой близкой к единице, можно найти на поверхности Марса.

Таким образом, Луна перестала быть планетологически одинокой – у неё оказалось много аналогов. Если до последнего времени в Солнечной системе насчитывалось 8 или 9 планет и множество космического мусора, то сейчас в нашей системе нашлись миллионы планет – со своим происхождением, эволюцией и спутниками. Поэтому формула новой планетологической парадигмы такова: N_планет +N_спутников.

Многие астероиды, например, Ида, Итокава, Тоутатис, и даже кометы, например, Чурюмова-Герасименко – имеют форму гантели или слипшихся двух тел. Видимо, в таких случаях мы имеем дело с медленным сближением и соприкосновением спутника и основного тела. Это означает, что в реальности количество астероидов со спутниками было гораздо больше и могло составлять около половины астероидной популяции. Вероятно, без спутников оказались только медленно вращающиеся астероиды и планеты – такие, как Венера и Меркурий. Свежеобразованные в сильных соударениях астероиды тоже могли не успеть обзавестись спутником.

Неразрушающее соприкосновение спутника и астероида возможно только при небольших орбитальных скоростях спутника – то есть малой массы астероида. В случае же крупных астероидов, слияние спутника с центральным телом будет проходить на большой скорости и закончится полным разрушением спутника. Если спутник находился на круговой орбите, а сам астероид был крупным и квазисферическим, то касательное соударение спутника должно оставить длинную борозду. Примечательно, что возле крупного (со средним диаметром 525 км) и быстровращающегося астероида Весты не было найдено никаких спутников, зато на её поверхности были обнаружены две серии гигантских борозд – одна в районе экватора (борозды Дивалии), а другая – на 30 градусах северной широты (борозды Сатурналии). Борозды достигают 300–400 км в длину, 10–20 км в ширину и до 5 километров в глубину. Н.Н. Горькавым и Т.А. Тайдаковой выдвинута гипотеза, что эти борозды являются следами падения спутников Весты (см. приложение к коллективной монографии «Челябинский суперболид»).

Рис. Борозды Дивалии в районе экватора Весты. Слева – обычное фото, справа показана высота рельефа. Фото: NASA/JPL.

Спутник вблизи поверхности Весты должен двигаться со скоростью в 900 км/час. Если его орбитальное движение – прямое (совпадает с направлением собственного вращения астероида), то относительно рельефа Весты спутник будет мчаться со скоростью около 600 км/час. Оценки показывают, что спутник с массой в тысячу раз меньше Весты, с той же плотностью, и диаметром около 50 км обладает достаточной кинетической энергией, чтобы до остановки (или полного своего разрушения) пробороздить каньон глубиной в 5 километров, шириной в 10 км и длиной в тысячу километров даже в прочном граните, обладающим удельной энергией разрушения Ev ~ 10^9 эрг/куб.см. В материале, сопоставимом с прочным льдом (10^8 эрг/куб.см), такой спутник может оставить еще более внушительный каньон. Две серии борозд означают, что Веста проглотила два своих спутника, орбиты которых были наклонены друг к другу. Вообразите луну в десятки километров, которая летит над поверхностью астероида со скоростью турбореактивного самолёта и сбивает горные хребты высотой в километры. Это было, безусловно, впечатляющее зрелище.

Рис. Падение спутника Весты

Можно ввести критерий достаточно мягкого присоединения спутника к астероиду, предположив, что в этом случае спутник должен обладать небольшой энергией и не может выкопать каньон (или кратер) по объему больше, чем сам спутник. Это даёт ограничение на орбитальную скорость спутника V: V^2<2Ev/ρ, где ρ – плотность спутника. Эта скорость составляет около 100 м/сек. Следовательно, быстровращающиеся астероиды размером в несколько сот километров могут обладать экваториальными бороздами – следами падения спутников. Для астероидов с диаметром меньше сотни километров слияние со спутником должно приводить к образованию гантелеобразной фигуры.

Ещё одним доводом в пользу того, что астероиды и их спутники равноправны большим планетам, стал центавр Карикло. Согласно наблюдениям, основная масса спутников астероидов располагается на орбитах с радиусом в 3–4 радиуса центрального тела. Кольца, недавно открытые возле центавров Карикло и Хирона, были объявлены планетными, но на самом деле – это протоспутниковые диски, расположенные как раз на расстоянии 3 радиусов астероида, в отличие от известных планетных колец, которые группируются в районе 2 радиусов центрального тела и никогда не расположены далее 2.6 радиусов (речь идет о плотных кольцах из крупных частиц).

Рис. Соотношение орбит планетных колец, спутников астероидов и кольца Карикло. Зелёная линия – распределения числа спутников астероидов, красная линия характеризует распределение планетных колец. Синяя линия отмечает положение колец Карикло.

Четвертая планетологическая революция началась сравнительно недавно – и её последствия во многом не осознаны. Новая парадигма, по которой в Солнечной системе существует миллионы планет – больших или маленьких, но вполне равноправных – требует пересмотра некоторых устоявшихся концепций, в частности, мегаимпактной теории образования Луны. Репутация уникального, ни на что не похожего, спутника стала движущей силой создания уникальной, не применимой к другим телам, теории происхождения Луны в результате удара о Землю огромного тела. Тем самым, образование Луны оказалось исключительно редким событием, вызванным столкновением двух крупных планет. Но если Луна ничем особенным не выделяется из ряда остальных сотен спутников тел с твёрдой поверхностью, то почему её происхождение должно объясняться уникальным событием? Модели образования спутников возле твердых планетоидов, в том числе – Луны возле Земли, должны быть едиными, объясняющими как Луну, так и спутники астероидов. Любая теория образования Луны, которая не может объяснить образование спутников астероидов и появление двойных и гантелеообразных астроидов, морально устарела, даже если она предложена совсем недавно.

Впервые модель мегаимпакта для образования Луны была предложена канадским геологом Реджинальдом Дали в 1946 году, но осталась незамеченной. Второе рождение теория мегаимпакта получила в статье 1975 года американских планетологов Билла Хартманна и Дональда Дэвиса. Согласно этой теории, 4,5 миллиарда лет назад на Землю налетела огромная планета Тея размером с Марс (диаметр около 7 тысяч км). В результате этого катастрофического и поистине уникального события, часть обломков вышла на орбиту вокруг Земли – вернее, тела, возникшего в результате слияния Земли и Теи.

Теория мегаимпакта стала общепризнанной, хотя против неё выступили ряд учёных, включая геохимиков. Из катастрофической модели образования Луны следует, например, что следствием мегаимпакта должно быть расплавление Луны и Земли. Тем самым, на Земле и Луне должен был существовать океан жидкой магмы.

В реальности же, по данным геохимиков, Луна была сравнительно холодной и имела лишь частичное затопление магмой. Геохимические данные отвергают также наличие океана расплавленной мантии на Земле. Например, современная мантия Земли дифференцирована заметно слабее, чем было бы при существовании древнего океана расплавленной магмы.

Дальнейшие исследования космохимиков вызвали дальнейшие проблемы у теории гигантского удара, согласно которой, 80% вещества Луны пришло из налетевшей Теи, изотопный состав которой должен значительно отличаться от земного (все космические тела имеют свой индивидуальный изотопный состав). Но изотопный состав лунных минералов, привезенных с Луны экспедициями «Аполлонов», практически точно совпал с изотопным составом земного вещества.

Для объяснения изотопного равенства вещества Луны и Земли, сторонники мегаимпактной теории стали исследовать ещё более катастрофическую модель, в которой масса Теи увеличилась с 10–20% до 30–45% от массы Земли. В этом случае окончательная конфигурация оказывается достаточно хорошо «перемешана» по изотопам, хотя тут же возникает новая проблема избыточности углового момента образовавшейся системы Земля-Луна и обостряется старая проблема отсутствия признаков глобального расплавления Земли.

Исследователи, которые осмелились двинуться в обратном направлении и рассмотреть Тею с массой меньше 10% от земной, легко решили проблему изотопного состава, так как при таких соударениях в Луну попадает в основном вещество земной мантии, а не Теи. Но при уменьшении массы ударника возникает проблема дефицита углового момента системы Луна-Земля. Предположение о нескольких соударениях некрупных тел не повлияло бы на успешное решение проблемы изотопии, но позволило бы избежать проблемы углового момента – но такое рассмотрение психологически противоречит общепринятой концепции одного удара.

Но самая главная проблема теории мегаимпакта в том, что она никак не может объяснить возникновение многих тысяч спутников возле астероидов с достаточно слабой гравитацией, неспособной удержать возле центрального тела обломки сильного удара. Кроме того, такое количество соударений сопоставимых по массе тел просто статистически невероятно.

В 2004–2007 году Н.Н. Горькавым была предложена единая модель образования спутников у планетоидов с твёрдой поверхностью (см. статью «Образование Луны и двойных астероидов» в «Известиях КрАО» за 2007). Согласно этой модели, Луна и спутники астероидов выросли из регулярного околопланетного облака, небольшая начальная масса которого многократно увеличилась за счет баллистического переноса вещества из мантии Земли или астероида. Этот перенос похож на тот, который использует теория мегаимпакта, но он вызван не одним мега-ударом, а множеством гораздо менее катастрофичных событий.

Можно нарисовать следующую общую картину происхождения спутников астероидов и Луны. Астероиды теряют массу при метеоритной бомбардировке. Согласно экспериментальным данным японских исследователей – участников проекта межпланетного зонда «Хаябуса», астероид (25143) Итокава, двигающийся в зоне между Землей и Марсом, теряет за миллион лет поверхностный слой толщиной во многие десятки сантиметров. За 4.5 миллиарда лет это составит слой в 2–3 километра. В зоне астероидного пояса обстрел микрометеоритами был интенсивнее, при этом плотность пылевого облака в прошлом должна быть гораздо выше, так как масса астероидного пояса была гораздо больше. Можно сделать вывод, что астероиды за время своей жизни могут терять поверхностный слой толщиной в десятки и даже сотни километров – что и объясняет тот факт, что масса современного пояса астероидов составляет менее 0.1% от ранее существовавшей.

Таким образом, каждый астероид за космогоническое время постепенно худеет, разбрасывая во все стороны потоки пыли, которые по интегральной массе намного превосходят современный остаток астероида. С точки зрения пригожинской концепции самоорганизации астероид, источающий потоки пыли, – это типичная открытая система, склонная к образованию структур. Худеющий астероид создает вокруг себя пространство возможностей. Спутники астероидов являются самоорганизующимися структурами, которые вырастают, питаясь улетающей с астероидов пылью. Достаточно создать совсем небольшой, затравочный диск вокруг астероида (создание таких аккреционных дисков из пролетающих частиц детально обсуждается в монографии Е.Л. Рускол «Образование Луны»), как он начинает эффективно перехватывать улетающее вещество, причем сортируя его: обратные (по отношению к вращению диска) частицы сбрасываются на планету, а прямые – захватываются в диск, увеличивая его массу. Численные расчеты показали, что в результате даже изотропного обстрела астероида метеоритами, вокруг него вырастает прямой, то есть вращающийся в том же направлении, что и сам астероид, диск с пиком плотности в несколько радиусов центрального тела.

Рис. Мультиимпактная модели образования спутников

Чем отличается образование Луны от образования спутников астероидов? Ничем принципиальным. Метеориты, которые с огромной скоростью сталкивались с поверхностью астероида и выбрасывали с него потоки рыхлого поверхностного вещества, имеющие уже гораздо меньшую скорость (порядка 10 м/сек, как показано лабораторными экспериментами в ходе проекта “Dawn”), заменяются, в случае Луны, на крупные тела (планетезимали) – с размером в десятки и сотни км, возможно, вплоть до 1000 км. Но даже тысячекилометровые планетезимали всё равно в сотни раз легче Теи. Таким образом, Луна возникла вследствие не одного катастрофического удара, а благодаря множеству гораздо более умеренных столкновений, которые забросили часть вещества из земной мантии в протолунный диск, превратившийся потом в Луну. Это решает проблему одинаковости изотопного состава, отсутствия глобального расплавления Земли и другие проблемы теории мегаимпакта. Луна образовалась совсем рядом с Землей – на 3–4 планетных радиусах – и лишь потом была отодвинута на расстояние в 60 радиусов Земли, что подтверждается расчетами приливной динамики нашего спутника (Луна и сейчас отодвигается от Земли со скоростью 4 см в год).

Аналогичная теория происхождения Луны вследствие не мегаимпакта, а ряда более мелких ударов, независимо развивается московской космогонической группой Сафронова-Рускол-Витязева-Печерниковой (результаты этой модели изложены в свежем обзоре Adushkin V.V., Vityazev A.V, Pechernikova G.V. Development of the Theory of the Origin and Early Evolution of the Earth. In: Problems of Biosphere Origin and Evolution. V.2. Ed. E.M.Galimov, 2014). Именно в этой группе ранее развивалась модель аккреционного образования Луны, которая приводила к слишком маленькой Луне. Согласно расчетам московских специалистов, максимальный размер тел, падающих на Землю, не превосходил 1% от массы Земли, то есть был «лунных», а не «марсианских» масштабов. Это сразу делает модель мегаимпакта нереалистичной.

Новая парадигма планетологии, в которой недавно открытые спутниковые системы астероидов и спутники земноподобных планет получили равноправие, требует создания универсальной модели образования Луны и спутников астероидов. Усилиями крымских и московских учёных такая модель была предложена – и она объясняет сразу три ключевых проблемы современной планетологии: потерю массы пояса астероидов, возникновение многочисленных спутников астероидов (на которые пошла эта потерянная масса) и рождение Луны. Для новой модели не требуется никаких уникальных событий и она лучше согласуется с космохимическими данными, чем теория катастрофического мегаимпакта. Данная мультиударная модель образования Луны соединяет в себе наиболее важные и достоверные элементы американской теории мегаимпакта (выброс вещества земной мантии в космос при соударении с крупным телом) и российской аккреционной модели (существование долгоживущего протоспутникового диска), одновременно избавляясь от трудностей обеих концепций.

https://don-beaver.livejournal.com/164361.html?fbclid=IwAR1-CiAIJ4d52_Cnlu1GknHDwGJJ6pQcwVi3LJ7UGHtuw_h5sTAoxP80DkU