Книга Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба - Эрик Асфог

Теперь сделаем большой шаг назад и окинем одним взором общее положение вещей. Миграция планет-гигантов имела место и изменила первоначальную архитектуру Солнечной системы. Ученые предложили много моделей, которые объясняют определенные факты, такие как маленькую массу Марса, или существование рассеянной популяции объектов пояса Койпера, или резонанс орбит Нептуна и Плутона, или Позднюю тяжелую бомбардировку Луны, если она действительно имела место[198]. Но у нас нет никакой определенности по поводу того, как и когда все это случилось, в каком порядке и какие изменения вызвало. Прибавим к этому все растущее число доказательств того, что Солнечная система очень необычна, и от регуляторов на панели управления моделями начинают отлетать ручки.

* * *

Несмотря на неопределенность по поводу того, где он появился на свет и какой путь прошел, Юпитер может оказаться образцом того, как происходит образование спутников вокруг газовых гигантов по всей Галактике. Современная точка зрения состоит в том, что галилеевы спутники зародились в конце формирования Юпитера (задолго до того, как начались только что описанные орбитальные перестроения) из массивной протоспутниковой туманности, состоящей изо льда и пыли. Первые из этих спутников не дошли до нас или, можно сказать, наоборот, дошли, потому что, как только они сформировались, их затянуло внутрь Юпитера в результате гравитационных взаимодействий с диском[199]. (Если спутник достаточно массивен, он вызывает в газовом диске волны плотности, создавая асимметричную силу, подобную приливной.)

Эти крупные спутники диаметром в тысячи километров один за другим по спирали погружались в толщу Юпитера в рамках поздней стадии его аккреции. Но состоящее из металлического водорода ядро Юпитера, быстро вращаясь и взаимодействуя с полем Солнца, создало мощную динамо-машину[200], магнитное поле которой расчистило «дырку от бублика» в окружающем планету газопылевом облаке. После того как вокруг Юпитера (согласно этой теории) сформировался такой просвет, вызванная взаимодействием с диском миграция недавно образовавшихся спутников внутрь планеты стала невозможной, и, когда из пыли и льда появился новый спутник, он остановился на краю этой дыры. Это была Ио.

Начав свое существование как ледяной мир, Ио теперь очутилась прямо рядом с пышущим жаром новорожденным Юпитером. Следующим ледяным телом, двигающимся по такой спирали, стала Европа, чья миграция прекратилась, когда она попала в орбитальный резонанс 2:1 с Ио, как граммофонная игла, угодившая в глубокую борозду на пластинке. Поскольку Европа остановилась дальше от Юпитера и позже Ио, большая часть воды на ней сохранилась. Затем последовал Ганимед, названный в честь молодого пастушка, которого Зевс похитил, чтобы сделать своим виночерпием (все галилеевы спутники получили названия в честь смертных возлюбленных Зевса); его миграция завершилась резонансом 2:1 с Европой.

Эта сплоченная троица сформировала то, что позднее назвали резонансом Лапласа в честь французского энциклопедиста Пьера-Симона Лапласа, который доказал высокую стабильность такого трио. Согласно его теории, четвертый галилеев спутник, очаровательная Каллисто, должна была пройти по этой спирали последней. Но туманности к тому времени уже не было, так что миграция Каллисто закончилась до того, как она попала в резонанс с Ганимедом. Если большинство планет-гигантов во Вселенной формируются по типу Юпитера, мы можем ожидать, что вокруг них, как правило, возникают системы спутников, которые в конце концов оказываются на резонансных орбитах. Это важно, поскольку обеспечивает таким спутникам долговременный источник внутреннего приливного тепла, способный поддерживать жизнь.

Спутники в цепи Лапласа оказываются на эллиптических, а не круговых орбитах. Они испытывают периоды сильного и слабого воздействия приливных сил и соответственно деформируются, то приближаясь к Юпитеру, то отдаляясь от него во время каждого оборота вокруг планеты. Это приводит к приливному рассеянию энергии, которое заставило бы их орбиты расширяться, если бы только каждый спутник мог мигрировать без своих товарищей по резонансу. Итог напоминает хорошо сбалансированный часовой механизм, который может стабильно работать в течение десятков миллиардов лет, дольше, чем просуществует сама Солнечная система. Обусловленный трением приливный разогрев довольно значителен, и он существует не только в теории – просто посмотрите на Ио, спутник размером с Луну, находящийся всего в пяти радиусах от центра Юпитера. Она покрыта вулканами и является самым геологически активным телом в Солнечной системе.

Приливный разогрев резко падает при увеличении расстояния от Юпитера: приливные силы уменьшаются, а период обращения увеличивается, так что частота приливных колебаний снижается. В силу этого приливный разогрев Европы гораздо скромнее, чем поток тепла, обрушивающийся на Ио. Вместе с радиоактивным разогревом его хватает, чтобы обеспечить существование океана жидкой воды под ледяным панцирем. (Поскольку вода, замерзнув, всплывает, она формирует изолирующий панцирь, который сохраняет тепло.) Ганимед также находится в резонансе Лапласа и, хотя он подогревается менее интенсивно, отчасти благодаря мощному радиоактивному разогреву тут тоже имеется океан жидкой воды. На самом деле его впечатляющая летопись геологической активности может восходить как раз к тому моменту, когда Ганимед впервые попал в резонанс Лапласа и отреагировал на шок приливного разогрева затоплением поверхности и извержениями вязкого рассола[201].

Приливный бугор на планете вращается перед подспутниковой точкой. Это вызывает несбалансированную силу притяжения, которая придает спутнику момент импульса, заставляющий его двигаться по спирали вовне (в данном случае). У спутника есть собственный приливный бугор, но после приливного захвата (который происходит быстро) он застывает на одном месте, указывая прямо на планету так, как на рисунке. Однако, если орбита спутника является эксцентрической, его приливный бугор (сильно преувеличенный на рисунке) начинает немного колыхаться туда-сюда. Эти периодические деформации становятся причиной трения, вызывающего исключительную вулканическую активность на Ио и лежащего в основе геологических процессов на других спутниках. Приливный разогрев внутри ранней Луны был достаточно большим, чтобы поддерживать ее в расплавленном состоянии. С тех пор (из-за приливного бугра, вызываемого ею на Земле) она удалилась на ширину дюжины страниц (в масштабе рисунка), так что теперь ее приливный разогрев незначителен