Как нам известно, существует ровно три способа, с помощью которых планета может “обзавестись” спутником (или спутниками).
Первый способ – формирование спутников из околопланетного диска, когда материал, накапливающийся вокруг протозвезды, образует не только несколько планетезималей, которые в дальнейшем растут и развиваются, но и когда вокруг самых крупных протопланет начинают возникать собственные диски, в которых позднее формируются спутники. В первую очередь, этот способ относится к газовым гигантам и, вероятно, именно он ответственен за появление большинства лун в системах Юпитера, Сатурна и Урана.
Второй способ – это гравитационный захват, который объясняет появление спутников с причудливой орбитой и плотностью, которые не совпадают с материалом родительской планеты. Это относится к таким лунам как Феба Сатурна или Тритон Нептуна, которые, вероятно, появились в поясе Койпера.
И, наконец, третий путь – это крупное столкновение, в результате которого образуются обломки, которые объединяются в один или несколько естественных спутников: это вероятное происхождение не только Луны Земли, но и всех спутников Плутона.
Ни один из этих способов не способен объяснить появление двух небольших спутников Марса: Фобоса и Деймоса. На первый взгляд, существование этих объектов кажется невозможным само по себе. Но к счастью, когда мы начинаем складывать все части головоломки вместе, один сценарий всё же выделяется среди всех остальных.
Изображение: NASA / JPL-Калифорнийский технологический институт
Когда речь заходит об исследованиях планет, находящихся за пределами Солнечной системы, не стоит забывать, что само обнаружение спутника у экзопланеты довольно затруднительно. Прямое изображение помогает выявить присутствие небольшого количества материала вокруг вновь формирующейся протопланеты – верное свидетельство околопланетного диска, который почти наверняка вырастет в один или несколько спутников. Но не помогает определить спутники вокруг уже сформировавшихся экзопланет.
Аналогичным образом ограничен метод транзитной фотометрии. Когда с точки зрения земного наблюдателя экзопланета проходит по диску своей родительской звëзды, она блокирует часть исходящего от светила излучения. Благодаря этому можно узнать физический размер и период обращения планеты. Если у этих экзопланет есть свои спутники, они могут спровоцировать дополнительные провалы яркости при транзите, а также могут привести к изменениям во времени прохождения планеты.
К сожалению, неравномерно отражающая планета может демонстрировать сигнал, который наблюдательно неотличим от комбинации планета/спутник. Гравитационное притяжение других объектов (в данном случае не являющимися спутниками), таких, как ещё не обнаруженные планеты, также может вызывать подобные изменения во времени прохождения.
Изображение: NASA GSFC / SVS
В итоге, для того чтобы понять, как образуются или появляются спутники, нам остаётся лишь обратиться к истории Солнечной системы. Однако, когда речь заходит о формировании спутников Марса, ни один из трёх методов не годится.
Почему спутники Марса “невозможны”
Вариант с образованием спутников из околопланетного диска, по-видимому, применим лишь к мирам, которые оказались достаточно массивны. Жёсткое доминирование на собственных орбитах являлось ключом к вопросу о большом разнообразии малых тел у Юпитера и Сатурна. Только собрав большое количество массы в одном месте, планета могла “затянуть” достаточно материала в свой гравитационный колодец для создания собственной лунной системы. Проще говоря, Марс оказался слишком мал для формирования спутников.
Вариант номер два – гравитационный захват – выглядит более заманчиво и правдоподобно, особенно учитывая визуальное сходство спутников Марса с другими астероидами. Однако в подобных случаях захваченные тела всегда оказываются на орбитах, ориентированных в пространстве совершенно произвольно: часто наклонных и с такой же вероятностью ретроградных (противоположных вращению планеты), как и прогрессирующих (в том же направлении, что и её вращение). Тем не менее, Фобос и Деймос не только вращаются в одной плоскости друг с другом: они вращаются в пределах ~1° от плоскости вращения Марса.
Остаётся последний вариант – столкновение. Но как оказалось, и этот метод не применим к спутникам Красной планеты: независимо от того, какие данные вводились для компьютерного моделирования – удар большой или малой массы, угол удара и т. д. – не существует комбинации параметров, которые в итоге приводят к образованию двух небольших спутников.
Изображение: Wikipedia
Может возникнуть соблазн сделать вывод, что Марс – это загадка, и решение вопроса о происхождении его спутников не по зубам нашей науке. Но чем больше мы изучаем Красную планету, тем больше доказательств оказывается в наших руках, ведь обычный взгляд на оба эти спутника не расскажет нам настоящую историю. То же самое можно сказать и о самой знакомой луне в Солнечной системы: нашей собственной.
Происхождение Луны
Над этим вопрос долго ломали голову. В 80-х учёные предполагали, что Луна была захвачена гравитационным полем Земли и стала её спутником, несмотря на то, что она вращается вокруг неё в направлении прогрессии, отклоняясь от плоскости орбиты Земли всего на 5°.
Изображение: J.J. Bellucci et al., Earth and Planetary Sci. Lett., 2019
На протяжении всей истории выдвигалось множество гипотез о происхождении Луны, но современный анализ материалов, доставленных миссиями программы “Аполлон”, в значительной степени прояснил эту запутанную историю. Земля и Луна, как определено путём анализа элементов и изотопов, из которых состоят их поверхностные породы, имеют одинаковые соотношения изотопов кислорода, что является отличительной меткой между нашей планетой и любой другой.
Это указывает не только на общее происхождение отобранных проб, но и на возраст нашего спутника – он почти так же стар, как и самые старые объекты в Солнечной системе.
- Лунные образцы, доставленные в ходе миссии “Аполлон-14”, содержали фрагменты циркона, которые позволили провести невероятно точное ураново-свинцовое радиоизотопное датирование, которое показало возраст Луны – 4,51 миллиарда лет.
- Объединив данные о теплопроводности лунной коры с охлаждающими свойствами гипотетического океана лунной магмы и различиями в возрасте и составе лунных пород, была получена оценка возраста в 4,43 миллиарда лет.
Луна появилась на заре формирования Солнечной системы, но значительно позже завершения формирования планет. Происхождение Луны в результате столкновения Земли с другим телом – самая популярная на сегодня гипотеза, которая объясняет все эти факты.
Википедия
Объяснение появления “невозможных” спутников Марса
Учитывая, что для раскрытия происхождения нашей собственной луны необходимо объединить так много данных, имеет смысл собрать всю потенциально важную информацию о Марсе и его спутниках. Конечно, наше моделирование показало, что никакая комбинация параметров столкновения не привела бы к появлению двух небольших спутников вокруг Красной планеты, но это не исключает сценария столкновения для происхождения Фобоса и Деймоса.
Наблюдательные науки, такие как астрономия, принципиально отличаются от лабораторных, где вы можете выполнять свои эксперименты и контролировать их. В наблюдательной науке всё, что вы можете получить – это снимок того, как выглядит система, которую вы исследуете, за очень короткий промежуток времени. Спутники Марса были открыты в конце 19 века, менее 150 лет назад. Утверждение, что у Марса две луны, безусловно, правомерно, но мы не должны забывать о том, что чуть раньше эта система могла выглядеть совсем иначе.
Изображение: ESA/DLR
Когда мы смотрим на Марс, легко заметить многочисленные и разнообразные особенности его поверхности, которые могут многое нам рассказать о прошлом Красной планеты. Марс имеет красноватый цвет, свидетельствующий о большом количестве оксида железа. Атмосфера Марса богата как водяным паром, так и углекислым газом, которые могут окислять железо, а также указывают на наличие рек на поверхности планеты и гораздо более плотной атмосферы в её прошлом.
Но ещё одной впечатляющей особенностью Марса является его сильно изрытая кратерами поверхность, представленная как возвышенностями, так и низменностями. Возможно, наиболее разительное отличие наблюдается между северным и южным полушариями Красной планеты. Хотя топографическое разнообразие присуще обоим полушариям, северное можно представить как огромную впадину, где по какой-то причине примерно 50 процентов поверхности примерно на пять километров ниже по высоте, чем остальная часть планеты.
Источник: Mars Global Surveyor (MOLA)
И это на самом деле удивительно. Даже в таком геологически активном мире, как Земля, невозможно представить такую ситуацию. Как правило, довольно трудно “слепить” планету таким образом, особенно если её структура определяется постепенными внутренними процессами. Однако есть простой и действенный способ создать большой глубокий бассейн на поверхности планеты: столкновение. Заметьте, это не тот тип удара, который создал Луну, для чего потребовалось тело размером с Марс, поразившее мир, почти такой же большой, как Земля. Это столкновение было менее эффектным, возможно, с телом размером с Палладу (третий по величине астероид в Главного пояса астероидов, значительно уступающий Церере, но почти такой же массивный, как Веста).
Изображение: LabEx UnivEarthS / Парижский университет Дидро
Я не пытаюсь предположить, что это столкновение породило обломки, которые затем создали только два спутника. Это не согласуется ни с одним реалистичным сценарием. Вероятнее всего, история была такая:
- Раннее крупное столкновение привело к образованию большого облака обломков;
- Из этого облака обломков образовалось не две, а три луны;
- Самый внутренний спутник был самым большим, за ним следовал Фобос, а затем Деймос;
- В конце концов самая внутренняя луна упала на Марс.
И этот механизм образования спутников Марса – самый реалистичный сценарий на сегодняшний день, не имеющий серьёзных противоречий с набором имеющихся данных. В этом случае моделирование показывает формирование внутреннего спутника диаметром в несколько сотен километров и его падение на поверхность планеты в тот самый момент, когда на Земле началось зарождение жизни.
NASA
Конечно, существует верный способ для того чтобы убедиться, что Фобос и Деймос сделаны из того же материала, что и Марс: совершить посадку на поверхность одного из спутников, взять образцы грунта и отправить их на Землю. Вот именно этим и займётся японский космический аппарат для исследования спутников Марса MMX. Аппарат совершит высадку на Фобосе в 2024 году, соберёт материал и отправит его на Землю до конца десятилетия, аналогично тому, что делали предыдущие миссии по возвращению образцов с астероидов Итокава и Рюгу.
Вот уже более ста лет – практически всё то время, что мы наблюдаем за Марсом – астрономы задаются вопросом о происхождении двух его спутников. Однако тот факт, что человечество существует всего лишь астрономическое мгновение, значительно затрудняет реконструкцию истории Солнечной системы. Несмотря на это, на сегодняшний день в наших руках достаточно улик, чтобы восстановить историю, которая и расскажет нам, как возникла и сформировалась Солнечная система.