Почему Луна не считается планетой?
Солнечная система наполнена множеством небесных тел, которые различаются по размеру и форме. Среди этих объектов, вращающихся в космосе, естественные спутники относятся к особой категории. Наша собственная Луна не является исключением и также относится к категории спутников. Луна отличается своими размерами. Наша Луна относительно велика по сравнению с Землей. Ее размер составляет примерно четверть размера нашей планеты. Для сравнения: диаметр Луны, составляющий 3474 км, больше, чем у карликовой планеты Плутон.
Но если Луна больше Плутона, почему наша Луна не считается планетой?
Луна не является планетой, поскольку не соответствует трем критериям, определяющим планету.
Согласно Международному астрономическому союзу, чтобы считаться планетой, небесное тело должно соответствовать трем определенным критериям:
- Планета должна вращаться вокруг Солнца
- Он должна быть сферической
- Планета должна очистить свое окружение от всех других небесных тел (кроме своих спутников)
Согласно этому определению, Луна не может быть классифицирована как планета. Поскольку Луна вращается вокруг Земли, а не вокруг Солнца, она попадает в категорию естественных спутников. Но когда мы изучаем Луну более внимательно, мы видим, что эти категории иногда могут быть несколько искусственными.
В чем разница между спутником и планетой?
В отличие от спутников, планеты должны соответствовать трем особым критериям. А вот спутники, напротив, характеризуются более простым определением. Если объект вращается вокруг Солнца, его называют планетой. Если он вращается вокруг небесного тела, отличного от Солнца (обычно планеты), его называют луной или спутником.
Ученые классифицируют небесные тела, чтобы лучше понять природные явления. Однако иногда это приводит к появлению категорий, которые могут показаться условными.
Почему, например, небесные тела, так похожие друг на друга, такие как Меркурий, Церера и Плутон, считаются соответственно планетой, астероидом и карликовой планетой? Хотя объекты, чрезвычайно отличающиеся друг от друга, такие как Земля и Юпитер, оба квалифицируются как планеты? Чтобы учесть различия внутри категорий планет, ученые установили различные типы планет: карликовые, каменистые, газовые гиганты и т.д.
Можно ли считать Луну планетой?
Знаете ли вы, что наша Луна имеет много общих черт с планетами?
Как и Земля, наша Луна имеет кору, мантию и ядро. Это означает, что при формировании Луны она в первую очередь формировалась как планета. Ученые считают, что эти внутренние слои присутствуют под поверхностью большинства планет. Марс, вероятно, имеет кору, мантию и ядро, как и Венера и Меркурий.
На Луне также наблюдалась вулканическая активность
Темные пятна на поверхности Луны — это результат потоков лавы, вышедших на поверхность давным-давно. Хотя вулканическая активность на Луне прекратилась около 3 миллиардов лет назад, миссии «Аполлон» зафиксировали тысячи землетрясений на Луне. Правильнее называть их лунотрясениями. Лунотрясения говорят нам о том, что Луна не является геологически мертвой. За своим холодным и замороженным видом Луна все еще геологически жива. Даже сегодня под поверхностью нашей Луны происходят геологические явления, аналогичные земным.
Почему Луна не считается планетой?
Хотя Луна имеет много общих характеристик с планетами, она не вращается вокруг Солнца как планеты.
Кроме того, Луна не имеет таких размеров и гравитационного притяжения как планета. Поэтому Луна — это просто объект-спутник, который не является ни звездой, ни планетой.
Для того чтобы Луна считалась планетой, она должна была бы вращаться вокруг Солнца по прямой орбите.
В конце концов, единственное, что отличает многочисленные спутники от таких планет, как Земля и Марс, — это небесное тело, вокруг которого они вращаются.
Спутники вращаются вокруг планет, в то время как планеты вращаются вокруг звезды.
Но если однажды мы обнаружим спутник, который имеет атмосферу и на котором есть жизнь, будем ли мы считать его спутником. Должно ли определение планеты учитывать наличие жизни на ее поверхности? Это вопросы, на которые ученым обязательно придется ответить в один прекрасный день.
Можно ли считать Луну планетой?
Есть много странных лун в нашей Солнечной системе, но наша, пожалуй, самая странная. Хотя бы потому, что она весьма большая. Практически как планета. Луна составляет одну четвертую по размеру от Земли. За исключением Плутона и Харона, соотношение размеров Луны и Земли самое крупное из спутников-планет нашей звездной системы.
Луна еще и так велика, что не совсем соблюдает орбиту Земли. Оба тела вращаются по орбите вокруг точки между ними, это центр тяжести. Он находится примерно в полутора тысячах километров ниже поверхности Земли — но все еще в четырех тысячах километров от центра нашей планеты. В результате этого вращение системы Земля-Луна по мере их кружения вокруг Солнца напоминает что-то вроде раскрученной гантели с разными грузами на концах.
Другой момент, который отделяет Луну от других естественных спутников в Солнечной системе — ее орбита ни в какой точке не является выпуклой по отношению к Солнцу, то есть не изгибается в его сторону. Причина в том, что гравитационное притяжение Солнца на Луне больше, чем Земли.
Вот так выглядят орбиты Земли и Луны:
Почему же тогда Луна не считается планетой? И значит, система Земля-Луна — это система двойных планет?
Основная причина, которая не позволяет рассматривать Землю и Луну в качестве двойных планет, — центр тяжести лежит под поверхностью Земли. Если бы Луна была на треть тяжелее или на треть дальше, центр тяжести лежал бы выше поверхности Земли, и два мира поистине были бы двойными планетами. А поскольку система таковой не является, единственное возможное назначение для нашей Луны — спутник.
Нет, Луна официально не считается планетой, несмотря на факт наличия у нее многих планетарных параметров. Что только подчеркивает произвольное определение слова «планета» и размывает критерии. Очень многие астрономы недовольны дефиницией «планеты» на сегодняшний день.
Почему, например, миры, у которых так много общего, Меркурий, Церера и Плутон считаются планетой, астероидом и карликовой планетой соответственно, а миры с огромными отличиями, Земля и Юпитер считаются планетами? Может быть нам нужна еще одна категория вдобавок к карликам, земным типам, газовым гигантам и другим, в которую можно будет включить Луну?
Кстати, не так давно новую луну нашли у Плутона.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Для защиты марсоходов Curiosity и Perseverance от поломки, агентство NASA использует стяжки из пластика. �� Пользователям это показалось очень странным, потому что организация с миллиардами долларов могла позволить себе что-то покруче. Но стяжки, как оказалось, совсем не простые…
Инопланетный космический корабль, спрятанный на околоземной орбите, смог бы увидеть огни городов и загрязнения нашей атмосферы. Но что, если бы он искал приз…
Начиная со знаменитого романа Герберта Уэллса “Война миров”, вот уже на протяжении 100 лет человечество рассматривало последствия и конфликты, которые могут …
Луна — планета или нет? Описание, история исследований, фото
В 1608 году мастер Иоанн Липперсгей представил миру созданную им подзорную трубу. Этот год считается датой изобретения телескопа. С его помощью человечество смогло более подробно впервые рассмотреть космический спутник своей планеты. Луна с тех пор является наиболее изученным космическим телом, а также первым, на котором побывал человек. После Солнца Луна считается наиболее заметным космическим объектом на нашем небосводе, поэтому человечество всегда проявляло особый интерес к ней. В настоящее время ночное светило, многократно воспетое поэтами, считается объектом наиболее пристального изучения. Однако до сих пор ведутся споры относительно того, что собою являет Луна — это планета или нет? В данной статье мы поговорим об этом более подробно.
Что такое Луна
Благодаря астрономическим исследованиям людям известно очень много информации о самом близком к Земле космическом объекте. Однако некоторые люди до сих пор задаются вопросом о том, что такое Луна — планета или звезда. Чтобы однозначно ответить на данный вопрос, следует разобраться в основных понятиях данных небесных тел.
Происхождение
Луну можно назвать привычным украшением ночного небосвода. Мало кто задается вопросом, откуда она появилась. Многие уверены, что Луна была всегда. Однако именно происхождение нашего естественного спутника является одной из самых главных тайн. В настоящее время существует множество теорий по данному счету, каждая из которых имеет свои подтверждения, а также аргументы в пользу несостоятельности. На основе всех данных можно выделить три главных официальных гипотезы происхождения Луны:
- Она и Земля сформировались из одного протопланетного облака.
- К появлению Луны привело столкновение нашей планеты с большим космическим объектом.
- Полностью сформированный спутник Земли был захвачен нашей планетой.
Понятие звезды
В среде астрономов звездами принято называть газовые массивные шары, излучающие свет и удерживающие равновесие при помощи сил собственного притяжения. В недрах звезд происходят реакции так называемого термоядерного синтеза, а температура там измеряется в миллионах кельвинов.
Как правило, звезды отличаются большим диаметром и высокой массой. Химический состав этих тел представляет собой набор весьма легких элементов, вес которых, как правило, составляет меньше веса гелия. Луна имеет шарообразную форму. В ее составе преобладают тяжелые элементы, например магний, титан, кремний, железо, натрий. Внутри нашего ночного светила не наблюдается никаких термоядерных реакций, температура Луны варьируется в широком диапазоне -160. +120 °С.
Звезда или нет
Так все же, Луна — это звезда или планета? Она имеет собственное гравитационное поле, способное спровоцировать отливы и приливы в Мировом океане нашей планеты, но при этом не способно притягивать крупные объекты к себе. На основе этого можно сделать вывод, что Луна звездой ни в коем случае не является. Что же это тогда? Разбираемся дальше.
Что такое планета?
В астрономии есть четкое определение данного термина. Так называется небесное тело, вращающееся по орбите вокруг звезды. Оно должно обладать достаточным объемом гравитационных сил, чтобы приобрести круглую форму, но при этом его массы не хватает для реакций термоядерного синтеза. Многие спрашивают: «Луна — планета или звезда?» Мы с вами уже сделали вывод, что данное небесное тело не является звездой. Основная часть планет состоит из наиболее тяжелых элементов. Однако астрономам известны объекты, у которых в составе преобладают газы: водород, гелий, метан.
Каждая планета образовывалась из жидкого состояния. В течение многих лет наиболее тяжелые элементы сконцентрировались в центре, сформировав ядро, а наиболее легкие остались на поверхности.
Луна — планета или нет?
Весьма часто встречающийся вопрос, на которой порой не могут дать вразумительный ответ даже взрослые. Что ж, давайте попробуем разобраться, является Луна планетой или нет. В целом она соответствует вышеописанным параметрам, то есть в свой состав включает тяжелые вещества, имеет округлую форму и ядро, которое при этом богато железом. Но следует обратить внимание на то, что это небесное тело обладает особенностями, которые не присущи планетам. Прежде всего, у Луны внутреннее ядро довольно маленькое. Кроме того, она имеет невысокую силу притяжения.
Если у большинства данных космических тел ядро в радиусе составляет примерно 50% от общего размера, то у нашего ночного небесного светила оно занимает всего около 20%. Кроме того, отвечая на вопрос о том, Луна — это планета или нет, следует также выделить еще один важный признак. Он заключается в способности планет очищать собственную орбиту от других объектов из космоса. У Луны отсутствует данная способность, поэтому на ее поверхности часто можно встретить небесные крупные тела и разный космический мусор. Таким образом, можно окончательно сказать, что Луна планетой не является. А теперь стоит подробно ознакомиться с определением спутника.
Определение спутника
Мы с вами разобрались, что Луна планетой или звездой не является. Что можно сказать о спутниках? Так называются объекты, вращающиеся по некоторой траектории около других космических тел. Движение их происходит благодаря действию гравитации. При этом орбита может быть как изменяющейся, так и стабильной.
Небесное тело может стать спутником только в том случае, если оно было захвачено гравитационным полем своей космической соседки при своем движении в космосе или же сформировалось из того же газопылевого облака, из которого была образована сама планета. Ну что можно сказать о ночном светиле? Вокруг нашей планеты Луна действительно вращается по заданной орбите, но история ее происхождения будет немного иной. Полагается, что более четырех миллиардов лет назад Земля, бывшая еще протопланетой, в космосе столкнулась с себе подобным телом, называвшемся Тейей.
Данное столкновение произошло по касательной, а далее на околоземную орбиту попало множество обломков, из которых в будущем якобы и образовалась Луна. Несмотря на такую историю, астрономы считают, что Луна является спутником Земли.
Когда у вас спросят: «Луна — это спутник или планета?», вы сможете дать однозначный ответ, что данное тело является спутником Земли.
Спорный вопрос
Впрочем, в последние годы некоторые ученые пытаются доказать, что это небесное тело является все же планетой. Свои выводы, что Луна — это планета, они строят на том, что среди остальных спутников всей Солнечной системы она занимает определенное положение. Прежде всего, у небесного тела слишком большая масса, если сравнивать его с другими спутниками. Также Луна располагается на весьма большом расстоянии от Земли, чтобы быть захваченной ее гравитационной силой. Кроме того, загадочная небесная красавица вращается около нашей голубой планеты не в плоскости экватора, что нехарактерно для настоящих спутников.
Именно по этой причине вопрос о том, что такое Луна — планета это или спутник, по-прежнему остается открытым для многих. Возможно, в ближайшем будущем астрономы смогут признать Луну самостоятельной планетой, однако во всех современных учебниках по астрономии она представляет собой спутник.
Общее описание Луны
Это небесное тело, которое веками сопровождало нашу Землю. Она не излучает света, но способна его отражать. У нас она считается спутником Земли, как мы разобрались с вами выше, который ближе всего находится к Солнцу. По яркости на нашем небосводе Луна считается вторым светилом после Солнца. Человечество всегда наблюдает только за одной ее стороной, так как вращение Луны является синхронным с вращением Земли вокруг собственной оси. Движется она вокруг нашей планеты неравномерно, то отдаляется, то приближается к ней. Многие астрономы издавна пытались разгадать тайну особенностей ее движения. Данный процесс является невероятно сложным, на который также влияет сплюснутость планеты и даже притяжение Солнца.
Поверхность Луны
Когда мы смотрим на нашу загадочную спутницу, она кажется нам желтой, светящейся изнутри. Иногда она бывает почти белой или темно-оранжевой, но всегда очень красивой. Все эти метаморфозы вызваны тем, что смотрим мы на Луну через земную атмосферу. В ней во взвешенном состоянии находятся миллионы различных мелких частичек, способных менять спектр отраженного света.
На самом деле поверхность Луны далеко не желтая и не серебристая. На ней можно наблюдать равнинные участки, называемые морями. По сути, это огромные кратеры, возникшие от столкновения с космическими объектами и заполнившиеся лавой. Кроме того, на Луне есть возвышенности, образующие гористый рельеф.
Начало исследований
Еще в древние времена данное небесное тело тревожило человечество, не давая ему покоя. Первые исследования спутника Земли проводились еще Гиппархом во втором веке до нашей эры, который пытался описать движение Луны, вычислить ее размеры, а также расстояние до нее от Земли.
Как уже было сказано ранее, в 1608 году был изобретен телескоп. Благодаря ему астрономы смогли изучать поверхность спутника, разглядеть на нем горы и кратеры. В результате в 1651 году Джованни Риччиоли создал первую лунную карту. В те времена и зародился термин «море», который обозначал темные зоны поверхности Луны. Их астрономы начали называть в честь известных личностей.
На помощь астрономам в XIX веке приходит фотография, позволившая производить наиболее точные исследования рельефа спутника. В результате этого через некоторое время был создан фотографический атлас.
Американцы на Луне
Соединенные Штаты Америки явно отставали в освоении лунных просторов, так как первые успехи принадлежали именно Советскому Союзу. В 1961 году президент США Кеннеди сделал серьезное заявление о том, что в 1970 году люди высадятся на спутнике планеты. И это будут американцы.
Чтобы осуществить подобный план, нужна была надежная почва. Для этих целей тщательно изучались снимки поверхности Луны, проводились исследования аномальных явлений на ее поверхности.
Первый пробный пилотируемый полет, который осуществлялся без высадки, произвел «Аполлон-8». Тогда космонавты сделали съемку местности, чтобы организовать будущую экспедицию. На корабле «Аполлон-10» был осуществлен второй полет вокруг спутника. Космонавты во время него опускались на расстояние до 15 километров от Луны.
После таких длительных подготовок к спутнику был отправлен «Аполлон-11», а в 1969 году, 21 июля, согласно официальным источникам информации, около моря Спокойствия высадились американцы. Самым первым на Луну ступил Нил Армстронг. Вторым был Эдвин Олдрин. Всего на спутнике космонавты находились в течение 21,5 часа.
Влияние Луны на земные процессы
Луна — естественный спутник Земли. При этом она способна влиять и на планету, и на ее жителей. Мощным эффектом обладают приливы и отливы. Силой своей гравитации спутник Земли притягивает воды Мирового океана, вызывая тем самым отлив от побережья. С противоположной стороны планеты вода при этом, наоборот, будто бы вдавливается, образуя приливы.
Человеческие биоритмы также связаны с лунным 28-суточным циклом. Дело в том, что гравитация нашего спутника воздействует на человеческие органы, а также на кровеносную систему. Психика человека тоже испытывает своего рода давление этого небесного тела. Интенсивность влияния Луны зависит от ее фазы.
Интересные факты
Мы с вами выяснили, что Луна является спутником Земли. Теперь давайте ознакомимся с некоторыми интересными фактами нашего естественного спутника:
Примерно на 4 см в год Луна отдаляется от нашей планеты.
Как вы заметили, Солнце и Луна в небе выглядят одинаково по своим размерам. Это связано с удивительным совпадением: наш естественный спутник примерно в 400 раз меньше по своему объему небесного светила, но Солнце находится в 400 раз дальше от планеты.
От поверхности Луны отражается примерно 7% солнечного света.
Заключение
Даже беспрецедентная экспедиция американцев не помогла ответить на все вопросы, связанные с Луной. Каждый день ученые узнают о ней что-то новое. Зачастую полученные данные порождают еще большее количество сомнений и загадок.
С давних времен естественный спутник Земли является уникальным объектом, который привлекает внимание человечества. В 20 веке началось масштабное освоение беспилотными спутниками космического пространства. Благодаря новейшим технологиям мы смогли «побывать» в самых отдаленных уголках нашей Солнечной системы, подробно рассмотреть поверхности Урана, Нептуна, Сатурна, Меркурия, Юпитера, а также более близких к нам Венеры и Марса. Однако до сих пор ученые не пришли к единому мнению по поводу того, является Луна спутником или планетой.
Обоснуйте вывод о том что нельзя считать луну и планеты земной группы небесными телами эволюция
Солнечная система. Вопросы происхождения планет и их спутников. Статья
Вопросы происхождения планет и их спутников. Научно-популярная статья
Согласно современным представлениям, планеты и другие тела образовались в газово-пылевом протопланетном облаке, вращавшемся вокруг Солнца. Это облако должно было иметь форму диска. В последнее десятилетие газово-пылевые диски открыты у многих молодых звезд типа Т Тельца и у некоторых звезд главной последовательности. Массы дисков варьируют от одной тысячной до одной-двух десятых массы звезды, а размеры — от нескольких десятков до сотен астрономических единиц. Ранее, 50 лет назад, образ допланетного диска мог быть воссоздан лишь на основе данных о нашей собственной планетной системе, большие планеты которой принято делить на две группы: земного типа, состоящие из твердых каменистых пород, и газо-жидкие планеты-гиганты. Уже тогда было ясно, что диск не мог быть только пылевым и в его составе должны были преобладать водород и гелий, поскольку именно они доминируют на Юпитере и Сатурне. Все остальные элементы и соединения могли находиться в конденсированной (твердой) фазе и входить в состав твердых частиц и тел, в зависимости от температуры, которая, главным образом, определялась расстоянием от Солнца. Минимальная масса диска была оценена в 0.01 М¤ (если добавить к фактической массе планет 0.0013 его массы недостающие легкие газы), но, с учетом выброса значительной части твердых тел с периферии, масса диска могла достигать 0.05 — 0.1 М.
Исследования эволюции допланетного диска, организованные О.Ю. Шмидтом в Объединенном институте физики Земли, носящем сегодня его имя, на 10 — 15 лет опередили подобные исследования на Западе и в Японии. Шаг за шагом прослежены основные этапы превращения диска в систему планет. Было показано, что в диске не могли долго поддерживаться крупномасштабные турбулентные движения, в нем вследствие оседания пыли к центральной плоскости должен был образоваться пылевой субдиск. Найден критерий гравитационной неустойчивости для дисков конечной толщины с кеплеровским вращением, позволивший оценить первичные сгущения, на которые субдиск мог распасться. Затем исследовано взаимодействие этих сгущений, их уплотнение и превращение в рой твердых тел, который, согласно первоначальному замыслу О.Ю. Шмидта, и стал исходным материалом для планет. Время образования роя — относительно короткое, порядка 10 тыс. лет. Весьма важно было определить хаотические скорости твердых тел (планетезималей), накладывавшиеся на их упорядоченное кеплеровское движение вокруг Солнца, т.е. дисперсию скоростей. Выяснилось, что скорости определялись гравитационными возмущениями от крупнейших планетезималей, которые играли важнейшую роль в построении планет. Закономерности распределения масс (либо размеров) планетезималей выведены из известных уравнений коагуляции Смолуховского с учетом гравитации тел и их дроблений при столкновениях. Оказалось, что с увеличением размеров количество тел убывает по степенному закону (например, десятикилометровых тел в 1000 раз больше, чем стокилометровых, а число километровых тел — в 1000 раз больше чем десятикилометровых), и при этом основная масса вещества сосредоточивается в нескольких наиболее крупных телах. Подобные закономерности прослеживаются для кратеров на поверхности Луны и других тел, а также у астероидов главного пояса. Крупнейшие тела — потенциальные зародыши планет. Они постепенно вычерпывали остальные планетезимали, а самые крупные могли захватывать также газ, если он еще присутствовал в диске. Как считал О.Ю. Шмидт, происходило осреднение наклонов и эксцентриситетов орбит отдельных тел и вырабатывались почти круговые орбиты планет, лежащие в одной плоскости. Процесс роста планет — длительный, для планет земной группы — порядка 108 лет, а для наиболее удаленных планет — Урана и Нептуна — 109 лет. Время роста пропорционально периоду обращения планеты вокруг Солнца и обратно пропорционально поверхностной плотности питающих тел и гравитационному сечению растущей планеты. Поверхностная плотность в диске равна массе вещества вертикального столба над единицей поверхности диска. Гравитационное сечение означает способность планеты фокусировать орбиты сближающихся с нею тел. При большой массе планеты и небольших скоростях тел гравитационное сечение может многократно превышать геометрическое сечение. Схематическое изображение образования планет из газопылевого диска было дано Б. Ю. Левиным еще в 1964 г. (на основании работ О. Ю. Шмидта, Л.Э. Гуревича и А.И. Лебединского, Б.Ю. Левина, В.С. Сафронова, Е.Л. Рускол) и стало как бы визитной карточкой группы О.Ю. Шмидта. Эти рисунки помещены на обложку сборника переводов статей О.Ю. Шмидта и его сотрудников, изданного в 1995 г. Американским Институтом физики в Нью-Йорке. Естественно, что за истекшие годы многие этапы эволюции, которые представлялись вначале лишь в качественном виде, изучены количественно благодаря разработке компьютерных моделей (с 70-х гг. на Западе, а позднее — и в нашей стране). В целом сценарий подтвердился. Интересной особенностью сценария оказалась возможность обгоняющего роста основного зародыша планеты, на которую еще в 1969г. указывал В.С. Сафронов. Этот тип аккумуляции, «runaway growth» (слово введено Дж. Везериллом по аналогии с «runaway inflation», т.е. галопирующая инфляция) способен сократить время роста планеты. Некоторые ученые пытались с его помощью получить меньшее значение для времени роста Земли, оцененное В.С. Сафроновым в 108 лет по уточненной им формуле О.Ю. Шмидта еще в 1954 г. Однако анализ сценария обгоняющего роста («runaway»), сделанный Дж. Везериллом и В.С. Сафроновым, выяснил границы его применимости: только начальный этап, пока масса зародыша меньше общей массы остальных питающих тел. В целом же время роста определяется заключительной стадией упорядоченного роста, когда все тела увеличиваются сообразно своим гравитационным сечениям. Оценка длительности роста (98% массы Земли за 108 лет) сохранилась, она подтверждается и динамическими расчетами, и данными изотопной геохимии. Рост Земли и других планет земной группы происходил в основном уже при отсутствии газовой части допланетного облака, на что указывает состав этих планет. Атмосферы и гидросферы должны были выделиться на них при дегазации и дефлюидизации первоначально твердых планетезималей, в том числе и ледяных, забрасываемых с периферии Солнечной системы возмущениями планет-гигантов. По величине углов наклонов осей вращения планет к оси эклиптики оценены размеры крупнейших тел, падавших на планеты в процессе роста.
Для Земли достаточно падения тел в одну тысячную долю ее массы, для Урана — тела с массой равной массе Земли. Позднее сотрудниками ОИФЗ А.В. Витязевым и Г.В. Печерниковой предел массы для крупнейших тел, падавших на Землю, был увеличен до одной сотой массы Земли, т.е. примерно до массы Луны. Важнейшей задачей планетной космогонии О.Ю. Шмидт считал изучение начального состояния Земли и планет на основе данных о способе их образования. Известно, что не только О.Ю. Шмидт, но и В.И. Вернадский, Г.К. Юри, И.С. Шкловский, В.В. Белоусов, А.С. Монин и другие выдающиеся ученые полностью отвергали представление об образовании Земли из раскаленного газового сгустка. Земля не могла быть также расплавленной жидкой «каплей». По идее О. Ю. Шмидта, Земля формировалась из твердых холодных тел и вначале была холодной. Сейчас, после проделанных расчетов начальной температуры Земли, можно сказать, что наша планета никогда не была полностью расплавленной, а ее недра стали горячими уже в процессе роста. Наибольший вклад в первоначальный нагрев Земли давали удары крупнейших допланетных тел, энергия которых не полностью излучалась поверхностью, а частично накапливалась на глубине гигантских ударных кратеров в сотни и даже тысячи километров. Эти удары, кроме того, создавали первичные неоднородности в строении верхней мантии Земли. Дополнительными источниками разогрева Земли служили тепло радиоактивных источников и сжатие недр под давлением вышележащих слоев. К концу аккумуляции в верхней мантии Земли уже должны были находиться разогретые очаги с температурой порядка 1500 К, в которых происходило плавление силикатных пород и шел процесс сегрегации железа в земное ядро. При этом поверхность Земли никогда не разогревалась выше 350 К.
Решающим тестом для теории образования планет служит объяснение происхождения планет-гигантов Юпитера и Сатурна, заключающих в себе 92 % массы всей планетной системы и состоящих в основном из водорода и гелия. Планеты должны были поглотить газы из допланетного диска до того, как ультрафиолетовое и корпускулярное излучение Солнца рассеяло их в пространстве, т.е. за время порядка 107 лет. Наиболее скорый способ — это распад газового диска на сгустки вследствие гравитационной неустойчивости и последующее сжатие этих сгустков в планеты. Но тогда масса диска должна была бы достигать по крайней мере 30% массы Солнца и одновременно должны были бы появиться десятки «юпитеров», имеющих первичный космический состав, идентичный с составом Солнца. Не исключено, что в системах других звезд с более массивными дисками планеты-гиганты могли возникнуть в один этап, путем гравитационной неустойчивости в газовой среде со своими сценариями дальнейшего развития. Так, несколько условных «юпитеров» должны оказывать взаимные гравитационные возмущения, приводящие к образованию планет с большими эксцентриситетами орбит. Орбиты могут пересекаться и способствовать слиянию «юпитеров» в еще более крупные тела. Возможно, что у некоторых звезд наблюдаются именно такие планеты-гиганты на довольно близких к звездам и вытянутых орбитах. Будущие исследования покажут, какова природа этих тел, получивших название «экзопланеты». Между тем в Солнечной системе существует лишь один Юпитер, в составе которого доля тяжелых элементов в несколько раз превышает их долю в Солнце, и один Сатурн, у которого примесь тяжелых элементов еще в несколько раз выше. У наиболее удаленных планет, Урана и Нептуна, совсем мало газов (лишь оболочки, содержащие около 10 % массы планет). Орбиты всех четырех планет-гигантов весьма близки к круговым, с закономерно увеличивающимися расстояниями. Такое строение и расположение планет-гигантов совместимо лишь с их образованием в два этапа: сначала аккумуляция ядер планет из конденсируемых элементов, по типу аккумуляции планет земной группы, а затем присоединение (аккреция) газа в той пропорции, в которой это было возможно в постепенно диссипирующем газовом диске. Образование Юпитера на орбите, удаленной от Солнца на 5.2 а.е., обусловлено физико-химическими условиями в допланетном диске. Приблизительно на этом расстоянии находился фронт конденсации водяного льда. Известно, что все тела, обращающиеся внутри орбиты Юпитера, либо безводны, либо содержат мало воды, но крупнейшие спутники Юпитера Ганимед и Каллисто наполовину состоят из воды, и по мере удаления от Солнца вода становится главной составной частью тел. Она преобладает на спутниках Сатурна, на Уране и Нептуне и их спутниках, а также в ядрах комет. Именно за счет конденсации льдов воды и других летучих веществ рост планетезималей в районе Юпитера мог опередить рост таковых в более близкой к Солнцу зоне астероидов. Возмущения со стороны Юпитера и крупных тел из его зоны питания могли воспрепятствовать аккумуляции «нормальной» планеты в зоне астероидов, так что ускоренный рост Юпитера (107 лет) подкрепляется еще одним аргументом. Из двух основных этапов роста планет-гигантов более длительный — аккумуляция ядер из конденсируемых элементов. Ядра должны достичь массы по крайней мере в 10 МЕ (10 масс Земли), чтобы началась эффективная аккреция газов. Процесс аккреции идет на порядки быстрее, пока поступает газ. Численное моделирование начальных стадий формирования Юпитера и Сатурна с учетом этапа обгоняющего роста их ядер, выполненное шестью американскими исследователями в 1996 г. (Дж. Поллак, О.Хубицкий, П.Боденхеймер, Дж. Лиссауэр, М.Подолак, Ю,Гринцвайг), укладывается в требуемый интервал времени. В этой работе предполагалось, что зона роста Юпитера замкнута и в ней обращается один зародыш с массой примерно 0.1 МЕ и множество одинаковых планетезималей радиусами 100 км, которые питают зародыш, а сами не растут; их хаотические скорости остаются малыми. При этом эффективное гравитационное сечение зародыша оказывается в тысячи раз больше его геометрического сечения, что и обеспечивает ускоренный рост. Принимая, что поверхностная плотность конденсируемых веществ (Z) в области Юпитера была равна 10 г/ см2, а в области Сатурна — 3 г/cм2, и что плотность газов водорода и гелия (XY) была в 70 раз выше в обеих зонах, Поллак и соавторы нашли, что зародыш Юпитера вырастает до 10 МЕ за 6 ґ 105 лет, затем следует стадия медленной аккреции газа, и ядро вместе с оболочкой достигают 20 МЕ за 8 ґ 106 лет, когда аккреция становится быстрой. То же у Сатурна достигается за 107 лет. После этого удельное содержание водорода и гелия начинает резко возрастать, и на этом работа американских ученых завершается, потому что расчеты газовой аккреции на этом этапе требуют иной численной модели.
Итальянские планетологи А. Корадини и Дж. Маньи проделали многие варианты таких расчетов и показали, что Юпитер и Сатурн по достижении их ядрами критической массы аккрецируют весь доступный газ за 104 — 106 лет. Схемы численного моделирования неизбежно упрощены, поэтому В.С. Сафроновым и автором настоящей статьи была проанализирована применимость сценария обгоняющего роста («runaway») и сделаны аналитические оценки для роста ядер планет путем аккреции. Оказалось, что темп «runaway» замедляется примерно в два раза уже на первом этапе роста ядра Юпитера до массы 10 МЕ, который занимает немногим более 106 лет. Это связано в основном с ростом дисперсии скоростей планетезималей вследствие гравитационных возмущений, вызванных растущим зародышем. Гравитационное сечение Юпитера уменьшается, но все еще остается много большим, чем его геометрическое сечение. Рост ядра до критической массы (условно 20 МЕ) укладывается в срок 107 лет. За это время хаотические скорости планетезималей достигают 2 — 3 км/c, так что планетезимали в перигелиях залетают в зону астероидов. Будучи крупнее тел астероидного пояса, залетевшие тела либо «выметают» последние, либо возмущают их движения, увеличивая дисперсию скоростей и тем самым замедляя или прекращая рост астероидов. Именно таким представляется сейчас влияние Юпитера, не позволившее образоваться единой планете вместо многих тысяч малых планет. О том, что пояс астероидов — несформировавшаяся планета, еще в 1954 г. писал О.Ю. Шмидт, но конкретный механизм, с помощью которого Юпитер помешал ее росту, тогда еще не был раскрыт. Аккреция газов водорода и гелия на ядро обеспечила быстрый дальнейший рост Юпитера до его современной массы 318 МЕ. Численные расчеты подтверждаются приближенным аналитическим выражением, в котором учитывается убыль газа как за счет его диссипации под воздействием солнечного ультрафиолетового и корпускулярного излучений, так и за счет вычерпывания зародышем планеты. Ближайшая к орбите часть зоны вычерпывается быстро, за 103 — 104 лет, более отдаленные порции газа поступают медленнее. В зависимости от степени турбулизации газа твердыми планетезималями он перетекает к растущей планете и поглощается ею за 104 — 106 лет. Разумеется, при дальнейшем росте Юпитера пространственный разброс планетезималей его зоны увеличивается. Многие из них покидают Солнечную систему, часть попадает в облако комет Оорта, простирающееся до 200 тыс. а.е. Поэтому зону Юпитера нельзя считать замкнутой, как в численной модели в работе Поллака с соавторами. Принятые этими авторами значения поверхностной плотности соответствуют полной массе допланетного диска около 0.03 М¤. С учетом потери части твердых тел из зоны планет-гигантов (включая Уран и Нептун), начальная масса диска могла составлять 0.05 — 0.1 М¤. Даже в этом случае Уран и в особенности Нептун росли медленнее других планет, за время порядка 109 лет. За орбитой Нептуна могли также вырасти Плутон и тела пояса Койпера, с радиусами до 1000 км, обращающиеся по почти круговым орбитам на расстоянии около 45 а.е. от Солнца. Под действием возмущений всех планет-гигантов многие ледяные планетезимали выбрасывались на очень большие расстояния, образуя резервуары будущих комет. Оценки показали, что самым активным «выбрасывателем» тел в облако Оорта был Нептун, тогда как возмущения Юпитера наиболее эффективны в выбрасывании тел за пределы Солнечной системы.
Происхождение естественных спутников планет
В настоящее время открыто более 90 спутников планет. В эпоху О.Ю. Шмидта их было известно в три раза меньше. В 3-м издании его «Четырех лекций о теории происхождения Земли» (1957 г.) высказана общая идея о происхождении спутников: «При образовании планет, в процессе сближения частиц с крупными зародышами планет, некоторые из частиц, сталкиваясь, настолько теряли скорость, что выпадали из общего роя и начинали обращаться вокруг планеты. Таким образом, около планетного зародыша образуется сгущение — рой частиц, обращающихся около него по эллиптическим орбитам. Эти частицы также сталкиваются, изменяют свои орбиты. В уменьшенном масштабе в этих роях будут происходить те же процессы, что и при образовании планет. Большинство частиц упадет на планету (присоединится к ней), часть же их будет образовывать околопланетный рой и объединяться в самостоятельные зародыши — будущие спутники планет… При осреднении орбит частиц, образующих спутник, последний приобретает симметричную, т.е. близкую к круговой, орбиту, лежащую в плоскости экватора планеты».Модель образования Луны, разработанную на основании этой идеи, стали позднее называть моделью коаккреции (на Западе «accretion» обозначает и «аккумуляция» и «аккреция», тогда как в русскоязычных работах «аккреция» обычно обозначает присоединение газовой среды, а «аккумуляция» — объединение твердых тел). Эта модель может быть применима к планетам земного типа, но она не исчерпывает всех разновидностей образования спутников. Так, у планет-гигантов на стадии аккреции газа должны образовываться не околопланетные рои, а аккреционные газопылевые диски.
В поясе астероидов, где процессы аккумуляции давно сменились разрушительными столкновениями, образование спутников возможно лишь путем фрагментации более крупных родительских тел. Наконец, для системы Земля — Луна в последние два десятилетия рассматривается катастрофическое происхождение как альтернатива коаккреции. Ниже мы кратко обрисуем эти разновидности на примере Луны, галилеевых спутников Юпитера и астероидной пары Ида — Дактил. Освоение Луны во второй половине ХХ в. позволило изучить ее внутреннее строение, состав, возраст многих участков поверхности, их геологию, а также приливную историю лунной орбиты. К сожалению, не удалось выработать единое мнение о происхождении Луны. Была отвергнута гипотеза Дарвина об отрыве Луны от быстровращающейся Земли, отпала гипотеза о захвате готовой Луны. Есть общее представление, что Луна образовалась в околоземном диске, но по поводу возникновения диска существуют две крайние версии. В одной из них, согласно идее О.Ю. Шмидта, предполагается постепенное пополнение диска (роя) допланетным веществом, сопутствующее росту Земли, т.е. коаккреция. Модель разработана в ОИФЗ и позднее развита группой американских ученых из Аризонского университета и Института планетных наук в г. Тусоне, США. Показано, что в околоземной рой могло быть захвачено достаточно вещества для аккумуляции Луны, если во время роста Земли плотность частиц в ее непосредственной близости в несколько раз превышала плотность «фона» допланетных частиц. Массивный спутник с прямым направлением обращения вокруг Земли мог образоваться на расстоянии в 3 — 4 раза меньшем, чем современное расстояние до Луны, что вполне согласуется с ее последующим приливным отодвиганием. Главное отличие химического состава Луны от Земли — низкое содержание железа в Луне (6-10% по сравнению с 35% в Земле) — объясняется преимущественным захватом в околоземный рой наиболее мелкой фракции допланетных частиц, которые чаще сталкиваются друг с другом. При столкновениях сильнее дробятся каменистые породы, и мелкая пыль обогащается силикатами по отношению к железу. Одновременно теряются за счет испарения летучие и полулетучие компоненты, которыми, как известно, Луна обеднена. По определению Тусоновской группы, околоземный рой работает как «композиционный фильтр», и таким образом решается проблема различий химического состава Луны и Земли. Сторонники катастрофического происхождения околоземного диска предполагают, что этот диск образовался при столкновении Земли с крупным допланетным телом, в 1,5 — 2 раза более массивным, чем Марс, — мегаимпакте.
При надлежаще направленном касательном соударении выброшенный диск обладает и большой массой и достаточным угловым моментом для формирования в нем Луны. Решение проблемы химического состава Луны авторы гипотезы мегаимпакта видят в том, что и Земля и ударившее тело уже успели расслоиться на ядро и мантию Их железные ядра остались в Земле, затем объединились в одно ядро, а диск образовался из силикатных мантий. Необходимо сказать, что, как бы решая проблемы Луны в один прием, мегаимпакт сам создает проблемы. Так, энергия мегаимпакта при столкновении ударника с Землей со скоростью 14 — 15 км/c составляет более 1039 эрг. Этого достаточно, чтобы расплавить большую часть Земли, а также испарить какую-то ее часть. Образуется горячая силикатно-магниевая атмосфера, и Земля в течение 10 — 100 лет светит как коричневый карлик — звезда с температурой фотосферы 2000 К. Необходим критический анализ возможности такого этапа в ранней истории Земли. Гипотеза мегаимпакта не объясняет почти круговой характер орбиты Земли. Ее эксцентриситет в настоящее время равен 0,017, что согласуется с участием в аккумуляции Земли крупных тел вплоть до лунной массы, но не марсианской. Подсчет В.С. Сафронова и А.М. Фридмана показал, что при мегаимпакте эксцентриситет орбиты Земли был бы в 5 — 10 раз больше. Наконец, гипотеза мегаимпакта придумана специально для Луны, хотя, по мнению Д. Стивенсона, наилучшим «кандидатом» на такое происхождение служит система Урана с его спутниками. Не исключено, что сильный наклон оси Урана к оси эклиптики вызван ударом тела с массой, сравнимой с массой Земли, и следствием такого удара могло быть образование диска в одной плоскости с экватором Урана. Идентичность химического состава Урана и его спутников могла бы стать подтверждением этой идеи, но достоверных данных об этом пока нет. Гипотеза коаккреции носит более универсальный характер. Спутники должны были появиться у всех четырех планет земной группы. Исчезновение спутников Венеры и Меркурия объясняется тем, что вращение этих планет сильно замедлено солнечными приливами, и их спутники, испытывая приливное воздействие своих планет, должны были приблизиться к ним и выпасть на поверхность. Особое место, которое занимает Луна среди спутников по величине ее орбитального углового момента, — также результат приливной эволюции. В прошлом Луна находилась в несколько раз ближе к Земле, а Земля вращалась быстрее, чем сейчас, так что соотношение моментов в системе Земля — Луна было иным. Луна на много порядков массивнее, чем спутники Марса. Масса Марса равна всего 0.1 МЕ, но модель коаккреции как раз предсказывает сильную нелинейную зависимость массы спутников от массы планеты. Наконец, газопылевые аккреционные диски вокруг растущих планет-гигантов можно считать аналогами околопланетных роев, состоящих из двух компонентов. Систему спутников Юпитера часто сравнивают с миниатюрной Солнечной системой. Регулярный характер орбит галилеевых спутников и четырех малых спутников, обращающихся вблизи Юпитера, говорят об их образовании из газопылевого диска, хотя спутники не содержат легких газов. Их состав варьирует от безводного каменистого у Ио и малых спутников к каменистой Европе с ее ледяным покрытием в десятую долю массы и к смешанному составу Ганимеда и Каллисто, у которых примерно поровну льда и силикатов.
Еще по наземным наблюдениям было известно закономерное убывание плотности спутников с расстоянием от Юпитера, и это правильно понималось как результат прогревания зоны спутников его излучением. Ранний Юпитер уподоблялся маленькому Солнцу. Космические исследования укрепили эту точку зрения, дав точные определения плотностей и химического состава спутников. В сочетании с моментами инерции эти данные позволяют сегодня уже строить вполне реальные многослойные модели внутреннего строения галилеевых спутников! Прообраз газопылевого диска Юпитера приходится создавать теоретически, на основании данных о массах спутников и в предположении о единстве состава диска и Юпитера, опираясь при этом на существующие модели аккреционных дисков у молодых звезд и Солнца. Масса диска могла достигать 10 МЕ, с учетом водорода и гелия; значительная часть этой массы выпала на Юпитер и рассеялась в пространство. Прямое вращение диска обусловливалось угловым моментом, которым обладал объем газа, забираемый из допланетного облака. Эта величина невелика, поскольку радиус диска в несколько десятков раз меньше размера гравитационной сферы Юпитера. Вещество спутников — это последние порции вещества, захваченного в диск, на заключительной стадии аккреции Юпитера, когда его фотосфера была еще горячей, до 1000 К. Одновременно с аккумуляцией спутников шла термическая диссипация газов из диска, для чего также было необходимо тепло от Юпитера. Происхождение маленьких нерегулярных спутников Юпитера, обращающихся далеко за пределами галилеевой системы, никак не связано с газово-пылевым диском. По предположению, это захваченные при взаимных столкновениях небольшие астероиды или их фрагменты. В главном поясе астероидов давно уже известны семейства, т.е. группы астероидов, хотя и разбросанные в пространстве пояса, но имеющие одинаковые элементы орбит: большую полуось, эксцентриситет, наклонение.
Есть все основания предполагать, что члены семейства образовались при фрагментации одного родительского тела при его столкновении с другим астероидом. Удивительно, что у некоторых астероидов обнаружились спутники. Первой зафиксированной парой оказались астероид 243 Ида и его спутник, названный впоследствии Дактил. Их снимки получены с помощью космического аппарата «Галилео» в 1993 г. на пути к Юпитеру. Ида имеет неправильную форму с наибольшим диаметром 56 км, она быстро вращается (период 4,65 ч). Астероид сильно кратерирован, что говорит о большом возрасте. Диаметр спутника — около 1,5 км. Оба принадлежат семейству Коронид, насчитывающему более 50 членов. Размер родительского тела оценивается в 90 км. На возможность существования спутников у астероидов в свое время указывал С. Вайденшиллинг. Если разрушительное столкновение происходит со скоростью 0,5 — 1,0 км/c, то образующиеся фрагменты могут быть крупными и разлетаться со скоростями в десятки м/c. Лабораторные эксперименты показали, что фрагменты, как правило, вращаются. Астероидная пара — это двойной фрагмент. Для удержания спутника необходимо, чтобы его относительная скорость была мала. Подсчет показал, что орбитальная скорость спутника Иды должна быть около 6 м/c, а уже при 10 м/c пара должна была бы разорваться. В поясе астероидов так мала пространственная плотность тел и низка вероятность возмущений, что долговременное существование пар вполне возможно. Тела оказывают приливное воздействие друг на друга, но из-за малости масс астероидов эти приливы чрезвычайно малы. Время приливной эволюции астероидных пар измеряется миллиардами лет.