Венера могла съесть собственную луну: ученые выяснили, как это произошло

Земля и Венера похожи настолько, что их часто называют планетами-близнецами. Размеры, масса и каменистый состав действительно близки, однако дальнейшая судьба двух миров оказалась совершенно разной. Земля получила океаны, умеренный климат и огромную Луну. Венера превратилась в раскаленный мир с плотной атмосферой – и осталась без спутника. Новое исследование предлагает неожиданное объяснение последней загадки: возможно, Венера когда-то имела луну, но постепенно сама уничтожила ее.

Это не означает, что астрономы нашли следы венерианского спутника. Работа Стивена Кейна и его коллег представляет собой численное моделирование. Исследователи задали другой вопрос: если предположить, что после формирования Венеры возле нее действительно появился крупный спутник, смог бы он дожить до наших дней?

Ответ оказался сильно зависимым от вращения молодой планеты и массы спутника. В моделях исследовались первоначальные периоды вращения Венеры от 5 до 100 часов и спутники массой от одной сотой до десяти масс нашей Луны. Затем рассчитывалось, как приливные взаимодействия между Солнцем, Венерой и гипотетической луной меняли их движение на протяжении миллиардов лет.

Чтобы понять механизм, достаточно посмотреть на Землю. Наша планета совершает оборот примерно за сутки, тогда как Луне требуется около месяца, чтобы обойти Землю. Приливная деформация Земли поэтому немного опережает Луну и передает ей часть вращательной энергии планеты. В результате Луна постепенно получает дополнительную орбитальную энергию и удаляется примерно на 3,8 сантиметра в год.

Но направление миграции спутника не обязано всегда быть наружу. Все определяется соотношением периода вращения планеты и орбитального движения луны. Существует так называемый синхронный радиус – расстояние, на котором период обращения спутника совпадает с периодом вращения планеты. Если эволюция системы приводит спутник на опасную сторону этой границы, приливные силы могут начать отнимать у него орбитальную энергию.

И тогда вместо медленного бегства, подобного движению нашей Луны, начинается путешествие в противоположную сторону. Спутник постепенно приближается к планете. Чем ближе он оказывается, тем сильнее становятся приливные взаимодействия, пока наконец не достигается область, где собственная гравитация спутника уже не способна противостоять разнице притяжения между его ближней и дальней сторонами.

Эта граница называется пределом Роша. Пересекший ее достаточно крупный спутник может быть разорван приливными силами. Венера в таком сценарии не обязательно получает эффектное столкновение целой луны с поверхностью. Сначала спутник способен распасться на огромное количество обломков, возможно образовав временное кольцо, а затем его вещество постепенно выпадет на планету.

Моделирование показало особенно интересную закономерность: более массивная луна не всегда имеет больше шансов выжить. Она создает более сильные приливы на самой Венере и эффективнее меняет скорость вращения планеты. Из-за этого синхронная граница способна быстрее перемещаться наружу и в определенных сценариях буквально догнать спутник.

При начальном периоде вращения Венеры более примерно 15 часов или массе спутника свыше двух масс земной Луны одна из использованных моделей часто приводила к разрушению спутника в пределах приблизительно 30 миллионов – 1,7 миллиарда лет. В масштабах возраста Солнечной системы это означает, что древняя луна могла исчезнуть задолго до появления первых наблюдателей на Земле.

Но есть важная оговорка, которая делает результат намного интереснее громкого заявления о «пожирании луны». Если молодая Венера вращалась достаточно быстро – примерно быстрее одного оборота за 12 часов – спутник массой около нашей Луны на круговой орбите в моделях мог пережить весь возраст Солнечной системы. Следовательно, отсутствие спутника сегодня нельзя объяснить одним только фактом нынешнего чрезвычайно медленного вращения Венеры.

Необходимо найти такую раннюю историю планеты, при которой одновременно выполняются два условия: Венера теряет спутник и ее вращение замедляется до состояния, совместимого с современным. Авторы обнаружили такие сценарии, но они занимают ограниченную область возможных начальных условий. Это делает новую гипотезу физически правдоподобной, но вовсе не единственным возможным объяснением.

Сегодня Венера вообще представляет собой крайний случай. Один оборот вокруг своей оси занимает около 243 земных суток, причем планета вращается в направлении, противоположном большинству планет Солнечной системы. Как именно сформировалось столь необычное вращение, остается отдельной сложной проблемой планетологии.

Если древний спутник действительно существовал и впоследствии погиб, его разрушение могло оставить след в истории Венеры. Падение огромной массы вещества способно передать планете энергию и угловой момент, повлиять на геологические процессы и вращение. Но найти такие свидетельства спустя миллиарды лет чрезвычайно трудно.

Поверхность Венеры геологически молода по сравнению с возрастом самой планеты. Вулканизм и масштабное обновление поверхности уничтожили значительную часть древней летописи. Поэтому потенциальные следы гибели спутника логичнее искать не только на поверхности, но и глубоко внутри планеты, изучая ее внутреннее строение и эволюцию.

Гипотеза имеет значение и далеко за пределами Солнечной системы. Астрономы уже открыли тысячи экзопланет, среди которых есть каменистые миры, близкие по размерам к Земле и Венере. Обычно наличие крупной луны рассматривают как устойчивую характеристику планетной системы. Новая работа напоминает, что сформировать спутник – еще не значит сохранить его на миллиарды лет.

Особенно сложная судьба может ожидать спутники планет, чье вращение сильно замедляется приливными взаимодействиями со звездой. Поэтому отсутствие луны возле далекой каменистой планеты не обязательно означает, что спутника никогда не существовало. Возможно, мы видим лишь финал истории, начавшейся с вполне обычной системы планета–луна.

Именно так теперь можно посмотреть и на Венеру. Исследование не обнаружило ее потерянную луну и не доказало, что она когда-либо существовала. Оно показало нечто другое: если после рождения Венеры вокруг нее действительно обращался крупный спутник, существуют физически реалистичные условия, при которых сама приливная эволюция могла привести его к гибели. Земля сохранила Луну, а ее ближайший планетный близнец, возможно, когда-то получил спутник – и затем медленно вернул его обратно.