[Перевод] Спросите Итана №97: Могут ли у лун быть луны?

Разбросанное собирается. Собранное исчезает.
— Гераклит

Думая о Солнечной системе, вы представляете себе планеты и другие объекты, вращающиеся вокруг центральной звезды, с лунами (и другими спутниками), вращающимися вокруг этих гигантских каменистых или ледяных миров. Но могут ли быть дополнительные уровни? Могут ли спутники вращаться вокруг лун, и если да, то где же они? На этой неделе ответа на вопрос удостаивается kilobug, спрашивающий:

В Солнечной системе, насколько я знаю, не существует «луны у луны», нечто вроде астероида, вращающегося вокруг луны планеты. Есть ли тому причина (например, нестабильность орбиты)? Или это просто редко бывает?

Задумаемся об отдельной массе, вращающейся в космосе. Тут всё просто. Имеется гравитационное поле этого объекта, порождаемое его массой. Он закручивает пространство вокруг себя, и заставляет всё, что находится поблизости, притягиваться к нему. Если бы кроме гравитации ничего не было, можно было бы поместить любой объект на стабильную эллиптическую или круговую орбиту, где он вращался бы вечно.

Но существуют и другие факторы, включая:
• Наличие у объекта атмосферы, рассеянного «гало» из частиц.
• Необязательность стационарности объекта, возможное наличие вращение, возможно, быстрого.
• Необязательность изолированности объекта.

Атмосфера влияет в самых крайних случаях. Обычно объекту, вращающемуся вокруг массивного твёрдого мира без атмосферы, нужно было бы просто избегать поверхности объекта, и такое вращение может длиться вечно.

Но если добавить атмосферу, пусть и очень разреженную, любые тела на орбите будут взаимодействовать с атомами и частицами, окружающими центральную массу. Несмотря на то, что нам кажется, что у нашей атмосферы есть «край», и на определённой высоте начинается космос, на самом деле атмосфера всё больше разрежается на всё больших высотах. Атмосфера Земли простирается на сотни километров. Даже МКС когда-нибудь снизится и сгорит, если её не подталкивать.

На временных масштабах Солнечной системы, измеряющихся миллиардами лет, телам, движущимся по орбите, необходимо находиться достаточно далеко от массы, вокруг которой они обращаются, чтобы быть «в безопасности».

Объект может вращаться. Это бывает с большими массами, и малыми массами, вращающимися вокруг больших. Существует «стабильное» состояние, в котором обе массы приливно связаны друг с другом (оба тела повёрнуты друг к другу одной стороной), но в любой другой конфигурации будут проявляться крутильные моменты. Эти моменты могут привести к тому, что объекты будут по спирали падать друг на друга, или разлетаться друг от друга. Иначе говоря, большинство спутников не начинают жизнь в идеальной конфигурации.

Но для полного описания ситуации «лун у лун» необходимо учесть ещё один, самый сложный фактор.

Объекты не изолированы, и это очень важно. Очень просто сделать так, чтобы объект вращался вокруг одного массивного тела – так, как луна вокруг планеты, малый астероид вокруг крупного, Харон вокруг Плутона – то есть, сделать так, чтобы объект вращался вокруг другого, который, в свою очередь, вращается вокруг ещё более массивного. Обычно этот фактор мы не принимаем во внимание. Но задумайтесь о нём на примере нашей самой внутренней планеты, Меркурия.

Меркурий относительно быстро вращается вокруг Солнца, поэтому гравитационные и приливные силы, действующие на него, велики. Если бы вокруг Меркурия вращалось ещё что-нибудь, нужно было бы учитывать много дополнительных факторов:
1. Солнечный ветер (поток частиц) встречался бы с Меркурием и его спутником, меняя их орбиты.
2. Тепло от Солнца может привести к расширению атмосферы Меркурия. И хотя воздуха на нём нет, частицы поверхности разогреваются и выбрасываются в космос, создавая незначительную, но не пренебрежимую атмосферу.
3. Существует третья масса, стремящаяся не только связать Меркурий и его спутник, но и Меркурий и Солнце.

Это значит, что для спутника Меркурия есть два варианта.

Если спутник слишком близко к Меркурию, а именно:
• спутник вращается недостаточно быстро,
• Меркурий вращается недостаточно быстро, чтобы быть соединённым с Солнцем приливными силами,
• спутник замедляется солнечным ветром,
• спутник тормозится об атмосферу Меркурия,

он рано или поздно упадёт на Меркурий.

С другой стороны, объект рисковал бы быть выброшенным с орбиты вокруг Меркурия, если бы он находился слишком далеко, или же:
• объект вращался бы слишком быстро,
• Меркурий вращался бы слишком быстро,
• Солнечный ветер придавал бы объекту дополнительную скорость,
• тяготение других планет влияло бы на объект,
• нагрев от Солнца добавлял небольшому спутнику достаточное количество кинетической энергии.

Учтя всё вышесказанное, вспомним, что существуют планеты с лунами! И хотя система трёх тел не будет стабильной, если только не привести её в упомянутую конфигурацию, при правильных условиях стабильности можно достичь на промежутках в миллиарды лет – а это всё, что нам нужно. Есть условия, облегчающие нашу задачу:
1. Удалить планету/астероид, являющуюся основным массивным телом, подальше от Солнца, чтобы солнечный ветер, вспышки и приливные силы были малы.
2. Приблизить спутник нашего небесного тела поближе к телу, чтобы он гравитационно был сильно привязан к нему и его не утянули внешние гравитационные или механические взаимодействия.
3. При этом спутник нужно держать достаточно далеко от основного тела, чтобы приливные силы, силы трения и другие воздействия не привели к их взаимному столкновению.

Вы могли догадаться, что для луны существует «правильное расположение» – удаление, в несколько раз большее радиуса планеты, но не настолько сильное, чтобы период обращения был велик. Период обращения вокруг планеты должен быть гораздо меньше, чем период обращения планеты вокруг звезды.

Учтя всё это, почему же мы не видим спутники у лун в нашей Солнечной системе?

Лучше всего на эту роль претендуют троянские астероиды со своими персональными спутниками, но так как они не являются лунами Юпитера, это несколько не то. Что же тогда?

Если проще, мы скорее всего, такого не увидим, но надежда есть. Газовые гиганты довольно стабильны и удалены от Солнца. У них множество лун, многие из которых связаны приливными силами с родительским миром. Крупные луны лучше всего подходят для того, чтобы обладать спутниками. Наилучшие кандидаты:
• настолько тяжёлые, насколько это возможно,
• находятся относительно далеко от родительского небесного тела для минимизации падения,
• находятся достаточно недалеко для того, чтобы их сорвало с орбиты,
• достаточно отделены от других лун, колец и спутников, могущих принести возмущения в систему.

Какие же главные кандидаты на луны в нашей Солнечной системе, способные иметь свои стабильные спутники?
• Каллисто, луна Юпитера. Самый дальний из всех основных спутников, отдалён на 1 883 000 км, и с большим радиусом в 2 410 км. Достаточно долгий период обращения в 16,7 дней, и немаленькая скорость убегания, 2,44 км/с.
• Ганимед, луна Юпитера. Крупнейшая луна Солнечной системы (радиус 2 634 км). Отдалён от Юпитера на 1 070 000 км – возможно, не слишком далеко, это две трети расстояния от Юпитера до Европы. Крупнейшая скорость убегания среди всех лун Солнечной системы (2,74 км/с), но перенаселённая юпитерианская система делает шансы обладания собственными лунами небольшими.
• Япет, луна Сатурна. Небольшая, 734 км, но удалённая от Сатурна на 3 561 000 км. Довольно далеко от колец Сатурна и отделена от остальных больших лун. Минус в её малой массе и размере – скорость убегания составляет всего 573 м/с.
• Титан, луна Урана. Крупнейшая из его лун, радиус 788 км, расположена в 436 000 км от Урана, период обращения 8,7 дней.
• Оберон, луна Урана. Вторая по величине луна (761 км), самая удалённая (584 000 км), период обращения 13,5 дней. Но Оберон и Титан находятся слишком близко друг к другу, чтобы допустить комбинацию «луна у луны».
• Тритон, луна Нептуна. Большой объект, захваченный из пояса Койпера, радиус 1 355 км, отдалён от Нептуна на 355 000 км и массивен. Скорость убегания – 1,4 км/с. Он был бы моим лучшим кандидатом на луну планеты, имеющую собственный естественный спутник.

Но я всё-таки не стал бы ждать такого явления. Условия для появления и сохранения «луны у луны» представляют существенные трудности, если вспомнить, как много объектов, способных помешать гравитационно, существует вблизи газовых гигантов. В случае принятия ставок я бы поставил на Япет и Тритон, поскольку они дальше других находятся от своих миров, изолированы от массивных тел, и скорость убегания от их поверхности довольно велика.

Но пока такие конфигурации нам неизвестны. Возможно, все эти рассуждения неверны, и нам следует поискать объекты на дальних рубежах пояса Койпера, или даже облака Оорта, где для нашей Солнечной системы имеются наибольшие шансы.

Насколько мы знаем, эти объекты могут существовать. Это возможно, но требует особых условий. Наши наблюдения пока говорят о том, что такие условия в Солнечной систем не встречаются. Но точно сказать нельзя: Вселенная полна сюрпризов. И с увеличением наших возможностей поисков увеличатся и наши находки. Я бы не сильно удивился, если бы следующая миссия к Юпитеру или другим газовым гигантам обнаружила такое явление!

Возможно, что луны у лун существует, и для их открытия требуется лишь поискать в нужном месте?