Удивительная Солнечная система

Громов Александр

Возможно, вам уже бросилось в глаза резкое отличие планет от спутников планет: спутники планет не имеют собственных спутников (временные кольца Реи не в счет). А почему, собственно?

Виновны в этом взаимные возмущения в системе «спутник спутника – спутник – планета – Солнце». Численные расчеты показывают: рано или поздно одно из тел будет выброшено из системы, причем скорее всего эта участь уготована самому маломассивному телу, то есть как раз спутнику спутника. Если он не врежется в спутник или планету, то покинет систему с большой скоростью, но «отомстит» спутнику искажением его орбиты – конечно, если масса «убежавшего» тела не слишком мала. И даже в системе, где мелкое космическое тело является

не спутником спутника, а спутником планеты, ему далеко не всегда удается просуществовать в этом качестве достаточно долго.

Два спутника Марса – Фобос и Деймос – не мешают друг другу: очень уж они малы, их взаимное гравитационное влияние ничтожно. Иное дело, если у планеты имеется спутник массой с Луну.

Почему Земля за миллиарды лет своего существования не захватила в свой гравитационный плен никакой астероид, пусть небольшой? Нет никаких причин, почему это не могло бы случиться, ведь принятая в астрономии условная сфера притяжения Земли довольно велика: миллион километров. Однако почему же в пределах лунной орбиты не обнаружено никаких естественных тел крупнее 5 м, да и на большем отдалении вокруг Земли не обращается ничего заметного?

Причина, как легко догадаться, в Луне, а также в Солнце и планетах. Система «Луна – Земля – Солнце» относительно стабильна, хотя и в ней происходит медленный дрейф орбит; добавление же в систему еще одного тела не приведет ни к чему хорошему. Если бы Земля находилась далеко от Солнца, это стало бы возможным: орбита «лишнего» тела могла бы понемногу эволюционировать, пока не вошла бы с Луной в орбитальный резонанс, обретя тем самым устойчивость. Но гравитационное влияние Солнца и планет гасит эти попытки в зародыше.

Например, среди околоземных астероидов (речь о них пойдет ниже) существует тело с обозначением 2002 АА₂₀, которое описывает вокруг Солнца почти точный круг с радиусом, равным среднему радиусу земной орбиты. К счастью, плоскость его орбиты наклонена относительно эклиптики на 10°. В 2003 году это тело подошло к Земле на 4,5 млн км со стороны, опережающей наше орбитальное движение. Затем оно с каждым витком вокруг Солнца начало удаляться от нас, чтобы через 95 лет догнать Землю с противоположной стороны, ускориться ее притяжением и двинуться в обратном направлении.

Расчеты показали, что в определенных условиях этот астероид все-таки может приблизиться к Земле настолько, что станет ее спутником, правда, очень ненадолго. Лет через 50 он будет выброшен из сферы притяжения Земли и вновь начнет свой странный орбитальный танец. Возможно, подобные «захваты» уже имели место, а ближайшее подобное событие может произойти (но не обязательно произойдет) примерно через 600 лет.

Такие танцы – лишь одно из проявлений орбитальных резонансов в Солнечной системе. Их множество. В данном случае речь шла скорее о квазирезонансном явлении, но существуют и совершенно четкие резонансы. Простейший из них наблюдается, например, в системе «Плутон – Харон», когда спутник не просто повернут к Плутону одной стороной, но и период его обращения в точности равен периоду вращения главного тела системы, то есть оба тела движутся как бы связанные жестким стержнем. До такого состояния тела доходят постепенно, начиная с синхронизации вращения спутника. Такова наша Луна, стремящаяся к резонансу и пока не достигшая его, но уже повернутая к Земле одной стороной. Таковы же Фобос, Титан, Энцелад и ряд других спутников.

Но к резонансам стремятся и движения внутренних планет!

Выше было сказано, что период вращения и период обращения Меркурия связаны строгим соотношением 2:3. Это тоже резонанс. Хорошо известно, что прохождение Меркурия по диску Солнца случается через 7 и 13 лет, а иногда через 33 года. Именно эти числа, никаких других.

Прохождения же Венеры по солнечному диску чередуются через 8 и 235 лет. Предыдущее прохождение было 8 июля 2004 года, ближайшее случится 5 июня 2012 года, после чего придется ждать аж 235 лет. Легко видеть, что движения по меньшей мере трех планет (Меркурия, Венеры и Земли) в некоторой степени синхронизированы. При малости гравитационного влияния внутренних планет друг на друга до достижения такого «гармоничного» результата должно было пройти не просто много, а очень много времени.

Конечно, это еще не настоящие резонансные орбиты. Настоящие резонансы демонстрируют некоторые астероиды и некоторые спутники гигантских планет.

Одно лишь перечисление резонансов может занять много страниц. К примеру, спутники Юпитера Ио, Европа и Ганимед находятся в резонансе 1:2:4. Кстати, все галилеевы спутники повернуты к Юпитеру одной стороной.

Спутники Плутона находятся в резонансе 2:3:12.

Некоторые резонансные явления вызывают неустойчивость. Так, например, деление Кассини в кольце Сатурна обязано своему существованию орбитальному резонансу с Мимасом.

Юпитер и Сатурн находятся почти в точном резонансе 2:5.

Бывает и так, что два мелких спутника большой планеты обращаются вокруг нее по одной орбите, при этом находясь строго в противоположных ее точках. Такое явление отмечено, например, в системе Сатурна. Иначе, чем резонансом, такое явление объяснить нельзя. В противном случае было бы достаточно сколь угодно малого изменения орбитальной скорости одного из спутников, чтобы вся эта идиллическая гармония разрушилась.

В целом можно сделать такой вывод: если орбита тела, обращающегося вокруг какой-либо планеты Солнечной системы либо вокруг Солнца, неустойчива, то возможны три варианта. В первом варианте тело будет выброшено либо из Солнечной системы, либо из области притяжения планеты, причем новая орбита, вероятнее всего, будет очень эксцентрической. Второй вариант: столкновение спутника с планетой. Математически это частный случай первого варианта, когда перед выбросом тело проходит столь близко от доминирующего центра тяготения, что «цепляет» поверхность планеты. Наконец, в третьем варианте тело переходит на резонансную орбиту, на которой может оставаться миллиарды лет.

Вопрос, какой из вариантов будет реализован на практике, это только вопрос времени и начальных условий. Множество спутников планет, астероидов и тел пояса Койпера уже находится на резонансных орбитах. Без сомнения, немало тел погибло или покинуло Солнечную систему. Однако у многих тел орбиты не резонансные, а у некоторых и неустойчивые. Как это понять?

Прежде всего, орбитальное движение может и не стать резонансным, если способствующие этому гравитационные силы весьма малы. Если же они достаточно велики для медленного дрейфа орбиты, то одно из двух: либо у тела еще все впереди, либо превращению орбиты тела в резонансную мешает некий посторонний фактор.

Что бы это могло быть? Действие фактора должно быть нерегулярным или вообще разовым, не то он превратится просто-напросто в еще одну силу, способствующую резонансному движению. Речь идет о вторжении во внутренние области Солнечной системы достаточно крупных тел со стороны.

В первую очередь это ледяные тела облака Оорта. Значительная часть их находится на резко эксцентрических орбитах, правда, перигелийные расстояния превышают несколько десятков астрономических единиц. Афелийные же расстояния могут достигать 100 тыс. а.е. Однако малейшее изменение скорости движения в афелии приведет к тому, что орбита изменится весьма сильно. В качестве факторов, способных придать телу облака Оорта некоторый «импульс», можно указать притяжение ближайших звезд и случайные тесные сближения этих тел друг с другом.