Природа осевого вращения планет и происхождение метеоритов
Рассмотрим теперь, насколько уникальна судьба системы Земля-Луна по сравнению с другими планетами. Не является ли механизм возникновения этой пары планета — спутник более универсальным, приемлемым для всех планет, вращающихся в прямом направлении и обладающих собственными спутниковыми системами? Такие вопросы вполне правомерны, поскольку при формировании планет лишь за счёт прямого выпадения на них планетезималей, движущихся по кеплеровским круговым гелиоцентрическим орбитам, может возникнуть только обратное вращение планет, т. е. в том же направлении, в котором вращается лишённая спутников Венера. Напомним, что при взгляде на эклиптику (т.е. на плоскость вращения планет вокруг Солнца) со стороны Полярной звезды все планеты обращаются вокруг Солнца против часовой стрелки, при этом собственное вращение планет считается прямым, если они как бы «катятся» по своим орбитам вокруг Солнца, т.е. если их осевое вращение также происходит против часовой стрелки. Гравитационный же захват спутников с соседних (близких) круговых орбит, как правило, происходит только в прямом направлении (Альвен, Аррениус, 1979), и, следовательно, их приливные взаимодействия с центральной планетой должны раскручивать её также только в прямом направлении. Об этом же говорят и результаты математического моделирования самого процесса захвата планетой вещества из неоднородного (гетерогенного) протопланетного диска (Ohtsuki, Ida, 1998).
В последние годы стала модной гипотеза так называемых мегаимпактов, согласно которой планеты приобретают осевое вращение за счёт соударений с ними по касательной других планет меньшей массы, после чего центральная планета раскручивается, а планета-«снаряд» либо полностью с ней сливается, либо её остаток превращается в спутник. При этом, правда, остаётся не совсем ясно, почему все-таки большинство планет Солнечной системы приобрело прямое вращение: ведь при таком механизме «раскручивания» планет равновероятны удары и с той и другой стороны. Кроме того, с точки зрения этой гипотезы непонятно, почему практически все незаторможенные приливами планеты обладают угловыми скоростями осевого вращения, близко совпадающими с угловыми скоростями орбитального вращения спутников на их пределах Роша (рис. 24). Ведь при мегаимпактном механизме «раскрутки» планет скорости их осевого вращения должны были бы распределяться по законам статистики, т. е. наряду с прямо и быстро вращающимися планетами существовали бы обратно раскрученные и медленно вращающиеся планеты, во всяком случае скорости их осевого вращения так дружно не совпадали бы со скоростями обращения спутников на пределах Роша (из рассмотрения следует исключить Меркурий и Венеру, поскольку их осевые вращения сильно заторможены приливами со стороны Солнца).
Учитывая сказанное и очевидную несостоятельность мегаимпактной гипотезы, попытаемся придать нашей модели становления системы Земля-Луна более универсальный характер и предположить, что помимо Земли и другие вращающиеся в прямом направлении планеты были раскручены захваченными ими с ближайших орбит спутниками. В этом случае при захвате спутника его угловая скорость орбитального обращения в прямом направлении всегда оказывается большей, чем начальная угловая скорость осевого вращения планеты, приобретённой ею ещё в процессе своего образования за счёт выпадения на её поверхность планетезималей. В результате благодаря приливным взаимодействиям такие спутники должны были последовательно приближаться к своим центральным планетам, разрушаться там на пределах Роша и выпадать на поверхность планет, передавая им свои орбитальные моменты количества движения и тем самым раскручивая их. Такие процессы, естественно, могли развиваться только до момента достижения центральной планетой предельной (критической) угловой скорости собственного вращения, определяемой скоростью обращения спутника на пределе Роша. Если в дальнейшем такие планеты не испытывали существенного приливного торможения со стороны ещё оставшихся на орбитах спутников, то их угловые скорости осевого вращения должны были и далее оставаться близкими к критическим значениям. Если же такое приливное торможение было достаточно сильным, как, например, в системе Земля — Луна, то его всегда возможно учесть и без особого труда восстановить исходные значения угловых скоростей вращения планет в момент образования их системы.
Пользуясь законами механики, можно рассчитать теоретическую зависимость удельного момента количества вращения А планет от массы для случая их раскручивания с предельной скоростью, определяемой обращением спутников на пределе Роша:
где J — безразмерный момент инерции планеты; Rc — её экваториальный радиус; Q — угловая скорость собственного осевого вращения планеты.
Зависимость (7) была построена для планет Солнечной системы, самой Солнечной системы и быстровращающихся массивных звёзд (рис. 24) и сопоставлена с теоретической зависимостью А от массы вращающихся небесных тел М (Сорохтин, Ушаков, 1989):
где K ~ 2,44(p0/ps) — коэффициент, определяющий собой относительные размеры сферы Роша у данной планеты; р0 — средняя плотность центральной планеты (или звезды); ps — средняя плотность спутника; у = 6,67×10-8 см3/г×с2 — по-прежнему гравитационная постоянная.
Теоретические расчёты показывают, что удельные моменты осевого вращения планет и звёзд, раскрученных до предельной скорости приливными взаимодействиями со своими спутниками, всегда пропорциональны массе рассматриваемого космического тела в степени 2/3. Такой же закон распределения удельных моментов количества вращения известен по эмпирическим данным для быстровращающихся внешних планет Солнечной системы и некоторых классов вращающихся звёзд (см. рис. 24). На эту же зависимость хорошо ложится молодая Земля при условии, что Луна тогда находилась на её пределе Роша, да и само Солнце до его торможения электромагнитным взаимодействием с первичным протопланетным газопылевым облаком (т. е. ещё до образования планет).
Как видно из сопоставления приведённых данных для всех этих небесных тел, отличающихся по своим массам на 7 порядков, выведенная из приливной гипотезы «раскрутки» планет (и звёзд) теоретическая зависимость их момента осевого вращения от массы действительно очень неплохо аппроксимирует найденную ранее эмпирическую закономерность. Вряд ли такое совпадение можно признать случайным. Скорее всего оно свидетельствует о широком распространении явления раскручивания планет за счёт приливного разрушения их спутников на пределах Роша. Такие события часто могли происходить во всяком случае на этапах образования самих планетных систем.
Однако механизм этот, по-видимому, не является универсальным, поскольку существуют планеты, явно отклоняющиеся от рассмотренной закономерности. Так, например, Венера вращается очень медленно и в обратную сторону. Возможно, это было связано с процессом формирования Венеры только за счёт аккреции и прямого выпадения на неё планетезималий без гравитационного захвата спутников на её околопланетные орбиты. К тому же вращение Венеры сейчас явно заторможено солнечными приливами и она оказалась даже захваченной приливными взаимодействиями с Землёй в резонансное состояние второго рода. Говорить что-либо определённое о былом вращении Меркурия вообще невозможно, так как он полностью заторможен солнечными приливами и его орбитальное вращение строго резонансное — он всегда одной и той же стороной обращён к Солнцу (вероятно, ещё с момента своего образования). Ситуация с Марсом пока не совсем ясна. Скорее всего из-за малой массы на его околопланетные орбиты было захвачено мало крупных спутников, и поэтому за время существования он просто не успел раскрутиться до предельной скорости Роша. Об этом же, в частности, говорит факт расположение его ближайшего спутника Фобоса на пределе Роша. В этом случае судьба Фобоса предрешена — он неизбежно будет разрушен или целиком выпадет на Марс, немного ускорив тем самым его осевое вращение. Более того, судя по системе борозд на поверхности Фобоса, напоминающих следы схода снежных лавин в горах, этот процесс разрушения спутника, срыва с него верхних слоев и отдельных скал уже начался.
Из приведённого на рис. 24 сопоставления теоретических расчётов с эмпирическими данными и их неплохого совпадения друг с другом следуют два важных теоретических вывода. Во-первых, этим совпадением косвенно подтверждается предположение Х. Альвена и Г. Аррениуса (1976) о возможности и конечной вероятности гравитационного захвата растущими планетами своих спутников с ближайших к ним гелиоцентрических орбит. Ведь при раскрутке крупных планет «косыми» (по касательной к их поверхностям) соударениями планетезималей или других планет, т.е. так называемыми мегаимпактами, как сейчас принято говорить, со случайными распределениями самих ударов по поверхности «цели» просто невозможно ожидать выполнения изображённого на рис. 24 закона. Кроме того, как уже отмечалось выше, такие мегаимпакты, скорее, приводили бы к возникновению обратных, а не прямых направлений вращения планет. Без привлечения идеи гравитационного захвата растущими планетами (т.е. планетами с увеличивающейся массой) невозможно объяснить и возникновение самих околопланетных роев первичных тел и планетезималей, из которых по традиции стараются «создавать» спутники планет.
Во-вторых, отсюда следует, что большинство метеоритов и астероидов скорее всего представляют собой мелкие осколки прошедших дифференциацию и затем разрушенных приливными возмущениями спутников и даже планет, оказавшихся в «глубинах» сферы Роша более массивных планет. Особенно это относится к классам дифференцированных метеоритов, например к железоникелевым метеоритам, вещество которых прошло полную и глубокую сепарацию элементов по их сидерофильным свойствам (т.е. химической близости к железу). Анализируя химический состав таких метеоритов, просто трудно обойтись без привлечения гипотезы о разрушении некой достаточно крупной и расслоённой планеты с металлическим ядром типа гипотетического Фаэтона. Фаэтон — предполагаемая планета, разрушение которой якобы породило множество осколков, образовавших затем пояс астероидов между Марсом и Юпитером. Эта «планета» названа так по имени сына греческого бога Солнца, Гелиоса, взявшего у своего отца огненную колесницу, но не умевшего ею управлять, за что и был поражён, т.е. как бы разрушен, молнией Зевса.
Помимо железоникелевых метеоритов к таким осколкам Фаэтона (или «Фаэтонов»), по-видимому, следует относить мезосидериты (железокаменные метеориты), обычные хондриты «мантийного» состава и ахондриты базальтового состава. Многие из этих метеоритов несут на себе следы интенсивных пластических деформаций и быстрого остывания горячего вещества (таково, вероятно, происхождение и загадочных образований — сферических гранул или хондр). Если это действительно так, то оказывается, что большинство каменных метеоритов несёт в себе характерные признаки катастрофического разрушения дифференцированных тел планетных размеров.
Механизмом для выбрасывания осколков таких тел за пределы гравитационного поля разрушившей их планеты может служить механизм инерционной отдачи, срабатывающий, например, при прохождении космическим телом приблизительно лунных размеров через сферу Роша значительно более массивной планеты со скоростью, близкой к параболической. В этом случае, как показал Дж. Вуд, часть образовавшихся обломков переходит на эллиптические орбиты вокруг центральной планеты, а другие осколки ускоряются до гиперболических скоростей и навсегда покидают её пределы, превращаясь в вечных скитальцев Солнечной системы. В период формирования планет, т.е. около 4,6 млрд лет назад, такие события, по-видимому, могли происходить достаточно часто. Вот почему и первичные возрасты подавляющего большинства всех классов метеоритов соответствуют именно этому времени их образования.
В свете изложенных идей, представляется вероятным, что остатками первичных планетезималей, из которых происходило формирование планет Солнечной системы (да и то только их внешних членов), являются кометные тела. Даже углистые хондриты, как и другие метеориты, вероятно, не являются остатками исходного (первичного) протопланетного вещества, а скорее всего возникли на периферии Солнечной системы за счёт приливного разрушения внешних (богатых подвижными и летучими элементами) и слабодифференцированных протопланет.
Отсюда, в частности, следует, что состав Земли и других планет земной группы нельзя просто так прямо определять по составам известных нам метеоритов. Необходимо помнить, что метеориты не являются остатками первичного протопланетного вещества, а представляют собой осколки разрушенных некогда планет и планетоподобных тел, прошедших иногда глубокую дифференциацию. При определении среднего состава исходного земного вещества, мы ещё раз обратим внимание читателя на этот вопрос.
В последние годы стала модной гипотеза так называемых мегаимпактов, согласно которой планеты приобретают осевое вращение за счёт соударений с ними по касательной других планет меньшей массы, после чего центральная планета раскручивается, а планета-«снаряд» либо полностью с ней сливается, либо её остаток превращается в спутник. При этом, правда, остаётся не совсем ясно, почему все-таки большинство планет Солнечной системы приобрело прямое вращение: ведь при таком механизме «раскручивания» планет равновероятны удары и с той и другой стороны. Кроме того, с точки зрения этой гипотезы непонятно, почему практически все незаторможенные приливами планеты обладают угловыми скоростями осевого вращения, близко совпадающими с угловыми скоростями орбитального вращения спутников на их пределах Роша (рис. 24). Ведь при мегаимпактном механизме «раскрутки» планет скорости их осевого вращения должны были бы распределяться по законам статистики, т. е. наряду с прямо и быстро вращающимися планетами существовали бы обратно раскрученные и медленно вращающиеся планеты, во всяком случае скорости их осевого вращения так дружно не совпадали бы со скоростями обращения спутников на пределах Роша (из рассмотрения следует исключить Меркурий и Венеру, поскольку их осевые вращения сильно заторможены приливами со стороны Солнца).
Рисунок 24. Зависимость удельного момента осевого вращения планет Солнечной системы и некоторых классов быстровращающихся звёзд от их массы.
Чёрными кружочками показаны не заторможенные объекты; светлыми — заторможенные объекты; звёздочками — звезды. Пунктиром показаны теоретические значения удельного момента А при раскручивании планет и звёзд до угловой скорости вращения спутников на пределе Роша, рассчитанные по выражению (8) в зависимости от значения массы центральной планеты (звезды), её плотности и плотности разрушаемых на пределе Роша спутников. Тонкой сплошной линией показаны предельные значения момента А для случая ротационной неустойчивости тех же планет и звёзд. Данные для расчёта моментов осевого вращения планет и звёзд взяты из справочника «Физика космоса», 1986.
Учитывая сказанное и очевидную несостоятельность мегаимпактной гипотезы, попытаемся придать нашей модели становления системы Земля-Луна более универсальный характер и предположить, что помимо Земли и другие вращающиеся в прямом направлении планеты были раскручены захваченными ими с ближайших орбит спутниками. В этом случае при захвате спутника его угловая скорость орбитального обращения в прямом направлении всегда оказывается большей, чем начальная угловая скорость осевого вращения планеты, приобретённой ею ещё в процессе своего образования за счёт выпадения на её поверхность планетезималей. В результате благодаря приливным взаимодействиям такие спутники должны были последовательно приближаться к своим центральным планетам, разрушаться там на пределах Роша и выпадать на поверхность планет, передавая им свои орбитальные моменты количества движения и тем самым раскручивая их. Такие процессы, естественно, могли развиваться только до момента достижения центральной планетой предельной (критической) угловой скорости собственного вращения, определяемой скоростью обращения спутника на пределе Роша. Если в дальнейшем такие планеты не испытывали существенного приливного торможения со стороны ещё оставшихся на орбитах спутников, то их угловые скорости осевого вращения должны были и далее оставаться близкими к критическим значениям. Если же такое приливное торможение было достаточно сильным, как, например, в системе Земля — Луна, то его всегда возможно учесть и без особого труда восстановить исходные значения угловых скоростей вращения планет в момент образования их системы.
Пользуясь законами механики, можно рассчитать теоретическую зависимость удельного момента количества вращения А планет от массы для случая их раскручивания с предельной скоростью, определяемой обращением спутников на пределе Роша:
Формула 7. Зависимость удельного момента количества вращения А планет от массы для случая их раскручивания с предельной скоростью
где J — безразмерный момент инерции планеты; Rc — её экваториальный радиус; Q — угловая скорость собственного осевого вращения планеты.
Зависимость (7) была построена для планет Солнечной системы, самой Солнечной системы и быстровращающихся массивных звёзд (рис. 24) и сопоставлена с теоретической зависимостью А от массы вращающихся небесных тел М (Сорохтин, Ушаков, 1989):
Формула 8. Зависимость удельного момента для планет Солнечной системы
где K ~ 2,44(p0/ps) — коэффициент, определяющий собой относительные размеры сферы Роша у данной планеты; р0 — средняя плотность центральной планеты (или звезды); ps — средняя плотность спутника; у = 6,67×10-8 см3/г×с2 — по-прежнему гравитационная постоянная.
Теоретические расчёты показывают, что удельные моменты осевого вращения планет и звёзд, раскрученных до предельной скорости приливными взаимодействиями со своими спутниками, всегда пропорциональны массе рассматриваемого космического тела в степени 2/3. Такой же закон распределения удельных моментов количества вращения известен по эмпирическим данным для быстровращающихся внешних планет Солнечной системы и некоторых классов вращающихся звёзд (см. рис. 24). На эту же зависимость хорошо ложится молодая Земля при условии, что Луна тогда находилась на её пределе Роша, да и само Солнце до его торможения электромагнитным взаимодействием с первичным протопланетным газопылевым облаком (т. е. ещё до образования планет).
Как видно из сопоставления приведённых данных для всех этих небесных тел, отличающихся по своим массам на 7 порядков, выведенная из приливной гипотезы «раскрутки» планет (и звёзд) теоретическая зависимость их момента осевого вращения от массы действительно очень неплохо аппроксимирует найденную ранее эмпирическую закономерность. Вряд ли такое совпадение можно признать случайным. Скорее всего оно свидетельствует о широком распространении явления раскручивания планет за счёт приливного разрушения их спутников на пределах Роша. Такие события часто могли происходить во всяком случае на этапах образования самих планетных систем.
Однако механизм этот, по-видимому, не является универсальным, поскольку существуют планеты, явно отклоняющиеся от рассмотренной закономерности. Так, например, Венера вращается очень медленно и в обратную сторону. Возможно, это было связано с процессом формирования Венеры только за счёт аккреции и прямого выпадения на неё планетезималий без гравитационного захвата спутников на её околопланетные орбиты. К тому же вращение Венеры сейчас явно заторможено солнечными приливами и она оказалась даже захваченной приливными взаимодействиями с Землёй в резонансное состояние второго рода. Говорить что-либо определённое о былом вращении Меркурия вообще невозможно, так как он полностью заторможен солнечными приливами и его орбитальное вращение строго резонансное — он всегда одной и той же стороной обращён к Солнцу (вероятно, ещё с момента своего образования). Ситуация с Марсом пока не совсем ясна. Скорее всего из-за малой массы на его околопланетные орбиты было захвачено мало крупных спутников, и поэтому за время существования он просто не успел раскрутиться до предельной скорости Роша. Об этом же, в частности, говорит факт расположение его ближайшего спутника Фобоса на пределе Роша. В этом случае судьба Фобоса предрешена — он неизбежно будет разрушен или целиком выпадет на Марс, немного ускорив тем самым его осевое вращение. Более того, судя по системе борозд на поверхности Фобоса, напоминающих следы схода снежных лавин в горах, этот процесс разрушения спутника, срыва с него верхних слоев и отдельных скал уже начался.
Из приведённого на рис. 24 сопоставления теоретических расчётов с эмпирическими данными и их неплохого совпадения друг с другом следуют два важных теоретических вывода. Во-первых, этим совпадением косвенно подтверждается предположение Х. Альвена и Г. Аррениуса (1976) о возможности и конечной вероятности гравитационного захвата растущими планетами своих спутников с ближайших к ним гелиоцентрических орбит. Ведь при раскрутке крупных планет «косыми» (по касательной к их поверхностям) соударениями планетезималей или других планет, т.е. так называемыми мегаимпактами, как сейчас принято говорить, со случайными распределениями самих ударов по поверхности «цели» просто невозможно ожидать выполнения изображённого на рис. 24 закона. Кроме того, как уже отмечалось выше, такие мегаимпакты, скорее, приводили бы к возникновению обратных, а не прямых направлений вращения планет. Без привлечения идеи гравитационного захвата растущими планетами (т.е. планетами с увеличивающейся массой) невозможно объяснить и возникновение самих околопланетных роев первичных тел и планетезималей, из которых по традиции стараются «создавать» спутники планет.
Во-вторых, отсюда следует, что большинство метеоритов и астероидов скорее всего представляют собой мелкие осколки прошедших дифференциацию и затем разрушенных приливными возмущениями спутников и даже планет, оказавшихся в «глубинах» сферы Роша более массивных планет. Особенно это относится к классам дифференцированных метеоритов, например к железоникелевым метеоритам, вещество которых прошло полную и глубокую сепарацию элементов по их сидерофильным свойствам (т.е. химической близости к железу). Анализируя химический состав таких метеоритов, просто трудно обойтись без привлечения гипотезы о разрушении некой достаточно крупной и расслоённой планеты с металлическим ядром типа гипотетического Фаэтона. Фаэтон — предполагаемая планета, разрушение которой якобы породило множество осколков, образовавших затем пояс астероидов между Марсом и Юпитером. Эта «планета» названа так по имени сына греческого бога Солнца, Гелиоса, взявшего у своего отца огненную колесницу, но не умевшего ею управлять, за что и был поражён, т.е. как бы разрушен, молнией Зевса.
Помимо железоникелевых метеоритов к таким осколкам Фаэтона (или «Фаэтонов»), по-видимому, следует относить мезосидериты (железокаменные метеориты), обычные хондриты «мантийного» состава и ахондриты базальтового состава. Многие из этих метеоритов несут на себе следы интенсивных пластических деформаций и быстрого остывания горячего вещества (таково, вероятно, происхождение и загадочных образований — сферических гранул или хондр). Если это действительно так, то оказывается, что большинство каменных метеоритов несёт в себе характерные признаки катастрофического разрушения дифференцированных тел планетных размеров.
Механизмом для выбрасывания осколков таких тел за пределы гравитационного поля разрушившей их планеты может служить механизм инерционной отдачи, срабатывающий, например, при прохождении космическим телом приблизительно лунных размеров через сферу Роша значительно более массивной планеты со скоростью, близкой к параболической. В этом случае, как показал Дж. Вуд, часть образовавшихся обломков переходит на эллиптические орбиты вокруг центральной планеты, а другие осколки ускоряются до гиперболических скоростей и навсегда покидают её пределы, превращаясь в вечных скитальцев Солнечной системы. В период формирования планет, т.е. около 4,6 млрд лет назад, такие события, по-видимому, могли происходить достаточно часто. Вот почему и первичные возрасты подавляющего большинства всех классов метеоритов соответствуют именно этому времени их образования.
В свете изложенных идей, представляется вероятным, что остатками первичных планетезималей, из которых происходило формирование планет Солнечной системы (да и то только их внешних членов), являются кометные тела. Даже углистые хондриты, как и другие метеориты, вероятно, не являются остатками исходного (первичного) протопланетного вещества, а скорее всего возникли на периферии Солнечной системы за счёт приливного разрушения внешних (богатых подвижными и летучими элементами) и слабодифференцированных протопланет.
Отсюда, в частности, следует, что состав Земли и других планет земной группы нельзя просто так прямо определять по составам известных нам метеоритов. Необходимо помнить, что метеориты не являются остатками первичного протопланетного вещества, а представляют собой осколки разрушенных некогда планет и планетоподобных тел, прошедших иногда глубокую дифференциацию. При определении среднего состава исходного земного вещества, мы ещё раз обратим внимание читателя на этот вопрос.