Задание №178051: Турнир Ломоносова 2007

3. Почему у одних планет много спутников, а у других — мало или
совсем нет? Откуда у нас Луна?
Комментарий. Наличие спутников у планеты зависит прежде
всего от её массы. Массивные планеты как правило имеют много спут-
ников, объединённых к тому же в регулярную систему, маломассивные
планеты свои спутники скорее всего растеряют, а в некоторых случаях
и сами могут превратиться в спутник какого-то более массивного тела.
Как образуются спутники и планеты? Это происходит параллельно
в ходе общего процесса формирования протопланетной системы вокруг
молодой звезды средней массы. Молодые звёзды, рождающиеся из газо-
пылевого облака, окружены достаточно плотным «коконом», в первое
время даже непрозрачным для излучения. Поскольку все родительские
облака изначально обладают некоторым моментом вращения, рожда-
ющиеся в них звёзды также получают своё вращение «в наследство».
133

По мере концентрации вещества под действием силы тяжести в окрест-
ностях формирующейся звезды происходят два противоположных про-
цесса (потока вещества): во-первых, со всех сторон идёт падение веще-
ства газопылевого облака на центральную звезду (аккреция вещества),
а во-вторых, за счёт ускоряющегося вращения центрального сгустка
часть выпавшего вещества под действием центробежных сил начинает
обратное движение от центра к краю. Однако, если аккреция имеет
симметричный характер (со всех сторон примерно одинаковый поток),
то центробежное истечение вещества идёт, очевидно, только в плос-
кости, перпендикулярной оси вращения звезды. Так вокруг звезды и
формируется протопланетный диск, пространственно совпадающий с
её экваториальной плоскостью.
При этом нужно отметить и важную динамическую особенность
звёзд с планетными системами: за счёт экваториального истечения
вещества с поверхности будущей звезды в зону будущей планетной
системы осуществляется наиболее эффективная передача и момента
вращения центрального объекта. Иными словами, абсолютно б´ольшую
часть момента вращения, которым обладало первичное облако, и кото-
рое в ходе первичного сжатия оно передало центральной звезде, звезда,
в свою очередь, «делегировала» протопланетному диску, а затем пла-
нетам, сама при этом значительно затормозив собственное вращение.
Поскольку потоки газопылевоговещества, движущиеся в противопо-
ложных направлениях в окрестностях массивного вращающегося объ-
екта не могут, очевидно, быть ламинарными, то весь протопланетный
диск оказывается охвачен волновыми возмущениями плотности. Как
показываютмодельные расчёты, линейные размеры (радиусы) этих воз-
мущений по мере удаления от центральной звезды возрастают в гео-
метрической прогрессии. Иными словами, в центральной части прото-
планетного диска возникающие кольцевые уплотнения имеют меньшие
размеры, по мере удаления — всё большие и большие. Эти возмуще-
ния плотности являются в дальнейшем зонами роста многочисленных
зародышей планет (планетезималей), которые затем в пределах этих
кольцевых зон сталкиваются друг с другом и постепенно собираются в
большие планеты.
В зависимости от того, как именно динамическая картина этих коль-
цевых возмущений (зон роста) наложится на первоначальное распре-
деление плотности вещества в протопланетном диске, будет зависеть
затем и итоговое распределение масс образовавшихся больших планет.
Если зона роста достаточно «просторна» и в ней изначально нахо-
дилось достаточно много первичного газопылевого вещества, то фор-
134

мирующаяся здесь будущая планета имеет все шансы «дорасти» до
планеты-гиганта типа наших Юпитера или Сатурна. Более того, так
только среди многочисленных планетезималей данной зоны выделится
один объект, в силу тех или иных причин обогнавший всех осталь-
ных по темпам роста и набравший наибольшую массу (так сказать,
лидер президентской гонки), его рост ещё более ускоряется, интенсив-
ность выпадения вещества на эту протопланету ещё более возрастает
по сравнению с прочими кандидатами, и этот лидер роста всех осталь-
ных конкурентов либо поглотит, либо превратит в свои спутники. В тот
период роста протопланет, пока выделенная гравитацией центральной
звезды кольцевая зона ещё не будет очищена от мелкодисперсной мате-
рии в виде газа и пыли, такой гигант может по аналогичному механизму
образовать вокруг себя диск меньшего масштаба (уже не протопланет-
ный, а «протоспутниковый»), создать в нём похожие (но меньшие по
масштабу) кольцевые возмущения плотности и зоны роста, и запустить
процесс создания и роста зародышей своих собственных спутников. Эти
спутники также образуют квазирегулярную систему вокруг своей роди-
тельской планеты.
Таким образом, процессы формирования и роста централь-
ной звезды, протопланетного диска, планетезималей и планет,
а также систем спутников вокруг протопланет-гигантов идут факти-
чески параллельно. Последующая динамическая эволюция планетной
системы может внести заметные коррективы в состав и порядок обра-
зованной планетной системы, однако принципиально картина, заложен-
ная при её рождении, сохранится: вокруг звезды могут быть маломас-
сивные планеты без спутников, планеты-гиганты со своими системами
спутников, причём некоторые из них по размерам и массе могут быть
вполне сопоставимы с планетами главной системы, а также обширная
зона за пределами зоны формирования планет, где останутсянедоразви-
тые планеты самых разных масс и собственных движений, окруженные
мелкими телами типа кометных ядер, первичной пылью и разреженным
газом.
Для внутренних планет из-за близости центральной звезды и «тес-
ноты» соседних планет наиболее сильны гравитационные возмуще-
ния орбит. Процессы взаимного гравитационного воздействия довольно
быстро убирают все маломассивные фрагменты из зон роста, «болтаю-
щиеся» между крупными планетными телами.
Возможные столкновения планетных тел (особенно на первичных
стадиях эволюции всей планетной системы, когда их ещё много) порож-
дают быстро разлетающиеся рои осколков, которые затем вполне могут
135

быть захвачены планетами уже в качестве малых спутников. В нашей
Солнечной системе такими осколками являются многие астероиды,
а захваченными астероидами, в свою очередь, являются спутники
Марса Фобос и Деймос, а также большинство малых спутников планет-
гигантов (этих малых спутников сейчас известно много десятков).
В отношении Луны — спутника Земли, который по сравнению со
спутниками других планет является слишком большим и слишком
близким (относительно размеров Земли), имеются две конкурирующие
гипотезы об образовании: либо в процессе совместного формирования
двух сопоставимых тел как двойной планеты из общего родительского
облака, либо в результате катастрофического удара по молодой Земле
другого массивного протопланетного тела с выбросом большого коли-
чества поверхностного вещества на ближние орбиты и последующего
собирания его в единое тело Луны.