Луна вращается вокруг Земли с первых дней существования Солнечной системы. Любой, кто когда-либо проводил время в океане, не может не заметить влияние Луны. Луна управляет приливами даже в самых отдаленных бухтах мира. И приливы могут иметь жизненно важное значение для возникновения жизни.
Но если бы Земля была более массивной, Луна, возможно, никогда не стала бы такой, какая она есть сейчас. Вместо этого она была бы намного меньше. Приливы были бы намного слабее, и жизнь могла бы возникнуть не так, как раньше.
Широко распространенная гипотеза гигантского удара объясняет формирование Луны. Протопланета размером с Марс по имени Тейя врезалась в молодую Землю, отправив расплавленный материал в космос. Этот материал сформировал диск вокруг Земли, который в конечном итоге слился в Луну.
Новое исследование изучает процесс, изложенный в гипотезе гигантского столкновения, и показывает, что каменистые планеты, более массивные, чем Земля, могут не образовывать большие спутники, обеспечивающие жизнь, такие как Луна Земли.
Луна имеет решающее значение для жизни на Земле. Приливы, которые она вызывает, имеют решающее значение, потому что жизнь могла зародиться в приливных зонах. Приливные зоны являются одними из самых биологически разнообразных и богатых питательными веществами регионов на Земле, отчасти потому, что приливы регулярно доставляют в эти регионы океанские питательные вещества. Четыре миллиарда лет назад на Земле уже были океаны, а Луна могла быть на расстоянии вдвое меньшего, чем сейчас. Так что приливы были бы еще более экстремальными.
Сильные приливы создают экстремальную среду, заставляя существ приспосабливаться. Это давление помогло стимулировать видообразование, которое подталкивает популяции к развитию в новые виды. Луна также действует как балласт, стабилизируя ось вращения Земли. Эта стабилизация помогает смягчить климат Земли, позволяя жизни развиваться во все более и более сложные формы. Луна, несомненно, сформировала течение жизни на Земле, наиболее сложным выражением которой мы являемся.
Мы можем благодарить саму Землю за то, что у нее есть луна нужного размера. Наша Луна относительно велика по сравнению с Землей и в контексте других отношений планета-луна в Солнечной системе. У других планет Солнечной системы спутники намного меньше их массы.
«Понимая лунные образования, мы лучше определяем, на что обращать внимание при поиске планет, похожих на Землю».
Мики Накадзима, ведущий автор, Университет Рочестера.
«Понимая лунные образования, у нас есть лучшее ограничение на то, что искать при поиске планет, подобных Земле», — сказал ведущий автор Накадзима в пресс-релизе. «Мы ожидаем, что экзолуны [луны, вращающиеся вокруг планет за пределами нашей Солнечной системы] должны быть повсюду, но пока мы ничего не подтвердили. Наши ограничения будут полезны для будущих наблюдений».
Земная Луна большая, но не самая большая. В Солнечной системе есть четыре спутника крупнее нашей Луны. Но они вращаются вокруг Юпитера и Сатурна, которые намного массивнее Земли. Таким образом, отношения Земля-Луна уникальны, потому что Луна относительно велика. Почему Луна относительно велика?
Столкновение между Землей и Тейей породило вращающийся диск из материала вокруг Земли. Большая часть его в конечном итоге соединилась с Луной, но часть материала упала обратно на Землю. Если бы Земля была более массивной, Луна могла бы выглядеть совсем иначе или вообще никогда не сформироваться. Многое из этого связано с содержанием пара в диске из материала.
Диск обломков, образовавшийся в результате огромного удара, различается в зависимости от природы планеты. Разные планеты с разной массой и составом производят диски с разным количеством пара. И содержание пара может оказать сильное влияние на судьбу диска обломков.
Чем больше пара, тем больше сопротивление диска. Когда во вращающемся диске начали формироваться крошечные спутники, газовое сопротивление пара потянуло бы спутники вниз, чтобы они врезались в Землю. У них никогда не будет возможности объединиться в большую Луну, и вместо этого они станут частью Земли.
Если пара не слишком большая, сопротивление слабее, и крошечные лунки могут в конечном итоге создать Луну, очень похожую на нашу. Но каковы диапазоны масс и другие характеристики, которые приводят к формированию большого спутника? Мы знаем о тысячах экзопланет и предполагаем, что у многих из них есть спутники. Но луны гораздо труднее увидеть. Если мы поймем, какие размеры планет производят более крупные луны, полезные для жизни, у нас будет больше шансов идентифицировать экзопланеты, на которых может быть жизнь.
Ученые подозревают, что гигантские столкновения, подобные тому, что произошло между Землей и Теей, обычны для молодых солнечных систем. Молодые солнечные системы неуправляемы, вокруг них движется множество объектов. Орбиты еще не установились, и более крупные планеты могут мигрировать к своим звездам и от них, тревожа протопланеты и заставляя их врезаться друг в друга. Чтобы выяснить, какие типы столкновений могут привести к образованию более крупных лун в молодых солнечных системах, команда исследователей обратилась к компьютерному моделированию.
Количество пар в диске, формирующем Луну, является критическим фактором. Это называется массовой долей пар (VMF). Значение VMF, равное 1,0, означает, что диск мусора полностью состоит из пара, а значение VMF, равное 0,0, означает, что пар отсутствует. Предыдущие исследования VMF дисков показали, что образующий Луну диск, который слишком богат парами, может быть слишком нестабильным для формирования Луны, потому что они теряют слишком много массы за короткое время. Но это первое исследование, в котором детально изучается сопротивление газа в дисках, образующих Луну, богатых паром.
Авторы смоделировали столкновения между скалистыми планетами и ударниками и ледяными планетами и ударниками. Они не моделировали столкновения между скалистыми планетами и ледяными ударными элементами или ледяными планетами и скалистыми ударными элементами, потому что такие типы столкновений гораздо менее вероятны. Авторы отмечают, что, хотя динамика удара одинакова в обоих столкновениях, термодинамика сильно различается. VMF отличается при столкновениях между каменистыми планетами и скалистыми ударниками по сравнению с столкновениями между ледяными планетами и ударниками.
Масса планет и ударников также влияет на диски, формирующие Луну. В целом исследователи обнаружили, что каменистые планеты с массой более шести масс Земли и ледяные планеты с массой более одной массы Земли производят диски с VMF, равным 1,0. Удары между этими более крупными телами производят больше тепла, которое испаряет больше материала в диске. В результате высокие VMF, вероятно, лишают их права формировать луны.
«Мы обнаружили, что если планета слишком массивная, эти удары создают полностью паровые диски, потому что столкновения между массивными планетами обычно более энергичны, чем между маленькими планетами», — сказал Накадзима.
Чтобы образовалась луна, пар в диске обломков должен остыть и сконденсироваться в жидкие луны. Но когда VMF слишком высок, сопротивление паров слишком велико, и материал, который может образовать Луну, падает на планету, прежде чем она успевает остыть и сконденсироваться. Это соответствует меньшим лунам. Но когда VMF меньше, сопротивление слабее, и для формирования спутников доступно больше материала.
В результате мы приходим к выводу, что полностью паровой диск не способен образовывать относительно большие луны», — сказал Накадзима. «Планетарные массы должны быть меньше тех пороговых значений, которые мы определили, чтобы производить такие луны».
Формирование Луны — сложный процесс со многими переменными. Моделирование, подобное тому, что используется в этом исследовании, включает некоторые предположения, но предположения основаны на доказательствах и предыдущих исследованиях. Результаты моделирования соответствуют тому, что мы видим в нашей собственной Солнечной системе, что придает им вес. Так что же говорят нам эти результаты?
Жизнь на Земле зависит от множества факторов, некоторые из которых мы понимаем лишь частично. Луна играет огромную роль, но и другие факторы тоже.
Магнитный щит Земли защищает жизнь от жесткого солнечного излучения. Без щита Земля была бы бесплодной и бесплодной, как и большинство миров. За это мы должны благодарить дифференцированное ядро нашей планеты.
Тектоника плит может быть необходима и для жизни. Они помогают регулировать температуру планеты на протяжении миллиардов лет. Такая стабильность благоприятствует жизни.
Но мы не можем наблюдать тектонику плит в других мирах, по крайней мере пока. Астрономы измерили магнитосферу первой экзопланеты только в 2021 году. И мы только сейчас нащупываем путь к обнаружению экзолуны.
Но мы можем измерить массу и плотность экзопланеты и, следовательно, ее состав. Имея эти данные и симуляции, подобные тем, что используются в этом исследовании, мы можем начать понимать, на каких планетах могут быть естественные спутники, обеспечивающие жизнь.
Это может стать большим шагом, когда дело доходит до оценки обитаемости экзопланет.
«Поиск экзопланет обычно был сосредоточен на планетах с массой более шести земных масс», — сказал Накадзима. «Мы предлагаем вместо этого смотреть на меньшие планеты, потому что они, вероятно, лучше подходят для размещения относительно больших лун».
