Астрономы: Теснота в планетных системах убивает луны

Близость экзопланет к звезде в ряде систем означает, что там могут "выжить" лишь очень прочные луны, притом далеко не у всех планет.

Стивен Кэйн (Stephen R. Kane) из Университета штата Калифорния в Сан-Франциско (США) выяснил, что в очень компактных планетарных системах, например таких, как TRAPPIST-1, гравитационное влияние близкой звезды столь велико, что планетам очень трудно удержать собственные спутники. Это означает, что там мало экзолун, которые часто считают перспективными носителями внеземной жизни. Соответствующая статья принята к публикации в The Astrophysical Journal. С её текстом можно ознакомиться на сервере препринтов Корнеллского университета.

Автор провёл расчёты того, как соотносятся между собой сфера Хилла и предел Роша в тесных планетарных системах. Сферой Хилла для планеты называют зону, в которой она способна удерживать свой спутник несмотря на притяжение объекта звёздной системы. Если спутник попадает за пределы этой сферы, он теряется планетой. Предел Роша — радиус орбиты спутника, при котором гравитация планеты начинает разрывать его на куски. Так, например, вскоре будет уничтожен Фобос. Оказалось, что в действительно компактных планетарных системах сфера Хилла у планет очень маленькая, потому что они намного ближе к своей звезде и та легко может отобрать спутник у планеты.

Так, для Земли сфера Хилла простирается на 1,5 миллиона километров, что вчетверо больше расстояния до Луны. Это значит, что её спутник хотя и удаляется от нашей планеты, но ещё очень долго останется связан с ней гравитационно. Предел Роша для Земли и Луны — примерно 19 000 километров. Если бы Луна была менее плотной, он бы был заметно больше, но всё равно на миллион километров с лишним меньше сферы Хилла. Такой большой зазор между сферой Хилла и пределом Роша оставляет земным спутникам огромное пространство для стабильного существования.

Однако для такой же планеты в системе красного карлика зона обитаемости не в 150 миллионах километров, а в 5–10 миллионах километров. По не вполне ясным причинам, планеты у красных карликов часто находятся именно в зоне обитаемости, на орбитах, намного более близких к своей звезде. Из-за такой близости сфера Хилла для Земли на подобной орбите (7,5 миллиона километров от красного карлика) — всего 75 000 километров. Луны с плотностью меньше трёх тонн на кубометр в ряде случаев вообще не могли бы вращаться вокруг неё — их разрывало бы на куски.

В качестве примера системы, где лунам довольно трудно удержаться на орбитах у своих планет, автор приводит TRAPPIST-1. Для первой планеты этой системы, TRAPPIST-1 b, безопасное расстояние для её спутников — не ближе 18 тысяч километров. Максимальное возможное удаление (сфера Хилла), при превышении которого спутник теряется, — 36 000 километров. Теоретически спутник может выживать и в этом узком диапазоне орбит. Однако, отмечает исследователь, вероятность такого развития событий гораздо ниже, чем в Солнечной системе. Лун в компактных системах мало, если они там вообще есть, полагает он.

Нельзя не отметить один недостаток в этих соображениях. Дело в том, что условия Солнечной системы с условиями в системах красных карликов трудно сравнивать напрямую. Например, в нашей системе зона обитаемости простирается на 90 миллионов километров — от орбиты Земли до орбиты Марса. В системе TRAPPIST-1 её ширина составляет менее пяти миллионов километров. Однако в Солнечной системе планеты расположены так далеко друг от друга, что их в зону обитаемости попало всего две. В TRAPPIST-1 они в сотни раз ближе друг к другу, поэтому их в зоне обитаемости поместилось сразу три. Сходным образом малая "зона выживаемости" для лун в таких системах не означает, что их там действительно меньше. Они могут быть просто расположены намного компактнее.

Вопрос о наличии лун у землеподобных планет в других планетных системах считается важным для их обитаемости. Спутник Земли Луна, как считается, стабилизирует наклон оси вращения нашей планеты. Будь он нестабильным, климат на ней систематически менялся бы. Зимы становились бы то суровее, то мягче. Это могло бы негативно повлиять на её пригодность для жизни. Красные карлики — куда более распространённые звёзды, чем жёлтые карлики вроде Солнца. Если в их системах нет или очень мало лун, стабильность климата потенциально обитаемых планет там может быть не очень высока.