Загадка марсианских спутников

Изучение орбит спутников Марса и моделирование их изменений в далеком прошлом, по всей видимости, позволяет раскрыть загадку их происхождения. Соответствующая публикация появилась в Nature Astronomy от 22 февраля [1]. Чтобы разобраться в этом исследовании, мы побеседовали с одним из авторов статьи, Михаилом Эфроимским из Морской обсерватории США (US Naval Observatory), который считает, что на сегодняшний день у нас попросту нет другого сценария, объясняющего, откуда взялись две похожие луны.

Марсианские спутники Фобос (греч. φόβος «страх») и Деймос (греч. δείμος «ужас») были открыты соответственно 11 и 17 августа 1877 года (в год великого противостояния Марса) Асафом Холлом (Asaph Hall) из Морской обсерватории США. Их детальное изучение началось, конечно, гораздо позже. Первые фотографии Фобоса прислал «Маринер-7» в 1969 году (в год высадки американцев на Луну), а Деймоса — соответственно «Маринер-9» в 1971 году. Фобос (27×22×19 км) несколько больше Деймоса (16×12×10 км) и обращается вокруг Марса за 7,66 часа на высоте 6 тыс. км (большая полуось — 9 377 км), что намного ближе, чем в случае с любым другим спутником планеты в Солнечной системе (Деймос обращается за 30,35 часа, большая полуось его орбиты составляет 23 460 км). Оба спутника всегда повернуты к планете одной и той же стороной, как и наша Луна, т. е. приливно «заперты», но при этом расположены по разные стороны от так называемого синхронного радиуса — и это обстоятельство является ключевым в описании динамики этих спутников и в попытках смоделировать их происхождение.

Синхронный радиус — дистанция, при которой средняя угловая скорость движения расположенного там спутника равна угловой скорости вращения планеты (спутник, находящийся на такой орбите в плоскости экватора, как бы зависает над одной точкой; частный случай — круговая гео­стационарная орбита). Разумеется, для каждой планеты будет свой синхронный радиус (синхронный радиус Марса составляет 20,4 тыс. км, тогда как 17 тыс. км — это расстояние от поверхности Марса до синхронной орбиты), но Деймос ведет себя подобно нашей Луне — он находится на большом удалении и отстает при вращении Марса. Возникает приливный горб, увлекаемый быстро вращающейся планетой вперед по отношению к направлению на порождающий этот горб спутник. Взаимодействие опережающего горба с порождающим его спутником вынуждает последний постепенно отходить от планеты. В результате этого Деймос, подобно нашей Луне, движется по медленно раскручивающейся спирали (удаляется на 2 мм в год, а Луна — на 3,8 см).

Ближайший к Марсу Фобос, наоборот, движется по орбите быстрее, чем вращается марсианская поверхность под ним. Вызываемый Фобосом двойной приливный горб отстает от Фобоса, и взаимодействие Фобоса с этим горбом приводит к его дальнейшему сближению с Марсом. Через 30–35 млн лет Фобос должен упасть на планету, но, скорее всего, он еще до этого будет разорван мощными приливными силами, проходя предел Роша (радиус орбиты, на котором приливные силы центрального тела равны гравитационным силам, связывающим спутник воедино, в данном случае это 5,5 тыс. км).

Таким образом, разница между поведением Деймоса и Луны с одной стороны и Фобоса с другой определяется соотношением скорости вращения планеты и средней угловой орбитальной скорости спутника (средним движением, как говорят астрономы).

Однако приливы, порождаемые планетой в самом спутнике, находящемся на эллиптической орбите, работают совершенно иначе. Если спутник, подобно Фобосу, Деймосу и нашей Луне, приливно «заперт», всё время обращен к планете одной стороной, то приливы в нем притягивают его к поверхности планеты. Таким образом, в случае спутника, находящегося выше синхронного радиуса (Деймос и Луна), возникает конкуренция: приливные горбы на планете их расталкивают, а приливы в спутнике сближают. Что победит?

Ответ определятся двумя факторами: эксцентриситетом орбиты и вытянутостью формы спутника. Почему эксцентриситетом? Да потому, что, окажись его орбита круговой — и двойной приливный горб на спутнике не менялся бы во времени. Не было бы в спутнике ни меняющейся во времени деформации, ни приливной диссипации. И этот статический прилив ни на что бы не влиял. А при ненулевом эксцентриситете горб периодически меняет свою форму и этим отнимает у системы энергию, влияя на ее орбитальное движение. При чем же здесь вытянутость формы спутника? При том, что синхронизованный спутник смотрит на планету одной стороной лишь в первом приближении. При наличии вытянутости он совершает небольшие «покачивания» в плоскости орбиты, называемые либрациями по долготе. Эти либрации усиливают приливную диссипацию — в нынешнем Фобосе более чем в два раза [2]. Прежде, когда эксцентриситет был куда выше, либрация могла усилить приливную диссипацию в Фобосе даже на два порядка и больше.

Спутники Марса могут оказаться как пришельцами-астероидами, так и сугубо «местными», родившимися вместе с планетой. Спектральный анализ их поверхностей дает сходство со спектрами, присущими некоторым классам астероидов. Это свидетельствует в пользу гипотезы об астероидном происхождении обоих объектов. Подобную версию подтверждает также низкая средняя плотность этих двух тел (когда-то спровоцировавшая Иосифа Шкловского на экстравагантную версию об искусственном происхождении спутников).

Против астероидной гипотезы говорит «аккуратность» орбит обоих спутников с низкой эллиптичностью и низким наклонением орбиты. Вообще, прилетевший по гиперболической траектории астероид либо просто промчится мимо планеты (слегка изменив параметры своей гиперболы), либо совершит какое-то количество сложных движений вблизи планетарной орбиты, но в итоге все-таки удалится (опять же по слегка измененной гиперболе).

Для постоянного захвата планетой (т. е. для перехода с гиперболы на эллипс с планетой в одном из центров) пришелец должен избавиться от излишней энергии. Приливное взаимодействие со звездой и планетой здесь не поможет, поскольку приливная диссипация — эффект слишком слабый по сравнению с масштабом задействованных энергий. Торможение в остатках околопланетного диска возможно, но этот диск присутствовал лишь на самой заре существования Солнечной системы и был короткоживущим. И, что особенно важно, попади в него Фобос и Деймос, их орбиты вскоре потеряли бы свою эллиптичность в результате сильной диссипации. По этой же причине их орбиты быстро утратили бы и наклонение по отношению к экватору. Между тем оба спутника сохранили некий остаточный эксцентриситет и некое остаточное наклонение. Добавим также, что без существенного эксцентриситета Фобос не сумел бы опуститься ниже синхронного радиуса. А если бы Фобос изначально был захвачен ниже этого радиуса, то он бы уже давно упал, влекомый приливными силами.

Существует еще один сценарий захвата, когда к планете приближается двойной астероид, и один из его компонентов захватывается, а второй «отстреливается», унося избыток энергии. Это не очень вероятный сценарий, и представляется еще менее вероятным, что у одной планеты он реализовался дважды.

Более правдоподобной версией является формирование Фобоса и Деймоса in situ, т. е. в окрестностях Марса. Как и в ситуации с захватом, здесь возникает проблема недолгой жизни спутника, оказавшегося ниже синхронного радиуса. Но в данном случае эта проблема решаема, если предположить, что Фобос и Деймос — фрагменты общего предка, большой луны, находившейся выше синхронного радиуса и развалившейся от столкновения с телом, прилетевшим извне. В рамках такого сценария оказывается возможным появление какого-то количества мелких и двух крупных осколков, один из которых мог обладать достаточно большим эксцентриситетом. А наличие такового, как выясняется, позволяет спутнику «пробить» синхронный радиус. И этому сильно способствует вытянутая форма осколка (каковой формой как раз и обладает Фобос).

Еще одно очевидное обстоятельство, определяющее эффективность приливной диссипации в системе (а стало быть и утечки кинетической энергии), — это диссипативные свойства Марса и его лун. Грубо (очень грубо!) говоря, из чем более вязкого материала сформировано небесное тело, тем большей диссипацией сопровождается его деформация. И если у нас имеются некоторые представления о внутренней структуре и параметрах Марса, то в случае его спутников авторам работы [1] пришлось рассматривать широкие диапазоны значений параметров, отвечающих за диссипацию. В этом смысле путеводной звездой стал огромный кратер Стикни, расположенный на Фобосе и по размеру (9 км) сопоставимый с размерами самого спутника. Масштаб кратера свидетельствует о сильнейшем столкновении, пережитом этой луной. Такое столкновение разрушило бы Фобос, будь он кучей камней, стягиваемой лишь собственной гравитацией. Но если материал Фобоса обладает небольшим сцеплением и ведет себя как более или менее вязкая среда, он мог бы устоять при таком ударе, деформировавшись, но не разлетевшись. Это наблюдение помогло с оценкой степени диссипации в Фобосе (и в Деймосе — в силу их относительного внешнего сходства).

Интегрирование их орбит вспять во времени показало, что Фобос действительно прошел сквозь синхронный радиус, и что в прошлом (от 1 до 2,7 млрд лет назад — в зависимости от закладываемых в модель приливных параметров) орбиты Фобоса и Деймоса пересекались. Или почти пересекались с учетом крохотного различия в наклонениях. Это обстоятельство служит весомым аргументом в пользу предположения о том, что они являются осколками общего предка.

Но кто был их предком? Есть две возможности. Это тело могло сформироваться возле Марса из первоначального диска, а могло появиться несколько позже в результате мегаудара, выбросившего на околомарсианскую орбиту часть марсианской породы (примерно так же, как и с гипотетической Тейей, послужившей, по мнению ряда исследователей, причиной появления Луны у Земли). Но это уже совсем другая история.

1. Bagheri A., Khan A., Efroimsky M., et al. (2021) Dynamical evidence for Phobos and Deimos as remnants of a disrupted common progenitor. — Nature Astronomy, 22 February 2021.
   
2. Efroimsky M. (2018) Dissipation in a tidally perturbed body librating in longitude. Icarus 306: 328–354