Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба - Эрик Асфог

Гигантские столкновения – еще более сложный случай. У такого события нет центра, и не существует лаборатории, где мы могли бы воспроизвести его в меньшем масштабе. Тем не менее мы можем сделать некоторые приблизительные расчеты. Гигантские столкновения планет, захваченных взаимной гравитацией, случаются примерно на скорости убегания двух соударяющихся тел. Это та скорость (она же – вторая космическая), с которой одно тело падало бы на другое в идеальной ситуации, когда они являются единственными объектами во Вселенной: 11,2 км/с для Земли и 2,4 км/с для Луны. Соответственно, при масштабировании такие столкновения можно считать «самыми медленными»: если летящее тело и его мишень сравнимы по размерам и взаимодействуют примерно со своей скоростью убегания, то только для того, чтобы завершился физический контакт, потребуется целый час. После этого столкновение развивается в течение многих дней, представляя собой гравитационное и механическое взаимодействие двух тел, у которых сливаются или пытаются слиться ядра. Такие явления мы можем изучать только с помощью трехмерного компьютерного моделирования, которое учитывает взаимное гравитационное взаимодействие всех компонентов системы, а также все остальные физические аспекты ударного кратерообразования. Картина начинает напоминать взаимовлияние галактик, и в самом деле, для этих двух типов моделирования используются одни и те же гидрокоды.

* * *

Один аспект физики столкновений достаточно прост. Если вы хотите срастить две планеты в одну, вам нужно объединить и их импульсы – это закон Ньютона. Когда вы стреляете в лежащий на столе деревянный брусок, он поглощает импульс пули и улетает со стола со скоростью, равной скорости пули, деленной на относительную массу бруска. То же самое происходит и с вращательным движением. Представьте, что астронавт парит в безвоздушном пространстве и хватает вращающуюся коробку с инструментами. В итоге он тоже начнет вращаться, но более медленно, пропорционально своему более значительному моменту инерции[148]. Если коробка вращается слишком быстро или слишком тяжела, астронавт не сможет ее удержать.

Можно провести аналогию между этой неспособностью удержать коробку и двумя планетами, пытающимися вырасти в процессе гигантского столкновения. Из-за момента импульса двум планетам сходного размера трудно сцепиться воедино, и при компьютерном моделировании мы наблюдаем, что гигантские столкновения приводят к слиянию планет только примерно в половине случаев. Все прочие можно назвать «столкновениями с оставлением места происшествия», когда две планеты, ошеломленные и поврежденные, продолжают двигаться своими разными дорогами.

Комета Шумейкеров – Леви 9, которую разорвало приливными силами неподалеку от Юпитера в 1992 г. Фото получено космическим телескопом «Хаббл» в 1994 г., за несколько месяцев до того, как все фрагменты столкнулись с Юпитером на следующем обороте. В ранней Солнечной системе «столкновения с оставлением места происшествия» порождали похожие «бусы» тел планетного масштаба.

NASA/HST

Иногда более маленькая убегающая планета выживает лишь в ограниченном смысле, распадаясь на множество субпланет, двигающихся после столкновения как бусины на нитке, – это механизм формирования целых семей планетных тел, имеющих общий химический состав. Они варились в одной «кастрюле с рагу», но некоторым досталось больше мяса, а другим – одна картошка. И вот они летят в неизведанную синюю даль, полдюжины новых планет, некоторые – богатые горными породами, другие – металлические, а третьи – океанические… И это не просто абстрактные рассуждения: мы сами наблюдали подобное событие в 1992 г., когда Юпитер разорвал на части комету.

Стандартная модель образования Луны в результате гигантского столкновения находится посередине между аккрецией и оставлением места происшествия. В ходе одного из последних крупных событий такого рода олигарх размером с Марс и массой в одну десятую массы Земли, сталкивается с нашей планетой под углом в 45° на скорости, близкой к скорости убегания[149]. Это достаточно типичный случай, если судить по тому, что мы знаем о последнем этапе формирования Солнечной системы. Имея диаметр более чем в два раза меньше земного, Тейя не вошла в плотный контакт с Землей; хотя это и наиболее вероятный угол удара, вероятность аккреции на нем не максимальна. При соударении под углом более 60° (что соответствует четверти всех соударений) практически любое гигантское столкновение проходит с оставлением места происшествия. Чтобы погасить момент импульса, соударение должно быть более-менее лобовым. В момент столкновения Тейя двигалась относительно медленно, так что она потеряла достаточный момент, чтобы попасть в ловушку тяготения Земли и быть разорванной ударом и земным притяжением, действующим как огромная приливная сила. Ее разорванная масса зашла на второе столкновение примерно через десять часов. На этот раз она двигалась еще медленнее, что в результате закончилось аккрецией.

Два примера гигантских столкновений. В результате одного из них появится Луна, а в результате другого – нет. Участвующие в соударении тела показаны через час после начала контакта. Справа – поперечные сечения, где разные оттенки соответствуют разной плотности. В верхнем случае ядра проходят мимо друг друга («столкновение с оставлением места происшествия»), а в нижнем – вот-вот сольются в единое целое.

Alexandre Emsenhuber (U. Arizona)

Согласно стандартной модели, ядра слились быстро – примерно за несколько часов. Для любой системы существует характерное время гравитационного взаимодействия (Gρ)–1/2, где G – это ньютоновская гравитационная постоянная[150], а ρ – плотность вещества в граммах на кубический сантиметр (для воды она равна 1, для горных пород – 3). Ядра погружаются и сливаются, что придает центральной части тела огромную скорость вращения. Пограничная область между ядром и мантией вовлекается в это движение, и от планеты отрываются огромные капли богатого мантийными породами материала – в точности, как это представлял себе Дарвин; на самом деле этот процесс можно воспринимать как расщепление, запущенное в результате столкновения. Ядро Тейи было почти полностью поглощено Землей, поэтому Луна в конце концов сформировалась из протолунного диска, состоящего в основном из горных пород.