У Луны могли быть свои мини-луны, когда она сформировалась на заре времен

Когда Земля была еще молодой планетой и получила свою Луну, она также могла иметь небольшое количество мини-спутников. Новое исследование орбит в системы Земля-Луна предполагает, что так называемые «луны» когда-то вращались вокруг нашей планеты. Хотя эти спутники больше не вращаются вокруг Земли, ученые полагают, что подобные спутники могут вращаться вокруг далеких экзопланет и их спутников.

Рабочая теория ученых о формировании Луны, получившая название «гипотеза гигантского удара», вращается вокруг Тейи, ранней планеты, которая, как полагают, столкнулась с Землей 4,5 миллиарда лет назад.

Хотя в результате удара, вероятно, части протоземли были выброшены в космос, некоторые из этих частей, как полагают, слились, образовав нашу Луну. Но маловероятно, что все фрагменты протоземли присоединились к новому спутнику Земли. Вместо этого некоторые остатки были полностью выброшены из системы Земля-Луна, в то время как другие, вероятно, в конечном итоге вращались какое-то время вокруг нашей планеты и ее нового компаньона.

В препринте, опубликованном в arXiv, астрофизики из Университета Невады описывают, как круговые орбиты могли когда-то способствовать временному удержанию спутников. Сейчас Луна вращается вокруг Земли на расстоянии — около 384 600 километров. Но из-за приливного трения она отдаляется от нашей планеты примерно на 3,8 см в год. Сразу после столкновения с Тейей скопление обломков, из которых состоит Луна, находилось на расстоянии всего около 19 000 километров. Наклон Луны по отношению к орбите Земли также уменьшился примерно на 5 градусов с момента образования небесного тела.

Изучив раннюю орбиту Луны, исследователи обнаружили, что ненулевой орбитальный эксцентриситет системы Земля-Луна — он же отклонение от идеального круга — мог допускать два различных типа несогласованных полярных орбит.

Циркулирующие орбиты позволяли объекту двигаться вокруг вектора углового момента системы Земля-Луна. В отличие от этого, либрационные орбиты заставили бы объект «колебаться» вокруг точки гравитационного равновесия. (На самом деле Луна либрирует и сегодня, в результате чего ее северный и южный полюса попеременно слегка наклоняются в сторону Земли). Любая из этих орбит могла позволить обломкам, не вошедшим в состав Луны, обогнуть всю систему Земля-Луна по так называемой круговой орбите.

Согласно моделированию, любой из этих типов орбит оставался бы стабильным до тех пор, пока расстояние между Землей и Луной не достигло 95 565 км, что в 7,5 раз больше диаметра Земли. Но этих орбит – и лун, которые бы их использовали – сегодня не существует. «Поскольку расстояние между [системой Земля-Луна] увеличивалось из-за приливов, область космического пространства, для которой существуют полярные орбиты, уменьшалась», — объясняют ученые в своей статье. Но это не означает, что подобные спутники не могут вращаться вокруг других планет и их спутников.

«Существование стабильных полярных орбит вокруг молодой системы Земля-Луна имеет последствия для экзопланет», — пишут исследователи. «Диапазон начальных наклонений, при которых существуют либрирующие орбиты, увеличивается с эксцентриситетом двойной системы… Следовательно, более эксцентричная орбита планеты и луны с большей вероятностью сможет содержать полярный циркумбинарный материал». Другими словами, далекая планета и ее спутник с несовершенной орбитой могут иметь собственные мини-луны.

«Хотя может быть сложно доказать, существовал ли материал на полярной орбите вокруг системы Земля-Луна, это действительно повышает вероятность образования долговременных стабильных полярных лун в экзопланетных системах», — говорят исследователи. «Спутники на полярной орбите могут изменить динамику системы экзопланета-луна и, следовательно, потенциально иметь наблюдаемые последствия».

Ученые описали свои выводы в статье, принятой к публикации в Astrophysical Journal.