Спутники в Солнечной системы формировались разными путями, которые можно объединить в три независимые группы. Наша собственная Луна относится к не совсем обычной подгруппе естественных спутников: у нее нетипично большая масса в сравнении с массой планеты — она весит как 1,2% (или 1/81 часть) Земли. Этот показатель выше только у Плутона и его гигантского спутника Харона, масса которого составляет 12% (1/8 часть) массы Плутона. Напротив, массы спутников Марса, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна не превышают 0,025% (1/4 000 часть) массы их планет. Откуда у небольших миров вроде Земли и Плутона такие большие спутники?
Ответ заключается в том, что и наша Луна, и Харон являются результатами мощного столкновения. Полагают, что Луна появилась на свет в тот момент, когда в молодую Землю врезался объект размером с Марс, в результате чего на орбите нашей планеты оказалось много осколков потерянных нарушителем ее спокойствия и выбитых с ее собственной поверхности. Слившись, они образовали Луну. Своим строением Луна похожа на мантию Земли, но при этом лишена более легких элементов, которые улетучились в окружающее пространство при ударе.
Еще одна аномалия среди лун Солнечной системы — спутник Нептуна Тритон. При диаметре 2700 км и массе, превышающей массу Плутона на 40%, Тритон является самым крупным из 14 известных нам спутников Нептуна и седьмым по величине в Солнечной системе. В отличие от прочих спутников большого размера, Тритон обращается вокруг Нептуна в направлении, противоположном направлению вращения планеты. Эта необычная ретроградная орбита может быть свидетельством того, что Тритон и Нептун сформировались независимо друг от друга, а затем в какой-то момент Тритон оказался вблизи планеты и был захвачен ее гравитацией. По своему строению Тритон очень похож на Плутон. Поэтому вполне возможно, что он сформировался в поясе Койпера в качестве карликовой планеты, а затем оказался во власти Нептуна в процессе миграции планеты-гиганта.
Захват такого большого спутника, как Тритон, — событие далеко не рядовое. Закрепиться на орбите Нептуна будущая луна могла лишь в том случае, если она двигалась со скоростью, обеспечивающей ее удержание гравитационным полем планеты. Однако по обычной орбите вокруг Солнца карликовая планета двигалась бы слишком быстро, чтобы ее мог захватить Нептун. Кроме того, большая масса Тритона делает невозможным столкновение с каким-то из спутников Нептуна, обеспечившего достаточную силу торможения без катастрофических последствий для его участников.
Согласно популярной гипотезе, Тритон в качестве карликовой планеты когда-то был частью двойной системы, аналогичной системе Плутона и Харона. При вращении вокруг общего центра масс в процессе движения по орбите вокруг Солнца скорость каждого компонента системы относительно Нептуна должна была меняться, становясь то больше, то меньше общей скорости системы.
При сближении Нептуна с двойной системой входящие в нее карликовые планеты должны были разойтись под воздействием его мощной гравитации[46]. Карликовая планета, которая двигалась чуть медленнее, чем двойная система, была захвачена планетой-гигантом, а ее компаньон был выброшен в окружающее пространство.
Захваченная карликовая планета впоследствии и стала Тритоном. В результате рассеивания менее крупных спутников Нептуна и столкновений с ними этот новый гигантский спутник занял доминирующее положение, в результате чего на его долю приходится 99,5% массы всего вещества на орбитах вокруг Нептуна.
Большинство спутников в Солнечной системе сформировались не в результате страшного столкновения или захвата — они образовались в газово-пылевом диске, окружавшем молодые газовые гиганты. Такие околопланетные диски похожи на уменьшенную версию протопланетного диска, окружавшего молодое Солнце. Подобно протопланетному диску, околопланетный диск состоит из газа, круговое движение которого уравновешивает гравитационное притяжение планеты-гиганта.
Однако кое-чем эти два типа дисков все-таки различаются. В частности, на пыль в околопланетном диске действует гравитационное поле как планеты, так и звезды. В результате взаимодействия двух сил образуется особая область околопланетного диска, в которой могут формироваться спутники. Если расстояние до планеты будет слишком мало, спутник разорвут приливные силы, создаваемые гравитацией планеты. А при слишком большом расстоянии он окажется во власти притяжения звезды, перейдя на нестабильную орбиту. В качестве четкой внешней границы выступает сфера Хилла планеты, за пределами которой гравитация звезды сильнее гравитации планеты. На практике формирование спутника должно проходит в пределах ближайшей к планете трети сферы Хилла — только в этом случае он останется прочно привязан к своей родительской планете. Внутренняя граница области формирования спутников проходит там, где влияние гравитации планеты оказывается столь сильным, что спутник распадается на части. Это тот самый рубеж, о котором мы говорили в разделе о хтонических горячих юпитерах, атмосферы которых переливаются при приближении к звезде.
Поскольку это основной способ образования спутников, то вероятность появления пригодного для жизни определяется способностью околопланетного диска обеспечить формирование спутника большого размера. Если допустить, что размер околопланетного диска зависит от размера планеты, то юпитероподобные миры, обращающиеся вокруг других звезд, являются многообещающим местом для поиска. Осталось ответить на вопрос о возможности формирования гигантских спутников размером с Марс, способных удержать атмосферу.
Как и в протопланетном диске, ключевым фактором формирования спутника сверхбольшого размера служит наличие твердого льда. Если есть условия для замерзания воды, количества вещества может хватить для появления спутника размером с Марс. Но потребность во льде приводит нас к одной проблеме: при формировании в зоне умеренных температур спутник находится во внутренней части Солнечной системы, не пересекая снеговую линию. Температура во внутренней части слишком высока, чтобы вода могла замерзать, превращаясь в околопланетную пыль. Поэтому сверхбольшой спутник должен формироваться за пределами снеговой линии и затем мигрировать во внутреннюю область или закончить свой путь так, как Тритон, — оказавшись в захвате. Поскольку для захвата требуются особые условия, среди потенциально пригодных для жизни спутников вполне могут быть покрытые водой миры, лед на которых растаял при перемещении в зону умеренных температур. Как мы видели в главе 14, у нас нет оснований полностью исключать возможность появления жизни в таких мирах, но при этом существовать ей придется в условиях, которые очень сильно отличаются от земных.
Разумеется, формирование за снеговой линией не гарантирует образования льда. Вулканически активный спутник Юпитера Ио доказывает, что температура на спутниках может существенно отличаться от температуры на планетах.
В пределах околопланетного диска на протоспутник будут действовать силы притяжения звезды и планеты, также у него будет два источника тепла. Благодаря теплу светила, отражаемому и излучаемому планетой, в диске появляется своя собственная снеговая линия. Если расстояние от объекта в диске до планеты меньше, чем до снеговой линии, он будет получать такое количество тепла, при котором лед не сможет сохранять твердую форму. Формирующиеся в этой области спутники будут сухими, независимо от расстояния от планеты до звезды. Поэтому потенциально пригодный для жизни спутник должен формироваться за пределами двух снеговых линий: он должен быть дальше от звезды, чем протопланетная снеговая линия, и дальше от планеты, чем околопланетная снеговая линия.
Заполучив воду, спутник должен сохранить ее. Примеры галилеевых спутников Энцелада и Титана показывают, что на спутники газовых гигантов большое влияние оказывает приливный разогрев. Таким образом, появляется еще одно внутреннее кольцо вокруг планеты, при пересечении которого спутник на вытянутой орбите рискует потерять свои озера и океаны, если они у него имеются.
Если орбита спутника будет проходить внутри области, ограниченной этой линией, то даже при нахождении в зоне умеренных температур он может оказаться в тисках неконтролируемого парникового эффекта. Применительно к спутникам эта линия выступает в качестве своего рода дополнительной температурной границы[47].
Точное расположение границы околопланетной зоны умеренных температур зависит как от размера планеты, так и от размера спутника. Чем массивнее планета и спутник, тем мощнее приливный разогрев. Такие образом, если допустить наличие незначительного эксцентриситета орбиты, запускающего приливный разогрев, спутник размером с Марс может находиться ближе к планете, чем спутник размером с Землю, без резкого повышения температуры, как на Венере. Соответственно, потенциально пригодные для жизни спутники вокруг планеты с массой, превышающей массу Юпитера, должны находиться на большем расстоянии, чем спутник планеты размером с Нептун.
При нахождении на круговой орбите риск деформации, приводящей к приливному разогреву спутника, отсутствует. В этом случае потенциально пригодный для жизни спутник может пересечь границу околопланетной зоны умеренных температур до того, как тепло от планеты заставит испариться всю воду с его поверхности. За счет большей площади крупный спутник будет терять большее количество энергии, чем спутник меньшего размера, то есть ему будет проще сопротивляться повышению температуры. Однако приливный разогрев сводит на нет это преимущество, поэтому искать миры с умеренными температурами следует среди тех из них, которые имеют больший размер и не подвергаются деформации.
Дополнительный нагрев не всегда является помехой для жизни. Благодаря приливному разогреву на поверхности спутника, находящегося на внешней периферии зоны умеренных температур, могут сохраняться озера. Если бы Марс был спутником, а не планетой, он бы вполне мог быть пригоден для жизни. Прежде всего это относится к многочисленным планетам, движущимся по вытянутым орбитам вокруг своих звезд. При выходе такой орбиты за пределы звездной зоны умеренных температур, планета способна обеспечить свои спутники таким количеством тепла, которое не даст замерзнуть воде на их поверхности.