Вопрос, почему кольца планет не превращаются в спутники, был задан в комментариях к одной статей, – и, с одной стороны, это слишком простой вопрос. Как правило, кольца планет находятся в сфере Роша, где приливные взаимодействия спутники разрушают… Но – как правило.
Однако есть же и исключения. Да и вообще, кольца интересная тема. Особенно учитывая, что публикация, в комментариях к которой появился вопрос, касалась рождения планет, а не лун. Планеты тоже образуются из колец газопылевой смеси. И для начала следует понять, почему это происходит. Почему, – в норме, – частицы, образующие кольцо на орбите массивного тела, – не хотят оставаться, как есть, а стремятся собраться в кучу?
Потому что, точки Лагранжа. На знакомой всем схеме можно увидеть точки L4 и L5, – устойчивые. При смещении тела, помещённого в них, возникает сила стремящаяся вернуть его на место. Прочие точки Лагранжа – не устойчивы. Пребывать там в равновесии тело может, лишь пока не будет смещено. Остальные же точки окружности (буквой L не отмеченные) не устойчивы совсем. Тело, помещённое в них, добровольно на месте не останется, а начнёт скатываться в направлении более массивного на той же орбите.
Проще говоря, кольцо из пыли и мелких тел – гравитационно-неустойчивое образование. Любая флуктуация плотности будет лавинообразно нарастать, – кольцо стремится стянуться в точку. Устойчивых точек на окружности всего две, прочих же бесконечно много…
Как следствие, в планетологии долгое время соперничали две модели образования газовых гигантов. В рамках одной, пыль превращалась в планетезимали, те в планетоиды, планетоиды в массивное каменистое ядро протопланеты, затем уже притягивающее газ. В рамках другой, кольцо сжималось в планету без промежуточных этапов. Только непосредственное наблюдение за рождением планет в экзосистемах позволили окончательно сделать выбор в пользу первой модели… И здесь уже возникает вопрос, почему?
Почему кольцо, будучи неустойчивым, не так-то охотно стягивается к одному центру? Прежде всего, потому что требуется центр. Флуктуация нарастает лавинообразно, но это значит, что в первый момент, – пока распределение массы по окружности почти равномерно, – «стягивающая» сила ничтожна. Частицы же, между тем, находятся и под воздействием других сил. Это столкновения, ведущие к обмену импульсом, солнечный ветер и давление излучения протозвезды. Для отдельной молекулы по сравнению со всем перечисленным гравитационная нестабильность пренебрежимо мала. То же касается и пылинок. В значительной мере и мелких планетезималей. Лишь уже относительно массивные тела начинают ускоряться взаимным притяжением, и тогда механизм запускается.
Это важно?
В рамках поднятой темы вопрос неустойчивости кольца имеет прямое отношение к делу. Из сказанного выше, во-первых, должно быть очевидно, что кольцо из мелких частиц может существовать долго. Во-вторых же, его стабильность, – вернее, степень гравитационной нестабильности, – прямо зависит от массы материала в кольце. На этапе, когда происходит слияние в единое тело, требуется чтобы образующие кольцо объекты при сближении испытывали заметное взаимное ускорение, – а с какой силой будут притягиваться два кирпича, разделённые десятками тысяч километров? Гравитационные воздействия планет и давление солнечного ветра будут менять их орбиты сильнее, чем взаимное притяжение.
Как следствие, кольца в Солнечной системе наличествуют не только у планет, и не только в «зона смерти». Кольца подозреваются у спутника Сатурна Реи, у имеющего неправильную форму планетоида Хауамеа на границе системы, у объекта Хирон, одновременно числящегося и астероидом, и кометой. Образование нового кольца, – в результате импактного разрушения одного из мелких спутников, – недавно в реальном времени наблюдалось в системе Юпитера. Если масса кольца мала, стягивания к месту её максимальной концентрации вообще не наблюдается, а, напротив, материал стремится распределиться по окружности равномерно. Именно такой эффект даёт преобладание внешних сил над внутренней гравитационной нестабильностью…
Но кольца, подобные упомянутым выше, очень недолговечны, – существуют от тысяч лет, до десятков миллионов лет. Тем меньше, чем меньше масса тела, кольцом опоясанного. Воздействие солнечного ветра, одновременно, имеет и эффект торможения частиц, тем более значимый, чем ниже их скорость. Понятно, что на орбите Сатурна снежинки несутся быстрее, чем на орбите Хирона с поперечником 200 километров. Там космическая скорость стремится к скорости пешехода. Такой жалкий импульс ничего не стоит отнять, так что… Лёгкие кольца тоже стягиваются, – но не к наиболее массивному собственному участку, а к центральному телу. Проще говоря, выброшенные с астероидов частицы, выстроившись в кольцо и покрутившись там, быстро оседают назад.
...Устойчивость же классических колец в пределах Роша массивных планет, конечно, намного выше. Иногда, – это случай Сатурна, – там и с массой кольца всё в порядке. То есть, механизм «стягивания» должен бы действовать, но превращению кольца в спутник мешают приливные воздействия.
И последнее тоже можно наблюдать в реальном времени по образованию и распаду «временных» номерных спутников из колец Сатурна. При образовании флуктуации плотности, – время от времени это происходит по случайности, – снег из кольца начинает бодро стягиваться в кучу, но, достигнув полутора километров в поперечнике тело разрывается…
Причина этого снова в точка Лагранжа. В «зоне смерти» точки L1 и L2, в которых тяготение к планете и центру масс спутника уравновешиваются, находятся внутри спутника, так что, предметы на его поверхности начинают падать «верх».
...По традиции на бонус большая подборка мнений читателей из области физики:
