Спросите Итана: могут ли две планеты существовать на одной орбите?

Несмотря на опасности, которые могут представлять случайный астероид или комета, наша Солнечная система – это удивительно стабильное место, где все восемь планет остаются на своих орбитах всё время жизни Солнца. Но все ли солнечные системы подобны нашей? После просмотра вопросов для еженедельной колонки я выбрал этот замечательный вопрос от Ди Хёрли:

Может ли существовать солнечная система, в которой на одной орбите расположены две планеты?

Это очень хороший вопрос, и в нашей Солнечной системе есть несколько ключей к ответу на него.

  Согласно международному союзу астрономов (IAU), телу, находящемуся на орбите, для получения статуса планеты необходимы три вещи:

1. Находиться в гидростатическом равновесии, то есть обладать гравитацией, достаточной для достижения сферической формы (учитывая искажающую эту форму вращение).
2. Двигаться по орбите вокруг Солнца, а не вокруг другого тела.
3. Очистить свою орбиту от планетезималей, от конкурентов.

Строго говоря, третий пункт исключает возможность нахождения на орбите двух планет.

Но не будем заморачиваться по поводу чётких определений. Лучше прикинем, могут ли две землеподобные планеты находиться на одной орбите вокруг их звезды. Основной проблемой будет гравитация, способная разрушить двойную орбиту одним из двух способов: либо гравитационное взаимодействие очень сильно «ударит» по одной из планет, которая в результате упадёт на солнце или вылетит из системы, либо взаимное притяжение заставит планеты объединиться во впечатляющем столкновении.

Последний вариант как раз случился с Землёй, когда Солнечной системе было всего несколько десятков миллионов лет. Из-за столкновения появилась Луна, и скорее всего, изменилась поверхность Земли.

Двум планетам не очень удобно находиться на одной орбите, поскольку в таких случаях не бывает истинной стабильности. Можно надеяться на квазистабильную орбиту, которая может просуществовать миллиарды лет перед тем, как случится одно из двух происшествий. Для описания этого я хочу ввести понятие точек Лагранжа.

Если рассматривать всего две массы – Солнце и одну планету – существует пять точек, известных, как точки Лагранжа, вокруг которых гравитационные эффекты Солнца и планеты взаимно уничтожаются, и находящееся в них тело малой массы может вечно двигаться с первыми двумя по орбите. К сожалению, только точки L4 и L5 стабильны; всё, что начинает с точек L1, L2 или L3, в результате либо сталкивается с планетой, либо выбрасывается из системы.

Но вокруг точек L4 и L5 скапливаются астероиды. У газовых гигантов их тысячи, но и у Земли есть один: астероид 3753 Cruithne, сейчас находящийся на квазистабильной орбите с нашим миром!

И хотя этот астероид нестабилен на временных масштабах в миллиарды лет, именно так две планеты могут существовать на одной орбите. Также возможно существование бинарной планеты, нечто вроде системы Земля/Луна (или Плутон/Харон), в которой нет чёткого разделения на планету и луну. Если в системе две планеты имеют сравнимые массы и размеры и разделены небольшим расстоянием, эту систему можно назвать бинарной, или двойной планетной. Последние исследования говорят о возможности существования таких систем.

Но есть и ещё один способ, который может показаться вам нестабильным: две планеты на разных орбитах, одна внутри другой, периодически меняющиеся местами. Вы можете решить, что это безумие, но в Солнечной системе есть пример такого случая: две луны Сатурна, Эпиметей и Янус.

Каждые четыре года луна, находящаяся ближе к Сатурну, побеждает внешнюю, и их гравитационное притяжение заставляет внутреннюю луну перейти на внешнюю орбиту, а внешнюю на внутреннюю.

За последние 25 лет мы много раз наблюдали их танец, и, насколько мы можем судить, эта конфигурация стабильна в течение существования Солнечной системы. То есть, где-нибудь в нашей Галактике вполне может существовать планетная система, в которой две планеты, а не луны, ведут себя именно так!

Плохие новости в том, что из тысяч открытых нами планет мы пока не знаем ни одной бинарной системы. Новости об открытии такой системы, пролетавшие несколько лет назад, были отозваны. Конечно, наша технология ещё недостаточно хороша для того, чтобы открывать луны вокруг экзопланет, и мы ожидаем, что они там будут.

На самом деле такие случаи совместного использования орбит должны быть редки, но не настолько редки, чтобы мы с ними никогда не столкнулись. Дайте нам телескоп для поиска планет получше, миллион звёзд и десять лет, и я могу поспорить, что мы найдём примеры всех трёх случаев существования двух планет на одной орбите. Законы гравитации и наши симуляции утверждают, что такие случаи должны реализовываться. Осталось лишь отыскать их.