Коли люди уявляють чужі планети, серед деталей, які одразу дають зрозуміти, що перед ними справді інший світ, часто з’являється образ двох або більше місяців на небі: великих, красивих і зовсім нереалістичних.
Два місяці в небі
Уявіть собі, що ви опинилися в незнайомому і прекрасному місці. Навколо простягаються дивні пейзажі, екзотичні рослини оточують вас зусібіч, навколо метушаться тварини, ніби як знайомі, але водночас дуже незвичайні.
Ви потрапили у тропіки? Чи це інша планета? Якщо колір неба не дуже відрізняється, а ви — не фахівець із ботаніки та зоології, то найімовірніше, що ви припустите перший варіант. Але потім подивитесь вгору і побачите два велетенських місяці дуже незвичного кольору, і одразу зрозумієте, що це таки інший світ.
Саме так ситуацію з тим, що можна побачити в небі землеподібної планети, яка обертається навколо іншої зорі, уявляє собі більшість людей. І майже напевно, що планет, де постійно можна спостерігати щось подібне у Всесвіті, майже немає. Але тут варто пояснити по черзі.
Насамперед треба зрозуміти, що таке землеподібна планета. Скоріш за все, йдеться про небесне тіло, діаметр якого складає від 50 % до 300 % від земного. Менші світи навряд чи зможуть втримати атмосферу та гідросферу, більші, навпаки, будуть схожими на невеликі газові гіганти.
Навіть відшукати на них поверхню, яка відділяє густу атмосферу від неймовірно глибокого океану, буде непросто, не кажучи вже про те, щоб там могло існувати хоча б віддалено схоже на земне життя чи щоб крізь щільну атмосферу можна було розгледіти місяці.
Чи може у землеподібної планети бути кілька супутників?
У Сонячній системі більшість супутників, включно з найбільшими, обертаються навколо газових гігантів. Однак одночасно ми маємо Марс, який суттєво менший за Землю і при цьому має аж два місяці: Фобос та Деймос.
Тож насправді нічого неймовірного у тому, щоб мати одразу кілька місяців, немає. Тут головне, аби поряд був Головний пояс астероїдів. Проте саме Марс, а точніше, знімки, зроблені апаратами з його поверхні, показує нам, що два супутники в небі мають зовсім не такий вигляд, як їх малюють художники й фантасти.
І перше, на що треба звернути увагу, — кутовий розмір супутників у небі. На Землі ми звикли бачити Місяць достатньо великим — 31 кутова мінута, або ж 0,5 градуса. Звичайно, це в середньому, адже через ексцентриситет орбіти його видимий розмір може змінюватися.
Але видимий розмір небесного тіла випливає з двох параметрів: відстані до нього та реального розміру. І наш супутник здається таким великим зовсім не через близькість. Навпаки, орбіта Місяця розташована близько до сфери Гілла — області, в якій гравітація Землі достатньо сильна для того, аби взагалі хоч щось утримати.
Місяць здається нам настільки великим виключно через свій діаметр — 3475 км, тобто приблизно чверть радіуса Землі. За мірками планет це надзвичайно багато. Супутники Марса значно менші. У Фобоса діаметр 22,5 км за середнього радіуса орбіти 9377 км, у Деймоса — 12,4 км за середнього радіуса орбіти 23 458 км. Це означає, що за розміром вони у 150–250 разів менші за Місяць, але розташовані ближче до планети лише у 20–40 разів. Тобто в небі Марса вони здаються зовсім невеликими цятками, вдесятеро меншими за кутовим діаметром, ніж звичне нам «нічне світило». При цьому їхнє обертання навколо планети анітрохи не узгоджене: у Фобоса його період складає 30 годин, у Деймоса — 7 годин 30 хвилин.
Через це перший із них з точки зору спостерігача на поверхні планети дуже повільно повзе на небі зі сходу на захід, а другий ніби обганяє обертання Марса і досить швидко пролітає по небу із заходу на схід.
Саме тому не те що красиву картину двох повних місяців, що закривають один одного на небі побачити неможливо, навіть дві цятики поруч — велика рідкість. І це ще у Фобоса та Деймоса нахил орбіти відносно екватора Марса відрізняється лише на 1°, тобто обертаються вони у двох достатньо близьких площинах.
Але ніщо не заважає двом невеликим супутникам планети обертатися в різних площинах. У такому разі їхня одночасна поява на небі буде настільки рідкісною, що про можливість помилуватися нею над певною місцевістю повідомлятимуть у новинах як про виняткову астрономічну подію.
Супутників планети, які являють собою захоплені нею астероїди, може бути і три, і п’ять. Проте всі вони з поверхні нагадують невеликі цяточки, які на великій швидкості проносяться по небу і рідко коли зустрічаються одна з одною. Бо для того, аби рухатися повільно, супутник має перебувати хоча б у кількох десятках тисяч кілометрів від поверхні. Проте аби не виглядати при цьому зовсім вже крихітним, він має бути хоча б кілька десятків кілометрів у діаметрі. А таких на весь Головний пояс Сонячної системи не набереться і трьох сотень. І чим більше астероїд, тим менше ймовірність того, що гравітація планети зможе змінити його траєкторію таким чином, щоб він залишився на стабільній орбіті.
Утворення двох великих місяців
Тут може виникнути питання: ну Земля ж якось отримала Місяць, що ним ми можемо милуватися вночі? Чому те саме не може статися з якоюсь іншою планетою двічі? І тут треба згадати, що достеменно того, як же в нас з’явився настільки великий супутник, ми не знаємо.
Найбільш популярна версія його утворення полягає в тому, що колись на світанку існування Сонячної системи із Землею зіштовхнулася протопланета розміром приблизно із Марс. У результаті значна частина матеріалу, що лишився після зіткнення, була викинута у космос, зібралася на орбіті Землі й там утворила справді великий супутник.
Звичайно, що двічі, й тим більше тричі, такого статися не могло, це надто рідкісна подія. Науковці навіть не впевнені, з яким відсотком екзопланет могло статися щось подібне. Чи означає це, що настільки великий супутник може утворитися тільки раз? Насправді ні.
Моделі того, що відбувалося із Землею під час гігантського зіткнення, дають різні результати. Водночас вони допускають сценарій, за якого замість одного великого супутника на різних орбітах могли сформуватися два. Звісно, для цього мало скластися так, щоб взаємна гравітаційна взаємодія трьох тіл (класична задача трьох тіл) не призвела до викидання одного з них із системи або його зіткнення з іншим.
Це тим більше складно з огляду на те, що Місяць утворився значно ближче до Землі, ніж перебуває зараз, і відтоді поступово віддаляється від нас. Це, з одного боку, ніби як дозволяє існувати молодим планетам зі значно більшим видимим діаметром Місяця в небі. Але з іншого — цей фактор значно ускладнює існування двох великих місяців на орбіті. Адже вони не лише мали якимось чином уникнути зіткнення під час формування, а й протягом мільйонів років синхронно віддалятися від планети так, щоб їхня взаємодія та гравітація самої планети не призвели до падіння одного з них на її поверхню.
Це не те, щоб зовсім неможливо, але достатньо малоймовірно. І знову ж таки, зовсім не гарантує красивої картинки двох місяців у небі. Бо навіть якщо площини їхніх орбіт таки будуть близькими, все одно кожен із супутників обертатиметься за свій час.
Цілком можливо, що періоди обертання двох місяців із часом утворять резонанс, наприклад, 1:2 чи 2:3. І це означатиме, що вони таки через рівні проміжки часу зустрічатимуться у небі. Проте для того, аби це відбувалося, мають виконуватися інші умови. Наприклад, для максимально красивої картини дальній супутник має бути більший за ближній. Інакше їхнє сусідство на небі нагадуватиме світляка поруч із ліхтарем — контраст буде настільки великим, що видовище навряд чи справить враження.
По друге, треба пам’ятати, що чим ближче до планети перебуватимуть супутники, тим частіше відбуватимуться їхні зустрічі, зате час, поки один частково чи повністю ховається за іншим, буде достатньо коротким, адже рухатимуться вони достатньо швидко.
Чим далі від планети розташовані супутники, тим рідшими будуть їхні зустрічі. Наприклад, у випадку, коли дальній перебуває на такій відстані, як і земний Місяць, це цілком може бути й раз на 3–4 місяці. Зате і саме з’єднання може тривати кілька годин.
Не варто забувати, що якщо ближній супутник здійснює повний оберт навколо планети швидше, ніж триває доба на ній, то його зближення з другим супутником буде видно лише з певної частини поверхні. Бо поки планета повернеться іншим боком, вони вже не перебуватимуть на одній лінії з нею.
Місяці різного походження
Цілком можлива також ситуація, коли у планети два, а то і три супутники, але вони мають різне походження. Один, найбільший, утворився б так, як це відбулося із земним Місяцем, а ще один чи два були б захоплені планетою пізніше.
Цей сценарій видається навіть більш імовірним, ніж утворення одразу двох тіл у результаті гігантського зіткнення. Однак проблеми з ним практично ті самі. Астероїду треба якось не врізатися у супутник під час захоплення і не бути викинутим його гравітацією за ті мільйони років, протягом яких він віддалятиметься від планети.
Але якщо це все ж станеться, то саме такий сценарій буде найімовірнішим поясненням існування у планети двох супутників. При цьому майже напевно захоплений супутник перебуватиме значно ближче до планети, ніж той, який утворився на її орбіті. Це логічно з двох причин: по-перше, на меншій відстані гравітаційний вплив планети полегшує захоплення тіла, а по-друге, далекий супутник просто здаватиметься надто малим, щоб створювати дивовижну картину на небі.
При цьому варто пом’ятати, що площинам орбіт двох місяців у цьому випадку зовсім не обов’язково хоч трохи збігатися. І тим більше резонансу вони також не утворюватимуть. А це означає, що їхні зустрічі в небі будуть рідкісними й нерегулярними. Зате картина буде така, ніби маленький камінчик достатньо швидко (насправді впродовж кількох хвилин чи навіть десятків хвилин) перетинатиме диск більшого місяця.
Місяць на орбіті іншого місяця
Не можна повністю виключати й сценарій, за якого астероїд стає супутником великого Місяця. Однак такий варіант є малоймовірним. Для цього космічний камінь мав би з відносно невеликою швидкістю наблизитися саме до супутника, а не до планети, після чого його гравітація мала б захопити астероїд так, щоб той залишився на стійкій орбіті навколо нього.
Якщо такий вкрай малоймовірний сценарій все ж відбудеться, то красивої картинки для спостерігача на планеті це все одно не створить. Навіть якщо великий супутник перебуватиме у 2–3 рази ближче, ніж Місяць до Землі, астероїд на такій відстані неозброєним оком буде або вкрай важко, або зовсім неможливо розгледіти. Зате в невеликий телескоп чи бінокль регулярно вдаватиметься спостерігати його проходження по диску.
Загалом же можна сказати, що існування землеподібної екзопланети з кількома місяцями виключати не можна. Однак цілком ймовірно, що навіть наш великий супутник — дуже рідкісне явище. Зрештою, більшість землеподібних планет розташована переважно біля червоних та помаранчевих карликів. А там орбіти можуть бути достатньо тісними для того, аби гравітаційна взаємодія виключала існування супутників.
Та і саме гігантське зіткнення, в результаті якого утворюються такі великі супутники, як наш Місяць, може виявитися надзвичайно рідкісним. Тож для якихось іншопланетян навіть наша повня може здаватися не меншим дивом, ніж для нас два місяці у небі.
