статья Asteroid belt на сайте wikipedia.org.
сайт astronet.ru
сайт galspace.spb.ru
Эта страничка посвящена происхождению пояса астероидов.
Существует несколько гипотез происхождения пояса астероидов:
1. пояс астероидов является остатками протопланетного диска,
2. пояс астероидов является остатками многих разрушевшихся тел,
3. пояс астероидов является остатками разрушевшейся планеты Фаэтон.
Остановимся более подробно на последней гипотезе. В Солнечной системе существует несколько тел, происхождение которых отличается от образования из протопланетного облака и "доживания" до наших дней на старом месте. Во первых, это Луна, во вторых, это пояс астероидов, в третьих, это Меркурий (далее Тритон и некоторые крупные тела пояса Койпера).
Проанализировав имеющиеся данные по поясу астероидов, Луне и Меркурии, я пришёл к выводу что эти три объекта имеют общее происхождение. Суммарная масса всех астероидов из пояса, по современным подсчётам, составляет 3.0-3.6х1021 кг (смотрите статью на wikipedia.org), чего явно недостаточно для образования планеты, следовательно, была ещё масса, которая куда-то делась. При теоретическом рассмотрении разрушения планеты на орбите с радиусом 2.765 а.е. следует, что образуется большое число обломков разной массы и размеров, которые предположительно будут разлетаться во все стороны, следовательно, часть обломком столкнётся с другими телами Солнечной системы, часть обломков перейдёт на стационарные орбиты вокруг Солнца. Теоретические последствия от разрушения Фаэтона будут следующие:
1. образуется главный пояс астероидов, лежащий в плоскости планет, внутри которого астероиды будут определённым образом распределены по плотности (это зависит от характера разрушения планеты), и образуются несколько крупных астероидов из гравитационного слипания мелких, что реально наблюдается.
2. разлетающиеся осколки могут образовать несколько групп:
а) группа астероидов с большим наклонением, например (5496) 1973 NA, 2001AU43, 2003EH1, 2004 LG,
б) группа астероидов на сильновытянутых орбитах, лишь в перигелии заходящих в пояс астероидов, например астероиды (65407) 2002RP120 и (20461) Dioretsa и другие, наклонение которых превышает 90 градусов, а эксцентриситет превышает 0.9,
в) группа астероидов на средневытянутых орбитах между поясом астероидов и поясом Койпера, эти астероиды будут частью поглощены планетами-гагинтами, частью выброшены на устойчивые орбиты в поясе Койпера, частью перейдут на орбиты между поясом астероидов и поясом Койпера - кентавры,
г) группа астероидов на внутренних орбитах между Солнцем и поясом астероидов,
3. осколки, пролетающие мимо планет, могут перейти на орбиты вокруг них и стать спутниками, так появились спутники Марса и весь "щебень" вокруг планет-гигантов,
4. осколки, столкнувшиеся с другими телами Солнечной системы, могут оставить на них кратеры, возраст которых будет примерно одинаков, например крупные кратеры Асгард и Валгалла на спутнике Юпитера Каллисто,
5. осколки, упавшие на Солнце,
6. остальная масса разрушевшейся планеты, которая куда-то делась.
7. возможные спутники Фаэтона, улетевшие неивестно куда.
Перед моментом гипотетического разрушения Фаэтон был планетой, следовательно в его недрах произошло гравитационное разделение вещества и установился температурный градиент, вследствие чего у Фаэтона была неплотная и тонкая твёрдая кора, толстая и мягкая мантия средней плотности и очень плотное жидкое ядро. Под воздействием гравитационных возмущений эти три составляющие планеты будут вести себя по разному. Кора имеет наименьшую плотность, толщину и температуру, следовательно у неё наименьшая прочность и максимальная хрупкость. При сильной приливной волне кора потрескается. Мантия имеет значительную толщину, её плотность и температура увеличиваются от поверхности к ядру. У мантии средние прочность и хрупкость. При прохождении приливной волны мантия будет изгибаться и растягиваться до определённого значения силы прилива, а потом потрескается. Ядро жидкое, плотное и горячее. У ядра максимальные прочность и тягучесть и наименьшая хрупкость. При прохождении приливной волны ядро будет менять свою форму на эллипсоид без образования трещин.
Теперь посмотрим как будет вести себя вся планета в целом при прохождении по ней сильной приливной волны, учитывая что размер Фаэтона не может быть большим. Самым сильным и заметным образом на прилив будет реагировать ядро - оно изменит форму на эллипсоид и вдоль линии прилива будет давить на мантию и кору в двух точках. Мантия и кора будут от этого всего деформироваться и также вытягиваться в эллипсоид. Первой не выдержит кора и потрескается, что снизит жёсткость планеты в целом. Это приведёт к усилению нагрузки на мантию и в итоге она тоже потрескается. После исчезновения твёрдости мантии ядру ничего не будет мешать принять наиболее выгодную форму сильно вытянутого эллипосида - растяжение произойдёт рывком, что придаст обломкам коры и мантии в точках растяжения сильный импульс, который превысит силу притяжения планеты и обломки разлетятся в космос. В центральной части планеты в плоскости перпендикулярной линии растяжения диаметр ядра резко уменьшится, что приведёт к обрущению на ядро кусков мантии и коры. После столкновения вещества с ядром часть будет выброшена в космос отдачей. Следовательно, при прохождении приливной волны через планету, разлёт осколков будет в виде двух противоположенных направлениях вдоль линии растяжения и в перпендикулярной к линии растяжения плоскости. Учитывая возможное собственное вращение планеты вокруг своей оси, произойдёт смещение направления векторов разлёта осколков, что расширит сектор распространения осколков в космосе.
После прохождения прилива, когда деформирующая сила исчезнет, ядро снова примет сферическую форму. Но в поясе астероидов нет тела сферической формы и с очень большой плотностью вещества. Церера для этого маловата и её плотность невелика - всего 2206 кг/м3. Сследовательно, нужно поискать в Солнечной системе тело сферической формы и большой плотности. Если бы это остывшее ядро столкнулось с планетой земного типа, то прибавился ещё бы один пояс астероидов. В сторону планет-гигантов ядро улететь не могло, следовательно либо перешло на новую гелиоцентрическую орбиту, либо упало на Солнце. Луна на роль остывшего ядра явно не тянет. Остаётся только Меркурий, плотность и размеры которого очень подходят на роль остывшего ядра. Подходит и орбита, которая в случае естественного образования из протопланетного диска не была бы столь эксцентричной - за прошедшее с момента катастрофы время орбиты уже давно бы скруглилась. Округление орбиты у Меркурия происходило всё время после катастрофы, следовательно раньше эксцентриситет был больше.
Главный вопрос - это причина разрушения Фаэтона. Для правильного анализа необходимо знать параметры Фаэтона - радиус, массу и плотность.
Общую массу всех оставшихся астероидов мы уже знаем, массу ядра планеты также знаем - это масса Меркурия. Плотность Фаэтона можно узнать, если построить график зависмости плотности планет от радиуса их орбиты.
Радиусу орбиты в 2.765 а.е. соотвествует плотность примерно 3000 кг/м3. Исходя из этого рассчитаем толщину и массу мантии с корой, при их суммарной плотности примерно 2000 кг/м3, учитывая что общая плотность планеты должна получится вышеобозначенной. Толщина мантии с корой получается 1231 км, масса 2.926*1023 кг. Общая масса Фаэтона 6.21*1023 кг, радиус 3670 км. Фаэтон получился больше Марса по размерам, но меньше по массе.
Предположим, что эксцентриситет Фаэтона был примерно равен эксцентриситету Цереры - 0.08, тогда в афелии радиус орбиты был 2.987 а.е., у Юпитера в перигелии радиус орбиты 4.95 а.е., следовательно сила притяжения между Юпитером и Фаэтоном будет 9.12*1017 Н. Сила притяжения между Землёй и Луной в среднем 1.96*1020 Н, Луна такую деформацию выдерживает и не разрушается, следовательно, Фаэтон тем более выдерживал вышеобозначенную силу притяжения от Юпитера и разрушить его это не могло. Даже прилив от парада планет, когда все планеты выстраиваются в одну линию с Солнцем, не могли разрушить Фаэтон - Луна выдерживает гораздо больше при меньшей массе. Следовательно, причиной разрушения не могут быть приливные силы других планет и Солнца. Остаётся возможность столкновения Фаэтона с пролетающим крупным телом и вероятность наличия у Фаэтона крупного спутника. Гипотезу разрушения Фаэтона при столкновении с другим телом обстоятельно рассмотрели до меня.
Рассмотрим гипотезу наличия крупного спутника у планеты. При формировании планеты из протопланетного диска гравитационные возмущения протоЮпитера, вероятно, могли привести к разделению протопланеты на две неравные части. Модели формирования планет существуют, математически это при желании можно просчитать. В результате Фаэтон сформировался с крупным спутником, возможно, даже сопоставимым с ним по массе и размерам. После теоретического разрушения планеты этот крупный спутник должен куда-то деться, столкнуться с другой планетой, стать чьим-то спутником или упасть на Солнце. Вероятность ухода спутника в пояс Койпера не большая, тем более что там мало крупных тел и туда далеко и трудно добираться. Остаётся Луна, происхождение которой не ясно. Предположим, что Луна и есть потерянный спутник Фаэтона. Определим вероятный радиус Луны вокруг Фаэтона. В Солнечной системе крупные спутники планет-гигантов и Харон имеют параметр W (см. страницу "планеты" от 0.685 до 0.66 (у Луны сейчас 0.653, а раньше было больше), для Фаэтона это значит что радиус орбиты был от 31250 км до 123000 км. Среднее значение для Ганимеда, Титана, Титании, Тритона и Харона 0.667 W, для Фаэтона это 83800 км. Время обращения спутника при среднем радиусе будет 208 часов. Масса Луны должна быть меньше - метеоритная бомбардировка ещё не произошла и Луна свободна от метеоритного железа - примерно 7.25*1022 кг. В паре Луна-Фаэтон соотношение масс составляет примерно 0.1167 или 1/8.5, центр масс системы будет находится на расстоянии от 3270 до 12850 км от центра Фаэтона. Система Луна-Фаэтон скорее всего была настоящей кратной. В такой системе со временем Луна затормозится Фаэтоном и она будет повёрнута к планете одной стороной, но вследствие небольшой массы самой планеты произойдёт торможение планеты и она также будет повёрнута к спутнику одной стороной. Расплавленого ядра у Луны тогда не существовало, а у Фаэтона оно было. Из-за этого в недрах Фаэтона происходило смещение ядра к наиболее близкой к спутнику точке, вследствие чего толщина мантии в этом месте со временем уменьшалась. Из-за остутствия стабилизационного вращения планеты, при котором ядро остаётся в центре, оно проплавило мантию до слишком тонкого слоя, который не выдержал гравитационной нагрузки при очередном параде планет, планета разрушилась по вышеописанной схеме, с тем отличием, что теперь вокруг планеты вращался крупный спутник. После разрушения ядро планеты начало падать в сторону Солнца, Луна при этом вращалась вокруг ядра по всё увеличивающейся орбите. Ядро последовательно тормозилось притяжением Марса, Земли и Венеры, в итоге ядро перешло на гелиоцентрическую орбиту и стало Меркурием. При пролёте мимо Земли Луна сильно удалилась от Фаэтона и стала спутником Земли. Луна от Фаэтона перешла к Земле плавно, без разрушения.
Внешняя поверхность бывшего ядра подверглась метеоритной бомбардировки, следовательно образовался слой новой коры, с более низкой плотностью, чем само ядро. Эта новая кора со временем застыла, но метеориты продолжали падать и в результате образовалась современная поверхность Меркурия. Луна после разрушения Фаэтона также подверглась интесивной метеоритной бомбардировки, вследствие чего произошло насыщение её метеоритным железом, образовавшимся при разбрызгивании ядра (смотрите выше механизм разрушений). Разогрев Луны от гравитационных пертурбаций способствовал осаждению железа к центру, в итоге появилось маленькое лунное ядро. На карте лунных гравитационных аномалий видны многие ядра метеоритов, застрявших в коре и мантии после остывания Луны. Спутник буквально нашпигован остатками метеоритов, как булка с изюмом. Сейсмологические исследования Луны выявили наличие многочисленных газовых каверн в толще недр.
Необходимо хоть примерно определить временные рамки разрушения Фаэтона. Разрушение планеты, даже маленькой, способно оказать значительное влияние на остальные планеты метеоритной бомбардировкой. На других телах образовались бы кратеры, а в худшем варианте началась бы новая геологическая эра. Рассмотрим каждое тело более подробно.
На Земле вследствие активной тектоники никаких следов первоначальной бомбардировки не сохранились, самый старый и самый большой метеоритный кратер Vredefort диаметром 300 км имеет возраст 2023±4 миллионов лет.
На Марсе по данным геологии 4.2 миллиарда лет назад началась Тейкианская геологическая эра, произошли глобальные вулканические извержения, навсегда изменившие климат и геологию планеты. На физической карте Марса видно, что каждому району сильного поднятия коры соотвествует крупный метеоритный кратер на противопложенной точке планеты. Поверх сильных поднятий коры проходят гигантские каньоны, промытые водой - после катастрофы вода в атмосфере ещё какое-то время была.
На Луне, по некоторым данным, 4172 миллиона лет назад началась Пре-нектарианская геологическая эра. Некоторые образцы лунного грунта из морей имеют возраст 4.2 миллиарда лет (J. Papike, G. Ryder, C. Shearer, "Lunar Samples". Reviews in Mineralogy and Geochemistry 36: 5.1-5.234, 1998).
Возраст крупных кратеров Каллисто Асгарда и Валгаллы превышает 3 миллирда лет, но точно не определён.
Возраст Луны по анализу грунта определён как 4.527±0.010 миллиардов лет. От времени образования Луны до разрушения Фаэтона прошло всего 350 миллионов лет (4.527-4.172), необходимо составить математическую модель и просчитать, хватит ли этого времени на остановку вращения Фаэтона и смещения его ядра.
В статье, посвящённой происхождению Луны на сайте wikipedia.org, приводятся критерии, которым должна соотвествовать каждая теория происхождения Луны:
1. Плотность Луны 3346 кг/м3, очень маленькое железное ядро.
При формировании Луны на орбите Фаэтона плотность была примерно 3000 кг/м3, плотность повысилась вследствие падения крупных железных метеоритов, образовавшихся при расплёскивании ядра Фаэтона. Радиус ядра примерно 350 км, при плотности 5400 кг/м3 масса ядра будет 9.7*1020 кг. Без ядра, учитывая уменьшение объёма и массы, плотность Луны будет 3330 кг/м3, из-за насыщенности коры и мантии метеоритным железом (смотрите карту радиальной гравитационной аномалии Луны). Возможно, вообще всё железо на Луне является метеоритным, и в центр Луны железо попало при гравитационном дифференцировании вещества.
2. На Луне дефицит, по сравнению с Землёй, лёгколетучих газов водорода, азота, фтора, инертных газов, и избыток титана, урана, тория.
Дефицит легколетучих газов мы наблюдает только сейчас, по прошествии 4.2 млрд. лет совместной эволюции, за это время Луна могла растерять всю свою атмосферу. Галилеевские спутники Юпитера также не имеют заметной атмосферы, хотя их масса сопоставима и даже больше массы Луны. Прохождение Луны через магнитный хвост Земли также оказывало бы негативное воздействие на лунную атмосферу. Расположение галилеевских спутников Юпитера внутри его магнитосферы также негативно влияет на их атмосферы (смотрите сдирание атмосферы Ио электромагнитным полем Юпитера). Также при нагреве Луны из-за падения метеоритов и гравитационных пертурбаций с момента разрушения Фаэтона до момента захвата Землёй все газы попросту бы испарились в космос. Избыток титана, урана и тория образовался вследствие насыщения Луны метеоритным веществом, образовавшимся из брызг ядра Фаэтона.
3. Идентичность содержания в породах лунной коры и в породах земной коры стабильных изотопов кислорода 16О, 17О, 18О.
За 4.2 млрд. лет совместной эволюции Земля теряла из верхних слоёв атмосферы стабильные изотопы кислорода и другие элементы, часть из которых оседала на поверхности Луны. Также Луна проходит через магнитный хвост земли, в котором также полно разных элементов. Кора Луны впитывала эти изотопы (поверхность Луны прогревается до 100 градусов Цельсия, плюс кислород - химически активный элемент, плюс ионизирующее действие солнечного ветра, равно: условия для реакции подходящие), что и привело сегодня к такой идентичности содержания изотопов. Содержание изотопов кислорода в более глубоких породах Луны и Земли ещё не исследовано и, возможно, различается. Свободный кислород в атмосфере Земли появился только с началом процесса фотосинтеза примерно 3 млрд. лет назад, когда появились фотосинтезирующие бактерии. Также необходимы исследования других тел Солнечной системы на содержание изотопов кислорода. Кроме этого, Луна удаляется от Земли на 3 см за 100 лет, следовательно, раньше Луна была ближе к Земле, приливная волна в атмосфере Земли была больше, и вероятность осаждения изотопов кислорода на поверхность Луны была выше. Необходима математическая модель эволюции системы Луна-Земля с учётом гравитационного торможения вращения. Если бы кора Луны и кора Земли произошли из одного вещества, то одинаковое содержание изотопов было бы и у других элементов.
4. У Луны мощная кора толщиной 60 - 80 км из анортозитовых пород, являющихся продуктом расплавления мантии, что предполагает полное расплавление Луны.
При движении Луны от момента разрушения Фаэтона в паре Луна - ядро Фаэтона до и после (орбита стала круговой не сразу) момента захвата Землёй она испытывала гравитационные возмущения, что привело к её разогреву (как разогревается Энцелад на эллиптичной орбите). Падение крупных метеоритов на Луну и последующее осаждение железных метеоритов в центр Луны также разогревали её. В результате Луна расплавилась изнутри, легкие породы излились на поверхность (уничтожив все кратеры, образовавшиеся до этого, - следует поискать кратеры старше 4.2 миллиарда лет) и сформировали кору, которую легко пробивали даже небольшие метеориты (например, кратеры без гравитационной аномалии в центре). Позже Луна остыла, толщина коры значительно увеличилась, и падение даже крупных метеоритов не смогло пробить кору, поэтому остались крупные гравитационные аномалии в центре крупных кратеров (смотрите карту радиальной гравитационной аномалии Луны, необходима точная датировка этих кратеров). В настоящее время по данным вращения у Луны расплавленное ядро и твёрдые кора и мантия.
5. Соотношение масс Земли и Луны чрезвычайно высоко, выше только у Плутона и Харона.
Другими словами Луна слишком большая для Земли. Это доказывает "внетерранское" происхождение Луны.
6. Система Земля-Луна обладает чрезвычайно высоким угловым моментом импульса,
чего не возникает при естественном формировании системы из протопланетного облака.
7. Плоскость орбиты Луны наклонена на 5.145 градуса к эклиптике и не совпадает с экваториальной плоскостью Земли.
Это также свидетельствует о внеземном происхождении Луны. Плоскость орбиты Луны близка к плоскости орбиты планет.
Сегодня основной гипотезой происхождения Луны является гипотеза гигантского столкновения, по которой Земля столкнулась с планетой размером с Марс, удар произошёл по касательной, и это тело сформировалось в точке Лагранжа земной орбиты. Насколько мне известно, в Солнечной системе нет ни одного естественно сформировавшегося тела в точке Лагранжа.
© Lex Yakovenko, 2008. All right reserved.
